Реферат на тему эволюция солнца

Обновлено: 05.07.2024

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Солнце (Астра) — единственная звезда в солнечной системе, дневной свет. Вокруг Солнца находятся и другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеориты, кометы и космическая пыль. Масса Солнца составляет 99,866% от общей массы всей Солнечной системы.

Солнечная радиация поддерживает жизнь на Земле (свет необходим для начальных фаз фотосинтеза), определяет климат. Солнце состоит из водорода (~73% массы и ~92% объема), гелия (~25% массы и ~7% объема) и других элементов с более низкими концентрациями: железо, никель, кислород, азот, кремний, сера, магний, углерод, неон, кальций и хром.

На каждый 1 миллион атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 851 атом кислорода, 398 атомов углерода, 123 атома неонов, 100 атомов азота, 47 атомов железа, 38 атомов магния, 35 атомов кремния, 16 атомов серы, 4 атома аргона, 3 атома алюминия, 2 атома никеля, 2 атома натрия и 2 атома кальция и очень мало других элементов.

Общая информация

Солнце принадлежит к первому типу звездной популяции. Общая теория о происхождении Солнечной системы предполагает, что ее образование было вызвано взрывами одной или нескольких сверхновых звезд. Это предположение основано, в частности, на том, что в веществе Солнечной системы содержится необычайно высокая доля золота и урана, которая может быть результатом эндотермических реакций, вызванных этим взрывом, или ядерного превращения элементов путем поглощения нейтронов в веществе массивной звезды второго поколения.

Излучение Солнца является основным источником энергии Земли. Его мощность характеризуется солнечной константой — количеством энергии, проходящей через одну поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии одной астрономической единицы (т.е. на орбите Земли) эта константа составляет около 1.37 кВт/м².

Проходя через земную атмосферу, солнечное излучение теряет около 370 Вт/м² энергии и достигает поверхности Земли только 1000 Вт/м² (в ясный день и когда Солнце находится в зените). Эту энергию можно использовать в различных природных и искусственных процессах. Например, растения используют его посредством фотосинтеза для синтеза органических соединений с выделением кислорода. Прямой нагрев за счет солнечного излучения или преобразования энергии с помощью фотоэлементов может быть использован для производства электричества (солнечные электростанции) или для других полезных работ. В далеком прошлом при фотосинтезе также вырабатывалась энергия, накопленная в нефти и других видах ископаемого топлива.

Ультрафиолетовое излучение солнца обладает антисептическими свойствами, поэтому его можно использовать для дезинфекции воды и различных предметов. Он также вызывает и имеет другие биологические эффекты, такие как стимулирование выработки витамина D в организме. Воздействие ультрафиолетовой части солнечного спектра сильно ослабляется озоновым слоем в атмосфере Земли, поэтому интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли сильно варьируется в зависимости от широты. Угол, под которым в полдень солнце находится над горизонтом, влияет на многие виды биологической адаптации — например, от этого зависит цвет кожи человека в разных регионах Земли.

Путь солнца через небесную сферу, наблюдаемый от земли, изменяется в течение года. Путь, описанный в течение года точкой, которую Солнце занимает в небе в данное время, называется аналогией и имеет форму рис. 8, которая простирается вдоль оси север-юг. Наиболее заметным изменением видимого положения Солнца в небе является его колебание вдоль северо-южного направления с амплитудой 47° (вызванное наклоном плоскости эклиптики к плоскости небесного экватора, равным 23.5°). Существует еще одна составляющая этого варианта, которая проходит по оси Восток-Запад и вызвана увеличением орбитальной скорости Земли по мере приближения к перигелиону и ее уменьшением по мере приближения к афелиону. Первое из этих движений (север-юг) является причиной смены сезонов.

Земля пересекает точку афелиона в начале июля и удаляется от Солнца на 152 млн. км. В начале января она проходит точку перигелиона и приближается к Солнцу на расстоянии 147 млн. км. Видимый диаметр Солнца меняется на 3% между этими двумя датами. Так как разница в расстоянии составляет около 5 миллионов километров, Земля получает примерно на 7% меньше тепла в изобилии. Таким образом, зимы в северном полушарии немного теплее, чем в южном, а лето немного прохладнее.

Солнце — магнитоактивная звезда. Оно имеет сильное магнитное поле, интенсивность которого меняется со временем и направление которого меняется примерно каждые 11 лет в течение солнечного максимума. Изменения магнитного поля Солнца вызывают различные эффекты, называемые солнечной активностью, к которым относятся такие явления, как солнечные пятна, солнечные вспышки, изменения солнечного ветра и т.д., а на Земле вызывают авроры в высоких и средних широтах и геомагнитные воздействия.rms, которые негативно влияют на работу телекоммуникационных устройств, средств передачи электроэнергии, а также негативно влияют на живые организмы (вызывают головные боли и плохое самочувствие у людей, чувствительных к магнитным бурям). Предполагается, что солнечная активность сыграла важную роль в создании и развитии Солнечной системы. Это также влияет на структуру земной атмосферы.

Жизненный цикл

Солнце — молодая звезда третьего поколения (популяция I) с высоким содержанием металла, т.е. оно образовалось из остатков звезд первого и второго поколения (популяция III и II соответственно).

Нынешний возраст Солнца (точнее — время его существования на основной последовательности), который оценивается с помощью компьютерных моделей звездной эволюции, составляет около 4,57 млрд. лет.

Считается, что Солнце образовалось около 4,59 миллиардов лет назад, когда быстрое сжатие гравитационных сил облака молекулярного водорода привело к образованию звезды первого звездного населения типа Тельца в нашей области галактики.

Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на основной последовательности около 10 миллиардов лет. Значит, Солнце сейчас примерно в середине своего жизненного цикла. В настоящее время в ядре Солнца протекают термоядерные реакции преобразования водорода в гелий. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 миллионов тонн вещества преобразуется в лучистую энергию, которая генерирует солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.

Через 3,5 миллиарда лет яркость солнца увеличится на 40%. К тому времени условия на Земле будут такими же, как сегодня на Венере: Вода с поверхности планеты полностью исчезнет и улетит в космос. Эта катастрофа приведет к окончательному уничтожению всех форм жизни на Земле. Когда водородное топливо сгорает в солнечном ядре, его внешняя оболочка расширяется, а ядро сжимается и нагревается.

В течение следующих 3 миллиардов лет Солнце сожжет остатки водорода в своем ядре, а еще через 700 миллионов лет войдет в стадию субгиганта. На этом этапе, согласно модели, диаметр Солнца увеличится с 1.6 до 2.3 R (на 50%), а его температура упадет с 5500 К до 4900 К.

Примерно через 7,6-7,8 миллиардов лет ядро Солнца нагреется до такой степени, что начнет сжигать водород в окружающей его оболочке. Это приведет к быстрому расширению внешних оболочек света, превращая Солнце в красного гиганта. На этом этапе радиус солнца будет в 256 раз больше, чем сегодня. Расширение звезды приведет к резкому увеличению ее светимости: в 2714 раз; и к охлаждению ее поверхности до 2650 К. Очевидно, что расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. В этом случае исследования показывают, что еще до этого момента потеря более 28% массы Солнца приведет к тому, что орбита Земли отойдет дальше от Солнца, избегая тем самым поглощения внешних слоев плазмы Солнца. Хотя исследования 2008 года показывают, что Земля, вероятно, будет поглощена Солнцем в результате приливно-отливного взаимодействия с его внешней оболочкой, орбитальный путь Земли до сих пор не ясен. Даже если наша планета не будет поглощена Солнцем, вся вода на ней будет газообразной, а ее атмосферу сдует сильнейший солнечный ветер.

Эта фаза существования Солнца продлится около десяти миллионов лет. Когда температура ядра достигнет 100 миллионов К, произойдет вспышка гелия и термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, будет сокращено до 9,5 R☉. Через 110 миллионов лет, когда запасы гелия истощатся, внешние корпуса звезды быстро разрастутся, и она снова станет красным гигантом. Этот период существования Солнца будет сопровождаться мощной молнией, порой его светимость будет в 5200 раз больше, чем сегодня. Это произойдет в результате того, что ранее не тронутые остатки гелия попадут в термоядерную реакцию. В этом состоянии солнце будет существовать около 20 миллионов лет.

Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. После прохождения Солнцем красной гигантской фазы его внешняя оболочка разрывается тепловыми пульсациями и образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется ядро белого карлика Солнца, очень горячий и плотный объект, но только такого же размера, как и Земля.

Структура солнца

Солнечное ядро. Центральная часть Солнца радиусом около 150-175 тыс. км (т.е. 20-25% радиуса Солнца), которые представляют собой термоядерные реакции, называемые солнечным ядром. Ядро — единственное место на Солнце, где энергия и тепло вырабатываются в результате термоядерной реакции, а остальная часть звезды нагревается этой энергией. Вся энергия ядра последовательно проходит через слои до фотосферы, откуда она излучается в виде солнечного света и кинетической энергии.

Зона радиальной передачи. Над ядром, на расстоянии примерно от 0.2-0.25 до 0.7 радиуса Солнца от его центра, расположена зона переноса излучения. В этой зоне передача энергии происходит в основном за счет излучения и поглощения фотонов. В этом случае направление каждого фотона, излучаемого плазменным слоем, не зависит от того, какие фотоны были поглощены плазмой, так что он может как проникать в следующий плазменный слой в зоне переноса излучения, так и возвращаться в нижние слои.

Конвективная зона солнца. Приблизившись к поверхности солнца, температура и плотность вещества перестают быть достаточными для того, чтобы полностью передавать энергию через излучение. Происходит вихревое движение плазмы, а передача энергии на поверхность (в фотосфере) происходит в основном за счет движения самого вещества. С одной стороны, вещество фотосферы охлаждается на поверхности и погружается глубоко в конвективную зону. С другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны радиального переноса и поднимается вверх, причем оба процесса происходят с высокой скоростью. Этот вид переноса энергии называется конвекцией, а подземный слой Солнца толщиной около 200 000 км, в котором он происходит, называется конвективной зоной. По мере приближения к поверхности температура падает в среднем до 5800 К, а плотность газа — до менее 1/1000 плотности воздуха на Земле.

Солнечная атмосфера

Фотосфера (слой, излучающий свет) формирует видимую поверхность солнца. Его толщина соответствует оптической толщине около 2/3 единиц. В абсолютных величинах толщина фотосферы, по разным оценкам, достигает 100-400 км. Большая часть оптического (видимого) излучения Солнца поступает из фотосферы, в то время как излучение из более глубоких слоев не достигает ее. Температура падает с 6600 К до 4400 К по мере приближения к внешнему краю фотосферы. Эффективная температура фотосферы в целом составляет 5778 К. Его можно рассчитать по законуСтефана-Больцмана, согласно которому мощность излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна температуре четвертого градуса тела.

Хромосфера (автор доктор — гречанка. χρομα — цвет, σφαίρα — сфера, глобус) — внешняя оболочка Солнца толщиной около 2000 км, окружающая фотосфера. Происхождение названия этой части солнечной атмосферы связано с ее красноватым цветом, что обусловлено тем, что в видимом спектре хромосферы доминирует красная H-альфа-линия водородного излучения серии Баллмер. Верхняя граница хромосферы не имеет четко выраженной гладкой поверхности, и из нее постоянно выходят горячие выбросы, так называемые спицы. Среднее количество одновременно наблюдаемых спиц — 60-70 тысяч, поэтому итальянский астроном Секки в конце XIX века наблюдал хромосферу в телескопе и сравнивал ее с горящими прериями. Температура хромосферы повышается с высотой от 4000 до 20 000 К (диапазон температур более 10 000 К относительно невелик).

Плотность хромосферы низкая, поэтому яркости недостаточно для наблюдения в нормальных условиях. Но во время полного солнечного затмения, когда Луна покрывает яркую фотосферу, хромосфера над ней становится видимой и светится красным цветом. Его также можно наблюдать в любое время с помощью специальных узкополосных оптических фильтров. В дополнение к уже упомянутой линии Н-альфа с длиной волны 656,3 нм, фильтр может быть установлен на Ca II K (393,4 нм) и Ca II H (396,8 нм).

Заключение

Солнце — источник жизни на земле! Она дает нам энергию для жизни и жизнедеятельности. И если Солнце вскоре начнет двигаться в красную гигантскую стадию, то, скорее всего, всему человечеству придет конец, но у нас еще есть около 4 миллиардов лет, чтобы развить межпланетные путешествия и найти жизнь на других планетах и других системах!

Список литературы

Образовательный сайт для студентов и школьников

Солнце – ближайшая к нам звезда, благодаря которой возможна жизнь на нашей планете. Поэтому изучение Солнца, его активности, жизненного цикла, химического состава так важно для нас. Но прежде необходимо ответить на следующие вопросы: что такое звезды; как они классифицируются; какой их жизненный цикл; какой жизненный цикл нашего Солнца. Ответив на эти вопросы, мы лучше поймем, что происходит с нашей звездой, что ждать от нее в будущем и как это отразится на жизни Земли.

1. Звезды.

Начнем с определения звезды. Звезда - небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Но чаще всего звездой называют небесное тело, в котором идут в данный момент термоядерные реакции [1].

Звезда - раскаленный газовый шар, а основным свойством газа является стремление расшириться и занять любой предоставляемый ему объем. Это стремление вызвано давлением газа и определяется его температурой и плотностью. В каждой точке внутри звезды действует сила давления газа, которая старается расширить звезду. Но в каждой же точке ей противодействует другая сила - сила тяжести вышележащих слоев, пытающихся сжать звезду. Однако ни расширения, ни сжатия не происходит, звезда устойчива. Это означает, что обе силы уравновешивают друг друга. А так как с глубиной вес вышележащих слоев увеличивается, то давление, а следовательно, и температура возрастают к центру звезды.
Звезда излучает энергию, вырабатываемую в ее недрах. Температура в звезде распределена так, что в любом слое в каждый момент времени энергия, получаемая от нижележащего слоя, равняется энергии, отдаваемой слою вышележащему. Сколько энергии образуется в центре звезды, столько же должно излучаться ее поверхностью, иначе равновесие нарушится. Таким образом, к давлению газа добавляется еще и давление излучения. Лучи, испускаемые звездой, получают свою энергию в недрах, где располагается ее источник, и продвигаются через всю толщу звезды наружу, оказывая давление на внешние слои. Если бы звездное вещество было прозрачным, то продвижение это осуществлялось бы почти мнгновенно, со скоростью света. Но оно непрозрачно и тормозит прохождение излучения. Световые лучи поглощаются атомами и вновь испускаются уже в других направлениях. Путь каждого луча сложен и напоминает запутанную зигзагообразную кривую. Иногда он "блуждает" многие тысячи лет, прежде чем выйдет на поверхность и покинет звезду.

2. Классификация звезд

2.1 Основная (Гарвардская) спектральная классификация

По спектрам звезд астрономы изучают состав и строение звезд, физические процессы, протекающие в них, определяют расстояния до звезд и исследуют движение звезд в пространстве.

Спектры звезд впервые стали исследовать в начале XIX в. Однако в то время еще не были известны законы спектрального анализа (см. Электромагнитное излучение небесных тел). Лишь после открытия этих законов в середине XIX в. стали систематически наблюдать звездные спектры.

Первые наблюдения были визуальными, производились они с помощью спектроскопа. Применение фотографии во второй половине XIX в. открыло широкую дорогу спектральным исследованиям. Фотопластинка, помещенная в телескопе, перед объективом которого ставили призму, регистрировала сотни звездных спектров за одну экспозицию.

На основе многочисленных снимков спектров звезд, полученных в США на Гарвардской обсерватории, в начале XX в. была разработана детальная классификация звездных спектров. С небольшими изменениями она применяется и в настоящее время. Эта классификация звездных спектров называется гарвардской. Отдельные классы звезд обозначаются в ней буквами. Подклассы в каждом спектральном классе нумеруются цифрами от 0 до 9 после буквы, обозначающей класс. В классе О подклассы начинаются с О5. Последовательность спектральных классов отражает непрерывное падение температуры звезд по мере перехода к все более поздним спектральным классам.

В спектральном классе М имеется разветвление, указывающее на три немногочисленные группы холодных звезд спектральных классов R, N и S.

Подавляющее большинство звезд относится к последовательности от О до М. Эта последовательность непрерывна: характеристики звезд плавно изменяются при переходе и одного класса к другому.

Гарвардская спектральная классификация звезд основана на виде и числе спектральных линий (см. таблицу 1). В обычном звездном спектре, как и в спектре Солнца, они выглядят темными линиями на светлом фоне непрерывного спектра. Линии принадлежат различным химическим элементам. Их вид в спектре обусловлен в основном температурой звезды. Приведем ниже более подробное описание спектральных классов и назовем яркие звезды, являющиеся типичными представителями их.

Класс О — самые горячие звезды во Вселенной. Температура (Т) их поверхности — в среднем около 40 000 К. В их спектрах основными линиями являются слабые линии водорода и ионизованного и нейтрального гелия. Пример: δ, λ и ξ Ориона.

Класс В — менее горячие звезды. Т ~ 15 000 К. Линии водорода и гелия более четки, чем в классе О. Пример: Спика, Беллатрикс.

Гарвардская спектральная классификация звезд

Класс

температура, К

цвет

Масса, Мсолнца

Радиус, R солнца

Светимость, L солнца

Класс А характеризуется интенсивными широкими линиями водорода, линий гелия нет, появляются слабые линии металлов. Г=8500 К. Пример: Вега, Сириус.

Класс F - - линии водорода стали слабее, чем у класса А, много линий ионизованных металлов, в частности железа. Т —6600 К. Пример: Канопус, Процион.

Класс G — звезды со спектром, подобным солнечному. Т~5500 К. Пример: Капелла, альфа Центавра, Солнце.

Класс К — звезды, более холодные, чем Солнце. Т~ 4100 К. Линии водорода очень слабы, линии нейтральных металлов усилены, видны слабые полосы молекул СН и CN. Пример: Арктур.

Класс М — самые холодные звезды. Г~2800 К. Интенсивны линии металлов, а также полосы молекул (особенно окиси титана). В классах R и N видны темные полосы углерода и циана, а в классе S — окиси циркония. Примеры: Бетельгейзе, Антарес, Мира Кита.

Хотя спектральная классификация звезд основана на характеристиках спектральных линий, непрерывный спектр, на фоне которого эти линии наблюдаются, также существенно изменяется при переходе от класса О к классу М. У горячих звезд О и В усилена синяя часть спектра и слаба красная; звезды F и G-имеют наибольшую интенсивность излучения в желтых лучах, а звезды М светят преимущественно в красной области и крайне мало излучают в синей. В соответствии с этим изменяется цвет звезд: О и В — голубоватые звезды, А — белые, F и G — желтые, К — красноватые (оранжевые), М — красные.

Классификация, рассмотренная выше, является одномерной, так как основной характеристикой, учитываемой в ней, является температура звезды. Но среди звезд одного и того же спектрального класса есть звезды-гиганты и звезды-карлики. Они различаются по плотности газа в атмосфере, площади поверхности, светимости. Эти различия отражаются на спектрах звезд [2].

2.2. Йеркская классификация с учетом светимости звезд

В 1953 г. была разработана новая, уточненная двумерная классификация звезд. По этой классификации у каждой звезды кроме спектрального класса указывается еще класс светимости. Он обозначается римскими цифрами от I до VII[2], [].

Ia+ или 0 – гипергиганты;

I, Ia, Iab, Ib — сверхгиганты;

II, IIa, IIb — яркие гиганты;

III, IIIa, IIIab, IIIb — гиганты;

V, Va, Vb — карлики (звезды главной последовательности);

VII — белые карлики.

Новая классификация позволяет определять расстояния до звезд по их спектрам и видимым звездным величинам. Сейчас она является общепринятой и широко используется в астрономии.

2.3 Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела (см. рисунок 1) (варианты транслитерации: диаграмма Герцшпрунга — Рессела, Расселла, или просто диаграмма Г-Р или диаграмма цвет — звёздная величина) показывает зависимость между абсолютной звёздной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды. Неожиданным является тот факт, что звёзды на этой диаграмме располагаются не случайно, а образуют хорошо различимые участки.

Рисунок 1 - Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

Была предложена в 1910 году независимо Эйнаром Герцшпрунгом (Дания) и Генри Расселом (США). Диаграмма используется для классификации звёзд и соответствует современным представлениям о звёздной эволюции.

Диаграмма даёт возможность (хотя и не очень точно) найти абсолютную величину по спектральному классу. Особенно для спектральных классов O—F. Для поздних классов это осложняется необходимостью сделать выбор между гигантом и карликом. Однако определённые различия в интенсивности некоторых линий позволяют уверенно сделать этот выбор.

Около 90 % звёзд находятся на главной последовательности. Их светимость обусловлена ядерными реакциями превращения водорода в гелий. Выделяется также несколько ветвей проэволюционировавших звёзд — гигантов, в которых происходит горение гелия и более тяжёлых элементов. В левой нижней части диаграммы находятся полностью проэволюционировавшие белые карлики [3].

3. Эволюция звезд

Хотя по человеческой шкале времени звезды и кажутся вечными, они, подобно всему сущему в природе, рождаются, живут и умирают. Согласно общепринятой гипотезе газопылевого облака звезда зарождается в результате гравитационного сжатия межзвездного газопылевого облака. По мере уплотнения такого облака сначала образуется протозвезда, температура в ее центре неуклонно растет, пока не достигает предела, необходимого для того, чтобы скорость теплового движения частиц превысила порог, после которого протоны способны преодолеть макроскопические силы взаимного электростатического отталкивания и вступить в реакцию термоядерного синтеза.

При вторичном сгорании гелия в ядре звезды выделяется так много энергии, что звезда начинает буквально раздуваться. При этом совокупная энергия излучения звезды остается примерно на том же уровне, что и в течение основной фазы ее жизни, но, поскольку излучается эта энергия теперь через значительно большую площадь поверхности, внешний слой звезды остывает до красной части спектра. Звезда превращается в красный гигант.

Звезды более массивные (класса A, B, O) ждет куда более зрелищный конец. После сгорания гелия их масса при сжатии оказывается достаточной для разогрева ядра и оболочки до температур, необходимых для запуска следующих реакций нуклеосинтеза — углерода, затем кремния, магния — и так далее, по мере роста ядерных масс. При этом при начале каждой новой реакции в ядре звезды предыдущая продолжается в ее оболочке. На самом деле, все химические элементы вплоть до железа, из которых состоит Вселенная, образовались именно в результате нуклеосинтеза в недрах умирающих звезд этого типа. Но железо — это предел; оно не может служить топливом для реакций ядерного синтеза или распада ни при каких температурах и давлениях, поскольку как для его распада, так и для добавления к нему дополнительных нуклонов необходим приток внешней энергии. В результате массивная звезда постепенно накапливает внутри себя железное ядро, не способное послужить топливом ни для каких дальнейших ядерных реакций.

Как только температура и давление внутри ядра достигают определенного уровня, электроны начинают вступать во взаимодействие с протонами ядер железа, в результате чего образуются нейтроны. И за очень короткий отрезок времени — некоторые теоретики полагают, что на это уходят считанные секунды, — свободные на протяжении всей предыдущей эволюции звезды электроны буквально растворяются в протонах ядер железа, всё вещество ядра звезды превращается в сплошной сгусток нейтронов и начинает стремительно сжиматься в гравитационном коллапсе, поскольку противодействовавшее ему давление вырожденного электронного газа падает до нуля. Внешняя оболочка звезды, из под которой оказывается выбита всякая опора, обрушивается к центру. Энергия столкновения обрушившейся внешней оболочки с нейтронным ядром столь высока, что она с огромной скоростью отскакивает и разлетается во все стороны от ядра — и звезда буквально взрывается в ослепительной вспышке сверхновой звезды. За считанные секунды при вспышке сверхновой может выделиться в пространство больше энергии, чем выделяют за это же время все звезды галактики вместе взятые.

После вспышки сверхновой и разлета оболочки у звезд класса O, Bпродолжающийся гравитационный коллапс приводит к образованию нейтронной звезды, вещество которой сжимается до тех пор, пока не начинает давать о себе знать давление вырожденных нейтронов — иными словами, теперь уже нейтроны (подобно тому, как ранее это делали электроны) начинают противиться дальнейшему сжатию, требуя себе жизненного пространства. Это обычно происходит по достижении звездой размеров около 15 км в диаметре. В результате образуется быстро вращающаяся нейтронная звезда, испускающая электромагнитные импульсы с частотой ее вращения; такие звезды называются пульсарами. Наконец, если масса ядра звезды превышает 30 солнечных масс (класс О), ничто не в силах остановить ее дальнейший гравитационный коллапс, и в результате вспышки сверхновой образуется черная дыра.

4. Эволюция солнца

Как и все звёзды, Солнце родилось в сжавшейся газопылевой туманности. Когда столь грандиозная масса сжималась, она сама себя сильно разогрела внутренним давлением до температур, при которых в её центре смогли начаться термоядерные реакции. В центральной части температура на Солнце равна 15.000.000 К, а давление достигает сотни миллиардов атмосфер. Так зажглась новорожденная звезда (не путайте с новыми звёздами).

Масса Солнца составляет 99,866 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Солнце состоит из водорода (~73 % от массы и ~92 % от объёма), гелия (~25 % от массы и ~7 % от объёма) и других элементов с меньшей концентрацией: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. На 1 млн атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 851 кислорода, 398 углерода, 123 неона, 100 азота, 47 железа, 38 магния, 35 кремния, 16 серы, 4 аргона, 3 алюминия, по 2 атома никеля, натрия и кальция, а также совсем немного всех прочих элементов. Средняя плотность Солнца составляет 1,4 г/см³, то есть равна плотности воды в Мёртвом море.

За время жизни - 5 миллиардов лет, в центре нашего светила, где температура достаточно высока, сгорело около половины всего имеющегося там водорода. Где-то столько же, 5 миллиардов лет, Солнцу осталось жить.

Заключение

После того, как запас водорода иссякнет, наше Солнце будет напоминать постоянно расширяющийся воздушный шар или, говоря научными терминами, Красный гигант. При этом будет можно утверждать, что будут полностью уничтожены Венера и Меркурий, а также, скорее всего и Земля, так как при расширении Красные гиганты увеличиваются в размерах в тысячи раз.

В итоге внешние слои Красного гиганта остынут и будут отброшены, оставив лишь ядро звезды или, к тому моменту это уже будет не ядро, а так называемый Белый Карлик, температура которого примерно равна температуре нынешнего Солнца, а вот размеры сопоставимы с размером Земли.

Наше Солнце – типичный пример звезды, эволюционировавшей из звездной туманности 4,6 миллиарда лет назад. Но как выглядит рождение и развитие Солнца? Давайте внимательно изучим этапы солнечной эволюции.

Рождение и эволюция Солнца

Солнце и все ближайшие планеты начали свое существование в гигантском облаке молекулярного газа и пыли. Примерно 4,6 миллиарда лет назад это облако под воздействием внешних сил (гравитационного поля ближайших звезд или выброса энергии сверхновой) начало сжиматься. Во время сжатия внутренние силы газа и взаимодействие частиц пыли сформировали участки пространства с большей плотностью материи. Эти скопления позже дадут начало жизни бесчисленного количества звездных систем, в том числе и нашей.

В процессе сжатия скоплений из-за сил взаимодействия частиц наша будущая звезда начала вращаться. Центробежная сила создала большой шар материи в центре и плоский диск из пыли и газа ближе к краю новосозданной системы. Из центрального шара позже образуется Солнце, а из диска – планеты и астероиды. В течение первых ста тысяч лет после сжатия газового облака Солнце было коллапсирующей протозвездой. Это продолжалось пока температура и давление звезды не привели к воспламенению ее центральной части – ядра. С этого момента наша звезда превратилась в светило типа Т Тельца – очень активную звезду с сильным солнечным ветром. Со временем Солнце постепенно стабилизировалось и обрело свою теперешнюю форму. Так началась жизнь нашей ближайшей звезды, но это лишь первый этап эволюции Солнца.

Основной этап эволюции Солнца

Солнце в собственном развитии находится на основном этапе жизни, как и большинство звезд во Вселенной. В ее ядре ежесекундно 600 миллионов тонн водорода превращается в гелий и производится 4*1027 Ватт энергии. Этот процесс в ядре Солнца начался 4,6 миллиарда лет назад и не менялся с тех пор. Но запас гидрогена в звезде не безграничен: горючего светилу хватит еще на 7 миллиардов лет жизни.

Чем больше в звезде накапливается гелия, тем больше сгорает водорода. Следствием этого является больший выход энергии и увеличение яркости свечения. Вы едва ли заметите эти изменения в краткосрочной перспективе, но за последующий миллиард лет Солнце станет ярче на 10%. А это уже не обещает ничего хорошего Земле и другим планетам нашей системы.

Увеличение выхода энергии ядерного синтеза внутри Солнца за миллиард лет приведет к сильному парниковому эффекту на Земле, подобному тому, что происходит сейчас на Венере. Со временем влага, содержащаяся в атмосфере планеты, выветрится усиленным солнечным излучением.

Через 3,5 миллиарда лет Солнце будет ярче уже на 40%, чем сейчас. Температура на поверхности Земли увеличится настолько, что существование на ней жидкой воды станет невозможным. Океаны выкипят, и пар не задержится в атмосфере. Ледники растают, а снег останется лишь мифом давно забытых времен. Все условия для жизни на планете будут уничтожены безжалостным солнечным излучением. Наша голубая планета окончательно превратится в раскаленную высушенную Венеру.

Смерть звезды

Туманность Эскимос как наглядная картинка вероятной смерти нашего Солнца

Ничто не вечно. Это правило справедливо для всего: для нас, для нашего дома – Земли и для Солнца. Хоть конец Солнечной системы и не произойдет завтра и не выпадет на век кого-либо из живущих сегодня, когда-нибудь в далеком будущем звезда израсходует все топливо и отправится в последний путь, к забвению. Как же закончится развитие Солнца?

Примерно через 6 миллиардов лет Солнце израсходует все запасы водорода в ядре. После этого инертный гелий, накопившейся в ядре звезды, станет нестабильным и начнет коллапсировать под собственным весом. Вследствие этого ядро начнет нагреваться и уплотняться. Солнце начнет увеличивать свои размеры, пока не перейдет в стадию красного гиганта. Растущая звезда поглотит Меркурий, Венеру и, наверное, даже Землю. Но даже в случае, если наша планета уцелеет, жар от раскаленной звезды нагреет ее поверхность и превратит в настоящий ад для любой известной органической жизни.

Когда Солнце окончательно сгорит?

Последовательность ядерного синтеза внутри звезд

Смерть любой звезды, находящейся в стадии красного гиганта, не за горами. У Солнца будет еще достаточно температуры и давления, чтобы начать следующий этап ядерного синтеза: из гелия, который в этот раз будет топливом, синтезируется углерод. Этот этап займет около ста миллионов лет – до того момента, когда выгорит весь гелий. В конце оболочка станет нестабильной, и звезда начнет усиленно пульсировать. За весьма короткий промежуток времени эти пульсации выбросят в открытый космос большую часть атмосферы Солнца.

Когда от атмосферы недавнего гиганта ничего не останется, вместо большой и яркой звезды в пространстве повиснет белый карлик – небольшое, размером с Землю, светило из чистого карбона, по массе равное звезде. Алмаз размером с нашу планету будет еще долго светиться тепловым излучением, но этого недостаточно для ядерного синтеза. Со временем он остынет до температуры окружающей среды – пары градусов выше абсолютного нуля.

Так закончится жизнь нашего Солнца – одиноким алмазным постаментом.

Взорвется ли Солнце?

Крабовидная туманность - яркий пример остатка сверхновой

Нет ни одного реалистичного сценария, по которому Солнце бы взорвалось. Хоть нам она и кажется огромной, наша звезда невелика относительно невообразимо больших звезд, которыми полна Вселенная. Даже когда Солнце сжигает весь гидроген, она сначала растет, а потом уменьшается до размера небольшой планеты, медленно остывая триллионы лет.

Для того чтобы звезда взорвалась, ее масса должна значительно превышать массу Солнца. Если бы наша звезда была бы в десяток раз больше, тогда можно было бы говорить о взрыве. Сверхмассивные звезды после расходования водорода и гелия продолжают синтез более тяжелых элементов – вплоть до железа, синтез которого не сопровождается выделением энергии. Тогда внутреннее давление звезды, удерживавшее ее от воздействия гравитационных сил, исчезает, и звезда взрывается, выбрасывая в космос огромное количество энергии.

После взрыва от таких звезд остаются нейтронные звезды, которые быстро вращаются вокруг своей оси, или даже черные дыры.

Помните, масса Солнца слишком мала, чтобы когда-либо взорваться. И этого не произойдет, так что переживать не стоит.

Солнце (астр. ☉) – единственная звезда Солнечной системы. Вокруг Солнца обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль.

Внутреннее строение Солнца

Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Внутренний объем Солнца можно разделить на несколько областей; вещество в них отличается по своим свойствам, и энергия распространяется посредством разных физических механизмов. Познакомимся с ними, начиная с самого центра.

Эта энергия выделяется в результате слияния атомов легких химических элементов в атомы более тяжелых. В недрах Солнца из четырех атомов водорода образуется один атом гелия. Именно эту страшную энергию люди научились освобождать при взрыве водородной бомбы. Есть надежда, что в недалеком будущем человек сможет научиться использовать ее и в мирных целях (в 2005 году новостные ленты передавали о начале строительства первого международного термоядерного реактора во Франции).

Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объеме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца. Но энергия горячего ядра должна как-то выходить наружу, к поверхности Солнца. Существуют различные способы передачи энергии в зависимости от физических условий среды, а именно: лучистый перенос, конвекция и теплопроводность. Теплопроводность не играет большой роли в энергетических процессах на Солнце и звездах, тогда как лучистый и конвективный переносы очень важны.

Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порции света – квантов. Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в этом же направлении идет поток энергии. В целом процесс этот крайне медленный. Чтобы квантам добраться от центра Солнца до фотосферы, необходимы многие тысячи лет: ведь, переизлучаясь, кванты все время меняют направление, почти столь же часто двигаясь назад, как и вперед.

В центре Солнца рождаются гамма-кванты. Их энергия в миллионы раз больше, чем энергия квантов видимого света, а длина волны очень мала. По дороге кванты претерпевают удивительные превращения. Отдельный квант сначала поглощается каким-нибудь атомом, но тут же снова переизлучается; чаще всего при этом возникает не один прежний квант, а два или несколько. По закону сохранения энергии их общая энергия сохраняется, а потому энергия каждого из них уменьшается. Так возникают кванты все меньших и меньших энергий. Мощные гамма-кванты как бы дробятся на менее энергичные кванты – сначала рентгеновских, потом ультрафиолетовых и

наконец видимых и инфракрасных лучей. В итоге наибольшее количество энергии Солнце излучает в видимом свете, и не случайно наши глаза чувствительны к нему.

Что такое конвекция?

Когда жидкость кипит, она перемешивается. Так же может вести себя и газ. Огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают свое тепло окружающей среде, а охлажденный солнечный газ спускается вниз. Похоже, что солнечное вещество кипит и перемешивается. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым. Однако по инерции сюда все же проникают горячие потоки из более глубоких, конвективных слоев. Хорошо известная наблюдателям картина грануляции на поверхности Солнца является видимым проявлением конвекции.

Конвективная зона Солнца

Радиоактивная зона около 2/3 внутреннего диаметра Солнца, а радиус составляет около 140 тыс.км. Удаляясь от центра, фотоны теряют свою энергию под влиянием столкновения. Такое явление называют – феномен конвекции. Это напоминает процесс, происходящий в кипящем чайнике: энергии, поступающей от нагревательного элемента, намного больше того количества, которое отводится тепло проводимостью. Горячая вода, находящаяся в близости от огня, поднимается, а более холодная опускается вниз. Этот процесс называются конвенция. Смысл конвекции в том, что более плотный газ распределяется по поверхности, охлаждается и снова идет к центру. Процесс перемешивания в конвективной зоне Солнца осуществляется непрерывно. Глядя в телескоп на поверхность Солнца, можно увидеть ее зернистую структуру – грануляции. Ощущение такое, что оно состоит из гранул! Это связано с конвекцией, происходящей под фотосферой.

Фотосфера Солнца

Хромосфера Солнца

Хромосфера Солнца (цветная сфера) – плотный слой (10 000 км) солнечной атмосферы, который находится прямо за фотосферой. Хромосферу наблюдать достаточно проблематично, за счет ее близкого расположения к фотосфере. Лучше всего ее видно, когда Луна закрывает фотосферу, т.е. во время солнечных затмений.

Солнечные протуберанцы – это огромные выбросы водорода, напоминающие светящиеся длинные волокна. Протуберанцы поднимаются на огромные расстояние, достигающие диаметра Солнца (1.4 млм км), двигаются со скоростью около 300 км/сек, а температура при этом, достигает 10 000 градусов.

Солнечная корона

Солнечная корона – внешние и протяженные слои атмосферы Солнца, берущие начало над хромосферой. Длина солнечной короны является очень продолжительной и достигает значений в несколько диаметров Солнца. На вопрос где именно она заканчивается, ученые пока не получили однозначного ответа.

Состав солнечной короны – это разряженная, высоко ионизированная плазма. В ней содержатся тяжелые ионы, электроны с ядром из гелия и протоны. Температура короны достигает от 1 до 2ух млн градусов К, относительно поверхности Солнца.

Солнечный ветер – это непрерывное истечение вещества (плазмы) из внешней оболочки солнечной атмосферы. В его состав входят протоны, атомные ядра и электроны. Скорость солнечного ветра может меняться от 300 км/сек до 1500 км/сек, в соответствии с процессами, происходящими на Солнце. Солнечный ветер, распространяется по всей солнечной системе и, взаимодействуя с магнитным полем Земли, вызывает различный явления, одним из которых, является северное сияние.

Излучение Солнца

Солнце излучает свою энергию во всех длинах волн, но по-разному. Приблизительно 44% энергии излучения приходится на видимую часть спектра, а максимум соответствует желто-зеленому цвету. Около 48% энергии, теряемой Солнцем, уносят инфракрасные лучи ближнего и дальнего диапазона. На гамма-лучи, рентгеновское, ультрафиолетовое и радио излучение приходится лишь около 8%.

Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные Й.Фраунгофером в 1814 году. Эти линии возникают при поглощении фотонов определенных длин волн атомами различных химических элементах в верхних, относительно холодных, слоях атмосферы Солнца. Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, например, с помощью наблюдений спектра Солнца было предсказано открытие гелия, который на Земле был выделен позже.

Виды излучения

Рентгеновские лучи исходят в основном от верхних слоев хромосферы и короны. Особенно сильным излучение бывает в годы максимума солнечной активности.

Солнце излучает не только свет, тепло и все другие виды электромагнитного излучения. Оно также является источником постоянного потока частиц – корпускул. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы – солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы – солнечной короны. На фоне этого постоянно дующего плазменного ветра отдельные области на Солнце являются источниками более направленных, усиленных, так называемых корпускулярных потоков. Скорее всего, они связаны с особыми областями солнечной короны – коронарными дырами, а также, возможно, с долгоживущими активными областями на Солнце. Наконец, с солнечными вспышками связанны наиболее мощные кратковременные потоки частиц, главным образом электронов и протонов. В результате наиболее мощных вспышек частицы могут приобретать скорости, составляющие заметную долю скорости света. Частицы с такими большими энергиями называются солнечными космическими лучами.

Солнечное корпускулярное излучение оказывает сильное влияние на Землю, и прежде всего на верхние слои ее атмосферы и магнитное поле, вызывая множество геофизических явлений. От вредного влияния излучения Солнца нас защищает магнитосфера и атмосфера Земли.

Интенсивность солнечного излучения

Имея крайне высокие температуры, Солнце является очень сильным источником излучения. Видимый диапазон солнечного излучения обладает наивысшей интенсивность излучения. При этом до Земли так же доходит большое количество невидимого спектра. Внутри Солнца протекают процессы, при которых из атомов водорода синтезируются атомы гелия. Это процессы называются процессами ядерного синтеза, они сопровождаются выделением огромного количества энергии. Эта энергия приводит к тому, что Солнце разогревается до температуры 15 миллионов градусов Цельсия (во внутренней его части).

На поверхности Солнца (фотосфере) температура достигает 5500 °С. На этой поверхности Солнце излучает энергию со значение 63 МВт/ м². До поверхности Земли доходит лишь немногая часть этого излучения, что позволяет комфортно существовать человечеству на нашей планете. Средняя интенсивность излучения на атмосферу Земли приблизительно равна 1367 Вт/м². Данное значение может колебаться в диапазоне 5% из-за того что, двигаясь по эллиптической орбите Земля отдаляется от Солнца на разное расстояние в течение года. Значение 1367 Вт/ м² называют солнечной постоянной.

Солнечная энергия на поверхности Земли

Атмосфера Земли не пропускает всю солнечную энергию. Поверхности Земли достигает не более 1000 Вт/м2. Часть энергии поглощается, часть отражается в слоях атмосферы и в облаках. Большое количество излучения рассеивается в слоях атмосферы, вследствие чего образуется рассеянное излучение (диффузное). На поверхности Земли тоже часть излучения отражается и превращается в рассеянное. Сумма рассеянного и прямого излучения называется суммарным солнечным излучением. Рассеянное излучение может составлять от 20 до 60%.

На количество энергии, поступающее к поверхности Земли, так же влияет географическая широта и время года. Ось нашей планеты, проходящая через полюса, наклонена на 23,5° относительно орбиты вращения вокруг Солнца. В период с марта

до сентября солнечный свет больше попадает на Северное полушарие, в остальное время – Южное. Поэтому продолжительность дня в летнее и зимнее время разная. Широта местности та влияет на продолжительность светового дня. Чем Севернее, тем длиннее в летнее время и наоборот.

Эволюция Солнца

Далее, когда столь грандиозная масса (2*1030кг) сжималась под действием сил гравитации, она сама себя сильно разогрела внутренним давлением до температур, при которых в ее центре смогли начаться термоядерные реакции. В центральной части температура на Солнце равна 15000000K, а давление достигает сотни миллиардов атмосфер. Так зажглась новорожденная звезда (не путайте с новыми звездами).

В основном Солнце в начале своей жизни состояло из водорода. Именно водород в ходе термоядерных реакций превращается в гелий, при этом выделяется энергия, излучаемая Солнцем. Солнце принадлежит к типу звезд, называемых желтыми карликами. Оно – звезда главной последовательности и относится к спектральному классу G2. Масса одинокой звезды довольно однозначно определяет ее судьбу. За время жизни (~5 миллиардов лет), в центре нашего светила, где температура достаточно высока, сгорело около половины всего имеющегося там водорода. Примерно столько же, 5 миллиардов лет, Солнцу осталось жить в таком виде, к которому мы с вами привыкли.

Читайте также: