Как работает Солнце

Когда в последний раз вы смотрели вверх и удивлялись той таинственной, живительной силе, что дает Солнце?

Солнце согревает нашу планету каждый день, дает свет, благодаря которому мы видим и необходимо для жизни на Земле . Оно может поместить один миллион триста тысяч Земных шаров  внутри своей сферы. Она производит закаты, достойные стихотворений и энергию, равную взрыву одного триллиона мегатонных ядерных бомб каждую секунду.

Наше Солнце является обычной старой средней звездой, по всеобщим стандартам. Особое влияние на Землю оно оказывает потому, что расположено к ней довольно близко.

Итак, как близко наше Солнце?

Сколько места нужно, чтобы поместить 1300000 Земель?

Если солнце находится в космическом вакууме, то как оно горит?

Почему на Солнце возникают солнечные вспышки?

Погаснет ли когда-нибудь Солнце? И что тогда будет с Землей и ее жителями?

В этой статье мы рассмотрим увлекательный мир ближайшей к нам звезды. Мы будем смотреть на Солнце, узнаем, как оно создает свет и тепло, а также изучим его основные особенности.

Солнце начало гореть более чем 4,5 миллиардов лет назад. Это массовое скопление газа, в основном водорода и гелия. Оттого, что Солнце так массивно, оно имеет огромную гравитацию и достаточно гравитационной силы, чтобы не только держать весь этот водород и гелий вместе, но и удерживать все планеты Солнечной системы на своих орбитах вокруг Солнца.

Солнце это гигантский ядерный реактор.

 

Факты о Солнце

Среднее расстояние от Земли : 150 миллионов километров

Радиус : 696000 км

Масса : 1,99 х 10 ³⁰ кг (330 000 масс Земли)

Состав (по массе) : 74% водорода, 25% гелия, 1% других элементов

Средняя температура : 5800 градусов Кельвина (поверхность), 15500000 градусов Кельвина (ядро)

Средняя плотность : 1,41 грамма на см ³

Объем : 1,4 х 10 ²⁷ кубических метров

Период вращения : 25 дней (в центре) до 35 дней (полюса)

Расстояние от центра Млечного Пути : 25 000 световых лет

Орбитальная скорость / период : 230 километров в секунду / 200 миллионов лет

 

Части Солнца

Солнце является такой же звездой, как и другие звезды, которые мы видим ночью. Разница в расстоянии. Другие звезды, которые мы видим, находятся на многих световых лет от Земли, а наше Солнце находится всего в 8 минутах движения света — во много тысяч раз ближе.

Официально, солнце классифицируется как звезда типа G2V желтый карлик, на основе спектра света, который оно излучает. Солнце является лишь одной из миллиардов звезд, которые вращаются вокруг центра нашей Галактики , состоит из того же вещества и компонентов.

Солнце состоит из газа, у которого нет твердой поверхности. Тем не менее, оно ​​имеет определенную структуру. Три основных структурных областей Солнца:

Ядро - центр Солнца, содержащей 25 процентов его радиуса.

Зона лучистого переноса - область, непосредственно окружающая ядро, содержащая 45 процентов его радиуса.

Конвективная зона - внешний слой Солнца, содержащий 30 процентов от его радиуса.

Над поверхностью Солнца расположена его атмосфера, которая состоит из трех частей:

Фотосфера - внутренняя часть атмосферы Солнца

Хромосфера - область между фотосферой и короной

Корона - самый верхний слой солнечной атмосферы, состоящий из солнечных вихрей — протуберанцев и энергетических извержений, создающих солнечный ветер.

Все основные особенности Солнца можно объяснить ядерными реакциями, которые производят энергию, магнитными полями, возникающими в результате движения газа и его огромной массой.

 

Солнечное ядро

Ядро находится в центре и занимает 25 процентов радиуса Солнца. Его температура превышает 15 миллионов градусов Кельвина. Сила гравитации создает сильное давление. Давление достаточно высокое, чтобы заставить атомы водорода соединяться вместе в реакции ядерного синтеза — то, что мы пытаемся воспроизвести здесь, на Земле. Два атома водорода объединяются для создания гелия-4 и энергии в несколько этапов:

1. Два протона в совокупности образуют атом дейтерия (атом водорода с одним нейтроном и одним протона), позитрон (по аналогии с электроном, но с положительным зарядом) и нейтрино.
2. Протон и атом дейтерия в совокупности образуют атом гелия-3 (два протона и один нейтрон) и гамма-лучи.
3. Два атома гелия-3 в совокупности образуют атом гелий-4 (два протона и два нейтрона) и два протона.

На эти реакции приходится 85 процентов энергии Солнца. Остальные 15 процентов поступают из следующих реакций:

1. Атомы гелия-3 и гелия-4 объединяются с образованием бериллия-7 (четыре протона и три нейтрона) и гамма-лучей.
2. Атом бериллия-7 захватывает электрон, чтобы стать атомом лития-7 (три протона и четыре нейтрона) и нейтрино.
3. Литий-7 соединяется с протоном с образованием двух атомов гелий-4.

Атомы гелия-4 менее массивны, чем два атома водорода, который запускает процесс, так что разница в массе преобразуется в энергию, как описано в теории относительности Эйнштейна (E=MC²). Энергия излучается в различных формах света: ультрафиолет, рентгеновские лучи, видимый свет, инфракрасный, микроволны и радиоволны.

Солнце также излучает заряженные частицы (нейтрино, протоны), входящие в состав солнечного ветра . Эта энергия достигает Земли, согревая  планету, управляет нашей погодой и обеспечивает энергию для жизни. Мы не пострадаем от солнечных излучений, пока атмосфера Земли защищает нас.

 

 

Зона лучистого переноса и конвективная зона

Зона лучистого переноса расположена снаружи от ядра и составляет 45 процентов радиуса Солнца. В этой зоне энергия от ядра передается наружу фотонами (частицами света). Фотон после появления путешествует около 1 микрона (1 миллионная часть метра), а затем поглощается молекулой газа. После этого поглощения молекула газа нагревается и повторно излучает другой фотон той же длины волны. Переизлученный фотон преодолевает  следующий микрон до поглощения следующей молекулой газа и цикл повторяется. Каждое взаимодействия фотонов и молекул газа для прохождения фотоном зоны лучистого переноса занимает много времени, вплоть до миллионов лет, но, в среднем, 170000 лет. Приблизительно 10 ²⁵ поглощений и повторных выбросов необходимо совершить для этого путешествия.

 Конвективная зона является наружным слоем и составляет 30 процентов радиуса Солнца. В ней преобладают конвекционные потоки, которые несут энергию наружу. Эти конвекционные потоки поднимают горячий газ на поверхность, в то время, как более холодное вещество фотосферы опускается в глубь конвективной зоны. В конвекционных потоках фотоны достигают поверхности быстрее, чем процесс переноса излучения, который происходит в зоне лучистого переноса.

Весь процесс движения занимает у фотона, примерно, 200000 лет, чтобы достичь поверхности Солнца.

 

Атмосфера Солнца

Мы наконец добрались до поверхности Солнца. Так же, как Земля , Солнце имеет атмосферу. Тем не менее, эта атмосфера состоит из фотосферы, хромосферы и короны .

Фотосфера является самым нижним регионом атмосферы Солнца и является областью, которую мы можем видеть. Выражение «Поверхность Солнца» обычно относится к фотосфере. Фотосфера имеет толщину от  100 до 400 километров и среднюю температуру 5800 градусов Кельвина.

 Хромосфера внешняя оболочка Солнца толщиной около 2000 километров. Температура хромосферы поднимается от 4500 градусов до 10000 градусов по Кельвину.Хромосфера, как полагают, нагревается посредством конвекции в нижележащей фотосфере. При этом возникают тонкие и длинные горячие выбросы, так называемые спикулы. Длина спикулы может достигать 5000 километров, а длительность «жизни» — несколько минут. Одновременно на поверхности Солнца можно видеть до 70000 спикул. Поэтому возникает визуальный эффект, похожий на горящую прерию.

Корона является последний слоем Солнца и простирается на несколько миллионов километров в пространство. Ее видно лучше всего во время солнечного затмения и на рентгеновских изображениях Солнца. Температура короны, в среднем, 2000000 градусов Кельвина. Хотя никто не знает, почему корона настолько горяча, это, как полагают, вызвано магнетизмом солнца. Корона имеет яркие области (горячие) и темные области, называемые корональными дырами. Корональные дыры являются относительно прохладными и из них исходит солнечный ветер.

Через телескоп мы видим несколько интересных особенностей на Солнце, которые могут иметь последствия на Земле. Давайте рассмотрим три из них: солнечные пятна, протуберанцы и солнечные вспышки.

 

Солнечные пятна, протуберанцы и солнечные вспышки

Темные, прохладные области, называемые солнечными пятнами появляются на фотосфере. Пятна на солнце всегда появляются парами и являются интенсивными магнитными полями (около 5000 раз мощнее, чем магнитное поле Земли), которые прорываются через поверхность. Силовые линии выходят через одно солнечное пятно и повторно входят через другое.

Солнечная активность происходит как часть 11-летнего цикла и называется солнечным циклом, где есть периоды максимальной и минимальной активности.

Не известно, что является причиной этого 11-летнего цикла, но две гипотезы были предложены:

1. Неравномерное вращение Солнца искажает и изгибы линий магнитного поля. Они прорываются через поверхность, образуя пары солнечных пятен. В конце концов, силовые линии разбиваются на части и солнечная активность снижается. Цикл начинается снова.

2. Огромные, трубчатой формы, круги газа изнутри Солнца появляются в высоких широтах и ​​начинают двигаться в сторону его экватора. Когда они катятся друг за другом, то образуют пятна. Когда они достигают экватора, то распадаются и пятна исчезают.

Иногда облака газов из хромосферы начинают расти и ориентироваться вдоль магнитных силовых линий от пар солнечных пятен. Эти арки газа называются солнечными протуберанцами .

Протуберанцы могут длиться два-три месяца и может достигать 50 000 километров или более над поверхностью Солнца. По достижении этой высоты, они могут вспыхнуть в течение от нескольких минут до нескольких часов и передавать большие объемы материала через корону и наружу в космос на скорости до 1000 километров в секунду. Эти извержения называют корональным выбросом массы.

Иногда в сложных группах пятен, происходят резкие, сильные взрывы. Они называются солнечными вспышками .

Солнечные вспышки, как считается, вызваны внезапным изменениям магнитного поля в области, где концентрируется магнитное поле Солнца. Они сопровождаются выделением газа, электронов, видимого света, ультрафиолетового света и рентгеновских лучей. Когда это излучение и эти частицы достигают магнитного поля Земли, они взаимодействуют с ним на ее магнитных полюсах получая сияния (Северное и Южное).

Солнечные вспышки могут также нарушать связь, навигационные системы и даже электросети. Излучения и частицы ионизируют атмосферу и предотвращают перемещения радиоволн между спутниками и землей или между землей и землей. Ионизированные частицы в атмосфере могут вызывать электрические токи в линиях электропередач и быть причиной скачков напряжения. Эти скачки напряжения могут привести к перегрузке энергосистемы и стать причиной отключений.

Вся эта бурная деятельность требует энергии, которая имеется в недостаточном количестве. В конце концов, у Солнце закончится топливо.

 

Судьба Солнца

Солнце светило в течение приблизительно 4,5 миллиарда лет. Размер Солнца является балансом между направленным наружу давлением, созданным высвобождением энергии ядерного синтеза и внутренним притяжением гравитации. За свою 4500000000 лет жизни, радиус Солнца стал на 6 процентов больше. Оно имеет достаточно водородного топлива, чтобы сжечь его в течение, примерно, 10 миллиардов лет, то есть в запасе еще имеется немного более 5 миллиардов лет и за это время Солнце будет продолжать расширяться с той же скоростью.

По мере того, как водородное топливо будет заканчиваться, яркость и температура Солнца будут расти. Примерно, через 1 миллиард лет Солнце станет настолько ярким и горячим, что жизнь на Земле останется только в океанах и на полюсах. Через 3,5 миллиарда лет температура на поверхности Земли станет такой же, как сейчас на Венере. Вода испарится и жизнь на поверхности Земли прекратится. Когда в ядре Солнца закончится водородное топливо, оно начнет сжиматься под тяжестью гравитации. Когда ядро сжимается, оно нагревается и это нагреет верхние слои, вызывая их расширение и запуская реакцию горения водорода в верхних слоях Солнца. Когда внешние слои расширятся, радиус Солнца увеличится и оно станет красным гигантом, пожилой звездой.

Радиус красного Солнца увеличится в 100 раз, достигнув земной орбиты, так что Земля погрузится в ядро красного гиганта и испарится. Через некоторое время после этого, ядро станет достаточно горячим, чтобы вызвать синтез углерода и кислорода из гелия. Радиус Солнца уменьшится.

Когда гелиевое топливо исчерпается, то ядро вновь ​​станет то расширяться, то сжиматься. Верхняя оболочка Солнца будет сорвана и превратятся в планетарную туманность, а само Солнце станет белым карликом размером с Землю.

В конце концов, Солнце будет постепенно охлаждаться до почти невидимого черного карлика. Весь этот процесс займет несколько миллиардов лет.

Так что, в течение следующего миллиарда лет для человечества Солнце является безопасным. О других опасностях, например, астероидных, можно только догадываться.