Строение Солнца
/ Солнечная система / Солнце
Ближайшая к нам звезда – это конечно Солнце. Расстояние от Земли до него по космическим параметрам совсем небольшое: от Солнца до Земли солнечный свет идет всего лишь 8 минут.
Солнце – это не обычный желтый карлик, как считали ранее. Это центральное тело солнечной системы, возле которой вертятся планеты, с большим количеством тяжелых элементов. Это звезда, образовавшаяся после нескольких взрывов сверхновых, около которой сформировалась планетная система.
За счет расположения, близкого к идеальным условиям, на третьей планете Земля возникла жизнь. Возраст Солнца насчитывает уже пять миллиардов лет.
Но давайте разберемся, почему же оно светит? Какое строение Солнца, и каковы его характеристики? Что ждет его в будущем? Насколько значительное влияние оно оказывает на Землю и ее обитателей? Солнце – это звезда, вокруг которой вращаются все 9 планет солнечной системы, в том числе и наша. 1 а.е. (астрономическая единица) = 150 млн.
км – таким же является и среднее расстояние от Земли до Солнца. В Солнечную систему входят девять больших планет, около сотни спутников, множество комет, десятки тысяч астероидов (малых планет), метеорные тела и межпланетные газ и пыл. В центре всего этого и находится наше Солнце.
Солнце светит уже миллионы лет, что подтверждают современные биологические исследования, полученные из остатков сине-зелено-синих водорослей. Изменись температура поверхности Солнца хотя бы на 10 %, и на Земле, погибло бы все живое.
Поэтому хорошо, что наша звезда равномерно излучает энергию, необходимую для процветания человечества и других существ на Земле. В религиях и мифах народов мира, Солнце постоянно занимало главное место.Почти у всех народов древности, Солнце было самым главным божеством: Гелиос – у древних греков, Ра – бог Солнца древних египтян и Ярило у славян. Солнце приносило тепло, урожай, все почитали его, потому что без него не было бы жизни на Земле. Размеры Солнца впечатляют.
Например, масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли, а его радиус в 109 раз больше. Зато плотность нашего звездного светила небольшая – в 1,4 раза больше, чем плотность воды. Движение пятен на поверхности заметил еще сам Галилео Галилей, таким образом доказав, что Солнце не стоит на месте, а вращается.
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
Тонкий слой (400 км) — фотосфера Солнца, находится прямо за конвективной зоной и представляет собой видимую с Земли «настоящую солнечную поверхность». Впервые гранулы на фотосфере сфотографировал француз Янссен в 1885г.
Среднестатистическая гранула имеет размер 1000 км, передвигается со скоростью 1км/сек и существует примерно 15 мин. Темные образования на фотосфере можно наблюдать в экваториальной части, а потом они сдвигаются. Сильнейшие магнитные поля, являются отличительно чертой таких пятен.
А темный цвет получается вследствие более низкой температуры, относительно окружающей фотосферы.
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.
Характеристики Солнца
• Масса Солнца: 2∙1030 кг (332 946 масс Земли)• Диаметр: 1 392 000 км• Радиус: 696 000 км• Средняя плотность: 1 400 кг/м3• Наклон оси: 7,25° (относительно плоскости эклиптики)• Температура поверхности: 5 780 К• Температура в центре Солнца: 15 млн градусов• Спектральный класс: G2 V• Среднее расстояние от Земли: 150 млн. км• Возраст: 5 млрд. лет• Период вращения: 25,380 суток• Светимость: 3,86∙1026 Вт
• Видимая звездная величина: 26,75m
Источник: http://kosmos-gid.ru/solar_system/solnce/
Солнце и солнечная энергия. Строение Солнца. Характеристики Солнца
Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).
С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.
Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.
Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.
Общие сведения о Солнце
Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.
Строение Солнца
В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1).
В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца.
Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.
Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы печка внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.
На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией.
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.
Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое зерно размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области — солнечные пятна.
Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть окрашенной сферой. Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету.
И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы — корона.
Солнце – источник энергии
Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли.
Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива.
Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.
Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.
Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.
Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1×1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов.
Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.
Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% — на процесс образования фотосинтеза в природе.
Исследование солнечной энергии
Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.
Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось.
Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло.
Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.
Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород.
Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия.
А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6×1011 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м3 воды.
Потенциал солнечной энергии
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год.
Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.
В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день.
Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня.Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.
Источник: http://www.gigavat.com/ses_sun.php
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности и источники энергии
Звезды — наиболее часто встречающиеся тела во Вселенной. Многие астрофизики посвящают свою жизнь их изучению. При этом все светила настолько удалены от нашей планеты, что о непосредственном их исследовании пока приходится лишь мечтать. Только Солнце доступно для постоянного наблюдения на сравнительно небольшом расстоянии.
Однако и в случае центрального светила нашей планетной системы большинство параметров получаются из вычислений, основанных на теориях и лишь косвенно подтверждающихся наблюдениями. Внутреннее строение Солнца, источник его энергии, особенности некоторых процессов, происходящих в недрах, — все эти характеристики выведены «на кончике пера».
Однако их достаточно для объяснения многих нюансов поведения не только нашего светила, но и других, схожих с ним звезд.
Параметры
Солнце — звезда спектрального класса G2, желтый карлик. Его масса оценивается в 2·1030 кг, а радиус составляет 696 тысяч километров. В химическом составе светила сильно преобладает водород (90 %), за ним следует гелий (10 %) и более тяжелые элементы (менее 0,1 %). Источники энергии и внутреннее строение Солнца тесно связаны с соотношением и преобразованием этих атомов.
В каждой точке светила постоянно поддерживается равновесие двух противоположных сил: тяготения и давления газа. Благодаря их гармоничному соотношению Солнце является более или менее стабильным космическим телом. Аналогичный механизм лежит в основе поддержания постоянства всех звезд.
Термоядерный котел
Модель внутреннего строения Солнца сформирована благодаря данным наблюдения, теоретического анализа, спектроскопии и другим методам астрономии.
На основе собранной таким образом информации определяются характеристики звезды.
Выведенные закономерности и созданные теории существуют до тех пор, пока они хорошо объясняют видимые изменения, происходящие со светилом и другими аналогичными звездами главной последовательности.
Согласно современным представлениям основным источником солнечного излучения являются термоядерные реакции, постоянно протекающие в его ядре. При крайне высоких температурах (14 млн кельвинов) происходит преобразование водорода в гелий. При этом выделяется внушительное количество энергии.
Слои
Внутреннее строение Солнца — это три зоны: ядро, изотермическая и конвективная область. Сердцевина светила занимает примерно четвертую часть его радиуса и представляет собой очень сильно сжатое вещество. Масса ядра — практически половина от общей солнечной. Именно здесь и протекают реакции синтеза элементов.
Далее следует изотермическая зона. Здесь образовавшаяся в ходе реакций в ядре энергия переносится путем излучения. Это наиболее протяженная зона. Энергия медленно просачивается сквозь нее.
По мере ее продвижения уменьшается температура и давление в недрах Солнца. При определенных показателях этих параметров возникают конвекционные процессы — начинается следующий слой светила. Здесь перенос энергии осуществляется самим веществом.
Конвективная зона у Солнца гораздо меньше изотермической (седьмая часть радиуса).
Близкие по структуре
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности схоже. Оно несколько отличается в случае голубых звезд и красных карликов.
Для первых характерны конвективное ядро и достаточно протяженная зона лучистого переноса (изотермическая). Красные карлики по последовательности расположения слоев схожи со звездами типа Солнца.
Однако у них доминирует зона конвекции, а лучистый перенос занимает лишь сравнительно небольшой участок.
Атмосфера
Привычной для нас поверхности у Солнца нет. Оно, как и все звезды, представляет собой светящийся газовый шар. Поверхность выделяется условно и разграничивает конвективную зону светила и его атмосферу. В ней также выделяют три слоя.
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности, схожих с ним, заканчивается зоной конвекции. Она непосредственно граничит с фотосферой, 300-метровым слоем, откуда излучение устремляется в космос, в том числе к Земле.
Средняя температура этой части — 5800 К. По мере удаления от конвективного слоя она падает до значения в 4800 К. Фотосфера сильно разрежена. Ее плотность в тысячу раз меньше аналогичного параметра воздуха на Земле.
Постепенно она перетекает в хромосферу, за которой располагается корона Солнца.
Состав атмосферы
тех или иных элементов во внешних оболочках светила определяется при помощи спектрального анализа. Его данные показывают, что по химическому составу атмосферы Солнце аналогично звездам второго поколения (они образовались в течение последних нескольких миллиардов лет).
В отличие от своих предшественников они характеризуются гораздо большей концентрацией атомов элементов, тяжелее водорода и гелия.
Солнце и аналогичные ему светила сформировались после разрушения части звезд первого поколения, в недрах которых в процессе термоядерного синтеза и образовались тяжелые элементы.
Хромосфера
Внутреннее строение Солнца и звезд недоступно для непосредственного наблюдения. То же можно сказать и о следующей за фотосферой воздушной оболочкой светила. Значительная яркость позволяет увидеть ее только во время полного солнечного затмения.
Эта оболочка носит название «хромосфера», что в переводе означает «окрашенная сфера». В тот момент, когда Луна загораживает собой Солнце, она приобретает розоватый оттенок, появлению которого способствует водород.
Именно этот элемент составляет внушительную часть сильно разреженной хромосферы.
Температура здесь выше, чем на предыдущем слое. Такое явление объясняется понижением плотности вещества. В верхних слоях хромосферы температура достигает 50 тысяч кельвинов.
Корона
Линия спектра водорода перестает быть различимой на высоте 12 тысяч километров над фотосферой. Чуть дальше заметен след кальция. Его линия спектра исчезает еще через 2 000 км. Высоту в 14 000 км над фотосферой принято считать началом короны, третьей внешней оболочки нашего светила.
Чем выше от условной поверхности Солнца, тем менее плотным становится воздух и значительнее температуры. Корона, представляющая собой разреженную плазму, разогревается до 2 млн кельвинов. В результате этого вещество области становится постоянным мощным источником рентгеновского и ультрафиолетового излучения.
Исследования показывают, что протяженность короны составляет 30 солнечных радиусов. Чем дальше от хромосферы, тем менее плотной она становится. Последний ее слой перетекает в космическое пространство, образуя солнечный ветер.
Будущее
Внутреннее строение Солнца, как его видят сегодня ученые, будет таким не вечно. Рано или поздно, по прогнозам примерно через 5 млрд лет, светило исчерпает запас топлива.
В результате внутреннее строение Солнца сильно поменяется: ядро сожмется до размеров, в 100 раз меньших современных габаритов светила, а его остальные оболочки превратятся в медленно остывающую атмосферу. Наша звезда войдет в стадию красного гиганта.
Еще через несколько десятков тысяч лет расширившаяся оболочка Солнца рассеется в космическом пространстве и светило превратится в белого карлика.
Сомнения
Развитие события может пойти и по другому сценарию, поскольку источники энергии и внутреннее строение Солнца, а также аналогичных ему звезд, все-таки изучены не до конца.
Высказываются предположения, что термоядерный синтез не играет столь важную роль, какую ему приписывают. Косвенное подтверждение этому — солнечное нейтрино, точнее, его отсутствие.
Эти частицы образуются в процессе термоядерных реакций и обладают мощнейшей пробивной способностью, то есть должны беспрепятственно добираться до Земли. Однако зафиксировать их пока не удалось.
Интересны и данные группы астрономов под руководством академика А.Б. Северного. Согласно им Солнце испытывает незначительные колебания. Они возможны только при условии однородности светила.
То есть если бы удалось запечатлеть внутреннее строение Солнца, фото продемонстрировало бы полное единообразие слоев.
При этом температура ярда светила должна составлять 6,5 миллиона кельвинов, что мало для протекания термоядерных реакций. Пока эта гипотеза лишь набирает силу.
Таким образом, внутреннее строение Солнца, кратко изложенное здесь, требует дальнейшего внимательного изучения. Возможно, окончательное понимание процессов, происходящих в недрах светил, станет доступно для нас только после значительного усовершенствования аппаратуры и методов познания.
Источник: http://fb.ru/article/193886/vnutrennee-stroenie-solntsa-i-zvezd-glavnoy-posledovatelnosti-i-istochniki-energii