Перевод деловых документов

Как работает Солнце | qriosity.ru

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.

Схема строения Солнца

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 .

Солнце, как оно видится в телескоп

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.

Коронарные петли на Солнце

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).

Северное сияние

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.

Солнце через 3,5 миллиарда лет

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.

Что мы знаем о Солнце и других звездах: интервью Сергея Попова

Раньше по звездам предсказывали судьбу, сегодня — находят новые экзопланеты. Что уже известно о нашей главной звезде и сколько еще ученым предстоит узнать, «РБК Трендам» рассказал астрофизик Сергей Попов

Звезды изначально были основным объектом изучения астрономии, поскольку их довольно легко наблюдать. Сегодня интерес к ним переживает некий ренессанс, только на этот раз звезды становятся своеобразным инструментом для наблюдения за другими небесными телами. Так, ученые могут обнаруживать новые экзопланеты по необычному изменению скорости звезды или ее блеска.

Также звезды играют важную роль в изучении галактик, в первую очередь нашей, ведь в них «записаны» все этапы ее формирования. Исследуя различные параметры большого количества звезд, ученые составляют карту галактики и получают возможность заглянуть в ее историю. Эта информация также помогает понять, как формировались галактики других типов, что, в свою очередь, нужно для понимания того, как эволюционировала Вселенная.

В конце 2013 года был запущен космический телескоп оптического диапазона Gaia. Его программа наблюдений была рассчитана на пять лет, до 2019 года, но он работает до сих пор. Не исключено, что его миссию продлят до 2025 года. Этот спутник позволяет определить точные координаты, скорости и другие физические характеристики более чем для миллиарда звезд.

Из чего состоят звезды

Звезда — это газовый шар, в центральной части которого происходят термоядерные реакции. Именно благодаря им звезда может светить или достаточно мощно, или долго.

99% массы звезды составляют водород и гелий, а оставшийся процент — это важные «добавки», которые позволяют определить, например, когда звезда формировалась.

Дело в том, что все более тяжелые, чем водород и гелий, элементы образовались уже в результате жизни первых звезд. Часть этих элементов выбрасывалась наружу — к примеру, значительная доля элементов тяжелее железа появилась в результате вспышек сверхновых. Слияние двух нейтронных звезд также влечет за собой масштабные события с выбросом тяжелых элементов.

Фактически все железо, которое есть на Земле, появилось в результате взрыва белого карлика, вспышки сверхновой типа Ia. Поэтому можно сказать, что даже железный привкус крови — это вкус белого карлика.

Что такое Солнце и откуда на нем вспышки

Разумеется, главной звездой для человечества является Солнце, и его изучение имеет для нас самую непосредственную практическую значимость. Еще несколько десятилетий назад люди не были готовы к очень мощным солнечным вспышкам — достаточно вспомнить блэкаут в Квебеке в 1989 году, ставший результатом солнечной бури.

Вспышки на Солнце, конечно не грозят уничтожить Землю, как в фильме «Знамение», но вполне могут привести к серьезным техническим катастрофам. Мощные выбросы энергии приводят к возмущению магнитного поля Земли, и возникающие при этом в проводящих системах токи способны их повредить. Поэтому сейчас стараются исключить их воздействие на линии электропередач, газопроводы и нефтепроводы.

А вот спутники связи защитить сложнее. Солнечная активность представляет опасность и для других астрономических приборов, поэтому те же спутники иногда стараются запускать, когда Солнце спокойно.

Одна из самых больших проблем пилотируемого полета на Марс также заключается в том, что велика вероятность попадания корабля в корональный выброс — гигантское облако плазмы, выбрасываемое Солнцем во время вспышек. Возможно, ее можно решить дополнительной защитой для аппарата или экипажа — или же целесообразнее будет просто планировать полет на периоды спокойного Солнца.

Хорошая новость заключается в том, что мощная вспышка не может произойти внезапно. У Солнца есть одиннадцатилетний период активности, и если где-то в обозримом будущем есть шанс возникновения вспышки, опасной для человечества как биологического вида, астрономические наблюдения позволят предсказать это за десятилетия до события.

Обычно детям рассказывают, что через пять-шесть-семь миллиардов лет Солнце превратится в красный гигант, а затем и в белого карлика, и жизнь на Земле станет невозможна. Однако это неправда, потому что непригодной для жизни планета станет значительно раньше.

Мощность солнечного излучения медленно возрастает, это тренд в масштабе сотен миллионов лет. Климат на Земле становится более жарким за счет влияния Солнца. И если состав земной атмосферы сохранится примерно таким же, то из-за повышения солнечной светимости жизнь на планете закончится уже через миллиард лет. С учетом того, что мало у кого из землян есть планы на такой период, о неизбежной перспективе можно пока не беспокоиться.

Благодаря созданию новых спутников, наземных телескопов, включая нейтринные, в обозримом будущем, возможно, удастся в больших деталях разобраться в физике Солнца. Это важно в том числе и для предсказания эволюции земного климата.

От звезд к Солнцу и обратно

За счет подробного изучения Солнца при помощи нейтринных детекторов мы сейчас точно знаем, что в центре звезд происходят термоядерные реакции. Приборы регистрируют частицы, испущенные в недрах Солнца спустя несколько минут после их формирования. Даже при скорости, близкой к скорости света, частицам нужно больше восьми минут, чтобы долететь от центра Солнца до Земли, и на сегодняшний день мы научились регистрировать нейтрино от всех ключевых термоядерных реакций.

Если нейтринные детекторы дали возможность заглянуть в самый центр Солнца, то посмотреть, что происходит между центром и поверхностью звезды, удается благодаря гелиосейсмологии.

Вблизи солнечной поверхности возникают акустические волны, которые распространяются в недра, отражаются и выходят наружу. Видимая поверхность Солнца колеблется, «дышит»: есть множество разных волн, и даже один и тот же участок поверхности может участвовать в очень разных колебаниях. Это можно наблюдать, правда, регистрируют при этом не звук, а свет — благодаря эффекту Доплера. Картина, которая при этом получается, поддается интерпретации и моделированию, и в итоге мы узнаем, как меняется скорость звука в недрах Солнца и то, как там меняются температура и давление.

Полученные о Солнце знания ученые используют при изучении других звезд. У далеких светил может быть разная масса, химический состав, могут меняться магнитные поля или скорость вращения, но суть остается той же. Таким образом, даже не заглядывая в глубины других звезд, мы можем быть уверены, что они устроены так же, как Солнце.

Как работает наше Солнце?

Питание Солнца

Как Солнце производит свою энергию? Что включает в себя этот процесс? И как только энергия будет произведена, как она посетит планету Земля и поддержит нашу Бледно-голубую точку?

Быстрый ответ заключается в том, что Солнце (и все другие звезды во Вселенной) способны генерировать энергию, поскольку они в основном представляют собой массивные шары термоядерных реакций.

Но на самом деле это мало о чем говорит, если, конечно, вы уже не знакомы с тем, как формируются звезды и как работает термоядерный синтез. Итак, давайте немного разберемся.

Ученые объясняют этот процесс генерации звездной энергии, возвращаясь к тому, как формируются звезды, что восходит к теории туманности. Эта теория утверждает, что ядерная реакция внутри звезды началась, когда огромное облако газа и частиц, известное как «туманность», разрушилось под давлением собственной гравитации. Именно этот коллапс в конечном итоге породил большой шар света в центре нашей Солнечной системы, поскольку он запустил процесс, в котором атомы начали сливаться вместе из-за избыточного давления и тепла.

В частности, в ядрах звезд размером с Солнце энергия вырабатывается, когда атомы водорода (H) превращаются в гелий (He). Во время этого процесса синтеза часть вещества сливающихся ядер не сохраняется и преобразуется в фотоны. Сколько же энергии производит наше Солнце? Ну, за одну секунду Солнце сжигает около 620 миллионов метрических тонн водорода в своем ядре. Это означает, что всего за одну секунду Солнце производит достаточно энергии, чтобы питать Нью-Йорк примерно на 100 лет9.0013 .

Большие звезды имеют больше тепла и давления; в результате они могут сплавлять более тяжелые элементы. Поскольку мы сплавляем более тяжелые элементы, остается больше материи, которая не сохраняется, и, следовательно, больше тепла и давления.

Авторы и права: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА

Место, где находится Земля

Это соединение атомов известно как ядерный синтез. И, как уже упоминалось, это процесс, который высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и света. Примечательно, что каждый слой Солнца играет роль в обеспечении того, чтобы солнечная энергия распределялась достаточно далеко, чтобы поддерживать жизнь на нашей планете.

99% энергии, производимой Солнцем, находится в его ядре. За пределами этого слоя синтез почти полностью остановится. Остальная часть Солнца нагревается за счет энергии, которая выходит из ядра через различные слои, в конечном итоге достигает внешнего слоя и уходит в космос в виде солнечного света или энергии частиц.

Последующими слоями Солнца являются радиационная зона, конвективная зона и фотосфера. Эти слои становятся все холоднее по мере удаления от ядра. Реакции синтеза в большинстве из них уже не происходят. Однако они облегчают передачу тепла и энергии наружу, от ядра в космическое пространство.

Когда это тепло и энергия достигают Земли, озоновый слой атмосферы фильтрует большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, но пропускает часть. Эта энергия необходима для жизни на нашей планете.

Поделиться этой статьей

Как работает Солнце?

Небесное чудо, Солнце — массивная звезда, которая образовалась в результате массивного гравитационного коллапса, когда космическая пыль и газ из туманности столкнулись, сформировав шар, который в 100 раз больше и весит более чем в 300 000 раз больше, чем планета Земля. Состоящее на 70% из водорода и примерно на 28% из гелия (плюс другие газы), Солнце является центром нашей Солнечной системы и самым большим небесным телом вблизи нас.

«Поверхность Солнца представляет собой плотный слой плазмы с температурой 5800 градусов по Кельвину, который постоянно находится в движении за счет действия конвективных движений, вызванных подогревом снизу», — говорит Дэвид Александер, профессор физики и астрономии в Университет Райса. «Эти конвективные движения проявляются в виде распределения так называемых грануляционных ячеек диаметром около 1000 км, которые появляются по всей поверхности Солнца».

Внутри Солнца

По существу, это постоянное движение высокой температуры вызывает ядерную реакцию. В ядре Солнца водород превращается в гелий и вызывает термоядерный синтез, который движется к поверхности Солнца, ускользая в космос в виде электромагнитного излучения, ослепляющего света и невероятных уровней солнечного тепла. На самом деле ядро ​​Солнца на самом деле горячее, чем поверхность, но когда термоядерный синтез уходит с поверхности, температура поднимается до более чем 1-2 миллионов градусов. Александр объяснил, что астрономы не до конца понимают, почему атмосфера Солнца такая горячая, но думают, что это как-то связано с магнитным полем.

Узнайте больше о том, как Солнце создает тепловую и световую энергию, посмотрев наше видео ниже…