Солнце

Жизненный цикл Солнца

По всей видимости, Солнце своим появлением обязано протозвёздам предыдущих поколений, так как в его составе содержится значительное количество металлов. Возраст его составляет 4,5 -4,75 млрд. лет, причём всё это время оно увеличивает свою яркость и температуру (разгорается).

Жизненный цикл звезд
Интересный факт: магнитное поле нашей звезды имеет цикл изменения примерно равный 22-м земным годам. Что равно двум периодам солнечной активности в 11-ть лет.

Такой физический процесс не может идти без потери массы водорода, являющегося основным элементом в составе светила. Когда-нибудь это закончится, водород сгорит и улетучиться, а гелий начнёт сжиматься. Размеры светила станут увеличиваться вплоть до достижения пределов орбиты Земли. Солнце станет красным гигантом и будет находиться в таком состоянии предположительно 120 млн. лет. Затем возникнет туманность вследствие значительного уменьшения массы и гигантского расширения наружного слоя. Из красного гиганта оно превратится в белого карлика, который почернеет через несколько триллионов лет.

Что представляет собой Солнце?

Почему Солнце — звезда, похожая на миллиарды других в галактике Млечный Путь — так интересует астрофизиков и ученых-ядерщиков? Дело в том, что это самая близкая к нам звезда, благодаря которой мы можем понять суть процессов, которые бушуют во Вселенной с момента ее рождения. Изучив Солнце, мы поймем, что такое звезды, как они живут и чем заканчивается столь блистательное зрелище. Другие звезды, ввиду значительного своего удаления от нашей Солнечной системы, не могут нам продемонстрировать особенности своего внешнего вида.

Наша звезда является центральным объектом Солнечной системы, вокруг которого по своим орбитам вращаются восемь планет, астероиды и карликовые планеты, кометы и другие космические объекты. Солнце относится к звездам G класса в соответствии с гарвардской классификацией. В соответствии с классификацией Анджело Секки Солнце так же, как Арктур и Капелла, это желтый карлик II класса. В отличие от других звезд, находящихся в десятках, в сотнях световых лет от нашей планеты, наше светило располагается практически рядом. Землю от Солнца отделяет 150 млн. км — ничтожное расстояние по сравнению с колоссальными расстояниями, которые преобладают во Вселенной.

Место расположения нашей звезды

Ближайшая к Солнцу звезда — красный карлик Проксима Центавра — находится на расстоянии 4 световых лет. Мы находимся вдалеке от туманностей и звездных скоплений, которые являются самыми беспокойными областями галактики. Такое расположение обеспечивает спокойное движение Солнца по своей орбите уже 14 млрд. лет, с тех пор как образовалась галактика Млечный Путь и наша Вселенная в целом. Скорость движения звезды по орбите вокруг галактического центра составляет 200 км в секунду.

Солнце и Земля

По земным меркам 150 млн. километров — это большое расстояние. Однако даже на таком удалении мы в полной мере ощущаем тепло, которое излучает Солнце. Свет нашей звезды идет к нам 8 секунд и продолжает греть и освещать нашу планету. Все дело в размерах нашей звезды. Несмотря на то, что наше светило относится к нормальным звездам, со средней массой, его масса превосходит в 700 раз массу всех небесных тел Солнечной системы. Размер солнечного диска сегодня определен и составляет 1 млн. 392 тыс. 20 км. Это в 109 раз больше диаметра Земли.

Как устроены звезды?

По мнению ученых, внутреннюю структуру Солнца, по мере удаления от центра, можно условно разделить на четыре области:

1. Ядро — основная область генерации излучаемой энергии. Распространяется почти на треть радиуса раскаленного газового шара (0-0,3R). Здесь плотность газа огромна — 150 г/см3. Температура составляет около 15×106 ˚К, давление — 2×108 Па.
2. Зона лучистого переноса энергии (0.3-0.7R). Вся сгенерированная энергия передается во внешние слои посредством лучистого теплообмена (повторяющимися процессами поглощения, отражения, испускания, переноса энергии). При этом температура постепенно понижается (до 2×106 К˚), а длина волны излучения увеличивается. Время, затраченное на проход этой зоны, у кванта электромагнитного излучения, фотона, занимает до 170 тыс. лет.
3. Зона конвекции. Простирается до поверхности. Передача энергии осуществляется путем перемешивания газов. Снижение температуры происходит более интенсивно и к поверхности достигает 5800˚К.

Описание структуры Солнца

Солнце на три четверти состоит из молекулярного водорода, который является главным ядерным топливом. Менее 25% приходится на гелий и только один процент приходится на азот, углерод и кислород.

Огромное давление, вызываемое силами внутренней гравитации, запустили цепную термоядерную реакцию миллиарды лет назад. Огромные запасы водорода являются залогом долгой жизни нашего светила. До тех пор, пока происходит термоядерный синтез, звезда Солнце горит и живет. Вся система находится в устойчивом и сбалансированном виде. Расщепляясь в ходе сложных химических и термодинамических процессов на атомы, водород превращается в протоны и электроны.

Для этого процесса необходимо колоссальное давление, которое в 340 млрд. раз превышает давление земной атмосферы. Для запуска термоядерной реакции необходима и высокая температура, составляющая в недрах Солнца 115 млн. градусов Цельсия. Давление внешних слоев звезды компенсируется давлением, испускаемым солнечным ядром. В противном случае звездная материя обрушилась бы к центру звезды.

В процессе реакции при температуре 10-14 млн градусов Цельсия горение водорода сопровождается следующими процессами. Из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. Этот процесс сопровождается колоссальным выделением тепловой и световой энергии.

Важен момент, который характеризует мощность, выделяемую Солнцем. Равномерное горение ядерного топлива обеспечивает спокойное существование звезды в течение миллиардов лет. Другими словами, скорость преобразования тепловой и световой энергии у нашей звезды меньше удельной мощности тепловыделения живого человека. По мере выработки водородного топлива в составе звездной материи звезда начнет расширяться. Размер звезды значительно вырастет, переведя Солнце в категорию красных гигантов. Вместо затухающих термоядерных реакций деления водорода в дело вступят реакции горения гелия. В результате деления гелия образуются углерод и кремний. Расширение звезды будет продолжаться до тех пор, пока собственные силы тяжести Солнца не смогут удерживать звездный газ. На месте красного гиганта возникает планетарная туманность, в центре которой останется белый карлик — обнажившееся ядро бывшей звезды.

Эволюция Солнца в главной последовательности. Рождение из протозвезды — нынешнее состояние зрелости — фаза красного гиганта — планетарная туманность и белый карлик.

Благодаря современным достижениям науки учеными-астрофизикам и ядерщикам удалось более детально подойти к изучению звезд. Солнце, самая ближайшая к нам звезда, предоставляет для этого все необходимые условия. Исследуя наше главное светило, мы можем получить представление о том, чем живет звезда и какие процессы происходят в ее недрах. Чем больше мы продвигаемся в вопросах изучения Солнца, тем проще нам будет понять те процессы, которые происходят уже в масштабах галактики и Вселенной.

Диаметр диска

Поскольку звезда это газовый шар, который вращается, то его форма чуть сплюснута по полюсам. Согласно научным исследованиям, на поверхности солнца вообще не имеется твёрдых участков, поэтому термин «диаметр» характеризует размер одного из слоев атмосферы.

Основываясь на астрономических наблюдениях при помощи оптического эффекта Четок Бейли, этот параметр определяют как диаметр фотосферы — зоны лучистой передачи энергии.

Полученный таким методом средний радиус Солнца составляет 695 990 км. Следовательно, диаметр солнца в километрах составляет 1 млн 392 тыс.

Существует и другой способ вычисления размеров солнечного светила использование методов гелиосейсмологии с изучением поверхностных гравитационных f—волн, образованных на солнце.

Данные, полученные «сейсмическим» методом показывают иное значение радиуса — 695 700 км, а диаметр солнца в километрах 1 391 400. Данная величина меньше радиуса фотосферы примерно на 300 км.

Важно! Несмотря на незначительные отличия между двумя значениями (около 0,04%), изменение установленной ранее величины может привести к переоценке других параметров, за исключением плотности и температуры

Единственная звезда Солнечной системы

Возможно, кое-кто удивится, узнав, что Солнце планетой не является. Солнце — это огромный, светящийся, состоящий из газов шар, внутри которого постоянно происходят термоядерные реакции, выделяющие энергию, дающую свет и тепло. Интересно, что подобной звезды в Солнечной системе не существует, а потому оно притягивает к себе все объекты более мелких размеров, оказавшиеся в зоне его гравитации, в результате чего они начинают вращаться вокруг Солнца по траектории.

Естественно, в космосе Солнечная система находится не сама по себе, а входит в состав Млечного пути, галактики, что являет собой огромную звёздную систему. От центра Млечного пути, Солнце отделяет 26 тыс. световых лет, поэтому движение Солнца вокруг него составляет один оборот за 200 млн. лет. А вот вокруг своей оси звезда оборачивается за месяц – и то, данные эти приблизительны: оно являет собой плазмовый шар, составные которого вращаются с разной скоростью, а потому трудно сказать, сколько именно времени уходит на полный оборот. Так, например, в районе экватора это происходит за 25 дней, у полюсов – на 11 дней больше.

Из всех известных на сегодняшний день звёзд, по яркости наше Светило находится на четвёртом месте (когда звезда проявляет солнечную активность, она светит ярче, чем когда спадает). Сам по себе этот огромный газообразный шар белого цвета, но из-за того, что наша атмосфера поглощает волны короткого спектра и луч Солнца у поверхности Земли рассеивается, свет Солнца становится желтоватого оттенка, а белый цвет можно увидеть разве что в ясный погожий день на фоне голубого неба.

Будучи единственной звездой Солнечной системы, Солнце также является единственным источником её света (не считая очень далёких звёзд). Несмотря на то, что Солнце и Луна на небе нашей планеты являются самыми крупными и яркими объектами, разница между ними огромная. Тогда как Солнце само излучает свет, спутник Земли, будучи абсолютно тёмным объектом, просто отражает его (можно сказать, что мы также видим Солнце ночью, когда на небе находится освещённая им Луна).

Светило Солнце – звезда молодая, её возраст, по оценкам учёных, составляет более четырёх с половиной миллиардов лет. А потому относится к звезде третьего поколения, которая была образована из остатков ранее существующих звёзд. Его по праву считают самым большим объектом Солнечной системы, поскольку его вес в 743 раза больше массы всех планет, вращающихся вокруг Солнца (наша планета в 333 тысяч раз легче Солнца и меньше его в 109 раз).

Сколько осталось

Но что это число означает, молодо ли наше Солнце или, может быть, это его средний возраст, может быть, оно собирается на пенсию, чтобы ответить на этот вопрос нам нужно копнуть глубже.

Температура в сердце нашей звезды невообразимые 15 миллионов градусов Цельсия. Там кусочки водорода сливаются вместе, чтобы синтезировать гелий и энергию. В этих реакциях небольшое количество массы конвертируется в энергию. Это превращение определяется знаменитой формулаой Эйнштейна Е = mс2, где я Е высвобождаемая энергия, m масса, которая превращается в энергию, с скорость света.

Солнце не бесконечный резервуар с топливом. Постепенно запасы водорода истощатся, но, когда это произойдёт. Чтобы это определить нужно взвесить Солнце. Оставим космические весы, нам нужны два астрономы тяжеловеса Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон.

Кеплер изучал движение планет не совсем понимая причину, по которой планеты оставались на орбитах вокруг Солнца, до тех пор, пока спустя 80 лет Ньютон не сформулировал свою теорию всемирного тяготения. Используя законы Кеплера и Ньютона, можно вычислить массу Солнца, более подробно, какая она и как высчитали массу Земли мы уже писали.

Теперь мы можем увидеть, сколько энергии она выбрасывает. Мы ещё не знаем в точности структуру внутренности звезды, но модели звёзд предполагают, что для начала реакции синтеза нужна масса в 10% солнечной. Каждая реакция конвертирует в энергию 0,7 исходного водорода. Эта энергия постепенно уходят от звезды как надувающейся шарик. Находясь на расстоянии в 150 миллионов километров, мы не чувствуем это извлечение, но мы можем измерить количество, падающий на Землю энергию. Зная расстояние, мы можем представить себе, сколько энергии покидает его. И наконец зная сколько в нём топлива можно определить, сколько ему ещё осталось. Оказывается, что Солнце звезда среднего возраста и у неё хватит топлива, чтобы гореть ещё 5 миллиардов лет. После истечения, которых, звезда которую мы знаем и любим, станет совсем другой. Но этот совсем другая история, главное, мы узнали сколько лет Солнцу.

Родился и так далее

Тем временем сама молодая звезда продолжала ускорять вращение, сжималась и нагревалась все сильнее. Все это усилило перемешивание вещества и обеспечило постоянный приток лития к ее центру. Здесь литий стал вступать в реакции слияния с протонами, выделяя дополнительную энергию. Запустились новые термоядерные превращения, и к моменту, когда запасы лития практически исчерпались, уже началось слияние пар протонов с образованием гелия: звезда «включилась». Сжимающее действие гравитации стабилизировалось расширяющим давлением лучистой и тепловой энергии — Солнце стало классической звездой.

Скорее всего, к этому времени образование внешних планет Солнечной системы уже практически завершилось. Некоторые из них сами были подобны крошечным копиям протопланетного облака, из которого образовались и сами газовые гиганты, и их крупные спутники. Следом — из железа и кремния внутренних областей диска — сформировались и каменистые планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Пятой, за орбитой Марса, не позволил родиться Юпитер: воздействие его гравитации нарушало процесс постепенного накопления массы, и крошечная Церера осталась самым крупным телом главного пояса астероидов, навсегда карликовой планетой.

Молодое Солнце постепенно разгоралось все ярче и излучало все больше энергии. Его звездный ветер вынес из системы мелкий «строительный мусор», а большая часть оставшихся крупных тел упала на само Солнце или его планеты. Пространство расчистилось, многие планеты мигрировали на новые орбиты и стабилизировались здесь, на Земле появилась жизнь. Впрочем, на этом предыстория Солнечной системы уже закончилась — началась история.

_{* Некоторые белые карлики, появившиеся еще в молодой Вселенной, существуют в том же виде до сих пор. Теоретически предполагается, что через триллион или больше лет они могут эволюционировать в черные карлики, темные и остывшие до температуры немногим выше абсолютного нуля.}

В недрах термоядерного реактора

Мы говорим — «Солнце горит», но источником его излучения являются вовсе не химические реакции горения, а термоядерный синтез, при котором выделяется в миллионы раз больше энергии.

В условиях сверхвысоких температур и давления ядра водорода (главного элемента в составе Солнца) начинают соединяться и образовывать ядра другого элемента — гелия.

Каждую секунду на Солнце в энергию полностью превращается 4,26 млн т вещества, однако эта величина просто ничтожна по сравнению с общей массой нашего главного светила. Запасов водорода, необходимого для термоядерных реакций, нашей звезде хватит еще на несколько миллиардов лет.

Зона, в которой идут термоядерные реакции, называется ядром Солнца. Температура там достигает 15 млн градусов, а плотность вещества в 6,6 раза превышает плотность самого тяжелого металла на Земле — осмия.

При этом солнечное ядро живет как бы обособленной от внешних слоев жизнью — скорость его вращения вокруг собственной оси значительно выше, чем на поверхности.

Над ядром располагается так называемая «зона лучистого переноса», в которой энергия, выделившаяся в ядре, переносится к верхним слоям. Солнечная плазма здесь настолько плотно сжата, что ее частицы просто не могут «поменяться местами».

Поэтому энергия передается переизлучением — частица поглощает фотон «снизу» и тут же излучает другой в направлении верхнего слоя частиц.

Ближе к поверхности Солнца плазма менее плотная, и потоки энергии вызывают образование вихрей, за счет которых и происходит основной перенос энергии.

Поэтому подповерхностный слой Солнца, толщина которого составляет примерно 200 000 км, называют конвективной зоной (от латинского «конвекцио» — «перемешиваю»). Именно здесь рождаются гигантские возмущения солнечного вещества и сверхмощные магнитные поля.

Пример образования Солнца

Чтобы наглядно показать, как это произошло, астроном Уильям Хартманн предложил простой опыт. Надо взболтать чашку кофе. Жидкость в чашке перемещается беспорядочно. Если капнуть в чашку немного молока, то частицы кофе начнут вращаться в одном направлении. Нечто подобное. Происходило и в облаке, в котором мало – помалу беспорядочное перемещение частиц заменялось их упорядоченным синхронным вращением, то есть облако начало целиком вращаться в одном направлении.

Жизненный цикл звезд

Ученые добавили к этой истории драматический поворот. Они считают, что при формировании облака недалеко от него взорвалась звезда. При этом мощные потоки вещества разлетелись в разные стороны. Часть этого вещества смешалась с веществом газопылевого облака нашей Солнечной системы. Это привело к еще более быстрому сжатию облака.

Чем больше сжималось облако, тем быстрее оно вращалось, как фигуристка, которая, вращаясь, прижимает руки к телу (и тоже начинает вращаться быстрее). Чем быстрее вращалось облако, тем сильнее изменялась его форма. В центре облако стало более выпуклым, так как там скопилось больше вещества. Периферическая часть облака осталась плоской. Скоро форма облака напоминала форму пиццы с шариком посередине. Этот шарик, да, вы правильно догадались, было наше дитя — Солнце. Скопление газа в середине «пиццы» по размерам превосходило современную величину всей Солнечной системы. Ученые называют новорожденное Солнце протозвездой.