Как работает Солнце

[Carder]

Солнечные пятна Солнца согревают нашу планету, дают нам свет и имеют решающее значение для всей жизни на Земле.

Когда вы в последний раз смотрели вверх и восхищались таинственной животворной силой, которой является солнце?

Если вы верите, что все время, когда вы смотрите на солнце, ослепляете (что на самом деле верно), вы, вероятно, не слишком много наблюдаете за солнцем. Но это настоящее чудо: солнце согревает нашу планету каждый день, дает свет, которым мы видим, и он необходим для жизни на Земле. Это также может вызвать гибель клеток и сделать нас слепыми. В его сферу могло поместиться 1,3 миллиона Земель. Он производит достойные стихотворения закаты и производит столько же энергии, сколько 1 триллион мегатонн бомб каждую секунду.

Все это, и наше Солнце - всего лишь обычная старая средняя звезда по универсальным стандартам. На самом деле именно близость делает его таким особенным для Земли. Нас бы здесь не было, если бы солнце не было так близко.

Итак, насколько близко солнце? И сколько места нужно, чтобы вместить 1,3 миллиона Земель? И пока мы на этом:

• Если Солнце находится в космическом вакууме, как оно горит?
• Что удерживает весь этот газ от утечки в космос?
• Почему солнце испускает солнечные вспышки?
• Перестанет ли когда-нибудь гореть солнце? (И если да, то когда? И что будет с Землей и ее обитателями?)

В этой статье мы исследуем увлекательный мир ближайшей к нам звезды. Мы рассмотрим части солнца, узнаем, как оно излучает свет и тепло, и исследуем его основные особенности.
Солнце «горит» более 4,5 миллиардов лет. Это огромное скопление газа, в основном водорода и гелия. Поскольку он такой массивный, он обладает огромной гравитацией, достаточной гравитационной силой, чтобы удерживать весь этот водород и гелий вместе (и удерживать все планеты на своих орбитах вокруг Солнца).
Мы говорим, что солнце горит, но оно не горит, как дрова. Вместо этого Солнце - это гигантский ядерный реактор.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Части Солнца
2. Внутренность Солнца: Ядро
3. Внутри Солнца: радиационная и конвективная зоны
4. Атмосфера Солнца
5. Особенности Солнца: солнечные пятна, солнечные выступы и солнечные вспышки
6. Судьба Солнца

Части Солнца​

Рисунок 1. Базовый обзор частей солнца. Вспышка, солнечные пятна и выступ - все вырезано из реальных изображений SOHO.

Солнце - звезда, как и другие звезды, которые мы видим ночью. Разница в расстоянии - другие звезды, которые мы видим, находятся на расстоянии световых лет , а наше Солнце находится всего в 8 световых минутах от нас - во много тысяч раз ближе.

Официально Солнце классифицируется как звезда типа G2 на основании его температуры и длины волны или спектра излучаемого света. Есть много G2, и Солнце Земли - всего лишь одна из миллиардов звезд, которые вращаются вокруг центра нашей галактики, состоящих из того же вещества и компонентов.

Солнце состоит из газа. У него нет твердой поверхности. Однако он по-прежнему имеет определенную структуру. Три основные структурные области солнца показаны в верхней половине рисунка 1. Они включают:

• Ядро - центр солнца, составляющий 25 процентов его радиуса.
• Радиационная зона - сечение, непосредственно окружающее ядро, составляющее 45 процентов его радиуса.
• Конвективная зона - крайнее внешнее кольцо Солнца, составляющее 30 процентов его радиуса.

Над поверхностью Солнца находится его атмосфера, которая состоит из трех частей, показанных в нижней половине рисунка 1 :

• Фотосфера - самая внутренняя часть солнечной атмосферы и единственная часть, которую мы можем видеть.
• Хромосфера - область между фотосферой и короной; горячее, чем фотосфера.
• Корона - чрезвычайно горячий внешний слой, простирающийся на несколько миллионов миль от хромосферы.

Все основные характеристики Солнца можно объяснить ядерными реакциями, производящими его энергию, магнитными полями, возникающими в результате движения газа, и его огромной гравитацией.
Все начинается с ядра.

Внутренность Солнца: Ядро​

Мощная солнечная вспышка произошла от солнечного пятна 486 28 октября 2003 года. Вспышка направила рентгеновские лучи, летящие со скоростью света к Земле, вызвав радиобурю в ионосфере.

Ядро начинается от центра и простирается наружу, охватывая 25 процентов радиуса Солнца. Его температура превышает 15 миллионов градусов Кельвина. В ядре гравитация тянет всю массу внутрь и создает сильное давление. Давление достаточно велико, чтобы заставить атомы водорода объединиться в реакциях ядерного синтеза - то, что мы пытаемся подражать здесь, на Земле. Два атома водорода объединяются для создания гелия-4 и энергии в несколько этапов:

1. Два протона объединяются, образуя атом дейтерия (атом водорода с одним нейтроном и одним протоном), позитрон (похожий на электрон, но с положительным зарядом) и нейтрино.
2. Протон и атом дейтерия вместе образуют атом гелия-3 (два протона с одним нейтроном) и гамма-излучение.
3. Два атома гелия-3 объединяются, образуя атом гелия-4 (два протона и два нейтрона) и два протона.

На эти реакции приходится 85 процентов солнечной энергии. Остальные 15 процентов связаны со следующими реакциями:

1. Атом гелия-3 и атом гелия-4 вместе образуют бериллий-7 (четыре протона и три нейтрона) и гамма-излучение.
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 гелия-4.

Атомы гелия-4 менее массивны, чем два атома водорода, которые запустили процесс, поэтому разница в массе преобразуется в энергию, как описано в теории относительности Эйнштейна (E = mc²). Энергия излучается в различных формах света: ультрафиолетовом, рентгеновском, видимом, инфракрасном, микроволнах и радиоволнах.

Солнце также испускает заряженные частицы (нейтрино, протоны), которые составляют солнечный ветер. Эта энергия ударяет по Земле, где она согревает планету, влияет на нашу погоду и дает энергию для жизни. Нам не наносят вреда большая часть радиации или солнечного ветра, потому что атмосфера Земли защищает нас.

Внутри Солнца: радиационная и конвективная зоны​

После покрытия сердцевины пора расширяться в солнечной структуре. Далее следуют радиационная и конвективная зоны.
Радиационная зона простирается наружу от сердечника, что составляет 45 процентов от радиуса Солнца. В этой зоне энергия из ядра уносится фотонами, или световыми единицами. Когда создается один фотон, он проходит около 1 микрона (1 миллионная метра), прежде чем будет поглощен молекулой газа. После поглощения молекула газа нагревается и повторно излучает другой фотон той же длины волны. Переизлученный фотон проходит еще один микрон, прежде чем будет поглощен другой молекулой газа, и цикл повторяется; каждое взаимодействие между фотоном и молекулой газа требует времени. Примерно 10 25поглощение и повторное излучение происходят в этой зоне до того, как фотон достигнет поверхности, поэтому существует значительная временная задержка между фотоном, созданным в ядре, и тем, который достигает поверхности.

В конвективной зоне, которая составляет последние 30 процентов радиуса Солнца, преобладают конвекционные потоки, которые переносят энергию наружу на поверхность. Эти конвекционные потоки представляют собой восходящие движения горячего газа рядом с падающими движениями холодного газа, и это похоже на блеск в кипящей воде. Конвекционные потоки переносят фотоны наружу к поверхности быстрее, чем перенос излучения, который происходит в ядре и радиационной зоне. При таком большом количестве взаимодействий, происходящих между фотонами и молекулами газа в радиационной и конвективной зонах, фотону требуется от 100 000 до 200 000 лет, чтобы достичь поверхности.

Факты о Солнце

• Среднее расстояние от Земли : 93 миллиона миль (150 миллионов километров)
• Радиус : 418 000 миль (696 000 километров)
• Масса : 1,99 x 10 30 кг (330000 земных масс)
• Состав (по массе) : 74 процента водорода, 25 процентов гелия, 1 процент других элементов.
• Средняя температура : 5800 градусов Кельвина (поверхность), 15,5 миллионов градусов Кельвина (ядро)
• Средняя плотность : 1,41 грамм на см 3
• Объем : 1,4 х 10 27 куб.
• Вахтовый период : от 25 дней (в центре) до 35 дней (полюса).
• Расстояние от центра Млечного Пути : 25000 световых лет
• Орбитальная скорость / период : 138 миль в секунду / 200 миллионов лет

Атмосфера Солнца​

Мы наконец-то выбрались на поверхность. Давайте теперь проследим через атмосферу. Как и Земля , у Солнца есть атмосфера. Однако Солнце состоит из фотосферы, хромосферы и короны.

Фотосферы самая низкая область атмосферы Солнца и является регионом , который мы можем видеть. «Поверхность солнца» обычно относится к фотосфере, по крайней мере, в мирских терминах. Его ширина составляет 180–240 миль (300–400 км), а средняя температура составляет 5800 градусов по Кельвину. Он выглядит гранулированным или пузырчатым, как поверхность кипящего котла с водой. Выступы - это верхние поверхности нижних ячеек конвекционного тока; каждая грануляция может иметь ширину 600 миль (1000 километров). Когда мы проходим через фотосферу, температура падает, и газы, поскольку они более холодные, не излучают столько световой энергии. Это делает их менее непрозрачными для человеческого глаза. Поэтому внешний край фотосферы выглядит темным - эффект, называемыйпотемнение конечностей, которое объясняет четкий четкий край солнечной поверхности.

Хромосферы простирается выше фотосферы около 1200 миль (2000 км). Температура в хромосфере повышается с 4500 градусов Кельвина до примерно 10 000 градусов Кельвина. Считается, что хромосфера нагревается конвекцией внутри фотосферы. Когда газы перемешиваются в фотосфере, они производят ударные волны, которые нагревают окружающий газ и посылают его сквозь хромосферу миллионами крошечных шипов горячего газа, называемых спикулами . Каждая спикула поднимается на высоту примерно 3000 миль (5000 километров) над фотосферой и существует всего несколько минут. Спикулы также могут следовать вдоль силовых линий магнитного поля Солнца, которые создаются движением газов внутри Солнца.

Коронным является заключительным слоем Солнца и простирается несколько миллионов миль или километров наружу от других сфер. Лучше всего это видно во время солнечного затмения и на рентгеновских снимках Солнца. Температура короны в среднем составляет 2 миллиона градусов Кельвина. Хотя никто не знает, почему корона такая горячая, считается, что это вызвано солнечным магнетизмом. В короне есть яркие области (горячие) и темные области, называемые корональными дырами. Корональные дыры относительно прохладны и считаются областями, куда уходят частицы солнечного ветра.

С помощью изображений, полученных с телескопа, мы можем увидеть несколько интересных особенностей Солнца, которые могут иметь влияние здесь, на Земле. Давайте посмотрим на три из них: пятна, солнечные протуберанцы и солнечные вспышки.

Особенности Солнца: солнечные пятна, солнечные выступы и солнечные вспышки​

После многих недель пустого солнца без солнечных пятен 23 сентября 2008 года появилось небольшое новое пятно, отметив новый солнечный цикл.

Конечно, сферы украшены интересными особенностями и активностью. Мы рассмотрим их здесь.

На фотосфере появляются темные прохладные области, называемые солнечными пятнами. Солнечные пятна всегда появляются парами и представляют собой сильные магнитные поля (примерно в 5000 раз превышающие магнитное поле Земли), которые прорываются сквозь поверхность. Полевые линии проходят через одно пятно и снова входят через другое. Магнитное поле вызывается движением газов внутри Солнца.

Активность солнечных пятен возникает как часть 11-летнего цикла, называемого солнечным циклом, где есть периоды максимальной и минимальной активности.

Неизвестно, что вызывает этот 11-летний цикл, но были предложены две гипотезы:

• Неравномерное вращение солнца искажает и закручивает силовые линии магнитного поля внутри. Закрученные силовые линии прорываются сквозь поверхность, образуя пары пятен. В конце концов силовые линии разрываются, и активность солнечных пятен снижается. Цикл начинается снова.
• Огромные газовые трубы окружают внутреннюю часть Солнца на высоких широтах и начинают двигаться к экватору. Когда они катятся друг против друга, они образуют пятна. Когда они достигают экватора, они распадаются, и пятна уменьшаются.

Иногда облака газов из хромосферы поднимаются и ориентируются вдоль магнитных линий пар солнечных пятен. Эти газовые арки называют солнечными протуберанцами.
Выступы могут длиться от двух до трех месяцев и могут простираться на 30 000 миль (50 000 км) и более над поверхностью Солнца. Достигнув этой высоты, они могут извергаться от нескольких минут до нескольких часов и отправлять большие количества материала через корону и в космос со скоростью 600 миль в секунду (1000 километров в секунду); эти извержения называются корональными выбросами массы.

Иногда в сложных группах солнечных пятен происходят резкие и сильные взрывы от солнца. Это так называемые солнечные вспышки.

Считается, что солнечные вспышки вызваны внезапными изменениями магнитного поля в областях, где сосредоточено 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 полюсах, создавая полярные сияния (северное и австралийское). Солнечные вспышки также могут нарушить связь, спутники, навигационные системы и даже электросети. Излучение и частицы ионизируют атмосферу и препятствуют перемещению радиоволн между спутниками и землей или между землей и землей. Ионизированные частицы в атмосфере могут индуцировать электрические токи в линиях электропередач и вызывать скачки напряжения. Эти скачки напряжения могут привести к перегрузке электросети и отключению электричества. Вы можете узнать больше о солнечных вспышках, прочитав « Может ли чрезвычайно мощная солнечная вспышка уничтожить всю электронику на Земле?»

Вся эта деятельность требует энергии, которой очень мало. В конце концов, у солнца закончится топливо.

Судьба Солнца​

Когда наше Солнце станет красным гигантом, его радиус будет примерно в 100 раз больше, чем сейчас. Планетарные туманности - это остатки солнцеподобных звезд, которые достигли конца своей стадии красных гигантов.

Солнце светит около 4,5 миллиардов лет. Размер Солнца - это баланс между внешним давлением, создаваемым высвобождением энергии в результате ядерного синтеза, и притяжением силы тяжести внутрь. За 4,5 миллиарда лет жизни радиус Солнца увеличился примерно на 6 процентов. У него достаточно водородного топлива, чтобы «гореть» около 10 миллиардов лет, то есть ему осталось чуть больше 5 миллиардов лет, и в течение этого времени он будет продолжать расширяться с той же скоростью.

Когда в активной зоне заканчивается водородное топливо, она сжимается под действием силы тяжести; однако в верхних слоях будет происходить некоторый синтез водорода. Когда сердцевина сжимается, она нагревается, и это нагревает верхние слои, заставляя их расширяться. По мере расширения внешних слоев радиус Солнца будет увеличиваться, и оно станет красным гигантом, пожилой звездой.

Радиус красного гиганта солнца будет в 100 раз больше, чем сейчас, лежа сразу за земную орбиту, поэтому Земля погрузится в ядро красного гиганта солнца и испаряться. В какой-то момент после этого ядро станет достаточно горячим, чтобы гелий превратился в углерод.

Когда гелиевое топливо закончится, активная зона расширится и охладится. Верхние слои будут расширяться и выбрасывать материал.
Наконец, ядро остынет и превратится в белого карлика.

В конце концов, он остынет и превратится в почти невидимого черного карлика. Весь этот процесс займет несколько миллиардов лет.
Так что в следующие несколько миллиардов лет человечество будет в безопасности - по крайней мере, с точки зрения существования Солнца. Остальные фиаско можно только гадать.
Для получения дополнительной информации о солнце и связанных темах просмотрите ссылки на следующей странице.

Солнце FAQ​

Сколько лет солнцу?
Солнце «горит» более 4,5 миллиардов лет.

Насколько жарко солнце?
Солнце имеет температуру 5800 градусов Кельвина на своей поверхности и 15,5 миллионов градусов Кельвина в его ядре.

В каком году умрет солнце?
У Солнца достаточно водородного топлива, чтобы «гореть» около 10 миллиардов лет, а это значит, что ему осталось чуть больше 5 миллиардов лет.

Каково простое определение солнца?
Проще говоря, солнце - это звезда.

Может ли быть жизнь на солнце?
Чрезвычайно высокие температуры на солнце сделают практически невозможным выживание жизни на нем.