Источники энергии и внутреннее строение Солнца

Там огненны валы стремятся

и не находят берегов,

там вихри пламенны крутятся,

борющись множество веков;

там камни как вода кипят,

горящи там дожди шумят

М.В. Ломоносов

Солнце светит уже более четырех с половиной миллиардов лет, непрерывно выделяя колоссальное количество энергии. Но откуда берётся эта энергия?

Прежде чем начать изучение новой темы, повторим общие сведения о Солнце. Солнце является звездой нашей системы и имеет массу, превосходящую земную примерно в 333 тысячи раз, а радиус Солнца приблизительно в 109 раз больше радиуса Земли.Светимость Солнца, то есть, мощность излучения составляет 3,85 умножить на 10 в двадцать шестой ватт.

Начали изучать атмосферу Солнца и познакомились с её самым плотным и глубоким слоем – фотосферой. Средняя температура фотосферы составляет примерно 6000 К. Фотосфера имеет зернистую структуру – это получило название грануляции. Размеры гранул могут достигать тысяч километров, и эти гранулы непрерывно находятся в движении.

Солнечной активностью называют целый комплекс явлений и процессов, происходящих в солнечной атмосфере в результате образования и распада сильнейших магнитных полей. Солнечная активность характеризуется изменением количества пятен на Солнце, изменением количества протуберанцев, изменением формы солнечной короны, а также изменением количества и мощности вспышек на Солнце.

Как говорилось ранее, фотосфера не пропускает никакие виды излучения из более глубоких слоев Солнца, поэтому о внутреннем строении Солнца можно узнать только с помощью теоретического анализа, то есть использования общих законов физики и опираясь на уже известные характеристики Солнца.

Солнце не расширяется и не сжимается – значит, гравитационному сжатию препятствует внутреннее давление газа. Известно, что давление – это сила на единицу площади. Но давление можно представить и иначе – как объемную плотность энергии.

Именно этим и воспользуемся для расчетов. Энергия гравитационного поля вычисляется по формуле

Эту формулу можно вывести, пользуясь методом размерности, да и через космические скорости – тоже. Чтобы найти давление (то есть плотность энергии), необходимо энергию разделить на объём

Итак, расчеты говорят о том, что давление внутри Солнца составляет порядка

Напомним, что Солнце – это газовый шар, поэтому, можно применить уравнение состояния идеального газа для оценки температуры (конечно, это немного грубый расчет, но он даст представление о порядке температуры в центре Солнца).

Для расчета молярной массы можно опираться на молярную массу водорода и гелия и на процентное соотношение гелия и водорода в составе Солнца. При достаточно точных вычислениях можно убедиться, что для поддержания гидростатического равновесия температура в центре Солнца должна быть примерно 15 миллионов К. Нетрудно определить и плотность вещества в центре – она составляет почти 150 тысяч кг/м³ (а это более чем в сто раз превышает среднюю плотность Солнца). Это говорит о том, что у Солнца тоже есть ядро. Итак, в центре Солнца находится ядро, в котором протекают термоядерные реакции. Эти реакции получили название водородного цикла (т.к. в результате термоядерного синтеза из водорода образуется гелий и частично воспроизводится водород).

Размеры ядра составляют примерно 30% от радиуса Солнца. Температура за пределами ядра недостаточно высока для протекания термоядерных реакций. Ведь для протекания описанных реакций необходимо слияние ядер водорода, а это возможно только при очень высоких температурах. Дело в том, что для слияния ядер нужно преодолеть кулоновские силы отталкивания, а это возможно только в том случае, если частицы будут обладать огромной кинетической энергией. Итак, два протона вступают в ядерную реакцию, в результате чего образуется тяжелый водород (дейтерий) и испускается позитрон и нейтрино. При этом выделяется энергия, равная 1,4 МэВ. Ядро дейтерия вступает в реакцию с еще одним протоном, образуя . Данная реакция сопровождается испусканием g-кванта и выделением 5,5 МэВ. В результате тех же реакций, другая пара протонов также может образовать ядро . При слиянии двух ядер  образуется ядро . Эта реакция сопровождается выделением энергии равной 12,85 МэВ, а также образованием двух ядер водорода. Таким образом, водород частично воспроизводится. Известно, что в результате термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии. Эта энергия переносится к поверхности Солнца в два этапа: через зону лучистого переноса и конвективную зону. От ядра до расстояний 0,6-0,7 радиуса Солнца энергия переносится посредством различных излучений. Далее, к поверхности Солнца энергия переносится с помощью конвекции (об этом мы говорили, обсуждая время жизни гранул фотосферы). То есть, условно говоря, более горячие потоки плазмы перемещаются ближе к поверхности Солнца, а менее горячие, погружаются в более глубокие слои конвективной зоны.

Конечно, можно сказать, что чисто теоретические представления о внутреннем строении Солнца могут быть не совсем правильные, и нужно каким-то образом произвести наблюдения. Такие наблюдения действительно существуют, и это заслуга физики элементарных частиц. Если обратить внимание, то помимо излучения в процессе термоядерного синтеза гелия рождаются нейтрино. Нейтрино, в отличие от излучения практически не взаимодействуют с веществом, и уже через 2 секунды покидают поверхность Солнца. Нейтрино двигаются со скоростями, близкими к скорости света, поэтому менее чем через восемь с половиной минут они уже достигают Земли. Для наблюдений и регистрирования солнечных нейтрино был построен специальный нейтринный телескоп. Измеряя энергию тех или иных нейтрино, можно понять, в какой термоядерной реакции оно родилось и, таким образом, подтвердить или опровергнуть теоретические предположения.

Поэтому, можно утверждать, что представления о строении Солнца хорошо подтверждаются экспериментально. Общая и очень упрощенная схема работы нейтринного телескопа такова: в огромном резервуаре содержится приблизительно 50 тысяч тонн очень чистой воды. На поверхности резервуара находится более 11000 фотоумножителей, которые регистрируют появляющиеся импульсы голубого цвета – свидетельство столкновения нейтрино с молекулой воды. В воде находится множество калибровочных устройств, компьютеров и другой электроники, помогающей проанализировать полученные данные.

Итак, источником энергии Солнца (да и других звезд) является ядерная энергия, которая выделяется при протекании термоядерных реакций в ядре Солнца. При водородном цикле из четырех ядер атомов водорода (то есть протонов) образуется ядро атома гелия. При этом испускается два позитрона и два нейтрино, и эта реакция сопровождается выделением энергии. Было установлено, что из одного килограмма водорода образуется 0,99 килограмма гелия. То есть, 0,01 килограмма – это дефект масс. Таким образом, при синтезе каждого килограмма водорода в гелий выделяется энергия примерно равная 900 ТДж. Теперь рассчитаем, насколько хватит энергии Солнца, учитывая то, что Солнце состоит, по меньшей мере, на 70% из водорода, а масса ядра составляет примерно 10% от общей массы. Напомним, что светимость – это мощность излучения, то есть, энергия, выделяемая Солнцем ежесекундно. Если разделить  запас энергии на светимость, то получим примерное время жизни Солнца.

Оно составит порядка десяти миллиардов лет.

Основные выводы:

– В центре Солнца находится ядро, которое составляет примерно 10% от общей массы Солнца. В ядре протекают термоядерные реакции, в результате которых выделяется огромная энергия. Эта энергия переносится на поверхность Солнца через зону лучистого переноса и зону конвекции.

– Зона лучистого переноса насыщена радиоактивными излучениями (преимущественно рентгеновским и гамма-излучением), которые переносят энергию на расстояние около нуля целых семи десятых от радиуса Солнца.

– Дальнейший перенос энергии осуществляется конвективными потоками плазмы – это явление подтверждается грануляцией.

– В процессе термоядерных реакций на Солнце рождаются нейтрино, которые менее чем за восемь с половиной минут достигают Земли из-за того, что они почти не взаимодействуют с веществом.

– С помощью нейтринного телескопа ученые могут оценить процессы, происходящие внутри Солнца, а также его внутреннее строение.

– По современным представлениям, время жизни Солнца составляет приблизительно 10 миллиардов лет, в то время, как оно существует чуть более четырех с половиной миллиардов лет.