Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых. Откуда у солнца столько энергии

Откуда берется энергия Солнца?

Реферат по астрономии на тему:

Откуда берется энергия солнца?

ученика 11 Б класса

гимназии № 25

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» даёт ему энергию? Ответы на эти вопросы учёные искали веками, и только в начале ХХ в. было найдено правильное решение. Теперь известно, что Солнце, как и другие звёзды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям. Что же это за реакции?

Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжёлого элемента, то масса нового ядра окажется меньше, чем суммарная масса тех ядер, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, образовавшиеся 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 тяжёлым элементам, таким, как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» на Солнце служит именно водород. Из четырёх 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 0° С до кипения 1000 м3 воды!

Рассмотрим механизм термоядерной реакции превращения водорода в гелий, которая, по-видимому, наиболее важна для большинства звёзд. Называется она протон-протонной, так как начинается с тесного сближения двух ядер атома водорода – протонов.

Протоны заряжены положительно, поэтому взаимно отталкиваются, причём, по закону Кулона, сила эта обратно пропорциональна квадрату расстояния и при тесных сближениях должна стремительно возрастать. Однако при очень высокой температуре и давлении скорости теплового движения частиц столь велики, а частицам так тесно, что наиболее быстрые из них всё же сближаются друг с другом и оказываются в сфере влияния ядерных сил. В результате может произойти цепочка превращений, которая завершится возникновением нового ядра состоящего из двух протонов, – ядра гелия.

Далеко не каждое столкновение двух протонов приводит к ядерной реакции. В течение миллиардов лет протон может постоянно сталкиваться с другими протонами, так и не дождавшись ядерного превращения. Но если в момент тесного сближения двух протонов произойдёт ещё и другое маловероятное для ядра событие – распад протона на нейтрон, позитрон и нейтрино (такой процесс называется бета-распадом), то протон с нейтроном объединяются в устойчивое ядро атома тяжёлого водорода – дейтерия.

Ядро дейтерия (дейтрон) по своим свойствам похоже на ядро водорода, только тяжелее. Но в отличие от последнего в недрах звезды ядро дейтерия долго существовать не может. Уже через несколько секунд, столкнувшись ещё с одним протоном, оно присоединяет его к себе, испускает мощный гамма-квант и становится ядром изотопа гелия, у которого два протона связны не с двумя нейтронами, как у обычного гелия, а с одним. Раз в несколько миллионов лет такие ядра лёгкого гелия сближаются настолько тесно, что могут объединиться в ядро обычного гелия, «отпустив на свободу» два протона.

Итак, в итоге последовательных ядерных превращений образуется ядро обычного гелия. Порожденные в ходе реакции позитроны и гамма-кванты передают энергию окружающему газу, а нейтрино совсем уходят из звезды, потому что обладают удивительной способностью проникать через огромные толщи вещества, не задев ни одного атома.

Реакция превращения водорода в гелий ответственна за то, что внутри Солнца сейчас гораздо больше гелия, чем на его поверхности. Естественно, возникает вопрос: что же будет с Солнцем, когда весь водород в его ядре выгорит и превратится в гелий, и как скоро это произойдёт?

Оказывается, примерно через 5 млрд. лет содержание водорода в ядре Солнца настолько уменьшится, что его «горение» начнётся в слое вокруг ядра. Это приведёт к «раздуванию» солнечной атмосферы, увеличению размеров Солнца, падению температуры на поверхности и повышению её в ядре. Постепенно Солнце превратится в красный гигант – сравнительно холодную звезду огромного размера с атмосферой, превосходящей границы орбиты Земли. Жизнь Солнца на этом не закончится, и оно будет претерпевать ещё много изменений, пока в конце концов не станет холодным и плотным газовым шаром, внутри которого уже не происходит никаких термоядерных реакций.

mirznanii.com

Откуда Солнце берёт энергию

Им оказался Эрнест Резерфорд. Правда, он считал, что внутри звезды происходит радиоактивный распад. Но уже в 1920‑х годах благодаря работам британского же астрофизика Артура Эддингтона стало очевидно, что в недрах Солнца и других звёзд идёт не распад, а обратный процесс — синтез ядер. Постепенно стало понятно и как эволюционировали звёзды.

Кстати, именно понимание процессов, происходящих в недрах Солнца, поставило современную физику перед загадкой, которую не могли разрешить треть века и которая привела к фундаментальным открытиям и Нобелевской премии.

Реакция ядерного синтеза. При столкновении четырёх атомов водорода в недрах Солнца образуются гелий, излучение и энергия

В ходе ядерных реакций внутри Солнца, согласно всем моделям, должно рождаться огромное количество нейтрино — частиц, которые то ли имеют массу покоя, то ли не имеют и, что точно, очень слабо взаимодействуют с веществом. Тем не менее их можно зарегистрировать и разделить на типы: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Так вот, на Солнце должны были образовываться электронные нейтрино, в строго определённом количестве. Однако то, что фиксировали учёные, было примерно в три раза меньше. В чём же дело?

В принципе, ещё в 1957 году советско-итальянский физик Бруно Понтекорво предположил, что нейтрино могут превращаться друг в друга. Это гипотетическое явление назвали нейтринными осцилляциями. Полвека спустя японец Такааки Кадзита и канадец Артур Макдональд смогли экспериментально подтвердить эту гипотезу, одним махом разрешив парадокс дефицита солнечных нейтрино. Оказывается, за те минуты, что они летят к Земле, часть электронных нейтрино превращается в нейтрино другого вида, доказывая тем самым, что у них есть масса. Открытие было удостоено Нобелевской премии по физике 2015 года.

oyla.xyz

Откуда берется энергия Солнца? - 16 Декабря 2015 | Земля

Есть одна причина, по которой Земля является единственным местом в Солнечной системе, где существует и процветает жизнь. Конечно, ученые подозревают, что под ледяной поверхностью Европы или Энцелада может тоже существовать микробная или даже водная форма жизни, также ее могут найти и в метановых озерах Титана. Но до поры до времени Земля остается единственным местом, которое обладает всеми необходимыми условиями для существования жизни.

Одна из причин этому заключается в том, что Земля расположена в потенциально обитаемой зоне вокруг Солнца (так называемой «зоне Златовласки»). Это означает, что она находится в нужном месте (не слишком далеко и не слишком близко), чтобы получать обильную энергию Солнца, в которую входит свет и тепло, необходимые для протекания химических реакций. Но как именно Солнце обеспечивает нас энергией? Какие этапы проходит энергия на пути к нам, на планету Земля?

Ответ начинается с того, что Солнце, как и все звезды, может вырабатывать энергию, поскольку является, по сути, массивным термоядерным реактором. Ученые считают, что оно началось с огромного облака газа и частиц (т. е. туманности), которое коллапсировало под силой собственной тяжести — это так называемая теория туманности. В этом процессе родился не только большой шар света в центре нашей Солнечной системы, но и водород, собранный в этом центре, начал синтезироваться с образованием солнечной энергии.

Технически известный как ядерный синтез, этот процесс высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и света. Но на пути из центра Солнца к планете Земля эта энергия проходит через ряд важных этапов. В конце концов, все сводится к слоям Солнца, и роль каждого из них играет важную роль в процессе обеспечения нашей планеты важнейшей для жизни энергией.

Ядро Солнца — это область, которая простирается от центра до 20-25% радиуса светила. Именно здесь, в ядре, производится энергия, порождаемая преобразованием атомов водорода (H) в молекулы гелия (He). Это возможно благодаря огромному давлению и высокой температуре, присущим ядру, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25,33 триллиона кПа) и 15,7 миллионам градусов по Цельсию, соответственно.

Конечным результатом является слияние четырех протонов (молекул водорода) в одну альфа-частицу — два протона и два нейтрона, связанных между собой в частицу, идентичной ядру гелия. В этом процессе высвобождается два позитрона, а также два нейтрино (что меняет два протона на нейтроны) и энергия.

Ядро — единственная часть Солнца, которая производит значительное количество тепла в процессе синтеза. По сути, 99% энергии, произведенной Солнцем, содержится в пределах 24% радиуса Солнца. К 30% радиуса синтез почти целиком прекращается. Остаток Солнца подогревается энергией, которая передается из ядра через последовательные слои, в конечном счете достигая солнечной фотосферы и утекая в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.

Солнце высвобождает энергию, преобразуя массу в энергию со скоростью 4,26 миллиона метрических тонн в секунду, что эквивалентно 38,460 септиллионам ватт в секунду. Чтобы вам было понятнее, это эквивалентно взрывам 1 820 000 000 «царь-бомб» — самой мощной термоядерной бомбы в истории человечества.Зона лучистого переноса

Эта зона находится сразу после ядра и простирается на 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечная материя очень горячая и достаточно плотная, чтобы тепловое излучение запросто передавало интенсивное тепло из ядра наружу. В основном она включает ионы водорода и гелия, испускающие фотоны, которые проходят короткое расстояние и поглощаются другими ионами.

Температура этого слоя пониже, примерно от 7 миллионов градусов ближе к ядру до 2 миллионов градусов на границе конвективной зоны. Плотность тоже падает в сто раз с 20 г/см³ ближе к ядру до 0,2 г/см³ у верхней границы.

Это внешний слой Солнца, на долю которого приходится все, что выходит за рамки 70% внутреннего радиуса Солнца (и уходит примерно на 200 000 километров ниже поверхности). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате радиационный перенос тепла проходит менее эффективно, и плотность плазмы достаточно низка, чтобы позволить появляться конвективным потокам.

Из-за этого поднимающиеся тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу к фотосфере Солнца. После тог, как эти ячейки поднимаются чуть ниже фотосферической поверхности, их материал охлаждается, а плотность увеличивается. Это приводит к тому, что они опускаются к основанию конвективной зоны снова — где забирают еще тепло и продолжают конвективный цикл.

На поверхности Солнца температура падает до примерно 5700 градусов по Цельсию. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также вызывает эффект, который вырабатывает магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.

Именно в этом слое также появляются солнечные пятна, которые кажутся темными по сравнению с окружающей область. Эти пятна соответствуют концентрациям потоков магнитного поля, которые осуществляют конвекцию и приводят к падению температуры на поверхности по сравнению с окружающим материалом.

Наконец, есть фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, излученные и поднятые на поверхность, распространяются в космос. Температуры в этом слое варьируются между 4500 и 6000 градусами. Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее нижней, Солнце кажется ярче в центре и темнее по бокам: это явление известно как затемнение лимба.

Толщина фотосферы — сотни километров, именно в этой области Солнце становится непрозрачным для видимого света. Причина этого в уменьшении количества отрицательно заряженных ионов водорода (H-), которые с легкостью поглощают видимый свет. И наоборот, видимый свет, который мы видим, рождается в процессе реакции электронов с атомами водорода с образованием ионов H-.

Энергия, испускаемая фотосферой, распространяется в космосе и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, но пропускает часть на поверхность. Затем эта энергия поглощается воздухом и земной корой, согревает нашу планету и обеспечивает организмы источником энергии.

Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него жизненный цикл растений и животных закончился бы, циркадные ритмы всех земных существ были бы сорваны, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Важность Солнца была признана еще в доисторические времена, и многие культуры рассматривали его как божество (и зачастую помещали его в качестве главного божества в свои пантеоны).

Однако только в последние несколько столетий мы начали понимать процессы, которые питают Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов, мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как она проходит через нашу Солнечную систему. Изучение известной Вселенной с ее разнообразием звездных систем и экзопланет также помогает нам провести аналогию с другими типами звезд.

earth-chronicles.ru

Почему Солнце светит так много лет?

Наше Солнце – довольно обычная звезда для Млечного Пути – не самая яркая, не самая большая и имеет возраст всего 4,5 миллиарда лет. На настоящий момент Солнце единственная известная нам звезда, чьи свет и тепло поддерживают жизнь на единственной обитаемой планете, нам известной. К счастью для нас, Солнце еще светило в тем времена, когда несколько сотен тысяч лет назад появились первые люди. Но откуда у Солнца может быть столько топлива? Почему оно до сих пор не погасло, как свеча или костер? И когда же наша звезда окончательно выгорит?

Почему светит Солнце?

Этот вопрос поднимался учеными уже в XIX веке. В то время ученым было известно только два способа, которыми Солнце могло бы генерировать энергию: либо оно создавало тепло и свет в результате гравитационного сжатия – оно стягивалось к центру и излучало энергию (в виде тепла, ощущаемого нами на Земле), поэтому со временем стало бы уменьшаться. Либо Солнце горело буквально как уголь в печи – в результате химической реакции, знакомой нам всем, и возникающей, когда мы разжигаем огонь. Взяв за основу то, что любая из перечисленных гипотез могла бы поддерживать объяснение функционирования Солнца, ученые тех лет точно рассчитали, какое время наше светило могло бы существовать, если бы на нем происходил соответствующий процесс. Но ни один результат не совпал с той цифрой, которую исследователи знали о возрасте Солнечной системы – 4,5 миллиарда лет. Если бы Солнце сжималось или горело, у него не было бы топлива уже задолго до того, как мы появились на сцене эволюции. Стало очевидно, что на Солнце происходило что-то другое.

Уравнение Энштейна

Несколько десятилетий спустя, вооружившись знаменитым уравнением Эншнейна E = mc2, которое предсказывало, что любая масса должно иметь эквивалентное количество энергии, британские астрономы 1920-х годов предположили, что Солнце фактически превращало свою массу в энергию. Однако вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу и почерневший углерод (излучая свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.

Термоядерное топливо Солнца

Солнце содержит огромное количество атомов водорода. Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречается с другим атомом водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкивают друг друга. Это предотвращает встречу одного из протонов друг с другом. Но ядро Солнца сильно разогрето и находится под таким давлением, что атомы перемещаются с большой кинетической энергией, которая позволяет им преодолевать силу, связывающую их структуру, и электроны начинают отделяться от своих протонов. Это означает, что протоны, обычно находящиеся внутри ядра атома водорода, могут касаться друг друга и объединяются в ядра других элементов в результате процесса, называемого термоядерным синтезом. Эта реакция происходит с высвобождением колоссального количества энергии.Так же, как и внутри ядерного реактора, атомы внутри ядра Солнца врезаются друг в друга каждую секунду. В результате таких столкновений чаще всего случается, что четыре протона водорода сливаются друг с другом, чтобы создать один атом гелия. В результате такого синтеза часть массы этих четырех микроскопических протонов оказывается «потеряна», поскольку атом гелия весит меньше, чем суммарно четыре протона. Но поскольку Вселенная сохраняет материю, она не может просто навсегда исчезнуть, эта масса превращается в неимоверное количество энергии – каждую секунду Солнце излучает 3,9 × 10 в степени 26 Вт мощности. (Это такое огромное количество энергии, что, честно говоря, нельзя привести никакой аналогии с земными процессами. Возможно, это число можно оценить следующим образом: такое количество ватт намного больше, чем все электричество, которое весь мир будет тратить текущими темпами более нескольких сотен тысяч столетий).

Сколько будет гореть Солнце?

Эффективность реакции термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце постоянно излучает тепло, – энергия, выделяемая путем превращения всего одного килограмма водорода в гелий эквивалентна той, которая выделяется при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце достаточно массивно и относительно молодо, ученые считают, что оно использовало только около половины своего топлива – водорода.В конце концов, ядро Солнца преобразует весь свой водород в гелий, и звезда умрет. Но не переживайте. Этого не произойдет еще примерно 5 миллиардов лет.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

alivespace.ru

Мнение: Тайны Солнца

Солнце: небольшая справка.

Диаметр Солнца составляет около 109 диаметров Земли.
Солнце находится на удалении от центра Млечного Пути примерно 26 тыс. световых лет и обращается вокруг него за один оборот более чем за 200 млн. лет.
Орбитальная скорость – 217 км/сек.
Расстояние от Земли до Солнца – 149,6 млн. км. (в 389 раз дальше, чем от Земли до Луны).
Возраст Солнца – 4,57 млрд. лет.
Температура короны, внешней оболочки Солнца, от 600 тысяч до 5 миллионов градусов.

Теперь можно переходить к загадкам нашего Светила.

Откуда Солнце берет энергию?

А точно никто не знает! Вначале была теория солнечного термоядерного котла, которая появилась в 1950-х годах после того, как были проведены первые испытания термоядерной бомбы: реакция при взрыве сильно напоминала то, что, по мнению ученых, происходит на Солнце. Однако эта теория продержалась совсем недолго, до 1970-х годов. Когда же смогли более-менее достоверно измерить температуру нашей звезды, оказалось, что она значительно ниже 6 млн. градусов и составляет всего 6 тыс. градусов! А это совсем не похоже на термоядерные взрывы! Да и последние расчеты подтверждают, что если бы Солнце действительно бы было огромным термоядерным реактором, то оно бы израсходовало свои запасы несколько миллиардов лет назад!

Какая температура Солнца?Как обычно ведет себя температура окружающей среды вблизи нагретых тел? А температура, и это почти аксиома, по мере удаления от нагретой поверхности падает. И она действительно падает, как только мы удаляемся сколько-нибудь от поверхности светила. Однако затем, после подъема на очень незначительную высоту, температура неожиданно начинает очень быстро расти и достигает чрезвычайно больших значений. Все бы ничего, да вот только этот никак не вписывается в теорию термоядерного синтеза, поскольку если она и есть в недрах Солнца, то тогда эти недра тоже должны быть нагреты до температуры несколько миллионов градусов. Но на поверхности Солнца, как сказано уже выше, всего-то 6тыс. градусов! И как прикажите объяснить феномен такого пирога, два слоя которых нагреты до нескольких миллионов градусов, а тонкая прослойка между ними всего до 6 тыс. градусов! Ни воображение, ни всевозможные теории этого объяснить не могут, поскольку нельзя предположить разумный механизм передачи энергии из недр к короне минуя практически холодную поверхность! И это есть одна из наиболее значительных солнечных тайн!

Откуда на Солнце пятна?Пятна на Солнце и вправду существуют. Они то появляются, то исчезают, бывают то меньше, то больше и разной формы. Их появление на поверхности нашей звезды подчинено определённому ритму: приблизительно каждые 11 лет число так называемых солнечных пятен, видимых на поверхности Солнца, увеличивается от нуля (или очень малого значения) до 100 и более, а затем снова уменьшается до нуля в начале следующего солнечного цикла. Есть предположение, что темные пятна на Солнце представляют собой участки более холодного вещества, хотя природа и причины появления таких участков представляют еще одну загадку современной физики Солнца.

Солнечные вспышки?С пятнами на Солнце связана еще одна загадка: в областях расположенных около пятен, иногда происходят взрывные процессы, их назвали солнечными вспышками, во время которых окружающая плазма нагревается до температур в десятки миллионов градусов в течение нескольких секунд. Очень часто вспышки сопровождаются выбросами горячей ионизованной плазмы из короны Солнца, и объем таких выбросов может составлять биллионы тонн! Распространяясь во все стороны, эта плазма достигает и Земли, где становится причиной магнитных бурь и северных сияний. Поскольку это тайна, то предсказать, когда и где произойдет очередная солнечная вспышка и насколько сильной она будет пока нельзя.

Самая загадочная тайна Солнца!В марте 2007 года на официальном сайте НАСА были опубликованы снимки поверхности Солнца. При подробном изучении фотографий исследователи обнаружили на них необычные объекты, которые перемещались непосредственно над солнечной короной. Они могли перемещаться по определённым траекториям, имели техногенную структуру, размеры соизмеримые с размерами самого Солнца! Эти пятна присутствуют абсолютно на всех снимках и траектория их постоянно меняется. Официальные представители НАСА однозначно констатировали, что это дефект плёнок. Но скрупулёзные исследования, проведённые в период с 2007 по 2011 год, доказывают обратное: ряд объектов имеют ромбовидную структуру с элементами опор и антенн и вполне определённую траекторию движения. Что это? Дефект оптики или же мы на самом деле столкнулись с неопознанными объектами, которые уже давно используют энергию нашего Солнца в своих целях.

mnenie-o.blogspot.com

Почему Солнце – главнейший источник энергии

Сегодня вопрос использования альтернативных источников топлива как никогда является актуальным. И этому есть несколько причин:

Запасы нефти на нашей планете не бесконечны;
Количество веществ, загрязняющих нашу атмосферу при использовании бензина и прочих видов топлива, изготавливаемого из нефтяных продуктов, превышает любые нормы;
Альтернативные виды энергии имеют более низкую стоимость и бесконечный ресурс.

Именно поэтому люди сегодня так широко рассматривают вопрос перехода на электромобили, а крупнейшие мировые концерны занимаются их разработками. Кроме того, очень многие люди задумываются и об использовании солнечной энергии, оборудуя собственные дома соответствующими системами батарей.

Почему Солнце – главнейший источник энергии

И сегодня мы хотели поговорить о том, почему Солнце – это главнейший источник энергии на Земле.

Солнце – главный источник энергии на планете

Мы не зря упомянули о том, что сегодня человечество заинтересовано в том, чтобы использование электрической энергии стало максимально обширным.

Задать вопрос!

Если у Вас есть какой-то вопрос по этой статье, то не стесняйтесь и спрашивайте в комментариях.Мы постараемся оперативно ответить.

Спросить >>>

И, казалось бы, какую роль в данной ситуации выполняет Солнце, ведь энергия берется отнюдь не от него.Разумеется, существует такое приспособление, как солнечная батарея, однако в промышленных масштабах добывать энергию таким путем достаточно проблематично.

Вспомним о том, что сегодня в энергетике широко используется получение энергии путем использования водных ресурсов нашей планеты, а также даже таких сил или явлений, как ветер. Именно так, например, в Голландии с недавнего времени все поезда перешли на энергию, получаемую путем использования ветряных электростанций. Такие ресурсы, в отличие от нефти и угля, считаются неисчерпаемыми, а значит – универсальными. Кроме того, получение такой энергии никак не влияет на ухудшение экологии в мире.

А теперь необходимо вспомнить о том, что Солнце – это центр нашей вселенной, это небесное тело, вокруг которого вращается не только Земля, но и любой другой объект, любое космическое тело. Солнце не только освещает нашу планету и обогревает её, но и создает условия, заставляющие двигаться все в таких слоях, как атмосфера или гидросфера. Соответственно, все движения водных ресурсов, а также такие явления, как ветер, зависят непосредственно от нашего естественного светила.

Именно так и можно объяснить, почему Солнце – главнейший источник энергии. Даже если забыть о том, что без Солнца мы бы замерзли, и жизнь планете была бы невозможна, важно понимать, что без Солнца у нас попросту не хватило бы ресурсов и энергетических запасов в недрах Земли для дальнейшего существования.

Понравился материал? Поставь оценку и поделись в соцсетях чтобы и друзья были в курсе.Остались вопросы? Задайте их в комментариях.

Загрузка...

voprosy-pochemu.ru

Путешествие в космос - Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых

Солнечная энергия

Если мы представим себе новую звезду, увеличивающую свою светимость в считанные дни в 100 000 раз, мы легко поймем, сколь грандиозны масштабы излучаемой ею в космос энергии. Новая средних размеров в пике своего блеска излучает в день столько энергии, сколько наше Солнце за полгода.

Откуда же берется эта энергия?

Прежде чем ответить на это, мы должны задаться вопросом: а откуда получает энергию наше Солнце? Солнце светит уже в течение 4,6 млрд. лет почти в том же режиме, что и теперь. За это время оно истратило неимоверное количество энергии, однако все еще светит и будет светить на нынешнем уровне еще 5–6 млрд. лет. Где же источник всей этой энергии?

Раньше XIX в. этот вопрос особенно никого не беспокоил. В древности и в средние века люди думали, что Солнце сделано из особого небесного материала, обладающего способностью сиять. Оно не могло прекратить свое сияние точно так же, как земные предметы не могли прекратить разрушение от времени. К тому же, по мнению тех людей, Солнце было не так уж старо. Считалось, что оно светит каких-то несколько тысяч лет.

К середине прошлого века, однако, ученые стали испытывать некоторое беспокойство. Они понимали, что небесные тела существенно отличаются от Земли по химическому составу, что возраст Земли не тысячи лет, а миллионы, и стали настойчиво изучать природу энергии.

В 1847 г. немецкий физик Герман фон Гельмгольц (1821–1894) в результате тщательного исследования процессов, связанных с изменениями энергии, обосновал закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может возникать из ничего или исчезать бесследно, она может лишь менять свою форму. В сущности, эта идея пришла к физикам еще в начале 40-х годов XIX в., но Гельмгольц выдвинул самые убедительные и законченные аргументы и честь открытия данного закона приписывается именно ему.

Кроме того, Гельмгольц был первым ученым, сосредоточившим свое внимание на проблеме солнечной энергии. Солнце не могло черпать свою энергию из ничего; откуда же тогда оно берет ее?

Гельмгольц начал поиск с нескольких источников энергии, которые были легкообъяснимы. Не могло ли Солнце получать энергию в результате обычного химического горения? Не могло ли оно получать ее в результате постоянного падения метеоритного вещества? Первые попытки Гельмгольца либо давали недостаточные количества энергии, либо затрагивали такие изменения массы Солнца, которые должны давать легко измеримые результаты, которых на самом деле они не давали.

Наконец в 1854 г. Гельмгольц решил, что единственным источником энергии, питающим Солнце, является собственное его сжатие. Тяжелое солнечное вещество медленно падает внутрь Солнца в направлении к его центру, и энергия этого падения превращается в энергию излучения, питающую Солнце многие тысячи лет.

Это объяснение было не совсем удачно: так, если бы Солнце сжималось в продолжении нескольких десятков миллионов лет, то изначальный его объем был бы так огромен, что захватил бы и земную орбиту. Поэтому Земля могла образоваться только тогда, когда Солнце стало значительно меньше, и, следовательно, возраст нашей планеты не более десятка миллионов лет.

К концу прошлого века геологи, а с ними и биологи стали понимать, что Земля, а значит, и Солнце, гораздо старше. Земля должна существовать как минимум сотни миллионов лет, а может быть, даже миллиард лет и более. Солнце должно быть таким же «взрослым», и в этом случае его сжатие даже близко не обеспечило бы его достаточным для такого срока количеством энергии. Тогда что же это за источник?

Когда XIX век уже близился к концу, человечество неожиданно открыло новый источник энергии. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл радиоактивность. Он обнаружил, что атомы металлического урана очень медленно, но постоянно превращаются в ядра других элементов.

В 1901 г. другой французский физик — Пьер Кюри (1859–1906) нашел, что радиоактивность связана с выделением небольших, очень небольших количеств тепла.

Поскольку, однако, радиоактивный распад может продолжаться миллиарды лет и учитывая количество радиоактивных веществ Земли в целом, общее количество выделенного тепла может быть огромным. Стало ясно, что открыт новый, очень интенсивный источник энергии.

Эрнст Резерфорд, английский физик родом из Новой Зеландии (1871–1937), в 1906 г. показал, что атом не просто крошечный шарик, как думали раньше, но состоит из еще более мелких «субатомных частиц», или, как мы теперь знаем, из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны, будучи относительно тяжелыми для таких крохотных частиц, помещаются в таких же крохотных ядрах в самом центре атома. Вокруг ядра вращаются легкие электроны. Именно в ядрах происходят изменения, и в процессе распада высвобождается энергия; эту энергию со временем стали называть «ядерной энергией».

Так что ж, может быть, Солнце светит за счет такой ядерной энергии? Источником ядерной энергии, получившим известность в первых десятилетиях нашего века, был радиоактивный распад атомов урана и тория. Неужели наше Солнце — это гигантский шар, набитый ураном и торием?

Нет, такого быть не могло. В начале XX в. химический состав Солнца был уже известен благодаря применению упомянутой здесь ранее спектроскопии. Давайте разберемся в этом еще раз.

Солнечный свет при его прохождении сквозь стеклянную призму раскладывается на радугу цветов, или спектр, что было впервые показано Исааком Ньютоном (1643–1727). Это происходит оттого, что свет состоит из мельчайших волн, имеющих разную длину, и, проходя через стеклянную призму, каждый луч света изгибается на величину, зависящую от его собственной длины волны. Чем короче волна, тем больше этот изгиб. Таким образом, спектр состоит из световых волн, разложенных по порядку от самых длинных волн на одной стороне до самых коротких на другой.

В 1814 г. немецкий оптик Йозеф Фраунгофер обнаружил, что солнечный спектр прочерчивается многочисленными темными линиями. Темные линии объясняются тем, что атмосфера Солнца поглощает часть света с определенной длиной волны, которая через нее проходит. Солнечный свет поэтому приходит на Землю с недостающими длинами волн, а пробелы — это темные линии спектра.

Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) в 1859 г. открыл, что каждый отдельный вид атомов поглощает или излучает в нагретом состоянии волны света особой длины, которые не поглощаются никаким другим видом атомов. Установив длину поглощаемой или излучаемой волны, можно определить атом вещества, поглощающий или излучающий свет.

В 1861 г. шведский физик Андерс Ангстрем (1814–1874) отождествил некоторые темные линии солнечного спектра с водородом — самым простейшим из природных элементов. Впервые была идентифицирована одна из составляющих «небесного тела». Ею оказалось вполне земное вещество. (Этот факт наносил удар по утверждению Аристотеля, что небесные тела сделаны из уникальных, единственных в своем роде субстанций!)

С того дня солнечный спектр стал изучаться все более и более детально, и на Солнце были открыты атомы других веществ, существующих и у нас на Земле. Удалось установить даже пропорции, в которых присутствуют там различные атомы. Поэтому можно совершенно определенно утверждать: — Солнце не шар из урана и тория; эти элементы находятся там в едва заметных количествах и могут выделять энергию, которая пренебрежимо мала в сравнении с тем, что ежесекундно излучает Солнце.

Следует ли отсюда, что ядерная энергия не может быть источником энергии для Солнца?

Вовсе нет. В 1915 г. американский химик Уильям Харкинз (1873–1951) предположил, что энергию могут выделять многие типы ядерных превращений, отличные от обычной радиоактивности. Он указал, что ядерное превращение, дающее необычайно большое количество энергии, — это превращение, при котором четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. Харкинз предположил, что такая «водородная ядерная реакция», как она теперь называется, и есть источник энергии Солнца.

Трудность заключалась в том, что радиоактивность, которая самопроизвольно протекает на Земле, точно так же должна вести себя и на Солнце, так что распад урана мог быть правдоподобным источником энергии Солнца лишь при условии достаточного его количества. С другой стороны, ядерный синтез водорода не происходит в обычных условиях, но требует огромных температур, таких, которые не в состоянии обеспечить даже раскаленная поверхность Солнца.

В 20-х годах Эддингтон изучал вопрос: почему под действием собственной громадной гравитации Солнце не сжимается до размеров маленького шарика? Единственной силой, которая могла заставить его расширяться наперекор силе гравитации, была его внутренняя температура, его внутренний жар, и Эддингтон рассчитал, каким горячим должно быть ядро Солнца, чтобы поддерживать его в его нынешних размерах. Выяснилось, что температура должна быть порядка миллионов градусов, и теперь общепринято значение температуры ядра Солнца 15 000 000 °C.

Американский астроном Генри Рассел (1877–1957) продолжил эти исследования, изучив состав Солнца так досконально, как никто до него не делал. Его анализ солнечного спектра показал, что 75 % массы Солнца составляет водород, остальные 25 % — гелий. Это два простейших атома. Все более сложные атомы существуют на Солнце в количестве, не превышающем в сумме 1 %.

Если Солнце — это, в сущности, шар, наполненный водородом и гелием, то синтез водорода есть единственно возможная ядерная реакция, способная дать энергию Солнцу. И недра Солнца, если не его поверхность, обеспечивают для этого вполне высокую температуру.

В 1938 г. немецко-американский физик Ханс Альбрехт Бете (р. 1906), приняв в расчет химический состав Солнца и температуру в его ядре, разработал довольно точную модель процессов, происходящих внутри светила. Эта модель была позднее уточнена, и, насколько удалось определить, солнечная энергия, как и предсказал Харкинз четверть века назад, возникает в результате превращения четырех ядер водорода в одно ядро гелия.

Что годится для Солнца, годится и для других звезд, так что, определив механизм образования солнечной энергии, мы, по-видимому, решим проблему возникновения звездной энергии вообще.

Синтез водорода в условиях сохранения равновесия может самоподдерживаться при неизменном (или очень мало изменяемом) выходе энергии в течение времени существования звезды, зависящего от ее массы. Чем крупнее звезда, тем больше она содержит водорода, но одновременно тем больше калорий требуется, чтобы удержать ее в расширенном состоянии при повышенной силе гравитации этой более крупной звезды.

По мере роста массы потребность в тепле опережает его производство. Это означает, что обширный топливный запас массивной звезды расходуется быстрее, чем небольшой запас топлива звезды некрупной. В итоге чем больше масса звезды, тем меньше ее ресурс как водородного ядерно-энергетического объекта.

Топливный запас массивной звезды расточается так быстро, что она может оставаться «нормальной» звездой всего несколько миллионов лет. Маленькая звезда расходует свой небольшой запас так экономно, что он может служить ей 200 млрд. лет.

Солнце, которое в этом смысле является промежуточной звездой, имеет запас водорода, который может питать его энергией на протяжении 10–12 млрд. лет. Солнце просуществовало 4,6 млрд. лет, поэтому оно еще не достигло и середины своего срока жизни как нормальной звезды.

О существующих звездах, которые пребывают в фазе своего жизненного цикла, говорят, что они находятся в «главной последовательности». В главной последовательности находится и Солнце. В ней же располагается 85 % видимых звезд.