Джерела енергії та внутрішня будова Сонця

Щомиті Сонце втрачає близько 4,3 млн. Тонн маси на випромінювання. На рік це становить 1,4 · 1014 тонн. Але Сонце дуже велике: 1% своєї маси воно втратило б на випромінювання за 150 млрд. Років. І протягом мільярдів років Сонце випромінює величезну енергію.

Згідно сучасним уявленням, на Сонці відбуваються термоядерні реакції, що супроводжуються величезним виділенням енергії. У ході цих реакцій при дуже високих температурах одні хімічні елементи перетворюються в інші.

У надрах Сонця у вигляді окремих протонів знаходиться сильно іонізований водень. Швидкість протонів в умовах високих температур настільки велика, що вони зближуються, долаючи електричні сили відштовхування. На дуже близьких відстанях вступають в дію потужні ядерні реакції, в ході яких відбувається синтез нових хімічних елементів. Фактично всередині Сонця водень перетворюється на гелій. Це перетворення описується протон-протонним циклом – дуже повільній реакцією (характерний час 7,9 ∙ 109 років). Її суть полягає в тому, що з чотирьох протонів виходить ядро ​​гелію. При цьому виділяються пари позитронів і пара нейтрино, а також 26,7 МеВ енергії. Розглянемо ланцюжок протон-протонного циклу. На першому етапі злиття двох протонів супроводжується утворенням дейтерію

У ході такої реакції виділяється величезна кількість енергії. Скориставшись законом взаємозв’язку маси і енергії E = mc2, можна порахувати, що при згорянні 1 г водню виділяється приблизно 6,3 · 1011 Дж енергії.

Кожну секунду Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Запасів ядерного палива вистачить ще на п’ять мільярдів років, після чого воно поступово перетвориться на білий карлик.

Одним з продуктів протон-протонного циклу є нейтрино. Ці частинки майже без взаємодії здатні проникати крізь товщу всій зірки, несучи частина енергії безпосередньо з її центральних областей. Нейтрино мають величезну проникаючу здатність і тому важковловимий. Тим не менше, існують спеціальні нейтринні обсерваторії, які фіксують потоки сонячних нейтрино. Реєстрація нейтрино – вкрай важливе завдання, оскільки саме нейтрино несе інформацію про процеси, що відбуваються в надрах Сонця і подібних йому зірок.

Грунтуючись на даних про масу, світності і радіусі Сонця, можна отримати дані про тиск, щільність, температуру і хімічний склад на різних відстанях від центру Сонця.

Тиск, щільність і температура зростають з глибиною, досягаючи в центрі Сонця максимальних значень: тиск до 340 млрд. Атмосфер, щільність 160 г / см3, температура 15 млн. Кельвінів. Хімічний склад Сонця також не залишається постійним на різних глибинах: процентний вміст водню зростає від центру Сонця до фотосфері.

Термоядерні реакції відбуваються тільки в центральних областях Сонця на відстанях не більше 0,3 радіуса від центру – в сонячному ядрі. Енергія гарячого ядра повинна якось виходити назовні, до поверхні Сонця. Відразу навколо ядра знаходиться зона радіації або зона передачі променевої енергії. Вона простягається від 0,3 до 0,7 радіусів Сонця. У цій зоні енергія передається випромінюванням від шару до шару. Щільність, температура і тиск зменшуються в міру віддалення від ядра, в цьому ж напрямку йде потік енергії. Процес перенесення променевої енергії вкрай повільний – він займає багато тисяч років. При цьому шари не перемішуються, а енергія, излученная нижнім шаром, поглинається верхнім і переизлучается далі. Кожен наступний шар випромінює кванти меншою енергії, ніж попередній. Тому гамма-кванти, що виробляються в процесі термоядерних реакцій, послідовно перетворюються на кванти рентгенівського, ультрафіолетового і, нарешті, поблизу поверхні – видимого та інфрачервоного випромінювання.

Приблизно з відстані 0,3 радіуса Сонця від поверхні перенесення енергії здійснюється за допомогою конвекції – величезні потоки гарячого газу піднімаються вгору, де віддають своє тепло навколишньому середовищу, а охолоджене сонячний газ опускається вниз. Як ми вже знаємо, свідченням конвекції газу у верхніх шарах Сонця є гранули.

Рівновага Сонця забезпечується тим, що сили тяжіння, які прагнуть стиснути газова куля, врівноважуються силами внутрішнього тиску газу.

Посилання на основну публікацію