Почему и как светит Солнце? Почему Солнце светит? Как оно "работает" и как влияет на нашу планету

Думаю, ни для кого ни секрет, что наше солнце и те звезды, которые мы видим ночью на небе одинаковы. Вот только "ночные" звезды отдалены от нас намного дальше, чем солнце.

Звезды - это огромные шарообразные скопления из раскаленного газа. Как правило, звезды состоят на более чем 99% из газа, на оставшиеся доли процента приходится огромное количество элементов (к примеру в нашем солнце их около 60). Температура поверхностей различных типов звезд колеблется от 2 000 до 60 000 градусов Цельсия.

Что же заставляет звезды излучать свет? Древние мыслители думали, что поверхность солнца постоянно горит, и поэтому излучает свет и тепло. Однако это не так. Во-первых, причина излучения тепла и света находится намного глубже поверхности звезды, а именно в ядре . Ну и во-вторых, процессы происходящие в недрах звезд вовсе не похожи на горение.

Процесс, происходящий в недрах звезд, называется . Если в двух словах, то термоядерный синтез - это процесс перехода материи в энергию, причем из минимального количества материи высвобождается невероятное количество энергии.

С научной точки зрения, - это реакция, при которой более легкие атомные ядра - обычно изотопы водорода (дейтерий и тритий) сливаются в более тяжелые ядра - гелия . Чтобы произошла эта реакция необходима невероятно высокая температура - несколько миллионов градусов.

Эта реакция и происходит в нашем солнце: при температуре ядра 12 000 000 градусов 4 атома водорода сливаются в 1 ядро гелия и при этом высвобождается невообразимое количество энергии: тепла, света и электромагнетизма.

Как можно было догадаться солнце не вечно , оно со временем "спалит само себя". Ученые считают, что в нем еще хватит материи приблизительно на 4-6 миллиардов лет, т.е. где-то на столько же, сколько оно уже просуществовало.

Несмотря на простую формулировку вопроса «Почему светит Солнце?» ответ на него требует некоторой базы физических знаний и изложить его в одном предложении – затруднительная задача. Решить ее мы попытаемся ближе к концу статьи, которую начнем с исторической справки.

История

Одним из первых, кто попытался подойти к объяснению природы Солнца с научной точки зрения был древнегреческий астроном и математик Анаксагор, согласно словам которого Солнце – раскаленный металлический шар. За это философ был заключен в тюрьме. Прежде, чем в 17-м веке началось инструментальное изучение Солнца, было еще немало предположений о природе солнечного света, вплоть до находящихся на поверхности постоянно горящих лесов.

С 17-го века ученым открывается такое явление как солнечные пятна, появляется возможность вычислить период вращения Солнца. Становится ясно, что наша звезда является неким физическим телом со сложной структурой. В 19-м веке возникает спектроскопия, при помощи которой удается разложить солнечный луч на составные цвета. Таким образом, благодаря линиям поглощения, Фраунгоферу удается обнаружить новый химический элемент, входящий в состав звезды, — гелий.

В середине 19 века ученые уже пытались описать свечение Солнца более сложными научными гипотезами. Так Роберт Майер предположил, что звезда нагревается за счет бомбардировки метеоритами. Несколько позже, в 1853-м году, возникла более правдоподобная идея так называемого «механизма Кельвина - Гельмгольца», согласно которой Солнце нагревалось по причине гравитационного сжатия. Однако, в таком случае возраст светила был бы значительно меньше, нежели на самом деле, что противоречило некоторым геологическим исследованиям.

Почему светит Солнце

К верному ответу на данный вопрос впервые подобрался британский физик Эрнест Резерфорд, который предположил, что в Солнце происходит радиоактивный распад и именно он является источником энергии звезды. Позже, в 1920-м году английский астрофизик Артур Эддингтон развил мысль Резерфорда, утверждая, что в ядре Солнца может протекать реакция термоядерного синтеза под действием внутреннего давления собственной массы Солнца. Спустя 10 лет были рассчитаны основные реакции синтеза, порождающие наблюдаемое количество энергии.

Кратко термоядерную реакцию, вследствие которой светит Солнце, можно описать как слияние протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4. Так как ядро гелия-4 имеет меньшую массу, чем ядра водорода, то разница энергий (свободная энергия) излучается в виде фотонов – частиц, являющихся электромагнитным излучением.

Термоядерная реакция

Протон-протонные термоядерные реакции синтеза, протекающие внутри звезд с массой Солнца и менее, можно разделить на три цепочки: ppI, ppII, ppIII. Из них на ppl приходится более 84% энергии Солнца. Протон-протонная реакция состоит из трех циклов, где в роли первого выступает взаимодействие двух протонов (двух ядер водорода). Обладая достаточными энергиями, чтобы преодолеть кулоновский барьер, два протона сливаются, в результате чего образуется дейтрон. Так как ядро дейтрона, состоящее из двух протонов, имеет меньшую массу чем два отдельных протона, образуется свободная энергия, за счет которой возникают позитрон и электронное нейтрино, которые излучаются из области, где проходила реакция.

Далее вследствие взаимодействия дейтрона и еще одного протона образуется гелий-3 с выделением энергии в виде электромагнитного излучения. Дальнейшие этапы реакции можно наглядно проследить на представленной ниже схеме.

Реакции, протекающие внутри солнца

Помимо протон-протонной термоядерной реакции синтеза малый вклад в высвобождаемую Солнцем энергию вносит реакция типа протон-электрон-протон 0.23%.

Таким образом, обобщая выше сказанное – Солнце излучает электромагнитные волны различной частоты, в том числе и в области видимого света, которые образованы частицами, рожденными в результате высвобожденной энергии во время протон-протонной (протон-электрон-протонной) реакции термоядерного синтеза.

То, что без Солнца жизнь на Земле не существовала бы, люди поняли давным-давно, ведь его возвеличивали, ему поклонялись, а отмечая день Солнца, нередко приносили человеческие жертвы. За ним наблюдали и, создавая обсерватории, решали такие простые на первый взгляд вопросы о том, почему Солнце светит днём, какова по своей сути природа светила, когда происходит закат Солнца, где оно встаёт, какие объекты находятся вокруг Солнца, и планировали свою деятельность на основе полученных данных.

Ученые не догадывались, что на единственной звезде Солнечной системы существуют времена года, очень напоминающие «сезон дождей» и «сухой сезон». Активность Солнца попеременно возрастает то в северном, то в южном полушарии, длится одиннадцать месяцев, и столько же времени снижается. Наряду с одиннадцатилетним циклом его активности напрямую зависит жизнь землян, поскольку в это время из недр звезды выбрасываются мощные магнитные поля, вызывающие опасные для планеты солнечные возмущения.

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).

Атмосфера Солнца

Так как температурные показатели верхних слоёв Солнца превышают 6 тыс. градусов Цельсия, оно твёрдым телом не является: при такой высокой температуре любой камень или металл трансформируется в газ. К таким выводам учёные пришли недавно, поскольку раньше астрономы выдвигали предположение, что излучаемый звездой свет и тепло являются результатом горения.

Чем больше астрономы наблюдали за Солнцем, тем понятней становилось: его поверхность накалена до предела вот уже несколько миллиардов лет, а так долго ничего гореть не может. По одной из современных гипотез, внутри Солнца происходят те же процессы, что в атомной бомбе – материя преобразовывается в энергию, и в результате термоядерных реакций водород (его доля в составе звезды составляет около 73,5 %) трансформируется в гелий (почти 25%).

Слухи о том, что Солнце на Земле рано или поздно погаснет, не лишены оснований: количество водорода, находящегося в ядре, не безгранично. По мере его сгорания внешний слой звезды будет расширяться, в то время как ядро, наоборот, уменьшаться, в результате чего жизнь Солнца закончится, и оно преобразуется в туманность. Начнётся этот процесс нескоро. По расчётам учёных, это произойдёт не ранее, чем через пять-шесть миллиардов лет.

Что касается внутренней структуры, то поскольку звезда являет собой газообразный шар, с планетой его объединяет разве что наличие ядра.

Ядро

Именно здесь происходят все термоядерные реакции, порождающие тепло и энергию, которые, минуя все последующие слои Солнца, покидают её в виде солнечного света и кинетической энергии. Солнечное ядро простирается от центра Солнца на расстояние в 173 000 км (приблизительно 0,2 солнечного радиуса). Интересно, что в ядре звезда вокруг своей оси вращается намного быстрее, чем в верхних слоях.

Зона лучистого переноса

Ушедшие из ядра фотоны в зоне лучистого переноса сталкиваются с плазмовыми частицами (ионизированным газом, образованным из нейтральных атомов и заряженных частиц, ионов и электронов) и обмениваются с ними энергией. Столкновений наблюдается так много, что фотону, дабы миновать этот слой, иногда требуется около миллиона лет, и это несмотря на то, что плотность плазмы и её температурные показатели у внешней границы уменьшаются.

Тахоклин

Между зоной лучистого переноса и конвективной зоной находится очень тонкий слой, где происходит формирование магнитного поля – силовые линии электромагнитного поля вытягиваются плазмовыми потоками, увеличивая его напряжённость. Есть все основания предполагать, что здесь плазма значительно изменяет свою структуру.

Конвективная зона

Возле солнечной поверхности, температуры и плотности вещества становится недостаточно для того, чтобы энергия Солнца переносилась лишь с помощью переизлучения. Поэтому здесь плазма начинает вращаться, образовывая вихри, перенося энергию к поверхности, при этом чем ближе к внешнему краю зоны, тем больше она охлаждается, а плотность газа уменьшается. В то же время охлаждённые на поверхности частицы находящейся над ней фотосферы уходят в конвективную зону.

Фотосфера

Фотосферой называют самую яркую часть Солнца, которую можно увидеть с Земли в виде солнечной поверхности (называется она так условно, поскольку тело, состоящее из газа, поверхности не имеет, поэтому её относят к части атмосферы).

По сравнению с радиусом звезды (700 тыс. км) фотосфера представляет собой очень тонкий слой толщиной от 100 до 400 км.

Именно здесь во время проявления солнечной активности происходит выделение световой, кинетической и тепловой энергии. Поскольку температура плазмы в фотосфере ниже, чем в остальных местах, и присутствует сильное магнитное излучение, в неё формируются солнечные пятна, порождающие всем известный феномен, как вспышки на Солнце.

Хотя вспышки на Солнце непродолжительны, энергии в этот период выбрасывается чрезвычайно много. А проявляется она в виде заряженных частиц, ультрафиолетового, оптического, рентгеновского или гамма-излучения, а также плазмовых течений (на нашей планете они вызывают магнитные бури, негативно влияющие на здоровье людей).

Газ в этой части звезды относительно разряжён и вращается очень неравномерно: его оборот в районе экватора составляет 24 дня, на полюсах – тридцать. В верхних слоях фотосферы зафиксированы минимальные температурные показатели, из-за которых из 10 тыс. атомов водорода только один имеет заряженный ион (несмотря на это, даже в этой области плазма является достаточно ионизированной).

Хромосфера

Хромосферой называют верхнюю оболочку Солнца толщиной в 2 тыс. км. В этом слое температура резко возрастает, а водород и другие вещества начинают активно ионизироваться. Плотность этой части Солнца обычно невысока, а потому с Земли трудно различима, и увидеть её можно лишь в случае затмения Солнца, когда Луна закрывает собой более яркий слой фотосферы (хромосфера в это время светится красным цветом).

Корона

Корона является последней внешней, сильно раскалённой оболочкой Солнца, которая видна с нашей планеты во время полного солнечного затмения: она напоминает лучистый ореол. В другое время увидеть её невозможно из-за очень невысокой плотности и яркости.

Состоит она из протуберанцев, фонтанов раскалённого газа высотой до 40 тыс. км, и энергетических извержений, которые на огромной скорости уходят в космос, образуя солнечный ветер, состоящий из потока заряженных частиц. Интересно, что именно с солнечным ветром связаны многие природные явления нашей планеты, например, северное сияние. Надо заметить, что солнечный ветер сам по себе чрезвычайно опасен, и если нашу планету не защищала атмосфера, то он погубил бы всё живое.

Земной год

Вокруг Солнца наша планета движется на скорости около 30 км/с и период полного её оборота равняется одному году (длина орбиты составляет более 930 млн. км). В точке, где солнечный диск находится ближе всех к Земле, нашу планету от звезды отделяет 147 млн. км, а в наиболее удалённой точке – 152 млн. км.

Видимое с Земли «движение Солнца» изменяется на протяжении целого года, а его траектория напоминает восьмёрку, вытянутую вдоль оси Земли с севера на юг с уклоном в сорок семь градусов.

Происходит это из-за того, что угол отклонения оси Земли от перпендикуляра к плоскости орбиты составляет около 23,5 градусов, а поскольку наша планета вращается вокруг Солнца, лучи Солнца ежедневно и ежечасно (не считая экватора, где день равен ночи) меняют угол своего падения в одной и той же точке.

Летом в северном полушарии наша планета наклонена в сторону Светила, а потому лучи Солнца освещают земную поверхность максимально интенсивно. А вот зимой, поскольку путь солнечного диска по небу проходит очень низко, луч Солнца падает на нашу планету под более крутым углом, а потому земля прогревается слабо.

Средняя температура устанавливается, когда наступает осень или весна и Солнце расположено на одинаковом расстоянии по отношению к полюсам. В это время ночи и дни имеют приблизительно одинаковую продолжительность – и на Земле создаются климатические условия, являющие собой переходной этап между зимой и летом.

Такие изменения начинают проходить ещё зимой, после зимнего солнцестояния, когда траектория движения Солнца по небосводу изменяется, и оно начинает подниматься.

Поэтому, когда наступает весна, то Солнце приближается ко дню весеннего равноденствия, продолжительность дня и ночи становится одинаковой. Летом, 21 июня, в день летнего солнцестояния, солнечный диск достигает наивысшей точки над горизонтом.

Земной день

Если на небосвод смотреть с точки зрения землянина в поисках ответа на вопрос, почему Солнце светит днём и где оно встаёт, то вскоре можно убедиться, что Солнце всходит на востоке, а его заход можно увидеть на западе.

Происходит это из-за того, что наша планета не только движется вокруг Солнца, но ещё и вращается вокруг своей оси, совершая полный оборот за 24 часа. Если смотреть на Землю из космоса, то можно увидеть, что она, как большинство планет Солнца, оборачивается против часовой стрелки, с запада на восток. Стоя на Земле и наблюдая за тем, где Солнце показывается утром, всё видится в зеркальном отражении, а потому Солнце встаёт на востоке.

При этом наблюдается интересная картина: человек, наблюдая за тем, где Солнце находится, стоя на одной точке, вместе с Землёй движется в восточном направлении. В это же время части планеты, которые расположены в западной стороне, одну за другой постепенно начинает освещать свет Солнца. Так. например, восход Солнца на восточном побережье США можно увидеть на три часа раньше до того, как Солнце встаёт на западном.

Солнце в жизни Земли

Солнце и Земля настолько связаны друг с другом, что роль самой крупной звезды на небе трудно переоценить. Прежде всего, вокруг Солнца образовалась наша планета и появилась жизнь. Также энергия Солнца согревает Землю, луч Солнца освещает её, формируя климат, охлаждая её ночью, а после того, как Солнце всходит, снова согревает её. Что говорить, даже воздух с его помощью приобрёл свойства, необходимые для жизни (если не луч Солнца, он представлял бы собой жидкий океан из азота, окружающий глыбы льда и промёрзшую сушу).

Солнце и Луна, являясь крупнейшими объектами на небосводе, активно взаимодействуя друг с другом, не только освещают Землю, но и прямо влияют на движение нашей планеты – ярким примером этого действия являются приливы и отливы. На них воздействует Луна, Солнце в этом процессе находится на вторых ролях, но без его влияния тоже не обходится.

Солнце и Луна, Земля и Солнце, воздушные и водные потоки, окружающая нас биомасса, являются доступным, постоянно возобновляющимся энергетическим сырьём, который можно легко использовать (оно лежит на поверхности, его не нужно добывать из недр планеты, оно не образует радиоактивных и токсичных отходов).

Чтобы обратить внимание общественности на возможность использования возобновляемых источников энергии, с середины 90-х гг. прошлого столетия было принято решение отмечать Международный день Солнца. Таким образом, ежегодно, 3 мая, в день Солнца по всей территории Европы проводят семинары, выставки, конференции, направленные на то, чтобы показать людям, как можно использовать луч светила во благо, как определить время, когда происходит закат или рассвет Солнца.

Например, в день Солнца можно побывать на специальных мультимедийных программах, увидеть в телескоп огромные области магнитных возмущений и различные проявления солнечной активности. В день Солнца можно посмотреть на различные физические опыты и демонстрации, наглядно демонстрирующие, насколько мощным источником энергии является наше Светило. Нередко в День Солнца посетители получают возможность создать солнечные часы и проверить их в действии.

Звезды излучают огромное количество тепла и света многие миллиарды лет, что требует огромного расхода топлива. До двадцатого века никто не мог представить, что это за топливо. Самый огромной проблемой физики был большой вопрос — откуда звезды берут энергию? Все, что мы могли, так это смотреть в небо и осознавать, что в наших знаниях зияет огромная ”дыра”. Чтобы понять секрет звезд, нужен был новый двигатель открытий.

Чтобы открыть секрет, понадобился гелий. Теория Альберта Эйнштейна доказала, что звезды могут получать энергию внутри атомов. Секрет звезд — это уравнение Эйнштейна, которая заключается в формуле Е = мс 2 . В некотором смысле, число атомов из которого состоит наше тело — это концентрированная энергия, сжатая энергия, энергия сжатая в атомы (частицы космической пыли),из которой состоит наша вселенная. Эйнштейн доказал, что эту энергию можно высвободить, если столкнуть два атома. Такой процесс называется термоядерный синтез, именно эта сила питает звезды.

Вообразите, но физические свойства маленькой, субатомной частицы определяют строение звезд. Благодаря теории Эйнштейна, мы узнали, как высвободить эту энергию внутри атома. Теперь ученые пытаются смоделировать источник звездной энергии, чтобы обрести власть над мощью синтеза в лаборатории.

В стенах лаборатории, близ Оксфорда в Англии, стоит машина, которую Эндрю Кирк и его команда превращают в лаборатории “звезду”. Эта установка называется Токамак. В сущности — это большая магнитная бутылка, которая удерживает очень горячую плазму, благодаря которой можно смоделировать условия, подобно таким, как внутри у звезды.

Внутри Токамака, противостоят друг другу атомы водорода. Чтобы столкнуть атомы друг с другом, Токамак нагревает их до 166 млн. градусов, при такой температуре атомы движутся настолько быстро, что не могут избежать столкновения друг с другом. Нагревание — это движение, движение нагретых частиц хватит для того, чтобы преодолеть силу отталкивания. Летящие со скорость тысячи километров в секунду, эти атомы водорода врезаются друг в друга и объединяются, образуя новый химический элемент – гелий и небольшое количество чистой энергии.

Водород весит чуть больше гелия, в процессе горения масса теряется, потерянная масса превращается в энергию. Токамак может поддерживать синтез доли секунды, но в нутрии звезды слияние ядер не прекращается миллиарды лет, причина проста – размер звезды.

Звезда живет за счет притяжения. Вот почему звезды большие, огромные. Чтобы сжать звезду, нужна огромная сила притяжения, для того чтобы выделить невероятное количество энергии, достаточного для термоядерного синтеза. Вот в чем секрет звезд, вот почему они светятся.

Синтез в ядре звезды Солнца, каждую секунду генерирует мощность, которой хватило бы на миллиард ядерных бомб. Звезда — это гигантская водородная “бомба”. Почему тогда ей просто не разлететься на куски? Дело в том, что силы тяжести сжимают внешние слои звезды. Сила тяжести и синтез ведут грандиозную войну, притяжение которых хочет смять звезду и энергия синтеза, которая стремится разнести звезду изнутри, этот конфликт и это равновесие создают звезду.

Это борьба за власть, продолжается всю жизнь у звезды. Именно эти бои на звездах создают свет и каждый луч звездного путешествие совершает невероятное путешествие, свет проходит 1080 миллионов километров в час. За одну секунду, луч света может семь раз обогнуть землю, ни что во вселенной не движется так быстро.

Поскольку большинство звезд очень далеко, свет до нас летит сотни, тысячи, миллионы и даже миллиарды лет. Когда орбитальная космическая станция Хабл заглядывает в дальние уголки нашей вселенной, она видит свет, который летел миллиарды лет. Свет звезды Этекилии, который мы видим сегодня, отправился в путь – 8 тысяч лет назад, свет Бетельгейзи, летел с тех пор, как Колумб открыл Америку — 500 лет назад. Даже свет Солнца, летит до нас целых 8 минут.

Когда солнце синтезирует из водорода гелий, возникает частица света – фотон. Этому лучу света, предстоит долгий и нелегкий путь к поверхности Солнца. Вся звезда препятствует ему, когда возникает фотон он врезается в другой атом, другой протон, другой нейтрон, неважно, он поглощается, потом отражается в другом направлении и так хаотично двигаясь внутри Солнца он должен пробиться наружу.

Фотону предстоит бешено носится, миллиарды раз врезаться в атомы газа и отчаянно рваться наружу. Забавно, для того чтобы выбраться из ядра Солнца, фотону требуется тысячи лет и всего 8 минут, чтобы с поверхности Солнца долететь до Земли. Фотоны — источники тепла и света, благодаря которым поддерживается разнообразная и удивительная жизнь на нашей планете Земля!