Чому світить Сонце? Як працює сонце Чому сонце яскраво світить

Сонце розташоване на відстані 150 мільйонів кілометрів від Землі. Незважаючи на таку в буквальному значенні слова космічну дистанцію, все життєво важливі процесина планеті залежать саме від Сонця.


Це небесне тіло – джерело світла та тепла на Землі.

Що таке Сонце?

За своєю структурою є величезною газовою кулею, всередині і на поверхні якої вже протягом мільярдів років зберігається гранично висока температура. На Сонці постійно відбувається процес перетворення водню на гелій.

Цей процес вчені називають термоядерною реакцією. Водень становить 74% від маси сонячного ядра, гелій – 25% від цієї маси. При перетворенні одного хімічного елемента в інший частинки водню об'єднуються в більш важкі частинки і одночасно вивільняється велика кількість енергії у вигляді тепла і світла.

Як відбувається термоядерна реакція?

Через високу температуру частки газів на Сонці – ядра атомів та вільні електрони – рухаються з божевільною швидкістю. У кожному ядрі атома є частинки, які називаються протонами і нейтронами. Протони мають позитивний електричний заряд, А нейтрони заряду не мають.


Атоми різних елементів відрізняють один від одного за кількістю протонів і нейтронів, які є своєрідними «цеглинками» для побудови. У кожному ядрі атома водню міститься один протон, в атомі гелію – два протони та два нейтрони.

Коли чотири ядра водню з'єднуються разом, вони утворюють одне ядро ​​гелію, фотони та інші дрібні частинки. Саме фотони і є світлом, що розлітається на всі боки.

За підрахунками вчених, кожну секунду в сонячному ядрі на променисту енергію перетворюється близько чотирьох мільйонів тонн речовини. Ця енергія розсіюється у космосі і сягає Землі.

Поблизу сонячного ядра температура становить близько 14 мільйонів градусів, а потужність випромінювання, що доходить до нашої планети, становить приблизно 1000 ватів на квадратний метр поверхні.

Чому взимку Сонце не гріє так, як улітку?

Ефективність впливу сонячного світла на Землю залежить від того, як довго триває світловий день, стан атмосфери і під яким кутом падають на Землю сонячні промені. Має значення та теплоємність земної поверхні.


Влітку Сонце піднімається високо, його промені падають Землю майже вертикально, і нагрівання відбувається швидше. Взимку Сонце стоїть низько над горизонтом, його промені проходять по дотичній, і тепло Землі відчувається набагато слабше.

Променям Сонця взимку доводиться проникати через щільніший шар атмосфери, і це значно гальмує процес нагрівання земної поверхні.

Спекотний серпень та суворий лютий

З кутом нахилу променів сонця та прогріванням Землі пов'язано і те, що серпень у середніх широтах стає гранично спекотним місяцем літа, а лютий – найсуворішим місяцем зими. Вода та земля не нагріваються миттєво, а утримують накопичене тепло. У червні та липні Сонце піднімається над Землею на граничну висоту, і тепло глибоко впроваджується у поверхню.

Накопичене тепло червня та липня зберігається, плюс до нього додається тепло серпня. Аналогічним чином відбувається і зворотний процес: земля, що охолола за грудень і січень, у лютому має гранично низьку температуру.

Багато хто періодично запитує себе: що станеться, коли згасне Сонце? Вчені відповідають: у найближчому майбутньому такого повороту побоюватися не варто. Сонце може згаснути тільки після того, як розтратить весь водень, що є на ньому, і процес його трансформації в гелій припиниться.


Але за весь час існування Сонячної системи на гелій перетворилося менше половини водню, що є на Сонці. Отже, Сонце світитиме і грітиме ще дуже довго.

Життєдіяльність всього живого землі підтримується завдяки сонячному світлу. Він – джерело тепла, зростання, розвитку. Чимало століть людство замислюється, звідки у світилі береться нескінченна міць? Особливо, що є причиною такого світіння, і як довго воно триватиме?

Припущення про світіння Сонця, що не відбулися

Повіками вчені уми були впевнені, що Сонце дуже щільне, складається з пального матеріалу і постійно горить. Але відомо, що жодний метал, камінь чи інша речовина не може робити це нескінченно. Вогонь одного разу висохне.

Вік розпеченої зірки давно встановлено. Світло навколо себе дарує планетній системі вже багато мільярдів років (задовго до появи першої людини). Температура лише поверхні становить 6000 градусів. Стає ясно, що «запала» не вистачило б до сьогодні. Воно мало згоріти вщент.

Матеріали на тему:

Інші планети та планетарні системи

Інші чоловіки науки шукали секрет постійного світла у нескінченних сутичках небесного тіла з мільйонами метеоритів, які воно приваблює. Але ця теорія виявилася неправомірною. За суворими математичними підрахунками маса метеоритів значно перевищила масу Сонця за багатомільярдну історію існування. Його зруйнували б подібні бомбардувальники.

: відстань від Землі до Сонця загалом 150 млн км. Сонячне світло долає його за 8,3 хвилини.

Висувались версії про надмірне тяжіння сонячних частинок, що викликає стиснення обсягу зірки, що світиться. Але щоразу виявлялися нові огріхи.

Тільки на початку минулого століття фізики звернули свої погляди на внутрішня будовата пов'язані з його особливостями процеси.

Сонце є розпеченою газоподібною кулею, що перевищує масою земну більш ніж в 1,3 млн. разів. У центрі розташоване ядро, температура якого перевалює 15000000 градусів. Воно виконує функцію ядерного реактора. Наслідуючи від нього до поверхні, розмежовують кілька зон: променистого перенесення, конвективну, фотосферу, хромосферу, корону. До складу Сонця входять:

• водень (74%)
• гелій (25%)
• ще 60 найменувань елементів (приблизно 1%).

Матеріали на тему:

Чому світять зірки?

Світіння Сонця

З кожною секундою в центрі відбувається згоряння легшого водню, яке перетворює його на важкий гелій. Для формування 1 гелієвого ядра потрібно злиття 4 водневих. Цей процес ідентичний реакцій у атомної бомби, Тільки повільніше. І називається він термоядерним синтезом.

Сонце є джерелом та двигуном всього живого на землі. Воно дарувало тепло і світло за мільярди років до існування людини, і даруватиме його ще мільярд. Звідки береться така міць? Які процеси відбуваються на нашому світилі, що дозволяють виділяти таку величезну кількість енергії? Як довго ще світитиме наше Сонце? У середньому величина випромінювання, що виходить із кожного квадратного метрасонячної поверхні становить 62 тис. кіловат, випромінюючи стільки світла, скільки його могли б дати 5 млн 100-ватних електричних лампочок... І це протягом мільярдів років!

Над цими питаннями найкращі умиб'ються ще з середини 19-го століття, відколи були сформульовані фізиками закони збереження енергії. Першу версію було висунуто Робертом Майєром, який припустив, що Сонце світить за рахунок постійного бомбардування його поверхні метеоритами. Ця гіпотеза була відкинута, оскільки нескладні підрахунки показують, що для підтримки світності Сонця на сучасному рівнінеобхідно, щоб на нього за кожну секунду падали метеорити загальною вагою 2∙10 15 кг. За рік це становитиме 6∙10 22 кг, а за час існування Сонця, за 5 мільярдів років – 3∙10 32 кг. Маса Сонця М = 2∙10 30 кг, тому за п'ять мільярдів років на Сонці мало випасти речовина в 150 разів більша за масу Сонця.

Друга гіпотеза була належить Гельмгольцю та Кельвіну. Вони висловили припущення, що Сонце випромінює за рахунок стиску на 60–70 метрів щорічно. Причина стиску – взаємне тяжіння частинок Сонця, саме тому ця гіпотеза отримала назву контракційної. Однак, якщо зробити розрахунок за цією гіпотезою, то вік Сонця обмежується 20-ма мільйонами років, що суперечить сучасним даним, отриманим за аналізом радіоактивного розпаду елементів у геологічних зразках земного ґрунту та ґрунту Місяця.

Третю гіпотезу про можливі джерела енергії Сонця висловив Джеймс Джинс на початку ХХ століття. Він висунув версію, що у надрах Сонця відбувається розпад важких радіоактивних елементів, у своїй випромінюється енергія. Однак розрахунки показують, що зірка, що складається цілком з одного урану, не виділяла б достатньо енергії для забезпечення світності Сонця, що спостерігається. Адже в Галактиці існують зірки, що за світністю у багато разів перевершують світність Сонця.

В 1920 видатний англійський астроном Артур Еддінгтон (1882-1944) вперше припустив, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерний синтез. Розвинув цю гіпотезу в 1935 Ханс Бете. Він припустив, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерна реакція перетворення водню на гелій. За це, до речі, Бете отримав Нобелівську премію 1967 року.

Хімічний склад Сонця приблизно такий самий, як і в більшості інших зірок. Приблизно 75% - це водень, 25% - гелій і менше 1% - всі інші хімічні елементи (в основному вуглець, кисень, азот і т.д.). Відразу після народження Всесвіту «важких» елементів не було зовсім. Усі вони, тобто. елементи важчі за гелій і навіть багато альфа-частинок, утворилися в ході «горіння» водню в зірках при термоядерному синтезі. Характерний час життя зірки типу Сонця десять мільярдів років.

Термоядерні реакції протікають лише за температур понад 10 млн градусів. Така висока температура може панувати тільки в "центральній" області Сонця з радіусом, рівним приблизно чверті сонячного. Енергія в цьому самоврядному термоядерному реакторі виділяється у вигляді жорстких гамма-квантів.

"Просочування" випромінювання з центру Сонця до поверхні відбувається вкрай повільно. При цьому в процесі перенесення енергії від шару до шару гамма-кванти подрібнюються. Спочатку вони перетворюються на кванти рентгенівських променів, потім на ультрафіолетове випромінювання... Потрібно близько 10 млн років, поки зірки гамма-кванти, що народилися в надрах, вийдуть з нього фотонами видимого світла. Таким чином, світло, що випромінюється Сонцем сьогодні, було породжене ще наприкінці третинного періоду, тобто задовго до появи на Землі сучасної людини.

Основне джерело енергії – протон-протонний цикл – дуже повільна реакція (характерний час 7,9 10 9 років), оскільки обумовлена ​​слабкою взаємодією. Її суть у тому, що з чотирьох протонів виходить ядро ​​гелію. При цьому виділяються пара позитронів та пара нейтрино, а також 26,7 МеВ енергії. Кількість нейтрино, що випромінюється Сонцем за секунду, визначається лише світністю Сонця. Оскільки при виділенні 26,7 МеВ народжується 2 нейтрино, швидкість випромінювання нейтрино: 1,8∙10 38 нейтрино/с.

Пряма перевірка цієї теорії – спостереження сонячних нейтрино. Нейтрино високих енергій (борні) реєструються в хлораргонних експериментах (експерименти Девіса) і стійко показують недолік нейтрино порівняно з теоретичним значенням для стандартної моделі Сонця. Нейтрино низьких енергій, що виникають безпосередньо в рр-реакції, реєструються в галій-германієвих експериментах (GALLEX у Гран Сассо (Італія – Німеччина) та SAGE на Баксані (Росія – США)); їх також «бракує».

За деякими припущеннями, якщо нейтрино мають відмінну від нуля масу спокою, можливі осциляції (перетворення) різних сортів нейтрино (ефект Міхєєва – Смирнова – Вольфенштейна) (існує три сорти нейтрино: електронне, мюонне та тауонне нейтрино). Т.к. інші нейтрино мають набагато менші перерізи взаємодії з речовиною, ніж електронне, дефіцит, що спостерігається, може бути пояснений, не змінюючи стандартної моделі Сонця, побудованої на основі всієї сукупності астрономічних даних.

За підрахунками, щомиті Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Запасів водневого палива вистачить ще на п'ять мільярдів років, після чого воно поступово перетвориться на білий карлик.

Центральні частини Сонця стискатимуться, розігріваючись, а тепло, що передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих у порівнянні з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій, Венеру і витрачатиме «пальне» в сто разів швидше, ніж у час. Це спричинить збільшення розмірів Сонця; наша зірка стане червоним гігантом, розміри якого можна порівняти з відстанню від Землі до Сонця! Життя Землі на той час має підшукати собі нове місце чи форму.

На щастя, цей процес відбуватиметься поступово, і займе приблизно 100–200 мільйонів років. Коли температура центральної частини Сонця досягне 100 000 000 К, почне згоряти і гелій, перетворюючись на важкі елементи, і Сонце набуде стадії складних циклів стиснення та розширення. На останній стадії наша зірка втратить зовнішню оболонку, центральне ядро ​​матиме неймовірно велику густину і розміри, як у Землі. Мине ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись на білий карлик.

Маса Сонця становить 99,9% маси всієї Сонячної системи. Основними елементами, з якого вона складається, є водень (73%) та гелій (25%). Серед інших елементів можна назвати залізо, нікель, азот, кисень, сірка, кремній, вуглець, магній, кальцій, хром, неон. Щільність зірки невелика - 1,4 г/см 3 а тип її - жовтий карлик. Якщо порівнювати Сонце з , то співвідношення діаметра буде 109:1, маси 333000:1, а обсягу 1300000:1. Вік нашого світила – 4,57 мільярда років.

сонячний вітер

сонячний вітер- безперервний потік плазми сонячного походження, що поширюється від атмосфери Сонця і заповнює Сонячну систему. Через високу температуру сонячної корони, тиск вищележачих шарів не може врівноважити тиск речовини корони. Ця речовина і викидається в простір у вигляді сонячного вітру, поширюючись на відстань до 100 а.о а.е. - астрономічна одиниця 1 астрономічна одиниця = 149597871 кілометра. Це середня відстань від Землі до Сонця.

На малюнку порожнє поле в центрі закриває простір у 32 рази більше за Сонце. Діаметр зображення - половина діаметра орбіти. Крапки за Сонцем – зірки.

Чому світить Сонце

Світіння Сонця- Результат виділення величезної енергії, що виділяється в результаті протікання термоядерної реакції в її ядрі. Речовини витрачається мало, енергії виділяється багато (у мільйони разів більше, ніж при звичайному горінні).

Раніше вважалося, що Сонце світить через горіння елементів, що входять до його складу. Але за приблизними підрахунками, навіть грубими, воно не може «вигоряти» мільярди років, Сонце мало погаснути зовсім давно, розгубивши масу, тим самим порушивши гравітаційну рівновагу в системі планет. Але Сонце світить вже мільярди років і не збирається гаснути найближчим часом.

Сонячне затемнення

Сонячне затемнення - астрономічне явище, у якому Місяць закриває повністю чи частково Сонце від людини Землі. Під час затемнення можна спостерігати за сонячною короною.

наднових. За основною теорією Сонце та сонячна системасформувалися з газопилової хмари, яка якраз і була залишком вибуху наднової зірки.

Відомі кілька двійників нашої зірки. Вони аналогічні за масою, світністю, віком і температурою. Це 18 Скорпіона, 37 Близнюків, Бета Гончих Псів, HD 44594 та HIP56948.

Незважаючи на просте формулювання питання «Чому світить Сонце?» відповідь нього вимагає деякої бази фізичних знань і викласти їх у одному реченні – скрутне завдання. Вирішити її спробуємо ближче до кінця статті, яку почнемо з історичної довідки.

Історія

Одним із перших, хто спробував підійти до пояснення природи Сонця з наукової точки зору, був давньогрецький астроном і математик Анаксагор, за словами якого Сонце – розпечена металева куля. За це філософ був ув'язнений. Перш, ніж у 17-му столітті почалося інструментальне вивчення Сонця, було ще чимало припущень про природу сонячного світла, аж до тих, що постійно знаходяться на поверхні лісів.

З 17 століття вченим відкривається таке явище як сонячні плями, з'являється можливість обчислити період обертання Сонця. Стає ясно, що наша зірка є якимось фізичним тілом зі складною структурою. У 19-му столітті виникає спектроскопія, за допомогою якої вдається розкласти сонячний промінь на складові кольори. Таким чином, завдяки лініям поглинання, Фраунгоферу вдається виявити новий хімічний елемент, що входить до складу зірки - гелій.

У середині 19 століття вчені вже намагалися описати свічення Сонця складнішими. науковими гіпотезами. Так Роберт Майєр припустив, що зірка нагрівається за рахунок бомбардування метеоритами. Дещо пізніше, в 1853-му році, виникла більш правдоподібна ідея так званого «механізму Кельвіна - Гельмгольца», згідно з якою Сонце нагрівалося через гравітаційне стискування. Однак, у такому разі вік світила був би значно меншим, ніж насправді, що суперечило деяким геологічним дослідженням.

Чому світить Сонце

До правильної відповіді на це питання вперше підібрався британський фізик Ернест Резерфорд, який припустив, що в Сонці відбувається радіоактивний розпаді він є джерелом енергії зірки. Пізніше, 1920-го року англійський астрофізик Артур Еддінгтон розвинув думку Резерфорда, стверджуючи, що у ядрі Сонця може протікати реакція термоядерного синтезу під впливом внутрішнього тиску своєї маси Сонця. Через 10 років були розраховані основні реакції синтезу, що породжують кількість енергії, що спостерігається.

Коротко термоядерну реакцію, внаслідок якої світить Сонце, можна описати як злиття протонів (ядер водню) у ядро ​​гелію-4. Оскільки ядро ​​гелію-4 має меншу масу, ніж ядра водню, то різниця енергій (вільна енергія) випромінюється як фотонів – частинок, є електромагнітним випромінюванням.

Термоядерна реакція

Протон-протонні термоядерні реакції синтезу, що протікають усередині зірок з масою Сонця і менше, можна розділити на три ланцюжки: ppI, ppII, ppIII. З них на ppl припадає понад 84% енергії Сонця. Протон-протонна реакція складається з трьох циклів, де у ролі першого виступає взаємодія двох протонів (двох ядер водню). Маючи достатні енергії, щоб подолати кулоновський бар'єр, два протони зливаються, внаслідок чого утворюється дейтрон. Так як ядро ​​дейтрона, що складається з двох протонів, має меншу масу ніж два окремі протони, утворюється вільна енергія, за рахунок якої виникають позитрон та електронне нейтрино, які випромінюються з області, де проходила реакція.

Далі внаслідок взаємодії дейтрона та ще одного протона утворюється гелій-3 з виділенням енергії у вигляді електромагнітного випромінювання. Подальші етапи реакції можна наочно простежити на наведеній нижче схемі.

Реакції, що протікають усередині сонця

Крім протон-протонної термоядерної реакції синтезу малий внесок у енергію, що вивільняється Сонцем, вносить реакція типу протон-електрон-протон 0.23%.

Таким чином, узагальнюючи вище сказане – Сонце випромінює електромагнітні хвилірізної частоти, в тому числі і в області видимого світла, утворені частинками, народженими в результаті вивільненої енергії під час протон-протонної (протон-електрон-протонної) реакції термоядерного синтезу.