Образование Солнца и звёзд




Далее продолжим рассматривать образование нашего Солнца.

Солнце и ему подобные звёзды, являются загадочными объектами для человека, так как труднодоступные для досконального их изучения. Мы, в своём рассуждении рассмотрим их двумя этапами: в общем виде и в более подробном.

Как мы уже знаем, Солнце удалено от Земли в среднем на расстояние 1,496 х 1011м. На этом расстоянии оно выглядит, как ярко светящийся диск с угловым диаметром чуть большим полуградуса, точнее, 9,3 х 10-3 радиана. Радиус Солнца равен 6,96 х 108 м – он в 109 раз больше Земли. Масса Солнца равна 1,99 х 1030 кг. Ускорение свободного падения на поверхности Солнца равно 274 м/с2 – оно почти в тридцать раз больше земного. Средняя плотность нашего светила равна 1,41 х 103 кг/м3.

Как мы видим, на первый взгляд этот результат кажется удивительным. Ведь масса Солнца так велика, и ускорение на его поверхности большое, - казалось бы, и вещество Солнца должно быть сильно сжато. А на самом деле средняя плотность его чуть больше, чем у воды, и заметно меньше, чем средняя плотность у Земли, которая равная 5,52 х 103 кг/м3..

Чтобы определить температуру поверхности Солнца, потребовалось бы туда слетать. Но этого практически выполнить не возможно. Поэтому искали средства, чтобы измерить температуру Солнца. И в 1900 году немецкий физик Макс Планк доказал квантовую природу теплового излучения. После этого открытия, оказалась возможность выразить постоянную Стефана - Больцмана через фундаментальные постоянные: скорость света с, постоянную Планка Ћ = 1,054 х 10-34 кг.м2/с и постоянную Больцмана k=1, 38 х 10-23 Дж/К. Макс Планк занимался объяснением спектра теплового излучения. Спектр есть распределение интенсивности света по частотам – это функция частоты ω (связанной с длиной волны λ= 2πс/ω), показывающая, какая доля энергии приходится на интервал частот dω*). Планк первым ввёл понятие о квантах света, и с помощью этого нового физического представления теоретически объяснил наблюдаемые спектры абсолютно чёрного тела. Чтобы узнать температуру солнечной поверхности, используя законы теплового излучения, нужно прежде всего, исследовать спектр солнечного света – найти, какая доля энергии приходится на малый интервал частот для всех частот солнечного излучения. Оказалось, солнечный спектр довольно близок планковскому спектру равновесного теплового излучения, и температура поверхности Солнца Т = 5780 К. Интересно заметить, что при такой температуре наибольшая энергия излучается как раз в том участке спектра, к которому чувствителен человеческий глаз: в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм. Но температуру поверхности Солнца можно определить и с помощью другого эксперимента. Можно измерить, какая энергия во всём спектре приносится солнечными лучами за секунду на единичную площадь, на квадратный метр земной поверхности., обращённой к Солнцу. Эта величина, S, очень важна для объяснения земного климата. Оказывается, что она практически неизменна – поток энергии от Солнца не меняется. Поэтому величину S называют солнечной постоянной. Измеряют её со спутника, за пределами земной атмосферы, поглощающей часть солнечного излучения. Солнечная постоянная равна 1,36 Вт/м2. Такой поток энергии падает на земную поверхность, обращённую к Солнцу. Но оно светит одинаково во все стороны, следовательно, такова и мощность солнечных лучей, пронизывающих каждый квадратный метр всей сферы радиуса а+ вокруг Солнца. Умножив S на площадь поверхности этой сферы, можно узнать, какую энергию излучает Солнце за секунду. Эта величина называется светимостью Солнца: L= 4πа+2S= 3,83 х 1026 Вт. Весь поток солнечной энергии проходит, конечно, и через солнечную поверхность. Какова там плотность потока энергии, т.е. какая мощность излучается квадратным метром поверхности Солнца? Разделим светимость Солнца на площадь его поверхности 4πR2 и получим, что плотность потока излучения или, другими словами, яркость Солнца равна S = L / 4πR2= 6,29 х 107 Вт/м2. По известному закону Больцмана, связывающего плотность потока S с температурой излучающей поверхности можно вычислить поверхностную температуру Солнца. Она оказывается той же самой, что и температура, определённая по солнечному спектру: Т = (S/σ)1/4 = 5 780 К.

Спектр Солнца немного отличается от спектра абсолютно чёрного тела даже в той области, где они показаны совпадающими. Эти малые отличия несут информацию о том, какие химические элементы присутствуют на Солнце. Дело в том, что каждый атом имеет свой собственный, характерный только для него спектр излучения, состоящий из очень узких линий. Ещё в начале прошлого века немецкий оптик Иозеф Фраунгофер обнаружил в спектре Солнца множество тёмных линий. При этом оказалось, что длины волн, на которых замечены в спектре фраунгоферовы тёмные линии, точно соответствуют спектрам химических элементов. Важно оказалось то, что по различной интенсивности линий разных элементов удалось установить относительное содержание этих элементов вблизи поверхности Солнца. Поскольку известно, что и атмосфера и недра Солнца до значительных глубин перемешаны, этот же состав можно считать близким к составу Солнца.

На сегодняшний день определено, что по числу атомов Солнце на 91% состоит из водорода, на 9% - из гелия, остальные элементы присутствуют в малых количествах. По массе гелий вносит заметно большой вклад, 27%, поскольку масса его атома вчетверо больше массы атома водорода. Гелий был первоначально открыт именно на Солнце по своему фраунгоферовому спектру, не подходящему другим элементам, а на Земле он был обнаружен значительно позже.

Отчего звёзды светят? Откуда берётся та огромная энергия, которая непрерывно излучает солнечная поверхность? Как устроено Солнце внутри? Может показаться, что сами эти вопросы бессмысленны, что узнать это невозможно – ведь не может же там побывать человек. Даже приборы, сделанные его руками, не могут выдержать высоких температур и давлений солнечных недр. Тем не менее, очень многое из того, что происходит внутри звёзд, внутри Солнца, нам уже известно с большой достоверностью. И как ни странно, это даже не очень сложно понять. Возможность изучения недр Солнца и звёзд даёт теория. Сначала можно рассмотреть изучение Солнца с точки зрения уже известной нам теории, а затем можно будет рассмотреть собственную току зрения по этому вопросу.

Можно ли верить теоретическим рассуждениям, опирающимся на опыты людей живущих на Земле? Ведь эксперименты на Земле проводятся в условиях, очень далёких от звёздных. Ответ такой: надо попробовать. Попробуем рассмотреть теорию уже ранее известную нам и осмелиться предложить собственное предположение.

Начнём с того, что нам известно, т.е. постараемся найти связь между давлением, температурой и плотностью того вещества, из которого состоит Солнце. На его поверхности газ состоит преимущественно из нейтральных атомов, так как молекулы водорода при температуре солнечной поверхности распадаются на отдельные атомы. Определено, что температура в недрах Солнца очень велика не только в сравнении с земными мерками, но и с температурой его поверхности. Уже на небольшой глубине она становиться настолько большой, что распадаются не только молекулы, но и атомы. Электроны атомных оболочек отрываются от ядер – газ становиться плазмой. ПЛАЗМАэто электрически нейтральная смесь отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер атомов. Для простоты можно считать, что солнечная плазма состоит из трёх сортов частиц: на каждые 91 протон (ядро водорода) приходится 9 ядер гелия и оторвавшиеся от них 109 электронов. Нам известно уравнение Менделеева – Клапейрона, связывающее давление, плотность и температуру идеального газа. Запишем его не для плотности р, а для концентрации частиц n. Обычная плотность каждого отдельного газа есть произведение концентрации его частиц на массу одной частицы m:

P = nkT; р = nm. Один из сомножителей правой части - постоянная Больцмана k = 1,38 х 10-23 Дж/K.

Эти уравнения справедливы для каждого идеального газа смеси. Нам же нужно уравнение, связывающее общее давление с общей плотностью и с температурой. Общая плотность есть сумма отдельных плотностей. Общее давление есть сумма отдельных, как говорят, парцианальных давлений.

Масса ядра гелия в 4 раза больше массы протона, а масса электрона по сравнению с ними ничтожно мала. Нам известно, что плотности частиц –электронов ne, протонов np и ядер гелия na – соотносятся между собою, как ne: np: na = 109: 91: 9. Учитывая, что число Авогадро 6,03 х 1026 кг-1 практически равна mp-1, а её произведение на постоянную Больцмана есть газовая постоянная 8,31 Дж./(кг.К). Тогда можно убедиться в том, что уравнение солнечного вещества есть обычное уравнение Менделеева – Клапейрона для газа с молекулярной массой μ = 0,61 т.е.

P = nkT = {р/μmp)kT; μ= (4 -3Х)/(3 – Х)= 0,61, где Х – доля протонов.

При помощи этих уравнений можно описать плазму глубинных солнечных недр. Средняя плотность Солнца нам известна. Теперь попробуем оценить по порядку величины давление и температуру центральных областей Солнца. Вещество внутри него сжато гравитационным притяжением. Поэтому для грубой оценки среднего давления внутри Солнца используем формулу, что и для давления внутри планет.

Pc ~ рcgcRc~ Gm2c/R4c ~1015Н/м3

Зная среднее давление и среднюю плотность, с помощью уравнения солнечной плазмы не трудно оценить и температуру центральных областей Солнца.

Тс ~ рсmp/kрc ~ Gmcmp/kRc ~ 2 х 107К.

Двадцать миллионов кельвинов. Это, конечно, только оценка, но она не так уж далека от результатов точных расчётов.

А как же рассматривают внутреннее строение Солнца и других звёзд?

При точных расчётах весь объём звезды рассматривается как составленный из множества тонких сферических оболочек. В каждом из таких слоёв своё давление, своя температура и плотность, слабо отличающихся от этих величин в соседних слоях. Далее эти малые изменения в параметрах от слоя к слою рассматриваются с учётом ядерных реакций, выделяющих энергию, переноса этой энергии из глубин наружу, гравитационного притяжения к центру и давления наружных оболочек. Эти уравнения для малых приращений всех существующих величин от слоя к слою называются дифференциальными.

Сноска 9.

Можно заметить интересную особенность: ускорение тяготения максимально не на поверхности, а на довольно большой глубине, при радиусе всего в 0,217 солнечного. В максимуме оно в 6,5 раз больше, чем ускорение на поверхности Солнца gc. Плотность, давление и температура монотонно убывают с радиусом. Однако давление и плотность резко падают вблизи самой поверхности Солнца, а температура начинает быстро уменьшаться уже на расстоянии одной пятой солнечного радиуса от центра. Это позволяет выделить в Солнце центральную область называемую ядром. Ядро – наиболее горячая часть Солнца с почти однородной высокой плотностью, в сотню раз большей средней. Именно ядро и является источником почти всей солнечной энергии, всё же остальное – это «одеяло» ядра, не дающее ему остыть, медленно проводящее к поверхности энергию центральной области.

В глубоких недрах Солнца температура так велика, что всё вещество ионизировано полностью, состоит из атомных ядер и свободных электронов. Однако при подъёме к солнечной поверхности последовательно происходит две рекомбинации гелия и рекомбинация водорода. Рекомбинация, означает воссоединение: из ионов и электронов образуются сначала ионы с меньшим зарядом, а затем электрически нейтральные атомы. При рекомбинации средняя молекулярная масса μ увеличивается. Газ с большей молекулярной массой при равных условиях имеет большую плотность. Такая ситуация способствует возникновению конвекции в оболочке Солнца при расстоянии от центра r > 0,7 Rc.

Условие возникновения конвекции далеко не очевидно. Оказывается, недостаточно, чтобы среда сверху была холоднее нижней, - для конвекции необходимо, чтобы падение температуры с высотой превосходила некоторый предел. Увеличение с высотой средней молекулярной массы существенно способствует конвекции, ведь сверху оказывается потенциально более тяжёлый газ. На Солнце это происходит при рекомбинации.

Насколько точны эти расчёты, достаточно ли хорошо знаем мы солнечные глубины? Основная трудность в построении моделей Солнца состоит в том, что нам недостаточно известен химический состав недр, - содержание тяжёлых элементов в ядре Солнца может быть заметно большим, чем на его поверхности. Этот состав тоже рассчитывается в различных предположениях о перемешивании солнечной плазмы, но неопределённость его пока не мала. Тем не менее, считается, что точность, с которой нам известны параметры солнечных глубин, составляет примерно 10%. Уверенность в этом подтверждается тем обстоятельством, что температура и плотность вещества в ядре Солнца оказались именно такими, какие нужны для поддержания там ядерных реакций. Эти реакции называются ядерными не потому, что они происходят в солнечном ядре, а потому, что реагируют ядра атомов. При высоких температурах и давлениях ядра лёгких элементов при столкновении могут соединяться и образовывать ядра новых, более тяжёлых элементов.

Источник энергии звёзд в прошлом веке был неизвестен. В 1905 году при создании теории относительности А. Эйнштейн обнаружил, что закон сохранения энергии и закон сохранения массы, хорошо известный из химии, есть на самом деле единый закон. Масса системы до и после взаимодействия может оказаться различной, но разность масс или, как говорят, дефект массы Δm, в точности компенсируется изменением кинетической энергии системы: ΔЕ = - mc2. Таким образом, в любых реакциях сумма Е + mc2, полная энергия системы, сохраняется точно.

Экспериментальную проверку этого утверждения удалось провести только после открытия возможности ядерных превращений, ядерных реакций Э. Резерфордом в 1918 году.

Атомные ядра можно считать состоящими из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента. В нейтральном атоме число электронов, заряженных отрицательно, совпадает с числом протонов. В атомах электроны движутся вокруг ядер на расстояниях 10-10 – 10-9м. Ими определяются химические свойства элементов. Изменение числа нейтронов в ядре не сказывается на химической природе атома. Оно даёт ядерные видоизменения элементов, изотопы, отличающиеся массой ядер. Атомные массы большинства химических элементов близки к целым числам. Ещё ближе к целым числам атомные массы отдельных изотопов. Происходит это потому, что масса протона mр близка к массе нейтрона mn, а энергия связи этих частиц в ядре меньше, чем mpc2. Энергия связи создаётся ядерными силами. Эти силы являются силами притяжения, действующими между частицами атомных ядер, протонами и нейтронами. При этом ядерное притяжение почти не зависит от вида частицы: взаимодействие двух нейтронов такое же, как двух протонов и совпадает с ядерным взаимодействием между протоном и нейтроном. Но в отличие от электромагнитных сил ядерные силы действуют только на очень малых расстояниях. Радиус ядерного взаимодействия r0≈1, 5 х 10-15м и примерно совпадает с размерами протона и нейтрона. Если несколько протонов и нейтронов находятся на расстоянии порядка r0, то они объединены ядерными силами в компактную группу – атомное ядро. Объём атомных ядер возрастает пропорционально суммарному числу протонов и нейтронов в ядре. Размер ядер в сотни тысяч раз меньше размеров атомов. Размер даже тяжёлых ядер порядка нескольких радиусов взаимодействия .r0. Притяжение ядерных сил намного превосходит электрическое отталкивание протонов на таких малых расстояниях. Но уже на расстояниях в несколько размеров ядер ядерные силы становятся чрезвычайно малыми. При перестройке атомных ядер при ядерных реакциях короткодействующие, но большие силы притяжения совершают на расстояниях порядка r0 вполне заметную работу. Эта работа и приводит к появлению дефекта масс. В то же время уменьшение суммарной массы при ядерных реакциях приводит к выделению энергии. Это кинетическая энергия продуктов реакции, вновь образовавшихся ядер и энергия частиц, в частности, энергия фотона, кванта электромагнитного излучения, выделяющегося при реакции. В конечном счёте большая часть всей энергии, выделяющейся при ядерных реакциях в недрах звёзд, переходит в тепловую энергию. Быстро движущиеся частицы тормозятся окружающим веществом, фотоны тоже поглощаются плазмой.

Предполагается, что Солнце – звезда второго поколения. По современным понятиям эволюция звёзд протекает в два этапа. Сперва из дозвёздного вещества, состоящего из трёх четвертей водорода и четверти гелия по массе, образуются звёзды первого поколения. Это массивные звёзды, и реакции протонного цикла проходят в них довольно быстро. Наконец, в их центре водорода остаётся мало и горение приостанавливается. Звезда сжимается, давление и температура в ней резко возрастают и начинает «гореть» гелий. Это критический момент истории звезды. Если масса её была достаточно большой, то синтез элементов на этой стадии проходит взрывообразно: вещество разогревается до температур в сотни миллионов градусов, проходят и энергетически невыгодные реакции синтеза тяжёлых элементов, но сама звезда взрывается. При этом и водород, и тяжёлые элементы рассеиваются во Вселенной. После взрыва звёзды первого поколения вещество, обогащённое малыми примесями практически всех элементов, может снова под действием гравитационного притяжения собраться в звёзды. Это и будут звёзды второго поколения. Взрыв звезды первого поколения, выбросивший вещество, из которого образовалась наша солнечная система, произошёл около 5 миллиардов лет назад. Большинство звёзд галактики, как и Солнце, звёзды уже второго поколения. Есть в ней и водородно-гелиевые звёзды, ещё не успевшие в своём развитии дойти до взрыва. Впрочем, взрыв звезды событие редкое.

Почему же Солнце не взрывается? Ведь кажется, что всё это почти дословно может относится и к нему. Допустим, в каком-то месте внутри Солнца температура оказалась чуть выше равновесной. Тогда в этом месте ядерные реакции пройдут более интенсивно, это приведёт к ещё более сильному местному нагреву, вовлекающему в быструю ядерную реакцию всё более обширные прилегающие области солнечной плазмы. Теплоотвод с повышением температуры тоже возрастает, но не в такой степени – избыточное тепло не успеет излучиться. Что же получается? Малое температурное возмущение должно нарастать, оно неустойчиво. Такая неустойчивость, казалось бы, должна привести к взрыву – в интенсивную реакцию, сжигающую всё ядерное горючее, будет вовлечена вся звезда.

Как уже говорилось, звёзды иногда и взрываются. Всё, что нас окружает, когда-то было веществом взорвавшейся звезды. Вспышки звёзд наблюдаются и сейчас. Бывает, что какая-нибудь малозаметная звезда вдруг, за недели, становиться очень яркой, увеличивает свою светимость в миллионы раз. Тогда астрономы называют эту звезду новой, а само отмеченное событие – вспышкой новой. После вспышки такая звезда медленно, возвращается к более или менее первоначальному состоянию.

Гораздо реже наблюдаются ещё более грандиозные явления, получившие название вспышек сверхновых звёзд. Последние замеченные вспышки сверхновых в нашей галактике были в 1054, 1572 и в 1604 годах – имеются в виду, конечно, те годы, когда свет взрывов дошел до нас. Но вспышек сверхновых с тех пор в нашей галактике нет.

После взрыва сверхновой светимость тоже быстро спадает, но звезда уже теряет свой прежний облик. На месте вспыхнувшей сверхновой остаётся быстро вращающаяся нейтронная звезда, пульсар, а всё остальное вещество с большой скоростью разлетается от него. Нейтронные звёзды размером всего лишь около 10 км по массе своей близки к Солнцу. Их гравитационное поле настолько велико, что под действием огромных давлений электроны всех атомов вдавливаются в ядра, протоны ядер превращаются в нейтроны.

Однако нашему светилу не грозит перспектива таких страшных превращений. В большинстве звёзд термоядерные реакции протекают устойчиво. Нужны весьма особые условия для того, чтобы звезда взорвалась. Вот что обеспечивает устойчивость звёзд. Если почему-либо в звезде выделяется лишняя энергия, то на много раньше, чем начнутся интенсивные ядерные превращения, в этом месте звёзды успеет выровняться давление, а звезда в целом слегка расширится. Радиус звезды при этом увеличится. Температура звёздных недр, обратно пропорциональна радиусу звезды (как показывает формула), поэтому она должна охладиться. Таким образом, выделение энергии, нагревание звезды, приводит к уменьшению её температуры. Звёзды как бы сами выбирают свой размер. Их светимость и радиус при одинаковом составе зависит только от их массы.

Основная причина, по которой работает этот механизм устойчивости звёзд, это медленность ядерного горения и теплоотвода по сравнению с временем выравнивания давления. Давление, возмущённое какой-либо причиной, стремится принять равновесное значение со скоростью звука. Скорость звука примерно равна скорости теплового движения атомов ű ~ (kT/mн)½. Поэтому даже самые большие по размерам возмущения давления внутри Солнца успевают выравниваться. τ1 ~ Rc/ű ~ 25 мин.

Характерное время теплоотвода энергии из центральных областей Солнца гораздо больше. При определении времени, за которое энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, достигает поверхности Солнца. Допустим, в центре Солнца реакции прекратились, через какое время, через какое время мы смогли бы заметить это по охлаждению поверхности? Удельная теплоёмкость солнечной плазмы по порядку величины равна k/mн. Поэтому полный запас тепловой энергии Солнца есть

Ет ~ mckTc/mн ~3 х 1041Дж.

Разделим эту энергию на светимость, тепловую мощность Солнца, оценим время его теплового охлаждения

τ2 ~ ЕТ/Lc ~ 3 х 1014 С ~ 107 лет.

Как мы видим, оказывается, Солнце и без ядерной энергии светило бы целую геологическую эпоху. Однако возраст Солнца, как известно, намного больше. Существенно больше и время выгорания солнечного водорода, оно не меньше 1010 лет.

Гравитационная энергия Солнца по абсолютной величине оказывается того же порядка, что и его тепловая энергия ЕТ. Сила тяготения – это сила притяжения, поэтому гравитационная энергия отрицательна. Для двух тел с массами m1 и m2 на расстоянии R она равна - Gm1 m2 /R. Чтобы точно подсчитать собственную гравитационную энергию Солнца, нужно учесть распределение плотности в нём, т.е. зависимость плотности от расстояния до центра. Но если интересоваться только порядком величины энергии гравитационного притяжения, то можно написать без численного коэффициента: Егр ~ Gm2c/Rc. Эта величина по модулю оказывается равной 4 х 1041Дж; она действительно того же порядка, что и тепловая энергия ЕТ.

Однако роль гравитационной энергии в эволюции звёзд тоже очень существенна. Уменьшение её при сжатии разогревает вещество при образовании звёзд вплоть до температур, при которых начинается ядерное горение водорода. В дальнейшем баланс тепловой и гравитационной энергии обеспечивает устойчивость звёзд.

Из закона сохранения энергии следует, что уменьшение размера звезды приводит к выделению тепловой энергии. Физики прошлого века Кельвин и Гельмгольц считали, что именно гравитационная энергия переходит в излучение при сжатии звёзд. О термоядерной энергии они не знали. Поэтому по их расчётам оказалось, что возраст Солнца всего около 10 миллионов лет.

Можно попробовать разобраться, как устроено Солнце вблизи его поверхности, используя уже известные нам факты? Мы можем наблюдать её глазами и изучать приборами. Никто сейчас и под сомнение не ставит, что фундаментальные законы физики верны для солнечной поверхности они и в глубине Солнца работают неплохо. И тем не менее, надёжно объяснить удалось пока далеко не всё, наблюдаемое на Солнце, даже используя современные телескопы и электронные средства наблюдения.

Если рассмотреть на множестве фотографий участка солнечных поверхностей, снятой через современные телескопы, мы можем видеть, похоже, что рассеян слой зерна. (Примечание -1, 2). Эти зернистые образования так и называются гранулами. Гранулы есть видимые проявления конвекции во внешнем слое Солнца. В центре гранул солнечная плазма поднимается, по краям опускается, охлаждённая потерей энергии на излучение; из-за разности температур и возникает видимый контраст яркости. Размеры гранул составляют от 200 до 1500 км; на солнечном диске их наблюдается более миллиона. Невооружённым глазом гранулы не видно. Как и в случае обычной конвекции, картина конвекции на Солнце не стационарна: отдельная гранула живёт около 10 минут, затем граница её расплывается и на её месте возникают новые гранулы.

Чем физически выделена поверхность Солнца? - Тем, что мы её видим, видим резкий край солнечного диска. Это означает, что именно на этом расстоянии от центра большая часть солнечной энергии, излучения, уже может навсегда покинуть светило. Уход излучения приводит к резкому охлаждению поверхности Солнца по сравнению с более глубокими слоями. Быстрое падение температуры вблизи поверхности приводит к очень быстрому убыванию с высотой плотности вещества. Всё же она меняется не скачком, а плавно – резкой границы Солнце не имеет. Температура вблизи поверхности Солнца достаточно низка для того, чтобы ионы водорода, гелия и других элементов могли захватить электроны и превратиться в нейтральные атомы. Этот процесс не завершается полностью, свободных электронов и ионов остаётся ещё достаточно для высокой электропроводимости среды. В то же время, в малой доле образуются даже простые молекулы. Газ солнечной поверхности поглощает излучение нижних, более горячих слоёв, атомы возбуждаются и частично диссоциируют на электроны и ионы. Затем происходит рекомбинация или переход в невозбуждённое состояние. При этом атомы излучают свет.

Вблизи солнечной поверхности излучение не успевает полностью достичь теплового равновесия, поскольку свет в конечном итоге покидает Солнце. Поэтому солнечный спектр не точно совпадает со спектром равновесного теплового излучения.

Атомы каждого элемента испускают большую часть света в частотах, характерных только для этого элемента. Набор этих частот, несколько сот узких линий при известных длинах волн, есть спектр элемента. Холодные, невозбуждённые атомы, наоборот, сильно поглощают излучение в частотах своего спектра. Непосредственно над видимой поверхностью Солнца газ относительно холодный. Выборочное поглощение света атомами этого холодного газа приводит к тому, что в солнечном спектре есть множество (около двадцати тысяч) узких провалов – тёмных линий Фраунгофера, образованных всеми веществами солнечной атмосферы. Спектральный анализ позволяет узнать очень многое о солнечной поверхности. По длинам волн и интенсивностям фраунгоферовых линий устанавливается химический состав газа. По ширине этих линий можно судить о температуре поглощающей среды. Малое смещение линий из-за эффекта Доплера позволяет узнать скорость движения газа. По расщеплению линий и поляризации излучения находится величина магнитного поля в разных местах солнечной поверхности. Конвекция ионизированного газа в магнитном поле намного сложнее обычной, поскольку возникающие при этом электрические токи сами порождают магнитные поля.

Солнце вращается в направлении, совпадающем с обращением планет. О вращении Солнца мы судим по регулярному перемещению деталей его поверхности. Этот газовый шар вращается не как единое твёрдое тело, не как Земля. Точка на экваторе солнечной поверхности соверщает оборот за 25 суток, а вблизи полюсов период вращения около 35 суток. Такое неоднородное вращение называют дифференциальным в отличие от твёрдотельного, при котором угловая скорость всех точек одинаковая. Вглубь угловая скорость тоже изменяется, но как именно, нам с полной достоверностью неизвестно. Ясно одно: конвекция на Солнце, его магнитные поля и дифференциальное вращение связаны, взаимодействуют между собой.

Кроме гранул, супергранул и спикул («кончик», «остриё», «жало»), свойственных нормальной (невозмущённой) солнечной атмосфере, наблюдается так же ряд «возмущений», т.е. неоднородностей с относительно короткими временами жизни. Главные из них – это пятна, факелы, хромосферные вспышки, протуберанцы, корональные лучи и дыры. В короне рождается солнечный ветер. Поэтому там скорости многих частиц плазмы достаточны для убегания. В то же время плотность плазмы быстро убывает с удалением от Солнца. Начиная с расстояния 2-3 радиуса Солнца, столкновения между частицами становятся настолько редкими, что эти частицы могут без помех покинуть Солнце, устремиться в космическое пространство. Это и есть солнечный ветер. Интенсивность солнечного ветра и величина короны изменяются в зависимости от солнечной активности. Другим наглядным проявлением этой переменчивости состояния верхних слоёв Солнца могут служить пятна. Чем больше пятен на Солнце и чем крупнее они, тем дальше простирается солнечная корона и тем интенсивнее солнечный ветер. Большие пятна на Солнце можно наблюдать даже невооружённым глазом. Их появление отмечено ещё в древних китайских хрониках. История подлинно научного изучения солнечных пятен началась с изобретением телескопа. В 1611 году солнечные пятна были описаны сразу нескольким европейскими учёными, среди которых был и Галилей.

К сожалению большая часть наших знаний о солнечной активности имеет описательный характер. Взаимосвязь некоторых из наблюдаемых явлений поддаётся объяснению, однако полной теории солнечной активности сегодня ещё нет. Нет даже общепризнанной теории на качественном уровне с численными оценками. В сложившейся ситуации у людей возникает стремление обобщать наблюдения двух последних столетий. В понимании физических причин солнечной активности и других феноменов атмосферы Солнца, к сожалению, ещё далеко нет полной ясности.

А воздействие Солнца на окружающий нас мир огромно. Необъяснимых явлений вокруг нас всё ещё достаточно много.

На основании вышеизложенного описания, ранее уже известного людям, можно попробовать предложить собственную точку зрения в описании о структуре Солнца. Хотелось бы ещё описать своё представление и своё предположение о нашей звезде под названием Солнце.

В моём предположении основная масса центральной части Солнца состоит из гелия, который начал своё образование ещё в центральной части галактического пространства, т.е. где-то в центре того самого ярко светящегося шара. Как мы помним, это было в то время, когда начала своё образование система электрон – протон – позитрон, из которой затем преобразовалась в систему протон – электрон (момент образования изотопа водорода – протий), на следующем периоде образования начал своё образование гелий и в последующем образовании сгустков гелио-водородной смеси и других сгустков. Все эти образования происходили при температуре от 2о до 4о по Кельвину. При таких температурах, при которых магнитные силы притяжения и силы гравитации в сумме не превышают кулоновские силы отталкивания, протоны, обладая минимальной степенью свободы, не в состоянии приближаться на достаточно близкие расстояния друг к другу менее их радиусов, но способны удерживаться рядом, вращаясь вокруг своих осей вращения, скользя друг по другу поверхностями потенциальных барьеров. При таких температурных условиях появилась возможность смешиваться изотопам водорода (протия) с атомами гелия (4Не), образуя гелио-водородные смеси. На этом периоде времени происходило образование будущего ядра Солнца, о котором мы уже ознакомились ранее в гипотезе. Такая температура ядра Солнца сохранялась до момента его вспышки, и даже после вспышки, температура массы ядра практически не нагревалась. Возможно, нагрелись поверхностные слои в пределах толщины слоя до 30 000 км. Естественно, возникает вопрос. Почему не нагревается ядро внутри?

Рассмотрим рис. 14.

Будучи ещё холодным, за множество лет до вспышки, Солнце примерно состояло так, как показано на рис. 14. Центральная часть его (ядро) примерно было таким же, как и в настоящее время. Состояло оно из гелия 4He, температура от 2о до 4о Кельвина (гелий в

Рис.14.

жидком состоянии). Атомарный водород, как более лёгкий, равномерно располагался с внешней стороны ядра. Вновь поступающие гелио-водородные шары, как более тяжёлые, «тонули» в нём и оседали на поверхности ядра толстым слоем (до 100 000 км.). Постепенно между слоями и внутри ядра увеличивалось давление. В результате увеличения давления, в нижней части слоя атомарного водорода, на границе с гелио-водородными шарами, начал своё образование молекулярный водород, объёмы которого постоянно, по мере увеличения давления, росли. Этот участок пространства сферы Солнца стал являться самым взрывоопасным. И вот наступил период времени, когда Солнце своим кулоновским зарядом (кулоновскими силами) «оттолкнуло» Венеру с орбиты. Во время отталкивания, произошли события перераспределения освободившейся энергии по всей сфере Солнца, а на участке между ними возникли критические давления водорода, при которых водород взорвался. Возникшей взрывной волной отбросило Венеру со своей орбиты на расстояние более 50 миллионов км. Весь внешний слой, состоящий из атомарного и молекулярного водорода, горел, излучая мощнейший поток всех видов волновой энергии. Горение водородных масс продолжалось не долго. Основная масса водорода выгорела, осталась только гореть приграничная с ядром внешняя зона гелио-водородных шаров, (рис. 15) т.е. водорода, постепенно отделяющегося в результате расщепления из гелио-водородной смеси.

Рис.15.

В это время Солнце имело слабую светимость и со стороны смотрелось в виде красной звезды (красного карлика). Прогревая всё более и более глубокие слои гелио-водородной смеси, способствуя отделению и высвобождению водорода, который продлевал период горения слоя гелио водородных шаров покрывающих поверхность ядра Солнца. На всём этом периоде времени горения, не прекращалось поступления из космоса всё новых и новых гелио-водородных шаров. Приближаясь на близкое расстояние к горящему слою, при прогревании, происходило расщепление смеси на водород и гелий. Водород, как горючий газ, устремлялся в область горения и воспламенялся, а гелий, как не горючий газ, но как более тяжёлый, и, из-за невозможности проникнуть через горящие слои, постепенно обволакивал по внешней сфере горящее Солнце. На границе горящего водорода с гелием, с обоих сторон горящего слоя, при высоких температурах, происходила ионизация гелия и образования изотопа гелия 3He, в результате создавая два идеально зеркальных слоя, которые отражали во внутреннюю часть горения все световые и тепловые излучения происходящие в зоне слоя горения водорода и его изотопов. Происходило якобы «зажатие» пламени с обеих сторон. С внешней стороны постепенно увеличивался гелиевый слой из 4He, уже плохо прогреваемый горящими лучами. Уменьшался и гелио-водородный слой (слой гелио-



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-12 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: