Солнечное ядро

Центральная область Солнца

Иллюстрация строения Солнца

• Гранулы
• Солнечное пятно
• Фотосфера
• Хромосфера
• Конвекционная зона
• Радиационная зона
• Тахоклин
• Солнечное ядро
• Солнечная корона
• Вспышка
• известность
• Солнечный ветер

Считается, что ядро ​​Солнца простирается от центра примерно до 0,2 солнечного радиуса (139 000 км; 86 000 миль). ^[1] Это самая горячая часть Солнца и Солнечной системы . Он имеет плотность 150 000 кг/м ³ (150 г/см ³ ) в центре и температуру 15 миллионов кельвинов (15 миллионов градусов Цельсия; 27 миллионов градусов по Фаренгейту). ^[2]

Ядро состоит из горячей плотной плазмы (ионов и электронов) с давлением  в центре, оцениваемым в 26,5 миллионов гигапаскалей (3,84 × 10 ^{12 фунтов на квадратный дюйм). [3]} Из-за термоядерного синтеза состав солнечной плазмы падает с 68 до 70% водорода по массе во внешнем ядре до 34% водорода в ядре/центре Солнца. ^[4]

Ядро внутри 20% радиуса Солнца содержит 34% массы Солнца, но только 0,8% объема Солнца. Внутри 24% солнечного радиуса находится ядро, которое генерирует 99% термоядерной энергии Солнца. Есть две различные реакции, в которых четыре ядра водорода могут в конечном итоге привести к образованию одного ядра гелия : протон-протонная цепная реакция , которая отвечает за большую часть высвобождаемой Солнцем энергии, и цикл CNO .

Состав

Солнце в фотосфере состоит примерно на 73–74% по массе из водорода , остальное состоит в основном из гелия , который имеет тот же состав, что и атмосфера Юпитера , и первичный состав газов на самом раннем звездообразовании после Большого взрыва . Однако по мере увеличения глубины Солнца в результате термоядерного синтеза доля водорода уменьшается. Двигаясь внутрь, массовая доля водорода начинает быстро уменьшаться после достижения радиуса ядра (она все еще составляет около 70% при радиусе, равном 25% радиуса Солнца), а внутри него доля водорода быстро падает по мере прохождения ядра. , пока он не достигнет минимума около 33% водорода в центре Солнца (нулевой радиус). Вся оставшаяся масса плазмы, кроме 2% (т.е. 65%), представляет собой гелий. ^[5]

Преобразование энергии

Примерно 3,7 × 10³⁸ протонов ( ядер водорода ) ^{[ проверка не удалась ]} , или примерно 600 миллионов тонн водорода, каждую секунду превращаются в ядра гелия , выделяя энергию со скоростью 3,86 × 10²⁶ джоулей в секунду. ^[6]

Ядро производит почти все тепло Солнца посредством термоядерного синтеза ; остальная часть звезды нагревается за счет передачи тепла от ядра наружу. Энергия, вырабатываемая в результате термоядерного синтеза в ядре, за исключением небольшой части, переносимой нейтрино , должна пройти через множество последовательных слоев к фотосфере Солнца , прежде чем она уйдет в космос в виде солнечного света или же в виде кинетической или тепловой энергии массивных частиц. Преобразование энергии в единицу времени (мощность) термоядерного синтеза в ядре меняется в зависимости от расстояния от центра Солнца. В центре Солнца мощность термоядерного синтеза оценивается моделями примерно в 276,5 Вт/м ³ . ^[7] Несмотря на высокую температуру, пиковая плотность генерации энергии ядра в целом аналогична активной компостной куче и ниже, чем плотность мощности, вырабатываемая метаболизмом взрослого человека. Солнце намного горячее, чем компостная куча, из-за огромного объема Солнца и ограниченной теплопроводности. ^[8]

Низкая выходная мощность, возникающая внутри термоядерного ядра Солнца, также может быть удивительной, учитывая большую мощность, которую можно предсказать простым применением закона Стефана-Больцмана для температур 10–15 миллионов Кельвинов. Однако слои Солнца излучают внешние слои лишь с немного более низкой температурой, и именно эта разница в мощности излучения между слоями определяет выработку и передачу чистой энергии в солнечном ядре.

На 19% радиуса Солнца, вблизи края ядра, температура составляет около 10 миллионов Кельвинов, а плотность термоядерной энергии составляет 6,9 Вт/м ³ , что составляет около 2,5% от максимального значения в центре Солнца. Плотность здесь около 40 г/см ³ или около 27% от плотности в центре. ^[9] Около 91% солнечной энергии производится в этом радиусе. В пределах 24% радиуса (по некоторым определениям, внешнего «ядра») производится 99% солнечной энергии. За пределами 30% радиуса Солнца, где температура составляет 7 миллионов К, а плотность падает до 10 г/см3, ^{скорость} термоядерного синтеза практически равна нулю. ^[10]

Есть две различные реакции, в которых четыре ядра водорода могут в конечном итоге привести к образованию одного ядра гелия: «протон-протонная цепная реакция» и «цикл CNO».

Протон-протонная цепная реакция

Протон-протонная цепная реакция

Первая реакция, в которой 4 ядра H могут в конечном итоге привести к образованию одного ядра He, известная как протон-протонная цепная реакция: ^{[6] [11]}

$${\displaystyle \left\{{\begin{aligned}&&{}^{1}\!\mathrm {H} +^{1}\!\mathrm {H} &\rightarrow {}^{2}\!\mathrm {D} +e^{+}+\nu _{e}\\{\text{then}}&&{}^{2}\!\mathrm {D} +{}^{1}\!\mathrm {H} &\rightarrow {}^{3}\!\mathrm {He} +\gamma \\{\text{then}}&&{}^{3}\!\mathrm {He} +{}^{3}\!\mathrm {He} &\rightarrow {}^{4}\!\mathrm {He} +{}^{1}\!\mathrm {H} +{}^{1}\!\mathrm {H} \\\end{aligned}}\right.}$$

Эта последовательность реакций считается самой важной в солнечном ядре. Характерное время первой реакции составляет около одного миллиарда лет даже при высоких плотностях и температурах ядра из-за необходимости слабого взаимодействия вызвать бета-распад до того, как нуклоны смогут прилипнуть (что редко случается в то время, когда они туннелируют в направлении друг друга, чтобы быть достаточно близко для этого). Время, в течение которого дейтерий и гелий-3 действуют в следующих реакциях, напротив, составляет всего около 4 секунд и 400 лет. Эти более поздние реакции протекают посредством ядерных сил и поэтому протекают намного быстрее. ^[12] Общая энергия, выделяемая в результате этих реакций при превращении 4 атомов водорода в 1 атом гелия, составляет 26,7 МэВ.

цикл CNO

цикл CNO

Вторая последовательность реакций, в которой 4 ядра H могут в конечном итоге привести к одному ядру He, называется циклом CNO и генерирует менее 10% всей солнечной энергии . При этом участвуют атомы углерода, которые не расходуются в общем процессе. Детали этого цикла CNO следующие:

$${\displaystyle \left\{{\begin{aligned}&&{}^{12}\!\mathrm {C} +{}^{1}\!\mathrm {H} &\rightarrow {}^{13}\!\mathrm {N} +\gamma \\{\text{then}}&&{}^{13}\!\mathrm {N} &\rightarrow {}^{13}\!\mathrm {C} +e^{+}+\nu _{e}\\{\text{then}}&&{}^{13}\!\mathrm {C} +{}^{1}\!\mathrm {H} &\rightarrow {}^{14}\!\mathrm {N} +\gamma \\{\text{then}}&&{}^{14}\!\mathrm {N} +{}^{1}\!\mathrm {H} &\rightarrow {}^{15}\!\mathrm {O} +\gamma \\{\text{then}}&&{}^{15}\!\mathrm {O} &\rightarrow {}^{15}\!\mathrm {N} +e^{+}+\nu _{e}\\{\text{then}}&&{}^{15}\!\mathrm {N} +{}^{1}\!\mathrm {H} &\rightarrow {}^{12}\!\mathrm {C} +{}^{4}\!\mathrm {He} +\gamma \\\end{aligned}}\right.}$$

Этот процесс можно лучше понять на рисунке справа, начиная сверху по часовой стрелке.

Равновесие

Скорость ядерного синтеза сильно зависит от плотности. ^{[ нужна цитата ]} Таким образом, скорость термоядерного синтеза в ядре находится в самокорректирующемся равновесии: немного более высокая скорость термоядерного синтеза приведет к большему нагреву ядра и небольшому расширению под действием веса внешних слоев. ^{[ нужна цитация ]} Это уменьшит скорость синтеза и исправит возмущение; а немного более низкая скорость приведет к тому, что ядро ​​остынет и слегка сожмется, увеличив скорость термоядерного синтеза и снова вернув ее к нынешнему уровню. ^{[ нужна цитата ]}

Однако Солнце постепенно становится горячее во время своего пребывания на главной последовательности, потому что атомы гелия в ядре плотнее, чем атомы водорода, из которых они образовались. Это увеличивает гравитационное давление на ядро, которому сопротивляется постепенное увеличение скорости термоядерного синтеза. Этот процесс со временем ускоряется по мере того, как ядро ​​постепенно становится плотнее. Подсчитано, что Солнце стало на 30% ярче за последние четыре с половиной миллиарда лет ^[13] и будет продолжать увеличивать яркость на 1% каждые 100 миллионов лет. ^[14]

Передача энергии

Фотоны высокой энергии ( гамма-лучи ), высвобождаемые в реакциях термоядерного синтеза, проходят непрямые пути к поверхности Солнца. Согласно современным моделям, случайное рассеяние свободных электронов в зоне солнечного излучения (зона в пределах 75% солнечного радиуса, где передача тепла осуществляется излучением) устанавливает шкалу времени диффузии фотонов (или «время путешествия фотонов») от ядра. до внешнего края радиационной зоны примерно через 170 000 лет. Отсюда они переходят в конвективную зону (оставшиеся 25% расстояния от центра Солнца), где доминирующий процесс переноса меняется на конвекцию, а скорость, с которой тепло распространяется наружу, становится значительно выше. ^[15]

В процессе передачи тепла от ядра к фотосфере каждый гамма-фотон в ядре Солнца при рассеянии преобразуется в несколько миллионов фотонов видимого света, прежде чем уйти в космос. Нейтрино также выделяются в результате реакций синтеза в ядре, но в отличие от фотонов они очень редко взаимодействуют с веществом, поэтому почти все они могут немедленно покинуть Солнце. В течение многих лет измерения количества нейтрино, образующихся на Солнце, были намного ниже, чем предсказывали теории , и эта проблема недавно была решена благодаря лучшему пониманию нейтринных осцилляций .

Смотрите также

• Активный регион
• Звездное ядро

Рекомендации

1. Гарсия, Ра; Тюрк-Чьез, С; Хименес-Рейес, Sj; Бюллетень, Дж; и другие. (июнь 2007 г.). «Отслеживание режимов солнечной гравитации: динамика солнечного ядра». Наука . 316 (5831): 1591–3. Бибкод : 2007Sci...316.1591G. дои : 10.1126/science.1140598. ISSN  0036-8075. PMID  17478682. S2CID  35285705.
2. "НАСА/Физика Солнца Маршалла". Архивировано из оригинала 29 марта 2019 г. Проверено 9 июля 2015 г.
3. "Информационный бюллетень Координированного архива данных космической науки НАСА о Солнце" .
4. "Лекция 22 по астрономии Солнечной системы Технологического института Нью-Джерси" .
5. состав
6. Макдональд, Эндрю; Кенневелл, Джон (2014). «Источник солнечной энергии». Бюро метеорологии . Содружество Австралии.
7. Таблица температур, плотности мощности и яркости по радиусу Солнца, заархивировано Wayback Machine.
8. Карл С. Крузельницкий (17 апреля 2012 г.). «Великие моменты доктора Карла в науке: Ленивое солнце менее энергично, чем компост». Австралийская радиовещательная корпорация . Проверено 25 февраля 2014 г.
9. см. стр. 54 и 55.
10. См. Архивировано 29 ноября 2001 г. в веб-архивах Библиотеки Конгресса.
11. Паскаль Эренфройнд; и др., ред. (2004). Астробиология: перспективы будущего. Дордрехт [ua]: Клювер Академик. ISBN 978-1-4020-2304-0. Проверено 28 августа 2014 г.
12. Эти времена взяты из: Бирн, Дж. Нейтроны, ядра и материя , Dover Publications, Минеола, Нью-Йорк, 2011, ISBN 0486482383 , стр. 8. 
13. Эволюция Солнца
14. Земля не умрет так скоро, как думали
15. Миталас, Р. и Силлс, К.Р. «О шкале времени диффузии фотонов на Солнце» Бибкод : 1992ApJ...401..759M

Внешние ссылки

• Анимированное объяснение ядра Солнца. Архивировано 16 ноября 2015 г. в Wayback Machine (Университет Южного Уэльса).
• Ядро Солнца (Университет Южного Уэльса).
• Анимированное объяснение температуры и плотности ядра Солнца. Архивировано 16 ноября 2015 г. в Wayback Machine (Университет Южного Уэльса).