Реферат: Исследование Солнца - ближайшей звезды

Реферат: Исследование Солнца - ближайшей звезды

От молодого солнца к современному.

При конструировании модели для звёзд главной последовательности можно

определить, какое количество энергии выделяется в каждой точке центральной

области звезды за счёт сгорания водорода. Известно также, сколько атомов

гелия возникает там в каждую секунду. В центре «молодого» Солнца на каждый

килограмм вещества образуется за каждый год одна десятимиллионная для грамма

гелия. Если вычислить для каждой точки в объёме звезды, сколько гелия

образуется там за миллионы лет, то мы получим химический состав модели

Солнца, который формируется через миллион лет после начала горения водорода.

Заложив в вычислительную машину новый состав центральных областей звезды,

можно получить новое решение для модели. Но при увеличении концентрации гелия

меняются и свойства звёздного вещества. Иной становится его прозрачность для

излучения, а ядерные реакции превращения водорода в гелий идут не так полно

как в «молодом» Солнце. Такая модель звезды описывает свойства Солнца через

миллионы лет после начала ядерных реакций; она отличается от модели

«молодого» Солнца чрезвычайно слабо, поскольку миллион лет – это очень малый

промежуток времени по сравнению с миллиардами лет, в течение которых Солнце

светит за счёт ядерных реакций. Поэтому температура поверхности в новой

модели почти такая же, как у «молодого» Солнца, а светимость лишь не на много

выше. Поскольку в центре звезды становится меньше водорода, температура

центральных областей Солнца в новой модели слегка повышается. Это означает,

что теперь там образуется чуть больше энергии, чем прежде.

Новая модель Солнца тоже показывает нам, где освобождается энергия ядерных

реакций и сколько водорода превращается в гелий за каждую секунду. И снова мы

можем определить химический состав звезды ещё через один миллион лет. Для

этого нового химического состава вновь можно построить модель внутренней

структуры Солнца.

Так мы можем последовательно переходить от одной модели Солнца к целому ряду

других. Поскольку в результате каждого расчёта мы можем определить

температуру поверхности и светимость, то каждую из этих моделей можно

изобразить точкой на диаграмме Г – Р (Герцшпрунга и Рессепа). На этой

диаграмме появляется цепочка точек, начало которой совпадает с «молодым»

Солнцем. Эта последовательность точек описывает, как перемещается Солнце по

диаграмме Г – Р в ходе своего развития.

2

Мы определили, таким образом, путь развития Солнца. Он показан на рис.1. на

некоторых участках этой траектории отмечено время, прошедшее с момента

зажигания водорода в недрах Солнца

Рис.1. Путь развития Солнца на диаграмме Г – Р. он начинается от

«молодого» Солнца, проходит через точку, которая

соответствует современному Солнцу, а затем уходит в

сторону от «молодой» главной последовательности в

область красных гигантов. На рисунке обозначено время,

прошедшее с момента начала ядерной реакции превращения

водорода в гелий в недрах «молодого» Солнца.

Путь развития нашего модельного Солнца проходит через точку на диаграмме,

которая соответствует нынешнему

времени. Теперь мы хорошо видим, что различия в свойствах между молодым

Солнцем и современным Солнцем связано с постепенной временной эволюцией нашей

звезды.

Расчёты позволили нам определить и возраст нашего Солнца. Между «молодым»

Солнцем на диаграмме и Солнцем в настоящем времени прошло 4,5 млрд. лет.

Таков возраст нашего Солнца.

Структуры «молодого» Солнца и современного Солнца не слишком отличаются друг

от друга. Здесь и там мы наблюдаем конвективный внешний слой, в то время как

в более глубокой области энергия переносится от внутренних слоёв к внешним с

помощью излучения. Превращения водорода в гелий происходит в реакциях протон

– протонной цепочки. Современное Солнце отличается от молодого только тем,

что в его центральной области содержится некоторое количество гелия,

возникшего в результате ядерных реакций. В то время как во внешних слоях на

килограмм вещества приходится 270 граммов гелия, в центральных областях

содержание достигает 590 граммов. Примерно 300 граммов на килограмм массы

образовалось

3

в результате сгорания водорода. Во внешнем слое солнечное вещество постоянно

перемешивается. Каждый грамм вещества, достигший внешней поверхности, за

некоторое время до этого находится в нижней части конвективного слоя, где

температура вещества составляет около одного миллиона градусов. Это примерно

в 170 раз выше температуры поверхности Солнца.

4

Почему на Солнце нет дейтерия?

Ядро атома дейтерия одного из изотопов водорода, состоит из протона и

нейтрона. Дейтерий не может существовать при высокой температуре, которые

наблюдаются в недрах звёзды. Уже при температуре в 500 000 градусов ядра

дейтерия могут взаимодействовать с ядрами водорода. В результате такой

реакции образуется изотоп гелия. Дейтерий встречается в природе в небольших

количествах: его можно найти, например, в межзвёздном веществе, из которого

образовались все звёзды. При рождении Солнца дейтерий тоже должен был войти в

его состав, поскольку след этого изотопа водорода наблюдается и на Земле.

Так, на пример, в океанской воде на каждые 5000 атомов обычного водорода

встречается 1 атом дейтерия.

Однако этот изотоп отсутствует в солнечной атмосфере. Это не удивительно,

поскольку из нашей компьютерной модели следует, что во внешних слоях солнца

дейтерия просто не может быть. Причиной этого является конвекция. Каждый атом

дейтерия на внешней поверхности Солнца рано или поздно окажется в результате

конвективного перемешивания у дна конвективной зоны. В этой области

температура приближается к одному миллиону градусов. Как только атом дейтерия

попадает в эту область, он

при столкновении с ядром водорода превращается в изотоп гелия. За время,

прошедшее с момента возникновения Солнца, весь дейтерий должен был

разрушиться. Даже если сегодня дейтерий попадает на Солнце откуда-нибудь из

космического пространства, то через два или три года атомы дейтерия окажутся

во внутренних, горячих слоях Солнца и превратятся в атомы гелия.

5

Почему на Солнце мало лития?

Наша компьютерная модель не может объяснить всех фактов. Когда астрономы

изучали химический состав солнечной поверхности, то оказалось, что на Солнце

чрезвычайно редко встречается (по сравнению с концентрацией на Земле) ещё

один элемент литий. Этот элемент относится к числу наиболее лёгких в

периодической системе: ядро атома лития состоит из 4 нейтронов и 3 протонов.

Такие атомы встречаются на Солнце крайне редко. По сравнению с его

концентрацией на Земле, а также по сравнению с концентрацией в метеоритном

веществе, которое попадает на Землю из космического пространства, один

килограмм солнечного газа содержит в 100 раз меньше лития. Может быть, этот

элемент тоже разрушается при высоких температурах в нижней части конвективной

зоны?

Действительно литий может поглощать протон, и распадаться на два атома гелия.

Но температура в один миллион градусов, которая наблюдается в нижней части

конвективной зоны, недостаточна для этой реакции. Разрушение лития происходит

значительно глубже, примерно при температуре 3 миллиона градусов. Во всех

компьютерных моделях, существующих к нашему времени, конвективная зона не

проникает ниже слоя с температурой 1 миллион градусов. Поэтому наша модель не

может объяснить малое содержание лития на Солнце. Может быть литий

отсутствовал с самого начала? Это чрезвычайно мало вероятно. В настоящее

время считается, что Солнце, планеты и метеориты возникли из одного и того же

вещества, которое первоначально имело один и тот же химический состав. Куда

же девался литий на Солнце? Как объяснить это парадокс?

Выход из положения есть: в промежуток времени между образованием звёзд и

начала ядерных реакций превращения водорода в гелий, не конвективная зона на

Солнце проникала существенно глубже, чем теперь. Она достигала областей с

температурой, по меньшей мере, в 3 миллиона градусов. В это время большая

часть лития, из внешних слоёв Солнца могла проникнуть в глубину и

разрушиться.

6

Что произойдёт в будущем с нашим Солнцем?

Что же будет дальше? Что произойдёт, когда всё больше водорода будет

выгорать, и в центре Солнца будет накапливаться гелий? Модельные расчёты

показывают, прежде всего, что в ближайшие 5 миллиардов лет практически ничего

не изменится. Солнце будет медленно (как показано на рис.1.) перемещаться

вверх по своему пути развития. Светимость Солнца при этом будет постепенно

повышаться, а температура на его поверхности станет в начале чуть выше, а

затем начнёт медленно снижаться, но все эти изменения будут невелики.

Через 10 миллиардов лет после начала горения водорода светимость Солнца будет

всего в два раза выше нынешней. К этому времени человечество (если оно ещё

будет существовать на Земле) уже давно начнёт испытывать климатические

трудности. Однако потом станет ещё хуже. А пока диаметр Солнца всего в 2 раза

превышает нынешний.

Между тем, в недрах Солнца к этому времени в недрах Солнца уже произойдут

существенные изменения. В центре весь водород уже будет исчерпан. Центральная

область уже целиком заполнена гелием. В центре не происходит ядерных реакций,

поскольку весь водород уже выгорел, а для превращения гелия в углерод

температура слишком мала. Только на поверхности этого гелиевого шара, там,

где гелий граничит со слоем, богатым водородом, ещё происходит сгорание

водорода. Постепенно выгорает и этот водород, а радиус гелиевой сферы в

центре Солнца увеличивается. Если в начале у нашего Солнца было ядро, где

происходили ядерные реакции превращения водорода в гелий, то теперь горение

водорода происходит в тонкой сферической оболочке, которая постепенно

расширяется и перемещается во внешние области, всё ещё богатые водородом. С

течением времени диаметр гелиевого шара в центре Солнца становится всё

больше. На диаграмме Г – Р Солнце перемещается на право вверх в область

красных гигантов (рис.1.). Солнечный шар становится всё больше и одновременно

холоднее. Через 13 миллиардов лет размеры Солнца станут примерно в 100раз

больше, чем сегодня, а светимость увеличится в 2000 раз. В тоже время

температура поверхности снизится. Она будет составлять всего 4000 градусов,

т. е. на 1800 градусов меньше, чем теперь.

Но нас это уже не спасёт. К тому времени океаны на Земле давно уже испарятся,

а под палящими лучами Солнца будет плавиться

7

даже свинец. Земля превратится в горячую печь, на которой уже не сможет

существовать жизнь. Над безжизненной поверхностью

Земли будет светить гигантский солнечный шар с размером в полнеба. Было

бы, конечно, интересно узнать, на сколько верны эти предсказания компьютерной

модели.

Наши наблюдения не плохо описывают основные свойства нынешнего Солнца. Но

можно ли сделать из этого вывод, что модель так же хорошо предсказывает и

печальные для людей последствия его развития? У нас есть для этого прямое

подтверждение. Если нанести на диаграмму Г – Р звезды из шарового скопления,

то на главной последовательности не окажется звезд, светимость которых в 3

раза и более превышает солнечную. Это соответствует примерно 1.3 массы

Солнца. Дело в том, что наиболее яркие звёзды из главной последовательности

уже «сожгли» свой водород. Звёзды, массы которых превышают солнечную в 1.3

раза и более, расположены на ветви, которая отходит от главной

последовательности на право вверх, в область красных гигантов. Эти звёзды

развивались примерно так же, как предсказывает наша модель Солнца. Масса этих

звёзд совсем не на много превышает солнечную.

На рис.2. изображена диаграмма Г – Р для звёзд главной последовательности

шарового скопления М3. На этой диаграмме чёрной стрелкой изображён путь

развития звёзд, подобных Солнцу. Из рис.2. хорошо видно, что звёзд шарового

скопления развиваются так же, как будет

Рис.2. Диаграмма звёзд из шарового скопления М3. На

этом рисунке нанесён путь развития звёзд главной

последовательности (чёрная стрелка), который

показывает, как звёзды главной

последовательности перемещаются в область

красных гигантов.

8

развиваться наше Солнце в будущем. На диаграмме показаны звёзды, которые уже

перемещаются по диаграмме на право вверх. Такая судьба постигнет и Солнце

через 8 миллиардов лет. Более тяжёлые звёзды опережают Солнце, они уже

сегодня показывают нам, что ожидает в будущем наше Солнце. И если на

некоторых планетах, образующихся вокруг этих звёзд, когда-то была, жизнь то

теперь эта жизнь там уже не существует, и все её следы сгорели в потоке

тепла, который испускают эти звёзды. Таким образом, астрономические

наблюдения подтверждают, что наши предсказания дальнейшей судьбы Солнца, к

сожалению правильны.

9

Общие сведения о Солнце.

Солнце – рядовая звезда нашей Галактики. Это единственная звезда столь

близкая к Земле, что на ней видны отдельные детали её поверхности. Изучая их,

мы можем глубже понять природу других звёзд, находящихся на значительно

больших расстояниях.

Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 149.6 миллионов км. Так как

Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, то в январе она ближе к

нему на 2.5 миллиона км, а в июле – настолько же дальше. Радиус Солнца R

= 696 000 км, масса m = 1.99 10 г, средняя плотность p = 1,41

г/см. Полное количество энергии излучаемой, Солнцем, составляет L =

3.86 10 эрг/сек или L = 3.86 10 Вт. Но Земля получает лишь 5

10 долю всей излучаемой Солнцем энергии. Эффективная температура Солнца

Тэф = 5806 К, его спектральный класс G2.

Солнце вращается не как твёрдое тело, его угловая скорость по мере удаления от

экватора уменьшается (рис.3.). Такое вращение получило название

дифференциального или зонального вращения. По наблюдениям многих тысяч пятен

установлено, что w = 14.4 – 2.7 sin b,где - угловое расстояние от

экватора, гелиографическая широта период вращения Солнца изменяется от 25 суток

на экваторе до 30 суток вблизи полюсов. Линейная скорость вращения на экваторе

близка к 2 км/с.

Рис.3. Схема вращения Солнца. Слева – пятна,

расположенные вдоль

центрального меридиана,

с права их положение

после одного оборота

Солнц.

Наблюдаемое излучение Солнца возникает в его тонком внешнем слое, который

называется фотосферой. Толщина этого слоя не превышает 0.001 радиуса

Солнца, т. е. около 700 км. Плотность вещества на нижней границе фотосферы

составляет 5 10 г/см, тогда как на верхней границе она в тысячу раз

меньше. Уровень с

10

плотностью p = 10 г/см и температурой Т=4600 К условно называют

«поверхностью» Солнца. Плотность в фотосфере Солнца с высотой уменьшается

непрерывно. И всё же наблюдателю бросается в глаза резкая граница Солнца,

чёткий край солнечного диска. Дело в том, что при изучении края диска Солнца

наблюдатель принимает излучение, образующиеся в столбике газа, ориентированном

вдоль луча зрения. В каждый элементарный объём столбика, излучение поступает из

более глубоких слоёв. Здесь оно поглощается и переизлучается во всех

направлениях и частично в направлении наблюдателя. Очевидно, что чем дальше от

центра Солнца, тем меньше число квантов будет «переадресовано» по направлению к

наблюдателю. Расчёты показывают, что изменение интенсивности от I = 0

до максимального значения происходит в слое толщиной около 300 км. С Земли этот

слой виден всего под углом 0'',4. Он и воспринимается наблюдателем как резкий

край солнечного диска.

В моменты солнечных затмений вокруг Солнца хорошо видно небольшое кольцо

ярко–красного цвета–хромосфера, окружённая серебристо-белой короной.

Обычно спектры хромосферы и получают во время полных солнечных затмений.

Отдельные детали её внутренней структуры изучают при помощи хромосферных

телескопов с интерференционно - поляризационными фильтрами.

Протяжённость хромосферы составляет около 10 000 км. Было найдено, что

плотность в ней изменяется с высотой медленнее, чем в фотосфере.

Подтверждение сказоному является присутствие в спектре хромосферы линий

ионизированного гелия

В то же время в спектре хромосферы видны также линии бальмеровской серии

водорода, которые могут образовываться лишь в случаях низкой температуры

излучающего газа.

Эти противоречивые данные можно согласовать, если в хромосфере одновременно

присутствуют и холодные, и горячие элементы газа. Поэтому модель хромосферы

выглядит следующим образом. В нижней её части температура равна 4500 – 4800

К. на высоте около 2000 км появляются горячие струи – спикулы, температура

которых достигает 50 000 К и которые окружены более холодным газом с

температурой 20 000 К (рис.4.). Высота отдельной спикулы достигает нескольких

тысяч километров, толщина - около одной тысячи километров. Со скоростями

порядка 20 км/сек спикулы движутся вверх и растворяются в короне.

У основания короны плотность равна 10 г/см (соответствующая концентрация частиц

N = 10 см), а температура очень резко возрастает до 100 000 К. на высоте

h = 70 000 км Т = 2 млн. градусов.

11

Общие сведения о физических процессах на Солнце.

Солнце является одним из жёлтых карликов – наиболее типичных звёзд нашей

Галактики. Газообразное солнечное вещество в глубоких слоях Солнца и во

внешних областях его атмосферы практически полностью ионизовано, т. е.

фактически является плазмой (в которой все электроны оторваны от атомов);

только в сравнительно тонком поверхностном слое солнечное вещество находится

в состоянии не полной ионизации. Согласно современным представлениям в

глубинах Солнца уже миллиарды лет действует естественный термоядерный

реактор, к созданию которого в земных условиях человеческая наука ещё только

приближается.

Энергия, выделяющаяся в солнечных недрах в ходе термоядерных реакций в виде

жёсткого гамма-излучения, очень медленно (за миллионы лет) просачивается

наружу, к поверхности Солнца. При многократных процессах поглощения и

переизлучения квантов в толще солнечного вещества происходит постоянное

уменьшение частоты первоначального излучения, и на видимой нам поверхности

Солнца оно появляется уже в оптическом диапазоне спектра.

В основной массе Солнца, которая находится в области, ограниченной 0.8 радиуса

Солнца, энергия переносится излучением, однако на глубине порядка 140 тыс. км

от поверхности характер этого процесса радикально изменяется. Вследствие

просачивания энергии излучения наружу, температура солнечной плазмы постепенно

падает при переходе к более высоким слоям, и, если какой – либо объём газа

случайно окажется несколько горячее окружающей среды, он начинает расширяться

и, становясь легче, всплывает вверх. В этом и заключается явление

конвективного переноса энергии.

По мере продвижения выделенного газа вверх, в более разряжённые слои,

внешне давление, претерпеваемое им,

падает, и поэтому этот газ будет продолжать расширяться и охлаждаться. Хотя в

окружающем газе температура также падает с высотой, его температура остаётся

выше и, таким образом, данный объём будет продолжать двигаться вверх,

перенося энергию. В процессе движения этого объёма должно происходить его

дробление (фрагментация) на объёмы газов меньших размеров. Как показывают

расчёты, всплывающее горячие солнечное вещество, не распадаясь,

проходит расстояние, сравнимое с некоторой

12

характерной высотой распределения газа в данной области Солнца. Эта высота

определяется температурой плазмы и ускорением силы тяжести и, естественно,

может сильно меняться в солнечных условиях.

В случае отсутствия конвекции характер изменения температуры с высотой

устанавливается переносом тепла излучением и зависит, следовательно, от

степени непрозрачности вещества, для данного излучения. Чем эта величина

больше, тем сильнее изменяется температура с глубиной. Правда, температура с

высотой может падать и из-за уменьшения плотности газа. Вообще говоря,

конвекция возможна лишь тогда когда изменения температуры, вызываемое

различной степенью непрозрачности вещества, больше изменения температуры,

обусловленного падением его плотности. Это условие определяет толщину под

поверхности зоны, охваченной конвективными «движениями», которая на Солнце

составляет около 140 тыс. км.

Основная часть оптического излучения Солнца в непрерывном спектре приходит к

нам из фотосферы – сравнительно плотного нижнего слоя солнечной атмосферы.

Результатом конвективных движений газа в глубоких слоях Солнца является

ячеистая структура фотосферы (грануляция). Характерные размеры ячеек (гранул)

около 0.5 – 0.8 тыс. км, среднее время «жизни» 5 – 8 мин, в них наблюдается

скорость подъёма вещества порядка 400 м/с. помимо гранул, в фотосфере видны и

значительно более крупномасштабные структуры, как бы

сеть с размером ячеек около 30 тыс. км, - супергрануляция. Эта «сетка»

представляет собой «след» конвекции с более глубокого яруса, чем гранулы

(приблизительно 5 тыс. км). Время «жизни» «сетки» супергрануляции около

суток. Наконец, на поверхности Солнца замечены и так называемые «гигантские

структуры» (так же ячеистые тела) с размерами близким к 400 тыс. км, и

временем «жизни» около 10 суток. Это отражение «деятельности» самого

глубокого уровня конвекции.

Около 0.001 всей энергии конвективных движений переносится различными типами

Страницы: 1, 2