Виклад матеріалу

ЯК ДОВГО СВІТИТИМЕ СОНЦЕ?

студ. Тімошпольский А.,студ.Галайда О.,студ.Страшко О.,

студ Жалніна О.,студ.Приходько Л.

ПДАБА

Ключові слова: зірка,сонячна система,атоми,протон,червоний гігант,білий карлик.

Вступ. Сонце сформувалося приблизно 4.59 мільярда років назад. Зірка такої маси, як Сонце, повинні існувати в цілому приблизно 10 мільярдів років. [2; 3; 6]. Незважаючи на це, уся вода на Землі перейде в газоподібний стан, а велика частина її атмосфери розсіється в космічний простір. Збільшення температури Сонця в цей період таке, що впродовж наступних 500-700 мільйонів років поверхня Землі буде занадто гаряча для того, щоб на ній могло існувати життя в її сучасному розумінні.

Аналіз публікацій. Незважаючи на увагу до цієї проблеми, про що свідчить велике число публікацій у вітчизняній і зарубіжній літературі. На думку більшості дослідників, зовнішні шари Сонця, що розширюються, в цей час досягнуть сучасної орбіти Землі. При цьому дослідження показують, що ще до цього моменту втрата Сонцем маси приведе до того, що Земля перейде на більше далеку від Сонця орбіту і, таким чином, уникне поглинання зовнішніми шарами сонячної плазми.

У зв'язку з цим, для виживання людства стануть поза сумнівом актуальними міжзоряні польоти. Після того, як Сонце пройде фазу червоного гіганта, термічні пульсації приведуть до того, що його зовнішня оболонка буде зірвана і з неї утворюється планетарна туманність. У центрі цієї туманності залишиться сформована з дуже гарячого ядра Сонця зірка типу "білий карлик", яка впродовж багатьох мільярдів років поступово остигатиме і згасатиме.

Метою статті є опис і аналіз структури і ядерних реакцій на Сонце і прогноз того, наскільки довго світитиме сонце.

Виклад матеріалу

Сонце (астр. ☉) — єдина зірка Сонячної системи. Навколо Сонця звертаються інші об'єкти цієї системи: планети і їх супутники, карликові планети і їх супутники, астероїди, метеорити, комети і космічний пил. Маса Сонця складає 99,866 % від сумарної маси усієї Сонячної системи. Сонячне випромінювання підтримує життя на Землі (світло потрібне для початкових стадій фотосинтезу)визначає клімат. Сонце складається з водню(~73 % від маси і ~92 % від об'єму), гелію(~25 % від маси і ~7 % від об'єму) і інших елементів з меншою концентрацією: заліза, нікелю, кисню, азоту, кремнію, сірки, магнію, вуглецю, неону, кальцію і хрому. На 1 млн атомів водню доводиться 98 000 атомів гелію, 851 атом кисню, 398 атомів вуглецю, 123 атоми неону, 100 атомів азоту, 47 атомів заліза, 38 атомів магнію, 35 атомів кремнію, 16 атомів сірки, 4 атоми аргону, 3 атоми алюмінію, по 2 атоми нікелю, натрію і кальцію, а також зовсім небагато усіх інших елементів. Середня щільність Сонця складає 1,4 г/см³. По спектральній класифікації Сонце відноситься до типу G2V(«жовтий карлик»).

Структура Сонця

Рис.1. Структура Сонця

Сонце - це велика зірка, що світить так яскраво, що неможливо неозброєним поглядом подивитися на неї. Проте правильне використання сучасних засобів спостереження допомагає детально розглянути його поверхню -ФОТОСФЕРУ. Через подвійну атмосферу(КОРОНА і ХРОМОСФЕРА) можна побачити розжарену газоподібну матерію Сонця. Незважаючи на віддаленість, структура, склад і температура усередині цієї планети були визначені, і учені сподіваються, що вони зможуть розгадати секрет ядерних процесів, які розігрівають Сонце до такої величезної температури. Сонце зберігає в собі багато секретів. Так, наприклад, при тиску трильйон кг на см2 атоми зберігають здатність газу рухатися вільно, а величезний потік енергії не дає утворюватися твердим речовинам.

• КОРОНА - зовнішня атмосфера Сонця. Її щільність дуже низька, тому вона видно тільки в періоди сонячного затемнення. Товщина КАРОНЫ не рівномірна і іноді на ній з'являються діри, через які виходять сильні сонячні випромінювання.
• ХРОМОСФЕРА - напівпрозорий шар газів завтовшки від 10000 до 16000 км. Величезні потоки розжарених газів піднімаються з поверхні ФОТОСФЕРИ, а потім через декілька хвилин опускаються назад. Іноді ці потоки вириваються з ХРОМОСФЕРИ у відкритий космос, досягаючи 150000 км в довжину.
• ФОТОСФЕРА завтовшки менше 1500 км є щільними непрозорими газами. Потужні вогняні бурі(1000 км в діаметрі) переносять енергію з КОНВЕКТИВНОЇ ЗОНИ і випромінюють її у вигляді світла і тепла. Температура ФОТОСФЕРИ близько 6000 C.
• КОНВЕКТИВНА ЗОНА має товщину близько 125000 км. Енергія, що з'являється з РАДІАЦІЙНОЇ ЗОНИ, нагріває гази, що піднімаються до поверхні. Достигнув ФОТОСФЕРИ, вони віддають свою енергію у вигляді світла і тепла. В цей час на Землі ми бачимо сонячний теплий день. Потім вони опускаються, щоб нагрітися знову і повторити свій шлях до поверхні.
• РАДІАЦІЙНА ЗОНА - величезна область дуже щільних газів, що піддаються сильній дії ГАММА променів, які з'являються в КОРІ. Після поглинання газами, з'являються менш радіоактивні X- промені і UV- промені.
• КОРА - це місце, де проходять усі атомні процеси, що дають Сонцю енергію. Атоми водню(протони) плавляться в гелій при температурі 14*106 C. Тут, під тиском трильйон кг на см2, 4.1 мільйона тонн сонячної маси перетворюються кожну секунду на енергію. У вигляді сильних ГАММА променів, ця енергія спрямовується у напрямку до поверхні Сонця(485000 км).

Таємниця КОРОНЫ.

Температура Сонця поступово знижується з 14000000 C в сонячній КОРІ до 6000 C у ФОТОСФЕРІ[3]. Це повністю відповідає другому закону термодинаміки, тобто температура будь-якого тіла знижується поступово і планомірно. Проте Сонце повно загадок і протиріч. Усупереч другому закону термодинаміки, температура КОРОНЫ більше ніж температура ФОТОСФЕРИ. Чому це відбувається і як КОРОНА нагрівається залишається загадкою для учених. Існують гіпотези, що причиною такої невідповідності є магнітні поля і сонячна енергія.

Рис. 2 Обертання Сонця.[2]

Сонце обертається навколо своєї орбіти з відхиленням в 7 від екватора, як і багато інших планет сонячної системи. Проте воно складається з неймовірно гарячих газів, таких гарячих, що жодна тверда речовина не може існувати на нім. Гази різних областей Сонця вільно обертаються з різною швидкістю. Сонячна екваторіальна область повністю обертаються за 27 днів, із швидкістю близької до 6750 км/год. Полюсні ж області обертаються повільніше, тільки за 34 дні. Можливо, саме це є причиною утворення сонячних плям. Принаймні, це було першим поясненням такого явища.

Протон-протон цикл

Процес злиття атомів, за допомогою якого утворюється енергія Сонця, - це серія трьох зіткнень між ядерними частками. "Протон-протон цикл" - це процес, в якому чотири атоми(протона) водню сплавляються в один атом гелію, вивільняючи енергію.

Рис 3. Ядерні процеси на сонці[1]

Часові межі кожного ступеня даного процеси мають великі відмінності, що коливаються від 7 мільярдів років до декількох секунд. Вірогідність того, що цей протон вступить в реакцію з іншим протоном рівна тільки одного разу в 7 мільярдів років. Проте, оскільки кількість протонів в Сонце величезне, процес злиття триває постійно і стійко.

Давайте дослідимо цей ядерний цикл Сонця, цю реакцію злиття, яка порівняно близька до вибухових процесів водневої бомби. По-перше, ми повинні вивчити мікроскопічний світ атомів в глибині КОРИ Сонця. Тут температура вимірюється в мільйонах градусів. Атоми водню і гелію вибивають свої електрони і блукають в КОРЕ Сонця.

"Протон-протон цикл" починається, коли одного разу в сім мільярдів років, цей протон(червоний) зіткнеться з іншим протоном, що має енергію для зчеплення. Але двох протонний атом не стійкий і відразу ж перетворюється на атом, що складається з одного протона(червоний) і одного нейтрона(білий).[1]

Перетворення випускає нейтрино(маленький білий), який рухається із швидкістю близької до швидкості світла, і позитрон(маленький червоний). Позитрон рухається і можливо стикається з вільним електроном(маленький жовтий), які як правило обоє знищуються в спаласі ГАММА променів.

Атоми, що вийшли при першому зіткненні, продовжують рухатися. Проходить тільки декілька секунд, перш ніж атом зіткнеться з іншим найближчим протоном.[1] Потужні ГАММА промені вивільняються і з'являється новий елемент. Рідкісний вид гелію названий ГЕЛИЙ- 3 важить тільки 3/4 від маси звичайного гелію, новий елемент складається з двох протонів і тільки одного нейтрона.

Третє і останнє зіткнення протон-протон циклу трапляється приблизно через 400000 років. В цей час атом ГЕЛИЯ- 3 стикається з іншим атомом ГЕЛИЯ- 3, який був утворений таким же шляхом. В результаті утворюється два вільні протони і атом звичайного ГЕЛИЯ- 4[1], що включає два протони і два нейтрони.

Два вільні протони рухаються і увесь цей процес повторюється знову.

Результат кожного протон-протон циклу - чотири атоми водню(протона) перетворюються на один атом гелію. Проте атом гелію складає лише 99.3 відсотка від маси чотирьох протонів. Куди ж дівається маса, що залишилася? Вона перетворюється на енергію у формі ГАММА променів і нейтрино, який є одним з кінцевих продуктів трьох зіткнень. Енергія перетворювана з втраченої маси виходить відповідно до закону Ейнштейна: E=mc2. Вироблювані нейтрино настільки пасивні, що дуже скоро вони вилітають за межі Сонця у відкритий космос. Тим часом ГАММА промені продовжують випромінюватися з надр Сонця упродовж мільйонів років, перш ніж досягнуть поверхні Сонця.

Енергія Сонця.

Кожну секунду 592 мільйони тонн водню перетворюються на 587.9 мільйона тонн гелію. Втрачена маса 4.1 мільйон тонн перетворюється на енергію. Це дорівнює масі автомобілів побудованих в довжину більш ніж на 20000 км.[5] Якщо припустити, що кожна людина на Землі матиме по мішку з піском, вагою 50 кг, то кількість піщинок усього цього піску буде набагато менше ніж кількість протон-протон циклів, що відбуваються кожну секунду в КОРІ Сонця. Кожну секунду Сонце робить в 13 мільйонів разів більше енергії чим щорічне споживання її в США. Безперервний сонячний викид дорівнює 383*1018 мегават енергії.

Життєвий цикл Сонця

Хмара

Більше 5 мільярдів років назад з'явилося "хмара", яка повинна була стати нашим Сонцем в темній тиші космосу, як це і сталося мільярди років назад. Воно було велетенським, більше 480 трильйонів км в довжину. Світлу було потрібно 50 років, щоб перетнути його один раз. "Хмара" була не такою щільною, включала менше 1000 атомів в одному см3 простори. (Морське повітря включає більше 30*1018 молекул в тому ж об'ємі). Усупереч низькій щільності, "хмара" була масивною. Воно перевищувало масу безлічі таких планет як Сонце. І ця "хмара" була холодною. Охолоджуване безкрайнім космосом, його температура дорівнювала - 230 C. "Хмара" знаходилася в дуже крихкій рівновазі. Якби ця рівновага була зруйнована, та "хмара" або розсіялася, або стала стискатися. Так сталося, "хмара" під дією власної сили гравітації стала стискатися.

Globules

Через тисячі років у величезній "хмарі", що стискається, концентруючись, утворилися об'єкти, названі "globules". Їх температура зросла, але все ще була низькою - 205 C. Вони не випромінювали видимого світла і виглядали як темні утворення біля газів, що світяться, і зірок. Наше "Пра-Солнце" - "globule", був середніх розмірів відносно інших. Але він все ще був більше ніж сто сонячних систем. "Globule" продовжував стискатися. Його щільність була все ще такою низькою, що її можна порівняти з вакуумом на Землі. Його температура росла. Скоро вона зросла настільки, що "globule" став випромінювати світло.

Протозірка

Через 100000 років, "globule" стиснувся в мільйон разів від свого справжнього розміру, але він все ще був удвічі більше сонячної системи. Його КОРА, що нагрівалася із-за стискування матерії, тепер стала випромінювати істотну кількість енергії. Вона була міцною, і його вже не можна було називати "globule". Тепер це була "протозірка". Вона продовжувала стискатися. Еволюційний процес "протозірки" відбувався набагато швидше. Через декілька тисяч років вона стиснулася до розмірів трохи міні чим діаметр орбіти Марса. Температура її центру піднялася до 56000 C. Температура поверхні "протозірки" була 1650 C, і вона випромінювала більше світла чим Сонце. Але червоне світло, що випромінюється поверхнею, не було результатом атомного злиття, а лише результатом гравітаційного стискування, тому це була ще не зірка.

Сонце

"Протозірка" продовжувала стискатися до тих пір, поки не стала менше орбіти Землі, і це була вже не "протозірка". На цій стадії стискування температура КОРИ піднялася до декількох мільйонів градусів, достатньою для злиття атомів водню в атом гелію. Так з'явилося наше Сонце. Як тільки ядерні процеси стали робити величезну кількість енергії, Сонце стало нестійкою зіркою. Потім через 25-30 мільйонів років його структура стабілізувалася і стала такою як зараз. Відколи вона стабілізувалася, Сонце трохи змінилося в розмірах і викиді енергії. Але ці зміни відбувалися поступово і триватимуть. Сонце має достатню кількість водню, щоб продовжувати світити ще 5 мільярдів років. Тим самим ми знаходимося як би посередині життя Сонця. Але після 10 мільярдів років життя, на Сонці почнуться безповоротні процеси, які приведуть його до смерті, як зірки.

Червоний гігант

Через 5 мільярдів років увесь водень в сонячній КОРІ перетвориться на гелій, і ядерне злиття припинитися. Без нагріву від ядерного злиття, Сонце почне стискатися до розміру, що відповідає його власній вазі. Але скоро, енергія від гравітаційного стискування перетвориться на жар, потужніший чим той який робиться ядерним злиттям. Сонце перетвориться на "червоного гіганта". Через декілька сотень мільйонів років Сонце продовжить розширяться і поглине Меркурій. Поверхня Сонця буде холодною і воно робитиме в 500 разів більше світла чим, коли воно було стабільною зіркою. Венера і Земля будуть обпечени. Між тим в КОРІ Сонця почнуться нові ядерні процеси, які розігріють поверхню Сонця більш ніж до 85 мільйонів градусів. Тепер температура КОРИ дозволить робити гелій з атомів вуглецю і кисню, вивільняючи ще більше тепла. Але збагачена гелієм КОРА не зможе швидко втрачати тепло. Через декілька годин вона буде настільки гарячіше, що вибухне. Від вибуху частина тепла буде викинута назовні, і температури КОРИ буде недостатньо для ядерних процесів. Знову стискаючись, Сонце зможе повторювати цей цикл кілька разів. Врешті-решт Сонце накопить достатню кількість вуглецю в КОРІ, щоб запобігти вибуху. За допомогою ядерного процесу, Сонце останній раз розширитися. Приблизно через 30 мільйонів років воно поглине Венеру і Землю. Зовнішні шари продовжать розширюватися і відокремившись від КОРИ полетять до космосу.

Білий карлик

Вага гелію в КОРІ вичерпається. Не роблячи радіації, Сонце почне стискатися до розмірів Землі. Воно стане "білим карликом", тілом з такою щільністю, що чайна ложка такої матерії важитиме більше тонни. Сонце продовжуватиме світити за рахунок енергії стискування. Але коли вона закінчитися, Сонце затухатиме як тліюча зірка.

Чорний карлик

Спочатку Сонце буде жовтим, потім червоним, а потім зовсім перестане світити. Його атоми стиснуться, так що вони перестануть рухатися. Температура Сонця дорівнюватиме температурі навколишнього космосу. Воно блукатиме в космосі як невидимий об'єкт рівний розмірам Землі. Але є шанс, що одного разу, у своїй подорожі воно зустріне величезну хмару газу і все повториться спочатку.

Рис. 4. Життєвий цикл Сонця

Оскільки об'єкти приведені в цьому тексті мають дуже великі відмінності в розмірах, то показати їх в реальному співвідношенні просто неможливо. Тому якщо припустити, що діаметр Сонця дорівнює 1/3 см, то розміри інших об'єктів будуть наступними[3]:

• "білий карлик" - 1/34 мм
• "червоний гігант" - 84 см(розмір пляжного м'яча)
• "протозірка" - 55 м в діаметрі
• "globule" - 4 км в діаметрі
• "хмара" - 1100 км(відстань між Чикаго і Вашингтоном)

Висновок: Отже,маса Сонця недостатня для того, щоб його еволюція завершилася вибухом найновішої. Замість цього, згідно з існуючими уявленнями, через 4-5 млрд років воно перетвориться на червоний гігант. У міру того, як водневе паливо в ядрі вигоратиме, його зовнішня оболонка розширюватиметься, а ядро — стискатися і нагріватися. Приблизно через 7,8 млрд років, коли температура в ядрі досягне приблизно 100 млн До, в нім почнеться термоядерна реакція синтезу вуглецю і кисню з гелію. На цій фазі розвитку температурні нестійкості усередині Сонця приведуть до того, що воно почне втрачати масу і скидати оболонку. Мабуть, зовнішні шари Сонця, що розширюються, в цей час досягнуть сучасної орбіти Землі. При цьому дослідження показують, що ще до цього моменту втрата Сонцем маси приведе до того, що Земля перейде на більше далеку від Сонця орбіту і, таким чином, уникне поглинання зовнішніми шарами сонячної плазми[2,3].

Незважаючи на це, уся вода на Землі перейде в газоподібний стан, а її атмосфера буде зірвана найсильнішим сонячним вітром[1]. Збільшення температури Сонця в цей період таке, що впродовж наступних 500-700 млн років поверхня Землі буде занадто гаряча для того, щоб на ній могло існувати життя в її сучасному розумінні. На думку професора Джоуля. Кастингу, зникнення життя через підвищення температури, внаслідок збільшення яскравості Сонця[5], можливо і до стадії червоного гіганта — через 1 мільярд років[3,6].

Після того, як Сонце пройде фазу червоного гіганта, термічні пульсації приведуть до того, що його зовнішня оболонка буде зірвана, і з неї утворюється планетарна туманність. У центрі цієї туманності залишиться сформований з дуже гарячого ядра Сонця білий карлик, який впродовж багатьох мільярдів років поступово остигатиме і згасатиме. Цей життєвий цикл вважається типовим для зірок малої і середньої маси.