Солнечное ядро

Иллюстрация структуры Солнца

• Гранулы
• Солнечное пятно
• Фотографиисфера
• Хромосфера
• Зона конвекции
• Зона излучения
• Тахоклин
• Солнечное ядро
• Солнечная корона
• Вспышка
• Известность
• Солнечный ветер

Ядро Солнца считается простираться от центра до примерно 0,2 до 0,25 радиуса Солнца . ^[1] Это самая горячая часть Солнца и Солнечной системы . Он имеет плотность 150 г / см ³ в центре и температуру 15 миллионов кельвинов (15 миллионов градусов по Цельсию, 27 миллионов градусов по Фаренгейту). ^[2]

Ядро состоит из горячей, плотной плазмы (ионы и электроны), давление в центре оценивается в 265 миллиардов бар (3,84 триллиона фунтов на квадратный дюйм или 26,5 пета- паскалей (ППа)). ^[3] Из-за термоядерного синтеза состав солнечной плазмы падает с 68–70% водорода по массе во внешнем ядре до 34% водорода в ядре / центре Солнца. ^[4]

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

Состав [ править ]

Солнце в фотосферы составляет около 73-74% по массе водорода , которая является такой же состав, в атмосфере из Юпитера и изначального состава водорода и гелия при первой звездообразования после Большого взрыва . Однако по мере того, как глубина Солнца увеличивается, синтез уменьшает долю водорода. Двигаясь внутрь, массовая доля водорода начинает быстро уменьшаться после достижения радиуса ядра (она все еще составляет около 70% на радиусе 25% от радиуса Солнца), а внутри него доля водорода быстро падает по мере прохождения ядра, пока он достигает минимума около 33% водорода в центре Солнца (нулевой радиус). ^[5] Все, кроме 2% остающейся массы плазмы (т.е. 65%), составляет гелий в центре Солнца.

Преобразование энергии [ править ]

Приблизительно 3,7 × 10 ³⁸ протонов ( ядра водорода ), или примерно 600 миллионов тонн водорода, каждую секунду превращаются в ядра гелия, выделяя энергию со скоростью 3,86 × 10 ²⁶ джоулей в секунду. ^[6]

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

Низкая выходная мощность, возникающая внутри термоядерного ядра Солнца, также может вызывать удивление, учитывая большую мощность, которую можно было бы предсказать простым применением закона Стефана-Больцмана для температур от 10 до 15 миллионов кельвинов. Однако слои Солнца излучают во внешние слои лишь немного более низкой температуры, и именно эта разница в мощности излучения между слоями определяет чистую выработку и передачу энергии в солнечном ядре.

На 19% солнечного радиуса, около края ядра, температура составляет около 10 миллионов кельвинов, а плотность мощности термоядерного синтеза составляет 6,9 Вт / м ³ , что составляет около 2,5% от максимального значения в центре Солнца. Плотность здесь составляет 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 (внешнее «ядро» по некоторым определениям) вырабатывается 99% энергии Солнца. За пределами 30% солнечного радиуса, где температура составляет 7 миллионов К, а плотность упала до 10 г / см ^3, скорость синтеза почти равна нулю. ^[10] Есть две различные реакции, в которых ядра 4 H могут в конечном итоге привести к одному ядру He: "протон-протонная цепная реакция" и "Цикл CNO "(см. ниже) .

Протон-протонная цепная реакция [ править ]

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

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

Эта последовательность реакций считается наиболее важной в ядре Солнца. Характерное время для первой реакции составляет около одного миллиарда лет даже при высоких плотностях и температурах ядра из-за необходимости того, чтобы слабое взаимодействие вызвало бета-распад до того, как нуклоны смогут прилипнуть (что редко случается во время туннелирования в друг друга, чтобы быть достаточно близко для этого). Время, в течение которого дейтерий и гелий-3 длятся в следующих реакциях, напротив, составляет всего около 4 секунд и 400 лет. Эти более поздние реакции протекают через ядерное взаимодействие и, следовательно, намного быстрее. ^[12] Полная энергия, выделяемая в результате этих реакций при превращении 4 атомов водорода в 1 атом гелия, составляет 26,7 МэВ.

Цикл CNO [ править ]

Вторая последовательность реакций, в которой ядра 4 H могут в конечном итоге привести к образованию одного ядра He, называется циклом CNO и генерирует менее 10% всей солнечной энергии . Это касается атомов углерода, которые не расходуются в общем процессе. Подробности 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 понять по картинке справа, начиная сверху по часовой стрелке.

Равновесие [ править ]

Скорость ядерного синтеза сильно зависит от плотности. ^{[ необходимая цитата ]} Следовательно, скорость плавления в ядре находится в самокорректирующемся равновесии: немного более высокая скорость плавления заставила бы ядро ​​больше нагреваться и немного расширяться против веса внешних слоев. ^{[ необходима цитата ]} Это уменьшит скорость синтеза и исправит возмущение ; и немного более низкая скорость вызовет охлаждение и небольшое сжатие сердечника, увеличивая скорость плавления и снова возвращая ее к текущему уровню. ^{[ необходима цитата ]}

Однако Солнце постепенно нагревается в течение своего времени на главной последовательности, потому что атомы гелия в ядре плотнее, чем атомы водорода, из которых они были сплавлены. Это увеличивает гравитационное давление на ядро, которому противодействует постепенное увеличение скорости синтеза. Этот процесс со временем ускоряется, поскольку ядро ​​постепенно уплотняется. По оценкам, Солнце стало на 30% ярче за последние четыре с половиной миллиарда лет ^[13] и будет продолжать увеличиваться в яркости на 1% каждые 100 миллионов лет. ^[14]

Передача энергии [ править ]

Фотоны высокой энергии ( гамма-лучи ), высвобождаемые в реакциях слияния, попадают на поверхность Солнца непрямым путем. Согласно существующим моделям, случайное рассеяние на свободных электронах в зоне солнечного излучения (зона в пределах 75% солнечного радиуса, где перенос тепла осуществляется излучением) устанавливает шкалу времени диффузии фотонов (или «время прохождения фотонов») от ядра. до внешнего края радиационной зоны примерно 170 000 лет. Оттуда они попадают в конвективную зону (оставшиеся 25% расстояния от центра Солнца), где преобладающий процесс переноса сменяется конвекцией, и скорость, с которой тепло распространяется наружу, становится значительно выше. ^[15]

В процессе передачи тепла от ядра к фотосфере каждый гамма-фотон в ядре Солнца преобразуется во время рассеяния в несколько миллионов фотонов видимого света перед тем, как 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, произведенных на Солнце, были намного ниже, чем предсказывали теории , и эта проблема была недавно решена благодаря лучшему пониманию осцилляций нейтрино .

См. Также [ править ]

• Звездное ядро

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Анимированное объяснение ядра Солнца (Университет Южного Уэльса).
• Анимированное объяснение температуры и плотности ядра Солнца (Университет Южного Уэльса).