Внутреннее строение Солнца

1. Ядро (зона термоядерных реакций) - центральная область, простирающаяся на 1/3 радиуса Солнца от его центра, вблизи которого при давлении до 2× 1018 Па, температуре 1,5- 1,6× 107 К и плотности плазмы до 16 г/см3 протекают термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия, сопровождающиеся выделением колоссальной энергии. Ядро вращается как единое твердое тело с периодом 22-23 суток.
 2. Зона лучистого переноса (расстояния от 1/3 до 2/3 R¤ ) – область, в которой выделяющаяся в солнечном ядре энергия передается наружу, от слоя к слою, в результате последовательного поглощения и переизлучения электромагнитных волн. Плавно распределяясь по возрастающему объему вещества, энергия (и, в соответствии с законом Вина, длина) электромагнитных волн постепенно уменьшаются от 10-11-10-12 Дж (g - и жесткое рентгеновское излучение) на границе с ядром до 10-16 Дж (жесткий ультрафиолет) на границе с конвективной зоной, где плотность плазмы составляет около 0,16 г/см3 при давлении до 1013 Па и температуре до 106 К.
3. Зона конвекции (0,29 R¤ ) простирается почти до самой видимой поверхности Солнца. В ней происходит непрерывное перемешивание (конвекция) солнечного вещества со скоростью от 1 м/с в глубине зоны до 2-3 м/с на границе с фотосферой. Помимо вертикальных, восходящих и нисходящих потоков плазмы, в конвективной зоне наблюдаются локальные, зональные и меридиональные течения от экватора к полюсам со скоростью до 30 м/с. Взаимодействие этих движений солнечного вещества порождает эффект динамо-механизма, порождающего магнитное поле Солнца. В энергию магнитного поля преобразуется до 0,1 % от всей поступающей в конвективную зону тепловой энергии Солнца. На дне конвективной зоны с 22-летней периодичностью накапливается намагниченная плазма, образующая мощный магнитный слой. Ряд ученых предполагает существование выше него еще нескольких зон генерации магнитных полей; самая верхняя обладает квазидвухлетней периодичностью. У границы с фотосферой формируются ячейки супергрануляции; в области интенсивного перемешивания вещества генерируются мощные акустические (звуковые) колебания. На глубины 0,8-0,9 R¤ появляются первые нейтральные атомы – сначала гелия, затем водорода, выше их концентрация увеличивается.
Выше простирается атмосфера Солнца, в которой выделяется ряд следующих областей:
Фотосфера (4) - слой газов толщиной 350-700 км. В нижнем слое фотосферы, обладающем температуре 8000 К при давлении солнечного вещества до 106 Па наблюдается гранулы - ячейки верхнего яруса конвективной зоны размерами около 700 км и временем существования до 8 минут - восходящие потоки раскаленных газов. Гранулы разделяются темными промежутками шириной до 300 км. В "обращающем слое" - "видимой поверхности" Солнца при температуре 5770 К формируется все приходящее к Земле солнечное электромагнитное излучение в интервале длин волн от 10-13 до 5× 10-2 м с максимумом энергетической светимости в области l = 5,55× 10-7 м (желтая часть спектра). На фоне непрерывного спектра излучения глубин Солнца наблюдаются черные линии поглощения атомарных газов солнечной фотосферы, называемых фраунгоферовыми линиями. Уменьшение температуры в верхних слоях фотосферы до 4000 К порождает потемнение солнечного диска к краям светила. Светлые участки фотосферы (6), на которых поверхность Солнца разогрета до 7000-10000 К, называются факельными полями (флоккулами). Отдельные участки фотосферы с пониженной до 4000-4500 К температурой по контрасту с раскаленной окружающей поверхностью воспринимаются как черные солнечные пятна (7).
Фотосфера условно считается "видимой поверхностью" Солнца (хотя на самом деле это тонкий слой раскаленного ионизированного газа) потому, что в вышележащих слоях солнечной атмосферы плотность вещества уменьшается настолько, что мы видим фотосферу Солнца сквозь эти слои, которые можем наблюдать лишь в особых обстоятельствах или при помощи специальных приборов.
Хромосфера (5) толщиной около 104 км наблюдается во время полных солнечных затмений как красноватое кольцо вокруг Солнца. Температура вещества повышается от нижней хромосфере падает до 5000 К (при давлении газа около 0,1 Па), а затем в средней и верхней хромосфере возрастает до 10000 К (при давлении 6× 10-2 Па). Выше 1500 км хромосфера представляет собой совокупность сравнительно плотных и горячих (6000-15000 К) газовых струй и волокон. На высоту 4000-5000 км со скоростью 20 км/с поднимаются редкие изолированные столбы солнечного вещества – хромосферные спикулы диаметром 500-3000 км, занимающие до 0,5 % солнечной поверхности. На высоту от 104–105 км вздымаются протуберанцы (8) - сравнительно холодные плотные облака солнечного вещества разнообразной, часто причудливой формы. Время от времени наблюдаются хромосферные вспышки – термоядерные взрывы с выделением энергии до1025 Дж (9).
В узком переходном слое между хромосферой и короной ионизированные частицы солнечного вещества ускоряются в магнитном поле, и характеризующая их скорость кинетическая температура быстро возрастает до 106 К.
Корона (10) – внешняя, наиболее разреженная часть солнечной атмосферы, обладает очень сложной и постоянно изменяющейся структурой. Корона разделяется на внутреннюю (Т <1,5× 106 К) и внешнюю (Т <3× 106 К), образующую на расстоянии в несколько радиусов Солнца поток солнечного вещества - заряженных частиц (е-, р) и электромагнитного излучения - солнечный ветер, "дующий" со скоростью от 350-400 км/с на экваторе до 700 км/с на полюсах Солнца.

Вы уже знаете, что массы звезд в сотни тысяч раз, в миллионы раз превышают массу Земли. Такая огромная масса порождает очень сильное давление верхних слоев вещества звезды на вещество вблизи её центра. Температура и давление вглубь звезды очень быстро растут: так, если температура видимой поверхности Солнца составляет около 6 000 К, то к центру Солнца она возрастает до 15 000 000 К при давлении до 2× 1018 Па! В недрах более массивных звезд температура и давление еще выше.
Звезды почти целиком состоят из водорода и гелия: Солнце содержит 71% водорода, 26,5% гелия и лишь 2,5% других, более тяжелых химических элементов.
Под действием высоких температур и давлений в центрах звезд ядра атомов водорода - протоны - сближаются так тесно, что силы ядерного притяжения преодолевают силы электрического отталкивания. В результате этого взаимодействия протоны объединяются, образуя ядра атома гелия. Процесс идет в 3 этапа с огромным выделением энергии (рис.1).

Рис1.  Термоядерные реакции в недрах Солнца

Эти термоядерные реакции носят название протон-протонного цикла. В более массивных звездах помимо реакций протон-протонного цикла протекают более мощные термоядерные реакции азотно-углеродного цикла, в которых ядра атомов азота и углерода являются катализаторами термоядерных реакций превращения водорода в гелий.

Водород – "звездное топливо", "сгорающее" в недрах звезд для того, чтобы они могли жить и светить. С течением времени близ центра Солнца и других звезд становится все меньше водорода и все больше гелия.

Чем меньше масса звезды, тем ниже давление и температура в её недрах, тем слабее, с меньшим выделением энергии идут термоядерные реакции, тем дольше "сгорает", превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем дольше она живет. У красных тусклых звезд-карликов долгий век - они живут десятки миллиардов лет.

Чем больше масса звезды, тем выше давление и температура в её недрах, тем сильнее, с мощным выделением энергии идут термоядерные реакции, тем скорее "сгорает", превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем меньше она живет. У голубых звезд-сверхгигантов недолгий век - они живут всего лишь десятки миллионов лет.

Наше Солнце - желтая, средняя по своим характеристикам звезда класса G живет уже 5 миллиардов лет, и будет светить еще почти 8 миллиардов лет.

************************************************

Для тех, кому за 16 ...

Энергетика Солнца и звезд основана на термоядерных реакциях - процессах превращения одних элементарных частиц в другие, сопровождающихся синтезом более тяжелых атомных ядер из более легких, протекающих при высоких (Т>10⁷ К) температурах и давлениях, с выделением огромного количества энергии.

В недрах нормальных звезд происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Общее значение выделившейся энергии, уносимой возникшими в ходе взаимодействия атомных ядер элементарными частицами (g -квантами, нейтрино и т.д.), эквивалентно разности между суммой масс вступающих в реакцию ядер атомов водорода и массой образующегося ядра атома гелия.

Основными типами реакций, происходящих в недрах звезд, являются:

1. Протон-протонный цикл, протекающий при температурах T <= 1,8 * 10⁷К (при описании хода термоядерных реакций сообщаются значения энергии, выделяющейся в ходе каждой отдельной реакции (1 МэВ = 1,6× 10^-13 Дж) и, в скобках, продолжительность реакции - время, за которое число частиц уменьшается вдвое):

2. Азотно-углеродный цикл (CNO), в котором ядра атомов азота и углерода играют роль катализаторов реакции и протекающей при температурах свыше 1,8× 10⁷ К с установлением равновесных концентраций изотопов ¹⁴N (95 %), ¹²С (4 %), и ¹³С (1 %) по массе:

Для звезд с массой М ~ М¤ основным являются протон-протонный цикл, для массивных звезд (M > M¤ ) основным являются азотно-углеродный цикл, протекающий с большей скоростью и большим выделением энергии, чем протон-протонный цикл.

Существование космических объектов - квазистационарное состояние равновесия, в котором они пребывают на отдельных, наиболее продолжительных во времени этапах своего развития и которое обеспечивается тем, что все внутренние и внешние силы, действующие на каждую отдельную частицу объекта и весь объект в целом, взаимно уравновешивают друг друга. Существование космических объектов обусловлено внутренними динамическими процессами; все космические объекты, от пылинок межпланетной среды и туманностей до звезд и галактик являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией.

Существование звезд обусловлено равновесием сил тяготения и упругости (газового давления) (рис. 2).


Рис2. Равновесие сил в недрах звезд

Упрощенные пояснения для учащихся "обычных" и гуманитарных классов:

Наше Солнце и другие звезды можно сравнить со сверхмощными - мощностью в миллиарды миллиардов земных водородных бомб! – естественными, природными термоядерными бомбами, непрерывно взрывающимися в течение миллионов и миллиардов лет.

Почему же этот сверхмощный взрыв не разрывает, не распыляет звезду в космическом пространстве? Этому мешает сила всемирного тяготения.

Масса звезд настолько велика, что сила тяготения мешает веществу звезды разлетаться в окружающем пространстве, притягивает его к центру звезды.

На каждую частицу вещества внутри звезды постоянно действуют две силы: одна из них - сила давления световых лучей и раскаленного газа, возникающая в ходе термоядерных реакций в недрах звезды, отталкивает эту частицу вещества прочь от звезды; другая - сила тяготения - стремится притянуть её обратно. Эти силы равны по величине, но противоположны по направлению. Они уравновешивают друг друга миллионы и миллиарды лет.

Солнце и звезды - естественные термоядерные реакторы с гравитационным удержанием плазмы. Термоядерные реакции в недрах Солнца и звезд "саморегулируются": рост температуры в центре звезды за счет усиления мощности термоядерных реакций ведет к возрастанию газового (лучевого) давления и расширению звезды в пространстве. Увеличение размеров звезды снижает давление вышележащих слоев вещества на нижележащие под действием силы тяжести, что в свою очередь уменьшает температуру и интенсивность термоядерных реакций в центре звезды.

Механизм возникновения солнечных пятен и факельных полей.

Рис3. Температура и давление в недрах и атмосфере Солнца