Джерело енергії сонця

05.07.2015

Джерело енергії сонця

Фото: Undertow851

Світло – це різновид енергії, виділюваної Сонцем в космічний простір.

Енергетичні запаси Сонця не можуть бути нескінченно великими. Сонце має кінцеві розміри, воно містить кінцеве кількість речовини. В результаті випромінювання маса Сонця зменшується на 4,3 млн тонн /сек. Ми можемо визначити масу Сонця по силі його гравітаційного тяжіння. Земля та інші планети рухаються навколо Сонця по замкнутих орбітах, причому тяжіння сонячної маси діє на кожну планету з силою, яка дорівнює відцентровій силі, яка прагне відвести планету з орбіти. З умов такої рівноваги сил можна визначити силу тяжіння Сонця, а отже, і його масу. Маса Сонця, виражена в тоннах, являє собою 28-значне число (1,989*1030 кг). У цій сонячній масі запасена енергія, від якої залежить наше життя. Якщо розділити потужність сонячного випромінювання на його масу, то виявиться, що кожний грам сонячної маси втрачає за рік приблизно 6 джоулів енергії. На перший погляд це не надто багато, якщо згадати, що кожен грам людського тіла випромінює в день в тисячу разів більшу енергію. Однак людина заповнює такі енергетичні втрати за рахунок харчування, в той час як Сонце от вже мільярди років черпає енергію з самого себе.

Що ж є джерелом енергії, який дозволяє Сонцю світити так довго і так яскраво? Можуть служити джерелом хімічні перетворення? Візьмемо для прикладу найбільш простий хімічний процес горіння. Якщо б Сонце повністю складалося з кам’яного вугілля, енергії горіння цього вугілля вистачило б на підтримання нинішнього сонячного випромінювання протягом приблизно 5000 років. Але Сонце світить вже багато мільярдів років. Якщо б у «сонячній печі» спалювали вугілля, то вона давно б вже згасла. Інші хімічні процеси слабо відрізняються від горіння: вони теж не дають достатньої енергії, щоб забезпечити випромінювання Сонця.

До кінця 19 століття були виконані численні дослідження, автори яких намагалися знайти джерело енергії Сонця. Оскільки хімічних процесів на Сонці явно недостатньо, то виникало питання, чи не може Сонце розігріватися за рахунок зовнішніх джерел. В нашій Сонячній системі є безліч невеликих твердих тіл, які переміщуються між орбітами планет — так званих метеоритів.

Сонце з-за свого надзвичайно великого гравітаційного тяжіння має особливо сильно «бомбардироваться» метеоритами, з величезною швидкістю прилетающими з нашої Сонячної системи. При падінні метеорита на Сонці енергія його руху повинна переходити в тепло. Може бути, це тепло і забезпечує сонячне випромінювання? Метеорити, що падають на поверхню Сонця, повинні приносити приблизно 190 мільйонів джоулів енергії на кожен грам своєї маси. Однак, щоб забезпечити випромінювання Сонця, на нього протягом року повинно падати стільки метеоритів, що їх маса складе близько сотої частини маси Землі. Таке збільшення кількості сонячного речовини було б помітним, оскільки при цьому збільшувалася б сила гравітаційного тяжіння Сонця, а отже, змінювалася б і швидкість руху Землі по орбіті. Тому тривалість року за останні 2000 років повинна була помітно зменшитися. Однак дані про сходи і заходи Сонця та Місяця відомі з найдавніших часів. І ніяких помітних змін у русі нашої планети навколо Сонця за цей час не відбулося. Тому «метеоритну гіпотезу» довелося відкинути. Сонце розігрівається не за рахунок метеоритного бомбардування поверхні.

Іншим джерелом енергії Сонця може бути, в принципі, гравітаційне взаємодія між його частинками речовини. На таку можливість вказував ще в минулому столітті Герман фон Гельмгольц, надзвичайно різнобічний вчений-фізик і лікар. Якщо б у надрах Сонця не було ніякого іншого джерела енергії, то з плином часу Сонце поступово стискалося. Його діаметр ставав би все менше і менше, а кожен грам сонячного речовини поступово наближався б до центра Сонця (в самому грубому наближенні — з постійною швидкістю). Як і при падінні метеоритів на Сонці, при цьому процесі повинна виділятися енергія, проте сонячне речовина «падає»- на відміну від метеоритів — «сама на себе». Тому маса Сонця і його вплив на Землю не будуть змінюватися. Однак розрахунки показують, що цей процес міг підтримувати існуючу світність Сонця приблизно 10 мільйонів років — в 100 разів менше терміну, протягом якого світить Сонце. Таким чином, власна гравітація теж не може пояснити випромінювання Сонця.

Перші спроби відповісти на ці питання були зроблені астрономами в середині ХІХ століття, після формулювання фізиками закону збереження енергії.

Роберт Майєр припустив, що Сонце світить за рахунок постійної бомбардування поверхні метеоритами та метеорными частинками. Ця гіпотеза була відкинута, так як простий розрахунок показує, що для підтримки світимості Сонця на сучасному рівні необхідно, щоб на нього за кожну секунду випадало 2∙10 15 кг метеорної речовини. За рік це складе 6∙10 22 кг, а за час існування Сонця, за 5 мільярдів років – 3∙10 32 кг Маса Сонця, М = 2∙10 30 кг, тому за п’ять мільярдів років Сонце повинно було випасти речовини в 150 разів більше маси Сонця.

Друга гіпотеза була висловлена Гельмгольцем і Кельвіном також в середині ХІХ століття. Вони припустили, що Сонце випромінює за рахунок стиснення на 60-70 метрів щорічно. Причина стиснення – взаємне притягання частинок Сонця, саме тому ця гіпотеза отримала назву контракционной. Якщо зробити розрахунок за даною гіпотезою, то вік Сонця буде не більше 20 мільйонів років, що суперечить сучасним даними, отриманими з аналізу радіоактивного розпаду елементів у геологічних зразках земного грунту і грунту Місяця.

Третю гіпотезу про можливі джерела енергії Сонця висловив Джеймс Джинс на початку ХХ століття. Він припустив, що в надрах Сонця містяться важкі радіоактивні елементи, які спонтанно розпадаються, при цьому випромінюється енергія. Наприклад, перетворення урану в торій і потім в свинець, супроводжується виділенням енергії. Подальший аналіз цієї гіпотези також показав її неспроможність; зірка, що складається з одного урану, не виділяла б достатньо енергії для забезпечення спостережуваної світності Сонця. Крім того, існують зірки, по світності у багато разів перевершують світність нашої зірки. Малоймовірно, що в тих зірок запаси радіоактивної речовини будуть також більше.

найімовірнішою гіпотезою виявилася гіпотеза синтезу елементів в результаті ядерних реакцій у надрах зірок.

У 1935 році Ганс Бете висунув гіпотезу, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерна реакція перетворення водню в гелій. Саме за це Бете отримав Нобелівську премію в 1967 році.

Хімічний склад Сонця приблизно такий же, як і у більшості інших зірок. Приблизно 75 % – це водень, 25 % – гелій і менше 1 % – всі інші хімічні елементи (в основному, вуглець, кисень, азот тощо). Відразу після народження Всесвіту «важких» елементів не було зовсім. Всі вони, тобто елементи важче гелію і навіть багато альфа-частинки, що утворилися в ході «горіння» водню в зірках при термоядерному синтезі. Характерний час життя зірки типу Сонця десять мільярдів років.

Основне джерело енергії – протон-протонний цикл – дуже повільна реакція (характерний час 7,9∙10 9 років), так як обумовлена слабкою взаємодією. Її суть полягає в тому, що з чотирьох протонів виходить ядро гелію. При цьому виділяються пари позитронів і пара нейтрино, а також 26,7 Мев енергії. Кількість нейтрино, що випромінюється Сонцем за секунду, визначається тільки светимостью Сонця. Оскільки при виділенні 26,7 Мев народжується 2 нейтрино, то швидкість випромінювання нейтрино: 1,8∙10 38 нейтрино/с.

Пряма перевірка цієї теорії – спостереження сонячних нейтрино. Нейтрино високих енергій (борні) реєструються в хлор-аргонных експериментах (експерименти Девіса) і стійко показують недолік нейтрино в порівнянні з теоретичним значенням для стандартної моделі Сонця. Нейтрино низьких енергій, які виникають безпосередньо в рр-реакції, що реєструються в галій-германієвих експериментах (GALLEX в Гран-Сассо (Італія – Німеччина) та SAGE на Баксане (Росія – США)); їх також «не вистачає».

За деякими припущеннями, якщо нейтрино мають відмінну від нуля масу спокою, можливі осциляції (перетворення) різних сортів нейтрино (ефект Міхєєва – Смирнова – Вольфенштейна) (існує три сорти нейтрино: електронне, мюонное і тауонное нейтрино). Т. к. інші нейтрино мають набагато менші перерізу взаємодії з речовиною, ніж електронне, спостережуваний дефіцит може бути пояснений, не змінюючи стандартної моделі Сонця, побудованої на основі всієї сукупності астрономічних даних.

Тривалість життя Сонця становить близько 100 мільярдів років. Насправді ця оцінка завищена, оскільки Сонце складається з водню лише приблизно на 70%, а отже, воно містить менше ядерного «пального», ніж ми припускали. Далі ми побачимо, що ядерна реакція в надрах зірок починає затухати, коли вже витрачено 10-20% всього водню. Кожну секунду Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Звідси випливає, що Сонце може існувати приблизно п’ять-сім мільярдів років після чого воно поступово перетвориться на білий карлик.

Центральні частині Сонця будуть стискатися, розігріваючись, а тепло, яке передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих порівняно з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій, Венеру і буде витрачати «пальне» в сто разів швидше, ніж в даний час. Це призведе до збільшення розмірів Сонця; наша зірка стане червоним гігантом, розміри якого можна порівняти з відстанню від Землі до Сонця! Життя на Землі зникне або знайде притулок на зовнішніх планетах.

Перехід до стадії червоного гіганта займе приблизно 100-200 мільйонів років. Коли температура центральній частині Сонця досягне 100 000 000 До почне згоряти і гелій, перетворюючись у важкі елементи, і Сонце вступить у стадію складних циклів стиснення і розширення. На останній стадії наша зірка втратить зовнішню оболонку, центральне ядро буде мати неймовірно велику щільність і розміри, як у Землі. Пройде ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись на білий карлик.

Короткий опис статті: джерела енергії

Джерело: Джерело енергії сонця

Також ви можете прочитати