Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов
Один из философов привёл как-то в качестве примера «принципиально непознаваемого» природу звёзд, потому что они находятся слишком далеко от нас. Однако сегодня учёные не только узнали, какова природа звёзд, но и нашли закономерности их эволюции. Учёные смогли даже определить, когда и как возникла Вселенная!
Но самым удивительным оказалось, наверное, то, что законы физики, открытые на Земле, помогли разгадать многие загадки далёкого космоса.
1. Источник энергии Солнца
Температура поверхности Солнца — около 6000 градусов (при такой температуре не имеет значения, указана она по шкале Цельсия или Кельвина). А в центре Солнца по оценкам учёных температура достигает 15 миллионов градусов.
До середины 20-го века учёные нс понимали, что является источником энергии Солнца: все известные к тому времени источники энергии не могли обеспечить колоссальный «энергетический выход» солнечного излучения в течение миллиардов лет. Ключом к ответу стали открытия, сделанные, казалось бы, совсем в другой области физики — в ядерной физике. Теперь установлено, что источником энергии Солнца являются термоядерные реакции: они идут в недрах Солнца, где происходит синтез ядер гелия из ядер водорода.
1. Какова мощность излучения Солнца?
Но даже при такой огромной интенсивности излучения Солнце будет светить ещё несколько миллиардов лет. Почему же Солнце не «разлетается», если в его недрах постоянно происходит термоядерный взрыв чудовищной силы? От такого «разлёта» Солнце удерживают силы тяготения. Именно эти силы и создали миллиарды лет назад такие огромные значения температуры и давления в глубинах Солнца, что там «зажглись» и протекают до сих пор термоядерные реакции.
2. Строение Солнца
На рисунке 23.1 схематически изображено строение Солнца.
Ядро Солнца 1 имеет радиус, примерно в 3 раза меньший радиуса Солнца. Только в ядре и происходят термоядерные реакции.
Плотность вещества в солнечном ядре примерно в 20 раз больше плотности железа, и вещество находится в состоянии плазмы.
Рис. 23.1
Плазма представляет собой сильно ионизированный газ. При таких температуре и давлении, как в ядре Солнца, атомы не могут образоваться, и плазма представляет собой газ из ядер водорода и гелия, а также электронов.
Ядро Солнца испускает рождённые в термоядерных реакциях γ-кванты огромной энергии. Они поглощаются следующими, менее горячими слоями Солнца, вследствие чего эти слои, в свою очередь, испускают γ-кванты меньшей энергии, но зато в большем числе. Так, слой за слоем, рождённая в ядре Солнца энергия движется к поверхности Солнца, проходя ещё треть его радиуса сквозь лучистую зону 2. Название этой области Солнца обусловлено способом теплопередачи в нём — это излучение.
Внешнюю область Солнца толщиной примерно в треть солнечного радиуса называют зоной конвекции 3, поскольку теплопередача в этой области осуществляется посредством конвекции: нагретые массы солнечного вещества с меньшей плотностью «всплывают» к его поверхности, охлаждаются там вследствие излучения и, став более плотными, «тонут», приближаясь снова к лучистой зоне. Таким образом, в зоне конвекции постоянно происходит циркуляция вещества.
Расчёты показывают, что каждой порции энергии, рождённой в солнечном ядре, требуется около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца и улететь в космос. И только очень небольшая часть этой энергии достигает пашей Земли, давая начало всему живому на ней.
Наблюдая Солнце через специальные приборы, можно заметить, что с его поверхности порой вырываются огненные вихри высотой значительно больше радиуса Земли. Это — протуберанцы (рис. 23.2).
2. Сравните с радиусом Земли высоту протуберанца на рисунке 23.2. Для оценки примите, что радиус Солнца примерно в 100 раз больше радиуса Земли.
Рис. 23.2
Солнце окружено так называемой солнечной короной, простирающейся в пространство на расстояние, в несколько раз превышающее радиус Солнца. Солнечную корону хорошо видно во время полного солнечного затмения (на рисунке 23.3 видна наиболее яркая часть солнечной короны). Температура солнечной короны достигает миллиона градусов. Относительно причин такой высокой температуры мнения учёных пока разнятся.
Рис. 23.3
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
3. Расскажите, что является источником энергии Солнца.
4. В недрах Солнца непрерывно происходят ядерные реакции с колоссальным выделением энергии. Объясните, почему при этом Солнце не разлетается.
5. Солнце постоянно излучает энергию. Почему при этом уменьшается масса Солнца?
6. Рассмотрите рисунок 23.1 и укажите, в какой области Солнца происходят термоядерные реакции. Как она называется?