Модель внутреннего строения Солнца. Источники солнечной энергии.

Рисунок 57. Схема строения солнца.

Внешние слои Солнца (атмосферы) непосредственно доступны наблюдениям. Поэтому теоретические модели их строения проверены. Модели внутреннего строения в основном теоретические. Они получены на экстраполяции физических условий, на поверхности и характеристиках: размеры, масса, светимость, вращение, химический состав.

По геологическим данным возраст Солнца около 5 млрд лет. Последние 3 млрд лет светимость его мало изменилась. За эти 3 млрд. лет Солнце излучило 3,6*10⁴⁴ Дж, то есть каждый килограмм массы Солнца выделил ~1,8*10¹³ Дж энергии. Такое количество энергии, как показали расчеты, не могут обеспечить химические процессы и гравитация. (гравитационная энергия Солнца = 4*10⁴¹Дж).

Единственным возможным, посовременным представлением, источником энергии может быть ядерная энергия. Если на Солнце идут ядерные реакции и вначале все вещество – водород, то при современной светимости Солнца ядерной энергии хватило бы на 170 млрд. лет. Для протекания ядерных реакций нужна температура порядка десяти млн. градусов. Следовательно, из высокой светимости следует высокая температура внутри Солнца. По наблюдениям в фотосфере температура с глубиной растет с градиентом 20 К на 1 км. Это дает в центре ~1,4*10⁶К. Температуру можно оценить по условию гидростатического равновесия, считая солнечное вещество идеальным газом: газовое давление уравновешивают силы тяготения. Получается ≈ 14*10⁶К в центре, что в 3 раза выше средней.

Наиболее существенной в недрах Солнца является протон – протонная реакция. Она начинается с крайне редкого события – β – распада одного из двух протонов в момент особенно тесного их сближения (14 * 10⁹ лет).

При β – распаде протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Объединяясь со вторым протоном, нейтрон дает ядро тяжелого водорода – дейтерия. Для каждой пары протонов процесс, в среднем осуществляется за 14 миллиардов лет, что и определяет медленность термоядерных реакций на Солнце и общую протяженность его эволюции. Дальнейшие ядерные превращения протекают значительно быстрее. Возможны несколько вариантов, из которых чаще всего должны происходить столкновения дейтерия с третьим протоном и образование ядер изотопа гелия которые, объединяясь и испуская два протона, дают ядро обычного гелия.

Другая реакция в условиях Солнца играет значительно меньшую роль. В конечном счете, она также приводит к образованию ядра гелия из четырех протонов. Процесс сложнее и может протекать только при наличии углерода, ядра которого вступают в реакцию на первых ее этапах и выделяются на последних. Таким образом, углерод является катализатором, почему и вся реакция носит название углеродного цикла.

При термоядерных реакциях в недрах Солнца выделяется в виде жестких гамма-квантов. При движении к поверхности они многократно переизлучаются, дробятся на кванты меньшей энергии. Процесс занимает миллионы лет. Из одного γ – кванта образуется несколько миллионов квантов видимого света, которые и покидают поверхность Солнца.

При термоядерных реакциях выделятся нейтрино. Из –за ничтожно малой массы и отсутствия электрического заряда нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Почти свободно проходит Солнце и со скоростью света вылетает в межпланетное пространство. Его регистрация сложна, но нейтрино может жать важную информацию о внутреннем строении и условиях внутри Солнца и звезд.