Войти
Иллюстрация структуры Солнца ядро Солнца считается простирающимся от центра примерно на 0,2–0,25 радиуса Солнца. Это самая горячая часть Солнца и Солнечной системы. Он имеет плотность 150 г / см в центре и температуру 15 миллионов кельвинов (15 миллионов градусов по Цельсию, 27 миллионов градусов по Фаренгейту).
Ядро сделано из горячей, плотной плазмы (ионы и электроны) при давлении, оцениваемом в 265 миллиардов бар (3,84 триллиона фунтов на квадратный дюйм или 26,5 пета паскалей ( PPa)) в центре. Из-за термоядерного синтеза состав солнечной плазмы падает с 68–70% водорода по массе во внешнем ядре до 34% водорода в ядре / центре Солнца.
Ядро внутри 0,20 солнечного радиуса содержит 34% массы Солнца, но только 0,8% объема Солнца. Внутри радиуса 0,24 Солнца находится ядро, которое производит 99% термоядерной энергии Солнца. Существуют 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 Выделенная энергия Солнца и цикл CNO.
Солнце в фотосфере составляет около 73–74% по массе водород, который имеет тот же состав, что и атмосфера на Юпитере, и изначальный состав водорода и гелия при самом раннем звездообразовании 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). Все, кроме 2% оставшейся массы плазмы (то есть 65%), составляет гелий в центре Солнца.
Приблизительно 3,7 × 10 протонов (ядер водорода ), или примерно 600 миллионов тонн водорода, преобразуются в Ядра гелия каждую секунду выделяют энергию со скоростью 3,86 × 10 джоулей в секунду.
Ядро производит 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, вырабатываемой нейтрино, должна пройти через множество последовательных слоев в солнечную фотосферу, прежде чем она уйдет в космос в виде солнечного света., или как кинетическая или тепловая энергия массивных частиц. Преобразование энергии в единицу времени (мощность) термоядерного синтеза в ядре изменяется в зависимости от расстояния от солнечного центра. В центре Солнца мощность термоядерного синтеза оценивается моделями примерно в 276,5 Вт / м. Несмотря на высокую температуру, пиковая удельная мощность ядра в целом аналогична активной компостной куче и ниже, чем удельная мощность, производимая метаболизмом взрослого человека. Солнце намного горячее, чем компостная куча, из-за огромного объема Солнца и ограниченной теплопроводности.
Низкая выходная мощность, возникающая внутри термоядерного ядра Солнца, также может вызывать удивление, учитывая большую мощность, которая может быть предсказывается 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 генерацию и передачу чистой 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, что составляет около 2,5% от максимального значения в центре Солнца.. Плотность здесь около 40 г / см, или около 27% от плотности в центре. В этом радиусе производится около 91% солнечной энергии. 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, скорость синтеза почти равна нулю. Существуют 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).
Цепная реакция протон-протон Первая реакция, в которой ядра 4 H могут в конечном итоге привести к образованию одного ядра He, известная как цепная реакция протон-протон, это:
Эта последовательность реакций считается наиболее важной в солнечном ядре. Характерное время для первой реакции составляет около одного миллиарда лет даже при высоких плотностях и температурах ядра из-за необходимости слабого взаимодействия, чтобы вызвать бета-распад до того, как нуклоны смогут прилипнуть (что случается редко. в то время, когда они туннелируют навстречу друг другу, 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. Полная энергия, выделяемая этими реакциями при превращении 4 атомов водорода в 1 атом гелия, составляет 26,7 МэВ.
Цикл CNO Вторая последовательность реакций, в которой 4 ядра H могут в конечном итоге привести к одному ядру He, называется циклом CNO и генерирует менее 10 % от общей солнечной энергии. Это касается атомов углерода, которые не расходуются в общем процессе. Детали этого цикла CNO следующие:
Этот процесс можно далее понимается по картинке справа, начиная сверху по часовой стрелке.
Скорость ядерного синтеза сильно зависит от плотности. Следовательно, скорость плавления в ядре находится в самокорректирующемся равновесии: немного более высокая скорость плавления приведет к большему нагреву ядра и слегка расширится по сравнению с массой внешние слои. Это уменьшит скорость синтеза и исправит возмущение ; и немного более низкая скорость вызовет охлаждение и небольшое сжатие ядра, увеличивая скорость синтеза и снова возвращая ее к ее нынешнему уровню.
Однако Солнце постепенно становится горячее 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 и будет продолжать увеличивать яркость на 1% каждые 100 миллионов лет.
фотоны высоких энергий (гамма-лучи ), высвобождаемые в реакциях термоядерного синтеза, 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.
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, проблема, которая была недавно решена благодаря лучшему пониманию осцилляции нейтрино.
