Четвертое состояние вещества.
Часть шестая. Почему светит солнце

Почему светит Солнце? На этот вопрос сегодня известен такой же точный ответ. Солнце светит потому, что в его недрах в результате термоядерной реакции превращения 4-х протонов (ядер атомов водорода) в одно ядро гелия остается свободная энергия (т.к. масса ядра гелия меньше массы четырех протонов), которая излучается в виде фотонов. Фотоны в видимом диапазоне — это и есть тот солнечный свет, который мы видим.

А теперь давайте порассуждаем и представим тот путь, который прошли ученые. И заодно подумаем, что будет, когда на Солнце полностью выгорит водород? Оно обязательно погаснет? Советуем дочитать статью до конца — там высказано весьма интересное предположение.

Предположим, что Солнце сжигает самое теплотворное изо всех видов топлива - чистейший углерод, сгорающий целиком, без всякой золы. Произведем несложный подсчет. Известно, сколько тепла посылает этот «костер» на Землю. Солнце - шар, поэтому оно испускает тепло во всех направлениях равномерно. Зная размеры Земли и Солнца, нетрудно подсчитать, что для поддержания потока тепла от Солнца в нем каждую секунду должно сгорать около 12 миллиардов тонн угля! Цифра по земным масштабам огромная, но для Солнца, которое в триста с лишним тысяч раз тяжелее Земли, это количество угля невелико. И тем не менее весь этот уголь на Солнце должен был бы выгореть всего за шесть тысяч лет. А ведь данные многих наук - геологии, биологии и др. - неопровержимо свидетельствуют о том, что яркое Солнце обогревает и освещает нашу планету уже не менее нескольких миллиардов лет.

Представление, что Солнце горит за счет угля, пришлось отвергнуть. Но, может быть, существуют такие химические реакции, в которых выделяется еще больше тепла, чем при сгорании угля? Предположим, что они существуют. Но и эти реакции смогли бы продлить жизнь Солнца на тысячу, две тысячи лет, пусть даже вдвое, но никак не более.

Но если Солнце не в состоянии обеспечить само себя горючим на сколько-нибудь длительное время, то, может быть, это делает извне космическое пространство? Было высказано мнение, что на Солнце непрерывно падают метеориты. Мы уже говорили, что при подходе к Земле метеориты, вследствие торможения в земной атмосфере, часто полностью сгорают, раскаляя на своем пути воздух. Почему бы не предположить, что вокруг Солнца нет никакой атмосферы, что торможение метеоритов происходит прямо в солнечном веществе, и оно разогревается до высокой температуры?

Обратимся опять к вычислениям. Сколько метеоритов должно падать на Солнце, чтобы обеспечить его длительное горение? Расчет дает совершенно невероятную цифру: даже если вес всех метеоритов, упавших на Солнце, равен весу самого Солнца, то все равно оно светило бы лишь около миллиона лет.

Но, может быть, когда-то такое огромное количество метеоритов все же упало на Солнце, раскалило его до огромной температуры, и теперь Солнце медленно остывает? Ничего подобного! Существует много доказательств того, что Солнце и миллиард, и миллион, и тысячу лет назад светило и грело, как сегодня. Итак, терпит крах и второе предположение.

Удивительное постоянство солнечной деятельности похоронило и третье, самое заманчивое предположение о причине «горения» Солнца. Сводилось оно к следующему. По закону всемирного тяготения все тела сближаются друг с другом. Земля притягивается Солнцем и движется вокруг него. Камень притягивается Землей и падает на нее, если его выпустить из рук.

Представим, себе, что Солнце - это некий огромных размеров сосуд с газом. Молекулы этого газа, подверженные действию взаимного притяжения, несмотря на отбрасывающие их друг от друга столкновения, должны постепенно притягиваться друг к другу и сближаться. Солнце в целом тогда сжималось бы, давление газа в нем росло, а это привело бы к повышению температуры и выделению тепла.

Если считать, что за 100 лет поперечник Солнца сокращается всего на несколько километров, то этим явлением можно было бы вполне объяснить лучеиспускание Солнца. Однако с помощью астрономических приборов столь медленное сокращение обнаружить невозможно.

Но есть «прибор», который работает куда более длительное время. Этот прибор - сама Земля. За время ее существования Солнце должно было бы сжаться в десятки раз: от размеров, во много раз больше, чем протяженность всей Солнечной системы, до современных. Такое сжатие, безусловно, отразилось бы на . Ничего подобного, однако, история Земли не знает. Ей известны крупные геологические катастрофы, в которых гибли высочайшие горы, рождались новые океаны, целые материки, но все это можно вполне объяснить деятельностью самой Земли, а не Солнца.

Итак, все три упомянутые гипотезы о причинах «горения» Солнца оказались несостоятельными. Наука, сумевшая объяснить многие сложнейшие явления на Земле, очень долго опускала руки перед загадкой деятельности Солнца. Теперь стало ясно, что решение этой загадки надо искать не в глубинах космоса, а в недрах Солнца.

И здесь на помощь науке о сверхбольшом - астрономии - пришла наука о сверхмалом - физика атомного ядра.

Свет Солнца - одна из самых важных вещей на Земле. Он поддерживает жизнь в каждом организме нашей планеты, и без него мы бы просто не существовали. Но каким образом он влияет на нас? И почему Солнце светит вообще? Давайте узнаем, как работают эти процессы.

Ещё одна звезда в небе

В древности люди не знали, почему светит Солнце. Но уже тогда они заметили, что оно появляется рано утром и исчезает вечером, а на смену ему приходят яркие звезды. Его считали дневным божеством, символом света, добра и власти. Сейчас наука шагнула далеко вперед и Солнце уже не столь загадочно для нас. Десятки сайтов и книг расскажут о нём множество подробностей, а NASA даже продемонстрирует его снимки из космоса.

Сегодня мы смело можем утверждать, что Солнце не какой-нибудь особенный и неповторимый объект, а звезда. Такая же, как тысячи других, которые мы видим в ночном небе. Но другие звезды очень далеки от нас, поэтому с Земли они кажутся крохотными огоньками.

Солнце к нам гораздо ближе, и его сияние видно намного лучше. Оно является центром звездной системы. Вокруг него вращаются планеты, кометы, астероиды, метеороиды и другие космические тела. Каждый объект движется по своей собственной орбите. Наименьшее расстояние до Солнца имеет планета Меркурий, самые дальние части системы не изведаны. Одним из дальних объектов является Седна, которая делает полный оборот вокруг светила за 3420 лет.

Почему Солнце светит?

Как и все остальные звезды, Солнце представляет собой огромный горячий шар. Предполагается, что оно образовалось из остатков других звезд около 4,5 миллиардов лет назад. Газ и пыль, освободившиеся из них, стали сжиматься в облако, температура и давление в котором постоянно повышались. «Разогревшись» примерно до десяти миллионов градусов, облако превратилось в звезду, ставшую гигантским генератором энергии.

Так почему Солнце светит? Все это из-за термоядерных реакций внутри него. В центре нашего светила водород непрерывно превращается в гелий, под действием очень высокой температуры - около 15,7 миллионов градусов. В результате такого процесса вырабатывается огромное количество тепловой энергии, сопровождаясь свечением.

Термоядерные реакции проходят только в солнечном ядре. Излучение, которое оно вырабатывает, распространяется вокруг звезды, формируя несколько внешних слоев:

• зону лучистого переноса;
• конвективную зону;
• фотосферу;
• хромосферу;
• корону.

Свет Солнца

Основное количество видимого света производится в фотосфере. Это непрозрачная оболочка, которую отождествляют с поверхностью Солнца. Температура в Цельсиях фотосферы - 5 000 градусов, но есть на ней и более «холодные» области, называемые пятнами. В верхних оболочках температура вновь увеличивается.

Наше светило относится к жёлтым карликам. Это далеко не самая старая и не самая крупная звезда во Вселенной. В своей эволюции она достигла примерно половины пути и проживет в таком состоянии ещё около пяти миллиардов лет. Затем Солнце превратится в красного гиганта. А после сбросит внешнюю оболочку и станет тусклым карликом.

Свет, который оно излучает сейчас, практически белого цвета. Но с поверхности нашей планеты он виден жёлтым, так как рассеивается и проходит через слои земной атмосферы. Близким к реальному цвет излучения становится в очень ясную погоду.

Взаимодействие с Землёй

Расположение Земли и Солнца относительно друг друга неодинаково. Наша планета постоянно движется вокруг звезды по своей орбите. Полный оборот она делает за один год или примерно за 365 дней. За это время она преодолевает расстояние в 940 миллионов километров. На самой планете движение не ощущается, хотя каждый час она проходит примерно 108 километров. Последствия такого путешествия проявляются на Земле в виде смены времен года.

Однако сезоны определяет не только движение вокруг Солнца, но и наклон земной оси. Относительно орбиты она наклонена на 23,4 градуса, поэтому разные уголки планеты освещаются и согреваются звездой не одинаково. Когда Северное полушарие повернуто к Солнцу, там лето, а в Южном полушарии в это же время зима. Через полгода всё меняется с точностью наоборот.

Мы часто говорим, что Солнце появляется днём. Но это лишь выражение, ведь оно и создает нам день. Его лучи пробиваются через атмосферу, освещая планету с утра до вечера. Их яркость настолько сильна, что остальных звезд днем мы просто не видим. Ночью Солнце не перестает светить, просто Земля поворачивается к нему то одним, то другим боком, ведь она вращается не только по орбите, но и вокруг собственной оси. Полный оборот она делает за 24 часа. На стороне развернутой к светилу - день, на противоположной - ночь, каждые 12 часов они меняется.

Незаменимая энергия

От нашей планеты расстояние до Солнца составляет 8,31 световых лет или же в 1,496·10 8 километров, чего вполне достаточно для существования жизни. Более близкое расположение сделало бы Землю похожей на безжизненную Венеру или Меркурий. Впрочем, уже через миллиард лет звезда должна стать горячее на 10%, а ещё через 2,5 млрд. лет она сможет буквально иссушить все живое на планете.

В настоящее время температура светила подходит нам идеально. Благодаря этому, на нашей планете появилось огромное разнообразие жизненных форм, начиная от растений и бактерий, заканчивая человеком. Все они нуждаются в солнечном свете и тепле, и легко умрут при длительном их отсутствии. Свет звезды способствует фотосинтезу растений, при котором вырабатывается жизненно важный кислород. Её ультрафиолетовое излучение усиливает работу иммунитета, способствует выработке витамина D, помогает самоочищению атмосферы от вредных веществ.

Неравномерное прогревание Земли Солнцем создает движение воздушных масс, что, в свою очередь, создает климат и погоду на планете. Свет от звезды влияет на установление циркадных ритмов у живых организмов. То есть, вырабатывается строгая зависимость их активности от смены времени суток. Так, одни животные активны только днём, другие только ночью.

Наблюдение за Солнцем

Среди ближайших к нам звёздных систем Солнце не является самой яркой. Оно занимает по этому показателю только четвертое место. Например, звезда Сириус, которую отлично видно в ночном небе, превосходит его по яркости в целых 22 раза.

Несмотря на это, мы не можем смотреть на Солнце невооруженным взглядом. К Земле оно находится слишком близко и наблюдать его без специальных приборов губительно для зрения. Для нас оно примерно в 400 тысяч раз ярче, чем свет, отражаемый Луной. Невооруженным глазом смотреть на него мы можем только на закате и рассвете, когда его угол небольшой и светимость падает в тысячи раз.

В остальное время, чтобы увидеть Солнце, нужно использовать специальные солнечные телескопы или светофильтры. Если при этом проецировать изображение на белый экран, то разглядеть пятна и вспышки на нашем светиле возможно даже с непрофессиональной техникой. Но делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить её.

Подсчитано, что в среднем величина излучения, исходящего из каждого квадратного метра солнечной поверхности, составляет 62 тыс. киловатт, что приблизительно равно мощности Волховской ГЭС. Мощность же излучения всего Солнца эквивалентна работе 5 миллиардам миллиардов (5·10 18) таких электростанций!

Приведем еще одну цифру: каждый квадратный метр солнечной поверхности излучает столько света, сколько его могли бы дать 5 млн 100-ваттных электрических лампочек... Так, без устали, наше лучезарное светило "трудится" не столетия и даже не тысячелетия, а миллиарды лет!

Что же происходит на Солнце? Откуда оно непрерывно черпает поистине колоссальное количество энергии?

В 1920 году выдающийся английский астроном Артур Эддингтон (1882-1944) впервые предположил, что источником солнечной энергии может быть термоядерный синтез. Впоследствии другие ученые развили эту идею. Согласно современным представлениям, в глубинах Солнца и ему подобных звезд происходят ядерные реакции, то есть процессы, в ходе которых образуются не химические соединения, а ядра новых химических элементов. И вот в раскаленных недрах светила, где температура может достигать 15 млн градусов, ядра атомов водорода - протоны, преодолевая силу взаимного отталкивания, сближаются и, "сливаясь", образуют ядра гелия. Этот процесс превращения водорода в гелий состоит из цепочки трех последовательных ядерных взаимодействий, получивших название протон-протонного цикла , в результате которого из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. Но масса ядра гелия несколько меньше массы четырех протонов. Так, при синтезе 1 г водорода "дефект массы" составляет 7 мг. Зная это и используя открытый Альбертом Эйнштейном (1879-1955) закон взаимосвязи массы и энергии , можно подсчитать, что только при "сгорании" 1 г водорода выделяется 150 млрд калорий! В солнечном же термоядерном "котле" каждую секунду должно "сгорать" 564 млн т водорода, то есть превращаться в 560 млн т гелия. И если бы из оставшихся на Солнце запасов водорода половина пошла на термоядерный синтез, то Солнце светило и согревало бы Землю с неослабевающей силой еще на протяжении 30 млрд лет. Значит, термоядерный процесс может быть тем неиссякаемым источником энергии Солнца, который так долго не удавалось установить.

Термоядерные реакции протекают лишь при температурах более 10 млн градусов. Такая высокая температура может господствовать только в самой "центральной" области Солнца с радиусом, равным примерно четверти солнечного. Энергия в этом самоуправляемом термоядерном реакторе выделяется в виде жестких гамма-квантов.

"Просачивание" излучения из центра Солнца к поверхности совершается крайне медленно. При этом в процессе переноса энергии от слоя к слою гамма-кванты дробятся. Сперва они превращаются в кванты рентгеновских лучей, затем в ультрафиолетовые... Пройдет около 10 млн лет, прежде чем родившиеся в недрах светила гамма-кванты выйдут из него фотонами видимого света. Таким образом, свет, испускаемый Солнцем сегодня, был порожден еще в конце третичного периода, то есть задолго до появления на Земле типа современного человека.

Но оптическое (видимое) излучение Солнца не отражает физической сущности явлений, совершающихся в глубинах светила. А если так, то солнечный термоядерный синтез - всего лишь гипотеза, которую требуется доказать.

В это трудно поверить, но те звезды, что светят по ночам с небосклона, и Солнце, освещающее нас днем – одно и то же. Почему Солнце светит днем, а не ночью, как «нормальные» звезды? Давайте погрузимся в науку.

Подробности о Солнце

Солнце – звезда, наиболее близко расположенная к нашей планете. Солнце и является центром нашей планетарной системы, получившей свое название по названию звезды – Солнечная.

Расстояние от Земли до Солнца примерно равно 150 000 000 километров. Масса звезды по имени Солнце больше массы нашей планеты в 330 000 раз. При этом Солнце не является твердым телом, как Земля, а представляет собой шарообразной формы скопление раскаленных газов.

Если кто-то не верит в газообразность Солнца, то просто представьте: температура на его поверхности составляет примерно 6000 градусов по Цельсию. Ядро (центральная часть) Солнца раскалено до миллионных температур. Ни один материал, сплав или элемент из известных на данный момент науке не сможет сохранять твердое состояние при таких температурах.

Почему светит Солнце: научное объяснение

Раньше считалось, что Солнце светит из-за горения элементов, входящих в его состав. Но по приблизительным подсчетам, даже грубым, оно не может «выгорать» миллиарды лет, Солнце должно было потухнуть совсем давно, растеряв массу, тем самым нарушив гравитационное равновесие в системе планет и отпустить их в свободное плавание по просторам Галактики. Но этого не происходит, Солнце светит уже миллиарды лет и не думает иссякать. Что же заставляет Солнце светить?

Ученые выяснили и доказали, что свечение Солнца – результат выделения колоссальных объемов энергии, полученных в результате термоядерных процессов, протекающих в нем.

Термоядерные процессы замечательны тем, что при расходе материи выделяется в миллионы раз большая энергия, чем при горении. Да, поэтому в термоядерной энергетике – будущее, ее минус – сложность запуска реакции. Чтобы запустить термоядерную реакцию, требуются огромные затраты энергии и сложные виды расходной материи, такие как синтетический уран или плутоний.

Почему Солнце светит днем, а не ночью

Тут все просто. Само явление ночи и есть поворот части планеты «спиной» к Солнцу. А так как планета вращается равномерно вокруг своей оси, и оборот занимает примерно 24 часа, то несложно подсчитать время, отведенное ночи, – 12 часов. Так получается, что половина Земли в течение 12 часов повернута к Солнцу и оно освещает ее, а в остальные 12 часов она находится с другой стороны земного шара, не освещаемой Солнцем. Получается, что когда Солнце светит, у нас день, а когда Солнце не освещает нашу часть Земли, у нас ночь. Такие явления, как утро и вечер – побочные эффекты, вызванные неоднозначной природой света и сопутствующим эффектом дифракции.

Итак, зная теперь, почему светит Солнце, вам следует также узнать, сколько ему осталось нас радовать. Это около 5 миллиардов лет, после, потеряв около процента своей массы, Солнце потеряет стабильность и погаснет.

Чтобы костер горел долго, в него постоянно надо подбрасывать дрова. Мы все об этом знаем. Но вот вопрос, а почему солнце не гаснет? Почему солнце горит на протяжении многих миллиардов лет и светит все также ярко и греет жарко? Какое такое топливо не дает погаснуть солнцу? И почему солнышко всегда такое горячее? Как много почему задают наши маленькие «почемучки». Что же давайте попробуем ответить на их вопросы.

Когда-то, давным-давно ученые думали, что горит уголь, но подсчитав, на сколько лет может солнцу хватить этого топлива – удивились, весь уголь должен давно уже сгореть, а погаснуть.

Время все шло, а солнце и не думало тухнуть и словно подсмеивалось над учеными: «Ага! Не можете отгадать мою главную тайну! Вам незачем знать мои сокровенные секреты, достаточно того, что я обогреваю вас». «Как зачем?» – еще больше удивлялись ученые, «если разгадать твою тайну, то на нашей земле можно создать много небольших искусственных солнц! Ведь твоя солнечная энергия очень дешевая по сравнению с другими видами энергоносителей.

Например, уголь приходится людям добывать из-под толщи земли и грузить на огромные железнодорожные платформы. Вести это немыслимое количество угля на электростанции, чтобы они вырабатывали электроэнергию. И потом, ресурсы планеты не бесконечны, с каждым годом , угля и газа на земле становится все меньше и меньше. Их запасы исчезают все быстрее, потому что человечество нуждается во все большем количестве энергии. А твои солнечные запасы энергии бесконечны. И чтобы получить солнечную энергию не нужно рыть глубокие скважины для нефти или сооружать подземные шахты для угля. Вот для чего нам нужно знать на каких волшебных дровах ты, солнышко, горишь».

И вправду, если бы нашлись такие «дрова», то вся техника земли стала бы работать, только лишь на энергии солнца. Эта энергии согрела бы и осветила наши жилища, стала бы незаменимой помощницей по выращиванию овощей и фруктов.

Но все, же наши ученые сумели разгадать загадку . Они научились превращать вещество, преобразую его друг в друга. Вот, например, газ водород, ученые превращают в газ гелий. Или гелий преобразуют в твердый углерод. А если нужно твердый углерод превратить в металл магний, они делают и это. Могут магний превратить в кремний, а сам кремний в обычное , из которого можно сделать довольно много нужных вещей.

Ученые, не смотря на трудности, добились очень хороших результатов и выяснили, что при превращении одного вещества в другое, выделяется очень большое количество ! Ученые это назвали – реакцией. И это огромный прорыв в земной науке. Представьте себе, что вместо огромных гор угля на корабль погрузят маленькую горошину – вещество. При преобразовании этой горошины-вещества в другое вещество, выделит столько энергии, что ее хватит на очень долгое плавание.

Но, к сожалению пока все это в теории, ведь чтобы такие превращения стали реальностью, необходимы такие особенные условия, создать пока невозможно. Но ученые наверняка что-нибудь придумают. И создадут такие же условия, как на солнце, в каком-нибудь маленьком контейнере. Ведь на солнце постоянно происходят подобные реакции: водород преобразуется в гелий, а гелий превращается в углерод,…поэтому солнце не остывает очень долгое время и вряд ли остынет в ближайшем будущем. Ему суждено гореть многие миллиарды лет!