Как се ражда енергията на слънцето?

Има една причина Земята да е единственото място в Слънчевата система, където животът съществува и процъфтява. Разбира се, учените подозират, че микробна или дори водна форма на живот може да съществува и под ледената повърхност на Европа или Енцелад и може да се намери и в метановите езера на Титан. Но засега Земята остава единственото място, което има всички необходими условия за съществуването на живота.

Една от причините за това е, че Земята се намира в потенциално обитаема зона около Слънцето (т. Нар. „Златокоса зона“). Това означава, че е на правилното място (не твърде далеч или твърде близо), за да получи изобилната енергия от Слънцето, която включва светлината и топлината, необходими за възникването на химични реакции. Но как точно Слънцето ни осигурява енергия? През какви етапи преминава енергията по пътя към нас, към планетата Земя?

Отговорът започва с факта, че Слънцето, както всички звезди, може да генерира енергия, тъй като всъщност е масивен термоядрен реактор. Учените вярват, че всичко е започнало с огромен облак от газове и частици (т.е. мъглявина), които са се срутили под собствената си гравитация - това е така наречената теория за мъглявините. В този процес не само голяма топка светлина се е родила в центъра на нашата слънчева система, но и водородът, събран в този център, започва да се синтезира, за да образува слънчева енергия.

Технически известен като ядрен синтез, този процес отделя огромни количества енергия под формата на топлина и светлина. Но по пътя от центъра на Слънцето до планетата Земя тази енергия преминава през редица важни етапи. В крайна сметка всичко се свежда до слоевете на Слънцето и ролята на всеки от тях играе важна роля в процеса на осигуряване на нашата планета с най-важната енергия за живота.

Ядрото на Слънцето е област, която се простира от центъра до 20-25% от радиуса на слънцето. Тук, в сърцевината, се произвежда енергията, генерирана от превръщането на водородните атоми (Н) в молекули на хелий (Не). Това е възможно благодарение на огромното налягане и високата температура, присъщи на ядрото, които се оценяват на съответно 250 милиарда атмосфери (25,33 трилиона кРа) и 15,7 милиона градуса по Целзий.

Крайният резултат е сливането на четири протона (молекули на водорода) в една алфа частица - два протона и два неутрона, свързани заедно, за да образуват частица, идентична на ядрото на хелия. В този процес се освобождават два позитрона, както и две неутрино (които обменят два протона за неутрони) и енергия.

Ядрото е единствената част на Слънцето, която произвежда значителни количества топлина по време на синтез. Всъщност 99% от енергията, произведена от Слънцето, се съдържа в рамките на 24% от радиуса на Слънцето. С 30% от радиуса синтезът е почти напълно спрян. Остатъкът от Слънцето се нагрява от енергия, която се прехвърля от ядрото през последователни слоеве, като в крайна сметка достига слънчевата фотосфера и излиза в космоса под формата на слънчева светлина или кинетична енергия на частиците.

Слънцето освобождава енергия, превръщайки масата в енергия със скорост 4,26 милиона метрични тона в секунда, еквивалентно на 38 460 вата в секунда. За да стане по-ясно, това е еквивалентно на експлозиите на 1 820 000 000 „царски бомби“ - най-мощната термоядрена бомба в историята на човечеството.

Зона за излъчване на лъчи

Тази зона се намира непосредствено след ядрото и се простира за 0.7 слънчеви радиуса. В този слой няма топлинна конвекция, но слънчевата материя е достатъчно гореща и достатъчно плътна, че топлинното излъчване може лесно да пренася интензивна топлина от сърцевината навън. Включва основно водородни и хелиеви йони, които излъчват фотони, които пътуват на кратко разстояние и се абсорбират от други йони.

Температурата на този слой е по-ниска, от около 7 милиона градуса по-близо до ядрото до 2 милиона градуса на границата на конвективната зона. Плътността също пада стократно от 20 g/cm? по-близо до сърцевината до 0,2 g/cm? на горната граница.

Това е най-външният слой на Слънцето, който отчита всичко, което надхвърля 70% от вътрешния радиус на Слънцето (и отива на около 200 000 километра под повърхността). Тук температурата е по-ниска, отколкото в радиационната зона, а тежките атоми не са напълно йонизирани. В резултат радиационният топлопренос е по-малко ефективен и плазмената плътност е достатъчно ниска, за да позволи появата на конвективни токове.

Поради това възходящите топлинни клетки пренасят по-голямата част от топлината навън към слънчевата фотосфера. След като тези клетки се издигнат точно под фотосферичната повърхност, материалът им се охлажда и плътността им се увеличава. Това води до факта, че те отново се спускат към основата на конвективната зона - където поемат повече топлина и продължават конвективния цикъл.

На повърхността на Слънцето температурите падат до около 5700 градуса по Целзий. Турбулентната конвекция от този слой на Слънцето също предизвиква ефект, който генерира магнитни северни и южни полюси по цялата повърхност на Слънцето.

Именно в този слой се появяват и слънчеви петна, които изглеждат тъмни в сравнение с околността. Тези петна съответстват на концентрациите на потоци от магнитно поле, които осъществяват конвекция и водят до температурен спад на повърхността в сравнение с околния материал.

И накрая, има фотосферата, видимата повърхност на Слънцето. Тук слънчевата светлина и топлина, излъчени и издигнати на повърхността, се разпространяват в пространството. Температурите в този слой варират между 4500 и 6000 градуса. Тъй като горната част на фотосферата е по-студена от долната, Слънцето изглежда по-ярко в центъра и по-тъмно отстрани: явление, известно като потъмняване на крайниците.

Дебелината на фотосферата е стотици километри; в този регион Слънцето става непрозрачно за видимата светлина. Причината за това е намаляване на броя на отрицателно заредените водородни йони (H-), които лесно абсорбират видимата светлина. И обратно, видимата светлина, която виждаме, се ражда по време на реакцията на електроните с водородните атоми, за да образуват Н йони-.

Енергията, излъчвана от фотосферата, се разпространява в космоса и достига атмосферата на Земята и други планети от Слънчевата система. Тук на Земята горният слой на атмосферата (озоновият слой) филтрира по-голямата част от ултравиолетовото лъчение на Слънцето, но позволява на някои да преминат на повърхността. Тогава тази енергия се абсорбира от въздуха и земната кора, затопля нашата планета и осигурява на организмите източник на енергия.

Слънцето е в центъра на биологичните и химичните процеси на Земята. Без него жизненият цикъл на растенията и животните щеше да приключи, циркадните ритми на всички земни същества щяха да бъдат нарушени и животът на Земята да престане да съществува. Значението на Слънцето се признава от праисторическите времена и много култури го разглеждат като божество (и често го поставят като основно божество в своите пантеони).

Въпреки това, едва през последните няколко века започнахме да разбираме процесите, които хранят слънцето. Чрез постоянни изследвания на физици, астрономи и биолози, вече можем да разберем как Слънцето произвежда енергия и как пътува през нашата слънчева система. Изучаването на познатата вселена с нейното разнообразие от звездни системи и екзопланети също ни помага да направим аналогии с други видове звезди.