Строение Солнца

За счет чего Солнце способно непрерывно излучать в окружающее пространство огромный поток лучистой энергии?

Солнце имеет слоистую структуру.

I – центральная зона, ядро, в котором происходит термоядерный синтез гелия в реакция p-p цикла и C-N (или C-O-N) цикла.

Плотность: средняя всего солнца средняя ядра в центре ядра	1,409 г/см3 ~ 100 120 г/см3 160 г/см3
Давление в ядре	3,4.1016 Па
Ускорение силы тяжести	273,98 м/с2
Температура ядра	~15 000 000 К

Протон-протонный цикл (p-p, Г. Бете, 1939 г.) происходит в звездах небольших масс (M < 1,3M_). Ядра атомов (протоны) "прижимаются" благодаря колоссальным температурам и давлению, обеспечивая превращение водорода в гелий, но перемешивания вещества нет.

Эффективность энерговыделения p-p цикла очень зависит от температуры (T) ядра звезды ( – плотность звёзды):

.

Углеродно-азотный цикл (c-n) происходит в самом центре ядра Солнца, сопровождается конвективными процессами перемешивания вещества и составляет 3-5 % от числа реакций

Эффективность энерговыделения C-N цикла более существенно зависит от температуры T ядра звезды ( – плотность звёзды, x_O – концентрация кислорода, x_CN – концентрация углерода и азота):

,

Если общий поток солнечной энергии сопоставить с массой Солнца, то количество излучаемой энергии, приходящееся на единицу массы (например, на 1 г солнечного вещества), в среднем пренебрежимо мало – каждый грамм «сожженного» водорода выделяет всего 6^.10¹¹ Дж:

"Поток солнечной энергии, приходящийся в среднем на единицу массы Солнца, равен потоку энергии, выделяемой такой же по массе кучей прелых листьев в лесу."

(советский астрофизик В. Г. Курт)

Солнце расходует водород и стареет – скорость «сгорания» водорода внутри Солнца 4,3 млн. тонн в секунду. Но запасов солнечного «топлива» так много, что общая продолжительность жизни Солнца достигнет порядка 10 млрд. лет. При этом по сравнению с другими типами звёзд Галактики наше «степенное» Солнце не способно ни пульсировать, ни взрываться.

II – зона радиационного переноса, т. е. переноса лучистой энергии, или перенос энергии электромагнитными волнами (фотонами, гамма-квантами), от ядра к внешним слоям Солнца. Толщина зоны порядка 2/3 радиуса Солнца, т. е. около 4 ^.10 ⁸ м.

Эти фотоны возникают в результате ядерных реакций в ядре и стремятся выйти за пределы ядра. Фотонный газ находится в термодинамическом равновесии с веществом и поэтому взаимодействует с ним. Они многократно:

- рассеиваются (преимущественно на электронах),

- отражаются,

- поглощаются,

- повторно излучаются.

Основной механизм переноса энергии – диффузия и рассеяние фотонов на - электронах (томсоновское рассеяние).

Оценим время диффузии:

1) средняя длина свободного пробега фотона зависит от его частоты () и температуры (T) вещества (h - постоянная Планка, k – Постоянная Больцмана):

(1)

2) коэффициент диффузии фотонов равен (c – скорость распространения фотонов):

(2)

3) время диффузии фотонов

(3)

Подставим (1) в (2) и (2) в (3):

.

Численно получим:

- десять тысяч лет.

С удалением от ядра температура вещества солнца уменьшается, энергия фотонов уменьшается, поэтому время диффузия фотонов достигает миллионов лет.

III – зона циркулярной конвекции, в которой происходит перемешивание вещества.

Приближаясь к этой зоне, энергия фотонов уменьшается, становится равной термической энергии солнечного вещества. Поэтому в зоне III начинает доминировать процесс конвекции, т. е энергия переносится веществом (движением сравнительно тяжёлых химических элементов), а не фотонами. Толщина этой зоны примерно 1/3 радиуса Солнца.

Время подъёма движения конвективной ячейки сравнительно невелико - всего несколько десятков лет. А верхняя граница конвективной зоны имеет вид мелких гранул, видоизменяющихся на протяжении нескольких минут. Эти гранулы называют "рисовыми зернами", они видны даже через телескоп с достаточно скромными возможностями.

IV – атмосфера Солнца.

В составе атмосферы Солнца – те же элементы, которые в составе Земли.

Элементы (всего – 67)	содержание по объёму, %	содержание по числу атомов, %
Водород	81,7600	90,700
Гелий	18,1700	9,100
Кислород	0,0300	0,090
Магний	0,0200
Азот	0,010	0,010
Кремний	0,0060
Углерод	0,0030	0,050
Железо	0,0008	0,007
Кальций	0,0003	<0,010
Неон		0,010