Слънце и звезди
43. Слънце и звезди
Слънцето е най-близката до нас звезда. Животът на Земята е невъзможен без слънчевата енергия. Какъв е строежът на Слънцето и на звездите? Кой е източникът на светлинната енергия, която те излъчват?
Нашето Слънце
Слънцето е огромно огнено кълбо от йонизирани газове – предимно водород и хелий. Неговият радиус е 109 пъти поголям от радиуса на Земята. Видимата повърхност на Слънцето, от която става излъчването на слънчевата светлина, се нарича фотосфера (фиг. 1). Температурата на фотосферата е около 5500 °C. Над фотосферата е разположена слънчевата атмосфера. Нейните най-горни слоеве образуват слънчевата корона, която се разпростира на милиони километри от Слънцето. Слънчевата корона може да се наблюдава при пълно слънчево затъмнение (фиг. 2). Най-горещата част на Слънцето е неговото ядро (фиг. 1). Там температурата е близо 16 милиона градуса. В слънчевото ядро протичат ядрени реакции, в резултат на които става превръщане на водорода в хелий и се отделя огромна енергия. Тази енергия се пренася към повърхността на Слънцето (фотосфера) и оттам се излъчва в космическото пространство. Всяка секунда в ядрото на Слънцето 600 млн. тона ядрено гориво (водород) се превръщат в хелий и се отделят 3,8.1026 J енергия. За сравнение: същата ядрена енергия ще отделят двата реактора на АЕЦ „Козлодуй“, ако работят непрекъснато 2 млрд. години!
Животът на Слънцето
Слънцето се ражда преди около 4,6 млрд. години от огромен облак от газ (водород и хелий) и прах (фиг. 3).
Под действие на собствената си гравитация облакът започва да се свива и нагрява. Когато в центъра (ядрото) на облака температурата достига 10 млн. градуса, започват ядрени реакции. Те се наричат реакции на ядрен синтез, защото от по-леките ядра на водорода се получават (синтезират) по-големите и по-тежки ядра на хелия (фиг. 4).
След като започва ядреният синтез, свиването постепенно се прекратява – ражда се звездата Слънце, която навлиза в стабилния период от своя живот. От малка част от газовия облак се формират планетите и другите тела от Слънчевата система. Учените смятат, че в момента Слънцето е в средата на своя стабилен период. След около 5 млрд. години ядреното гориво (водород) ще се изчерпи. Тогава външните слоеве на Слънцето ще започнат да се раздуват и охлаждат – Слънцето ще се превърне в червен гигант – звезда с много голям радиус и сравнително ниска температура на повърхността. В същото време вътрешността на Слънцето ще се свива и нагрява. След това раздуващата се обвивка ще се разкъса и отдели от звездата. След отделянето на обвивката ще остане едно много плътно и горещо ядро. Такава звезда се нарича бяло джудже. Бялото джудже в продължение на милиарди години ще се охлажда и накрая ще стане тъмно (черно джудже).
Другите звезди
Слънцето и звездите са се образували от огромни газови облаци (предимно от водород и хелий), които под действие на собствената си гравитация се свиват и нагряват. Когато в ядрата на новообразуваните звезди температурата достигне милиони градуси, започват ядрени реакции (водородът се превръща в хелий). При тези реакции се отделя енергията, която звездите излъчват от своята повърхност като светлина.
Почти всички звезди, видими с невъоръжено око, са по-големи от Слънцето. Те изглеждат малки и слаби, защото са много по-далече от Слънцето. Огромните разстояния до звездите се измерват в светлинни години. Една светлинна година е пътят, който светлината изминава за една година, движейки се със скорост c = 300 000 km/s.
1 cв. година ≈ 9,5.1012 km
Най-ярката звезда на нощното небе е Сириус (фиг. 5). В действителност Сириус е само около 2 пъти по-голям от Слънцето. Той изглежда толкова ярък, защото е една от найблизките звезди – намира се на 8,6 св. години от нас. Недалеч от Сириус на нощното небе можете да видите друга ярка звезда – Ригел от съзвездието Орион (фиг. 5). За разлика от Сириус Ригел е една от най-големите звезди свръхгиганти. Той има около 80 пъти по-голям радиус от Слънцето и излъчва енергия повече от 100 000 слънца. На небето Ригел изглежда по-слаб от Сириус, защото е много по-далече – на около 800 св. години от нас.
Проверете какво сте научили
Проксима от съзвездието Кентавър е най-близката до нас звезда след Слънцето. Тя е отдалечена от Слънцето на около 4 св. години. Колко километра е разстоянието до Проксима?
1 cв. година ≈ 9,5.1012 km.
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.
Разстоянието до Проксима е:
4 х 9,5.1012 km = 3,8.1013 km.
Често във физиката, когато искаме да направим груба оценка или сравнение, използваме закръглени, лесни за бързо смятане стойности на физичните величини. Приемете, че Слънцето има 102 пъти по-голям радиус от Земята и 4 пъти по-малка средна плътност от нея, и пресметнете (без да използвате калкулатор) колко пъти:
а) обемът на Слънцето е по-голям от обема на Земята;
б) масата на Слънцето е по-голяма от масата на Земята.
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.
а) От формулата за обем на сфера V = [latex]\frac{4}{3}[/latex]πr3 следва, че след като Слънцето има 102 пъти по-голям радиус от Земята, обемът на Слънцето е (102)3 = 106 (един милион) пъти по-голям от обема на Земята.
б) От формулата m = ρV следва, че след като средната плътност на Слънцето е 4 пъти по-малка от плътността на Земята, масата на Слънцето е 1/4 х 106 = 250 000 пъти по-голяма от масата на Земята.
Как отделената при ядрения синтез енергия достига повърхността на Слънцето, за да се излъчи от нея в Космоса?
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.
Вътрешните слоеве на Слънцето получават топлина от ядрото, разширяват се, стават по-леки и се издигат нагоре. Тяхното място се заема от по-студените и по-плътните горни слоеве. Такова пренасяне на топлина чрез разместване и смесване на слоеве се нарича конвекция.