Что Солнце дает Земле? — космический блог
Солнце — звезда, а мы, живущие на Земле, — третья планета, вращающаяся вокруг нее. Он обеспечивает нас теплом и является отличным источником световой энергии, необходимой для выживания многих живых существ.
Солнце важно для растений, оно дает им энергию для производства пищи. Организм человека использует эту энергию для производства витамина D. Солнцезащитного крема с фактором 15 достаточно для нашей повседневной защиты.
Двумя наиболее популярными видами солнечной энергии являются фотоэлектрическая солнечная энергия и солнечная тепловая энергия. Фотоэлектрическая энергия генерирует электричество непосредственно из солнечного света. Солнечная тепловая энергия (известная как «солнечный обогреватель») использует солнечное тепло для нагрева жидкостей.
Это ядерный синтез атомов водорода, тот же источник энергии для многих атомных бомб. Этот синтез происходит в ядре Солнца, где давление в 10 XNUMX раз больше, чем в центре Земли.
…Похоже на крошку, но именно материя, оставшаяся от этого процесса слияния, превращается в свет и тепло.
Солнце — единственная звезда в нашей Солнечной системе. … Расположенное в центре Солнечной системы Солнце отвечает за гравитационное взаимодействие 8 планет и других небесных тел вокруг него. Его масса составляет 99,8% всей массы Солнечной системы.
Солнце в Карте Рождения указывает на область жизни, через которую вы пробуждаете большее осознание того, кто вы есть и какова ваша роль в мире. Также возможно лучше понять свои чувства и желания. Положение Солнца в астрологической карте Астрологического дома показывает, в какой области жизни вы наиболее осведомлены.
Первое звено в этой «пищевой цепи» образуют растения, которые используют солнечный свет для фотосинтеза для производства энергии. … В пищевых цепях, помимо производителей и консументов, важным звеном являются редуценты, существа, питающиеся трупами.
Люди, животные и растения полагаются на солнце как источник тепла и пищи.
Однако люди используют энергию Солнца и многими другими способами. Например: ископаемое топливо и биомасса используются для транспорта и производства электроэнергии.
Источником солнечной энергии является процесс, называемый ядерным синтезом, когда несколько более мелких частиц собираются вместе и при этом выделяют значительное количество энергии.
Солнце излучает энергию в виде электромагнитного излучения, часть которого перехватывается системой Земля-атмосфера и преобразуется в другие формы энергии, такие как теплота и кинетическая энергия атмосферной циркуляции.
Для получения солнечной энергии необходимо установить фотоэлектрическую систему, состоящую из солнечных батарей, солнечного инвертора, струнной коробки и другого оборудования. С установленной солнечной фотоэлектрической системой энергия солнца будет преобразовываться в электричество.
Вкратце, энергия Солнца исходит от ядерного синтеза атомов водорода. Именно эта энергия поддерживает жизнь Солнца и генерирует тепло и свет, необходимые для жизни на планете Земля.
Солнце питается от водорода, который плавится в тепле его ядра в результате реакции, похожей на атомный реактор. Он превращает водород в гелий. «Звезда производит 40 триллионов мегатонн энергии в секунду», — говорит астроном Аугусто Даминели из Астрономического и геофизического института Университета Сан-Паулу.
По сути, это огромная сфера из раскаленного газа, в ядре которой происходит генерация энергии за счет термоядерных реакций. Изучение Солнца служит основой для познания других звезд, которые находятся так далеко, что кажутся нам простыми точками света.
«Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца
Размер шрифта
Межбуквенный интервал
Семейство шрифтов
- Новость
- 2018
- мая
- 06
- «Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца
06.
05.2018
Ежегодно в начале мая отмечается Международный день Солнца. Решение о создании этого праздника было принято в 1994 году Европейским отделением Международного общества солнечной энергии (МОСЭ) с целью привлечения внимания общества к возможностям использования возобновляемых источников энергии. На Энергетическом факультете Политехнического института Южно-Уральского государственного университета изучают всю технологическую цепочку энергетической индустрии: производство, передачу, распределение, регулирование и потребление электрической и тепловой энергии. Особое внимание на факультете уделяется развитию новейших электротехнологий, которые включают в себя водородную энергетику, лазерные технологии, электросварочное производство, электрометаллургию, электролизное производство. В этом году кафедра Теоретических основ электротехники готовит первый выпуск бакалавров по этому профилю подготовки. На факультете утверждена и реализуется стратегия развития «Распределенная цифровая энергетика и интеллектуальный электропривод».
– Солнце – наша ближайшая звезда, что она дает нашей планете?
– Энергия Солнца стоит за всеми известными формами движения материи: механической, физической, химической, биологической и социальной. Солнце – единственный ближайший к нам источник, который наполняет энергией все формы живой и неживой природы. Так, на появление энергии ветра, волн, гидроэнергией рек, энергией углеводородов, включая биогаз на начальной стадии формирования, влияет Солнце. Энергия ветра обусловлена неравномерностью прогрева земной поверхности, энергия углеводородов рождается под влиянием фотосинтеза, гидроэнергия рек образуется от испарения воды и последующего выпадения осадков. Только несколько видов альтернативных источников не имеют солнечную природу. Это энергия приливов и отливов, обусловленная гравитационным притяжением Луны, ядерная энергия, запасенная вселенной много миллиардов лет назад и геотермальная энергия Земли, образованная при ее формировании.
Эти виды энергии составляют незначительную долю в энергетическом балансе планеты. Можно сказать, что Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле.
– Как добывается и используется солнечная энергия?
– Источником энергии в самом Солнце является термоядерный синтез, при котором атомы водорода, соединяясь друг с другом, образуют гелий, второй элемент таблицы Менделеева. При этом выделяется гигантское количество энергии, которая распространяется в виде радиации и доходит до Земли. Здесь и происходит ее преобразование в другие виды энергии. Солнечную энергию мы можем превратить, например, в электрическую, используя эффект фотосинтеза. Солнце в масштабах существования человеческой цивилизации является неисчерпаемым источником энергии. Альтернативная энергетика как раз и использует преобразованную солнечную энергию. Главное преимущество ее в том, что в основном – это экологически чистые источники энергии. Традиционная энергетика исторически сопровождалась выбросами вредных веществ, превышением нормы углекислого газа в атмосфере, что приводило к парниковому эффекту и глобальному потеплению.
– Изучают ли на Энергетическом факультете возобновляемые источники энергии и, в том числе солнечную энергию?
– Структура Энергетического факультета построена таким образом, что все, что есть в энергетике – представлено на том или ином образовательном уровне: бакалавриате, магистратуре или аспирантуре.
У нас хорошо развито изучение традиционной энергии: это электрические станции, сети, системы электроснабжения. Имеется направление магистратуры, на котором мы готовим специалистов по альтернативной энергетике. Также у нас имеются серьезные научные заделы в этом направлении, в том числе выполненные совместно с американскими учеными. В основном мы работаем в ветроэнергетике, солнечной, биогазовой и водородной энергетике.
– Какое будущее ждет солнечную энергетику?
– Энергетика идет по пути комплексного развития. Ориентироваться на один вид энергии нельзя. Энергетика может быть стабильной и надежной тогда, когда она использует различные источники энергии. Абсолютно неразумно, имея такую развитую, рентабельную углеводородную инфраструктуру, разрушать ее или неэффективно использовать. По мере истощения углеводородов она будет свою роль потихоньку терять, но произойдет это, по оценке Министра энергетики РФ Александра Новака, не ранее чем через 100 лет. Одновременно с этим традиционные источники энергии будут вытесняться альтернативными источниками энергии и атомной энергетикой.
Солнечную энергетику ждет светлое будущее, но для этого надо решить еще очень много научных и инженерных задач. Энергетический факультет в этом направлении ведет активную деятельность.
Екатерина Кузнецова
Сила Солнца
Солнце — ближайшая к Земле звезда. Даже на расстоянии 150 миллионов километров (93 миллиона миль) его гравитационное притяжение удерживает планету на орбите. Он излучает свет и тепло, или солнечную энергию, что делает возможным существование жизни на Земле.
Растениям для роста нужен солнечный свет. Животные, в том числе и люди, нуждаются в растениях для еды и кислорода, который они производят. Без солнечного тепла Земля замерзла бы. Не было бы ветров, океанских течений или облаков для транспортировки воды.
Солнечная энергия существует столько же, сколько и солнце — около 5 миллиардов лет. Хотя люди не жили так долго, они использовали солнечную энергию различными способами в течение тысяч лет.
Солнечная энергия необходима для сельского хозяйства — возделывания земли, выращивания сельскохозяйственных культур и разведения скота.
Возникшее около 10 000 лет назад сельское хозяйство сыграло ключевую роль в подъеме цивилизации. Солнечные приемы, такие как севооборот, повышают урожайность. Сушка продуктов с помощью солнца и ветра предотвратила порчу урожая. Этот излишек пищи позволил создать более плотное население и структурированные общества.
Ранние цивилизации по всему миру располагали здания лицом на юг, чтобы собирать тепло и свет. По той же причине они использовали окна и световые люки, а также для обеспечения циркуляции воздуха. Это элементы солнечной архитектуры. Другие аспекты включают в себя выборочное затенение и выбор строительных материалов с теплоемкостью, что означает, что они сохраняют тепло, таких как камень и бетон. Сегодня компьютерные программы делают приложения проще и точнее.
Теплица — еще одна ранняя солнечная разработка. Преобразуя солнечный свет в тепло, теплицы позволяют выращивать растения вне сезона и в климате, который может им не подходить. Одна из первых теплиц датируется 30 г.
н.э., еще до того, как было изобретено стекло. Построенный из полупрозрачных листов слюды, тонкого минерала, он был построен для римского императора Тиберия, который хотел иметь возможность есть огурцы круглый год. Общая техника сегодня такая же, хотя было внесено много улучшений для увеличения разнообразия и количества выращиваемых культур.
После того, как еда собрана, для ее приготовления можно использовать солнечную энергию. Первая солнечная плита была построена в 1767 году швейцарским физиком Горацием де Соссюром. Он достиг температуры 87,8 градусов по Цельсию (190 градусов по Фаренгейту) и использовался для приготовления фруктов. Сегодня существует множество различных типов солнечных плит, которые используются для приготовления пищи, сушки и пастеризации, что замедляет рост микробов в продуктах питания. Поскольку они не используют ископаемое топливо, они безопасны, не загрязняют окружающую среду и не вызывают обезлесения.
Солнечные плиты используются во многих частях мира во все большем количестве.
По оценкам, только в Индии установлено полмиллиона таких устройств. В Индии есть две крупнейшие в мире системы приготовления пищи на солнечных батареях, которые ежедневно могут готовить пищу для 25 000 человек. По словам премьер-министра Индии Манмохана Сингха, «поскольку исчерпаемые источники энергии в стране ограничены, необходимо срочно сосредоточить внимание на развитии возобновляемых источников энергии и использовании энергоэффективных технологий».
В Никарагуа модифицированная солнечная плита используется для стерилизации медицинского оборудования в клиниках.
Солнечная тепловая энергия может использоваться для нагрева воды. Впервые представленный в конце 1800-х годов, солнечный водонагреватель был большим шагом вперед по сравнению с печами, работающими на дровах или угле, потому что он был чище и дешевле в эксплуатации. Они были очень популярны для американских домов в солнечных местах, включая Аризону, Флориду и Калифорнию. Однако в начале 1900-х годов стали доступны дешевая нефть и природный газ, и начали заменять солнечные водные системы.
Сегодня они не только снова популярны; они становятся нормой в некоторых странах, включая Китай, Грецию и Японию. Они даже должны использоваться в любом новом строительстве в Австралии, Израиле и Испании.
Помимо нагревания воды, солнечная энергия может быть использована для того, чтобы сделать ее пригодной для питья. Одним из методов является солнечная дезинфекция (SODIS). Разработанный в 1980-х годах метод SODIS включает в себя наполнение пластиковых бутылок из-под газировки водой, а затем подвергание их воздействию солнечного света в течение нескольких часов. Этот процесс уменьшает количество вирусов, бактерий и простейших в воде. Более 2 миллионов человек в 28 развивающихся странах ежедневно используют этот метод для получения питьевой воды.
Солнечная энергия — преобразование солнечного света в электричество — еще одно применение солнечной технологии. Это можно сделать несколькими способами. Двумя наиболее распространенными являются фотоэлектрические (солнечные элементы) и концентрирующая солнечная энергия.
Солнечные батареи напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Количество энергии, вырабатываемой каждой ячейкой, очень мало. Следовательно, большое количество ячеек должно быть сгруппировано вместе, как панели, установленные на крыше дома, чтобы генерировать достаточно энергии.
Первая солнечная батарея была построена в 1880-х годах. Самое раннее крупное применение было на американском спутнике Vanguard I, запущенном в 1958 году. Радиопередатчик, работающий на солнечных батареях, проработал около семи лет; один с использованием обычных батарей продержался всего 20 дней. С тех пор солнечные батареи стали признанным источником энергии для спутников, в том числе используемых в телекоммуникационной отрасли.
На Земле солнечные батареи используются для всего: от калькуляторов и часов до домов, коммерческих зданий и даже стадионов. Всемирный стадион Гаосюн на Тайване, построенный в 2009 году для проведения Всемирных игр, имеет на крыше более 8800 солнечных батарей.
Чарльз Лин, директор Тайваньского бюро общественных работ, сказал: «Солнечные батареи стадиона сделают его самодостаточным в электричестве». Когда стадион не используется, он может питать 80 процентов близлежащих районов.
В отличие от солнечных батарей, которые используют солнечный свет для выработки электроэнергии, технология концентрации солнечной энергии использует солнечное тепло. Линзы или зеркала фокусируют солнечный свет в небольшой пучок, который можно использовать для работы котла. Это производит пар для запуска турбин для выработки электроэнергии. Этот метод будет использоваться на электростанции Солана, которую строит коммунальная компания APS за пределами Феникса, штат Аризона, США. После завершения строительства в 2012 году Солана станет одной из крупнейших солнечных электростанций в мире. После выхода на полную мощность он будет обслуживать 70 000 домов.
«Это важная веха для Аризоны в наших усилиях по увеличению количества возобновляемой энергии, доступной в Соединенных Штатах», — сказала бывший губернатор Аризоны Джанет Наполитано.
Есть некоторые проблемы с солнечной энергией. Во-первых, оно прерывистое или не непрерывное. Когда нет солнца — например, ночью — энергия не может быть выработана. Чтобы обеспечить непрерывную подачу энергии, необходимо использовать либо аккумулирование, либо другие источники энергии, такие как энергия ветра. Во-вторых, хотя и фотогальваническая, и концентрирующая солнечная энергия могут использоваться практически где угодно, необходимое для них оборудование занимает много места. Установка, за исключением существующих сооружений, может оказать негативное влияние на экосистему, вытеснив растения и живую природу. Наконец, стоимость сбора, преобразования и хранения солнечной энергии очень высока. Однако по мере технического прогресса и роста спроса затраты снижаются.
Ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, в настоящее время производят большую часть нашей электроэнергии и мощности двигателей. Они также производят почти все наши загрязнения. Кроме того, они невозобновляемы, то есть их количество ограничено.
Солнце, с другой стороны, предлагает бесплатную и чистую энергию в изобилии. На самом деле, это дает гораздо больше энергии, чем мы когда-либо можем использовать. Вопрос только в том, как и когда мы воспользуемся этим в полной мере.
Краткий факт
Электрифицированная нация
Занимая третье место в мире по численности населения, Соединенные Штаты потребляют больше электроэнергии, чем любая другая страна, даже весь Европейский Союз из 27 стран.
Краткий факт
African Energy
16 000 квадратных километров (9 942 квадратных миль) солнечных электростанций в Северной Африке могут производить достаточно электроэнергии для всей Европы.
Краткий факт
Солнечная энергия
За 15 минут солнце излучает столько энергии, сколько люди используют во всех формах за целый год.
Статьи и профили
Журнал National Geographic: Может ли солнечная энергия спасти нас?
Веб-сайт
National Geographic Environment: Solar EnergyCalifornia Energy Commission: Energy Quest—Solar Energy
Солнце
Солнце оказывает чрезвычайно важное влияние на нашу планету: оно управляет погодой, океанскими течениями, временами года и климатом, а также делает возможной жизнь растений благодаря фотосинтезу. Без солнечного тепла и света жизнь на Земле не существовала бы.Около 4,5 миллиардов лет назад Солнце начало формироваться из молекулярного облака, состоящего в основном из водорода и гелия. Близлежащая сверхновая испустила ударную волну, которая соприкоснулась с молекулярным облаком и активировала его. Молекулярное облако начало сжиматься, и некоторые области газа схлопнулись под действием собственного гравитационного притяжения. Когда одна из этих областей разрушилась, она также начала вращаться и нагреваться от увеличивающегося давления. Большая часть водорода и гелия осталась в центре этой горячей вращающейся массы. В конце концов, газы достаточно нагрелись, чтобы начать ядерный синтез, и превратились в солнце в нашей Солнечной системе.
Другие части молекулярного облака остыли в диск вокруг совершенно нового солнца и стали планетами, астероидами, кометами и другими телами в нашей Солнечной системе.
Солнце находится на расстоянии около 150 миллионов километров (93 миллиона миль) от Земли. Это расстояние, называемое астрономической единицей (а.е.), является стандартной мерой расстояния для астрономов и астрофизиков.
AU можно измерить со скоростью света или временем, которое требуется фотону света, чтобы добраться от Солнца до Земли. Свет на Солнце занимает около восьми минут и 19секунд, чтобы достичь Земли.
Радиус солнца, или расстояние от самого центра до внешних границ, составляет около 700 000 километров (432 000 миль). Это расстояние примерно в 109 раз больше радиуса Земли. Солнце не только имеет гораздо больший радиус, чем Земля, но и намного массивнее. Масса Солнца более чем в 333 000 раз больше массы Земли и содержит около 99,8% всей массы Солнечной системы!
Состав
Солнце состоит из пылающей комбинации газов. Эти газы фактически находятся в форме плазмы. Плазма – это состояние вещества, похожее на газ, но с большей частью ионизированных частиц.
Это означает, что частицы имеют увеличенное или уменьшенное число электронов.
Около трех четвертей Солнца состоит из водорода, который постоянно сплавляется и образует гелий в процессе, называемом ядерным синтезом. Гелий составляет почти всю оставшуюся четверть. Очень небольшой процент (1,69 процента) солнечной массы составляют другие газы и металлы: железо, никель, кислород, кремний, сера, магний, углерод, неон, кальций и хром. Эти 1,69 процента могут показаться незначительными, но их масса по-прежнему в 5628 раз больше массы Земли.
Солнце не является твердой массой. У него нет легко определяемых границ, как у скалистых планет, таких как Земля. Вместо этого Солнце состоит из слоев, почти полностью состоящих из водорода и гелия. Эти газы выполняют разные функции в каждом слое, и слои Солнца измеряются их процентом от общего радиуса Солнца.
Солнце пронизано и частично контролируется магнитным полем. Магнитное поле определяется комбинацией трех сложных механизмов: круговой электрический ток, проходящий через солнце, слои солнца, вращающиеся с разной скоростью, и способность солнца проводить электричество.
Вблизи экватора Солнца силовые линии магнитного поля образуют небольшие петли у поверхности. Линии магнитного поля, проходящие через полюса, простираются гораздо дальше, на тысячи километров, прежде чем вернуться к противоположному полюсу.
Солнце вращается вокруг своей оси, как и Земля. Солнце вращается против часовой стрелки, и ему требуется от 25 до 35 дней, чтобы совершить один оборот.
Солнце обращается по часовой стрелке вокруг центра Млечного Пути. Его орбита находится на расстоянии от 24 000 до 26 000 световых лет от галактического центра. Солнцу требуется от 225 до 250 миллионов лет, чтобы совершить один оборот вокруг галактического центра.
Электромагнитное излучение
Солнечная энергия распространяется на Землю со скоростью света в виде электромагнитного излучения (ЭМИ).
Электромагнитный спектр существует в виде волн различной частоты и длины волны.
Частота волны показывает, сколько раз волна повторяется за определенную единицу времени.
Волны с очень короткими длинами волн повторяются несколько раз в данную единицу времени, поэтому они являются высокочастотными. Напротив, низкочастотные волны имеют гораздо большую длину волны.
Подавляющее большинство электромагнитных волн, исходящих от солнца, невидимы для нас. Наиболее высокочастотными волнами, излучаемыми солнцем, являются гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи). Наиболее вредные ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются атмосферой Земли. Менее мощные УФ-лучи проходят через атмосферу и могут вызывать солнечные ожоги.
Солнце также излучает инфракрасное излучение, волны которого имеют гораздо более низкую частоту. Большая часть солнечного тепла поступает в виде инфракрасной энергии.
Между инфракрасным и ультрафиолетовым диапазоном находится видимый спектр, который содержит все цвета, которые мы, люди, можем видеть. Красный цвет имеет самые длинные волны (наиболее близкие к инфракрасному), а фиолетовый (наиболее близкие к ультрафиолетовому) — самые короткие.
Само солнце белое, а это значит, что оно содержит все цвета видимого спектра. Солнце кажется оранжево-желтым, потому что испускаемый им синий свет имеет более короткую длину волны и рассеивается в атмосфере — тот же самый процесс делает небо голубым.
Астрономы, однако, называют Солнце «желтым карликом», потому что его цвета попадают в желто-зеленую часть электромагнитного спектра.
Эволюция Солнца
Солнце, хотя и поддерживает всю жизнь на нашей планете, не будет сиять вечно. Солнце существует уже около 4,5 миллиардов лет.
Процесс ядерного синтеза, который создает тепло и свет, которые делают возможной жизнь на нашей планете, также является процессом, который медленно изменяет состав Солнца. Благодаря ядерному синтезу Солнце постоянно расходует водород в своем ядре: каждую секунду Солнце превращает около 620 миллионов метрических тонн водорода в гелий.
На данном этапе жизни Солнца его ядро примерно на 74% состоит из водорода.
В течение следующих пяти миллиардов лет Солнце сожжет большую часть своего водорода, и гелий станет его основным источником топлива.
За эти пять миллиардов лет Солнце превратится из «желтого карлика» в «красного гиганта». Когда почти весь водород в солнечном ядре будет израсходован, ядро сожмется и нагреется, увеличивая количество происходящего ядерного синтеза. Внешние слои солнца будут расширяться от этой дополнительной энергии.
Солнце расширится примерно в 200 раз по сравнению с текущим радиусом, поглотив Меркурий и Венеру.
Астрофизики спорят о том, расширится ли орбита Земли за пределы досягаемости Солнца или наша планета тоже будет поглощена Солнцем.
Когда солнце расширяется, оно распространяет свою энергию на большую площадь поверхности, что оказывает общее охлаждающее воздействие на звезду. Это охлаждение изменит видимый свет Солнца на красноватый цвет — красный гигант.
В конце концов, солнечное ядро достигает температуры около 100 миллионов по шкале Кельвина (почти 100 миллионов градусов по Цельсию или 180 миллионов градусов по Фаренгейту), общепринятой научной шкале для измерения температуры.
Когда он достигнет этой температуры, гелий начнет плавиться, образуя углерод, гораздо более тяжелый элемент. Это вызовет интенсивный солнечный ветер и другую солнечную активность, которая в конечном итоге сбросит все внешние слои Солнца. Фаза красных гигантов закончится. Останется только углеродное ядро Солнца, и как «белый карлик» оно не будет создавать или излучать энергию.
Структура Солнца
Солнце состоит из шести слоев: ядра, радиационной зоны, конвективной зоны, фотосферы, хромосферы и короны.
Ядро
Солнечное ядро , более чем в тысячу раз больше Земли и более чем в 10 раз плотнее свинца, представляет собой огромную печь. Температура в ядре превышает 15,7 миллиона кельвинов (также 15,7 миллиона градусов по Цельсию или 28 миллионов градусов по Фаренгейту). Ядро простирается примерно на 25% радиуса Солнца.
Ядро — единственное место, где могут происходить реакции ядерного синтеза. Другие слои Солнца нагреваются от вырабатываемой там ядерной энергии.
Протоны атомов водорода яростно сталкиваются и сливаются или соединяются вместе, образуя атом гелия.
Этот процесс, известный как цепная реакция PP (протон-протон), испускает огромное количество энергии. Энергия, выделяемая в течение одной секунды солнечного синтеза, намного больше, чем энергия, выделяемая при взрыве сотен тысяч водородных бомб.
Во время ядерного синтеза в ядре выделяются два типа энергии: фотоны и нейтрино. Эти частицы несут и излучают свет, тепло и энергию солнца. Фотоны — мельчайшие частицы света и других форм электромагнитного излучения. Нейтрино сложнее обнаружить, и на их долю приходится всего около двух процентов от общей энергии Солнца. Солнце постоянно излучает как фотоны, так и нейтрино во всех направлениях.
Радиационная зона
Радиационная зона Солнца начинается примерно с 25 процентов радиуса и простирается примерно до 70 процентов радиуса. В этой широкой зоне тепло от ядра резко остывает, с семи миллионов К до двух миллионов К.
В зоне излучения энергия передается в результате процесса, называемого тепловым излучением. Во время этого процесса фотоны, испущенные в ядре, проходят небольшое расстояние, поглощаются соседним ионом, высвобождаются этим ионом и снова поглощаются другим. Один фотон может продолжать этот процесс почти 200 000 лет!
Переходная зона: тахоклин
Между радиационной зоной и следующим слоем, конвективной зоной, находится переходная зона, называемая тахоклином. Эта область создана в результате дифференциального вращения Солнца.
Дифференциальное вращение происходит, когда разные части объекта вращаются с разной скоростью. Солнце состоит из газов, протекающих в разных слоях и на разных широтах по-разному. Например, экватор Солнца вращается намного быстрее, чем его полюса.
Скорость вращения солнца быстро меняется в тахоклине.
Конвективная зона
Примерно на 70% солнечного радиуса начинается конвективная зона. В этой зоне солнечная температура недостаточно высока для передачи энергии тепловым излучением.
Вместо этого он передает тепло за счет тепловой конвекции через тепловые колонны.
Подобно воде, кипящей в горшке, или горячему воску в лавовой лампе, газы глубоко в конвективной зоне Солнца нагреваются и «кипятят» наружу, вдали от ядра Солнца, через тепловые столбы. Когда газы достигают внешних границ конвективной зоны, они остывают и погружаются обратно к основанию конвективной зоны, чтобы снова нагреться.
Фотосфера
Фотосфера – это ярко-желтая видимая «поверхность» Солнца. Толщина фотосферы составляет около 400 километров (250 миль), а температура достигает около 6000 К (5700 ° C, 10 300 ° F).
В фотосфере видны тепловые столбы конвекционной зоны, бурлящие, как кипящая овсянка. В мощные телескопы вершины колонн выглядят как гранулы, скопившиеся на солнце. Каждая гранула имеет яркий центр, представляющий собой горячий газ, поднимающийся по тепловому столбу. Темные края гранул — это холодный газ, спускающийся обратно по колонне на дно конвективной зоны.
Хотя вершины термальных столбов выглядят как маленькие гранулы, их диаметр обычно превышает 1000 километров (621 милю). Большинство тепловых столбцов существуют от восьми до 20 минут, прежде чем они растворяются и образуют новые столбцы. Существуют также «супергранулы», которые могут иметь диаметр до 30 000 километров (18 641 милю) и сохраняться до 24 часов.
Солнечные пятна, солнечные вспышки и солнечные протуберанцы формируются в фотосфере, хотя и являются результатом процессов и нарушений в других слоях Солнца.
Фотосфера: Солнечные пятна
Солнечное пятно — это именно то, на что это похоже, — темное пятно на Солнце. Солнечное пятно образуется, когда интенсивная магнитная активность в конвективной зоне разрывает тепловой столб. В верхней части разорванной колонны (видимой в фотосфере) температура временно понижена, потому что до нее не доходят горячие газы.
Фотосфера: Солнечные вспышки
Процесс образования солнечных пятен открывает связь между короной (самым внешним слоем солнца) и его внутренней частью.
Солнечная материя выбрасывается из этого отверстия в образованиях, называемых солнечными вспышками. Эти взрывы являются массовыми: в течение нескольких минут солнечные вспышки высвобождают эквивалент примерно 160 миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте, или примерно шестую часть всей энергии, выделяемой Солнцем за одну секунду.
Облака ионов, атомов и электронов вырываются из солнечных вспышек и достигают Земли примерно через два дня. Солнечные вспышки и солнечные протуберанцы способствуют космической погоде, которая может вызывать возмущения в атмосфере и магнитном поле Земли, а также нарушать работу спутниковых и телекоммуникационных систем.
Фотосфера: корональные выбросы массы
Корональные выбросы массы (КВМ) — это еще один тип солнечной активности, вызванный постоянным движением и возмущениями в магнитном поле Солнца. CME обычно образуются вблизи активных областей солнечных пятен, корреляция между ними не доказана. Причина CME все еще изучается, и предполагается, что нарушения в фотосфере или короне приводят к этим сильным солнечным взрывам.
Фотосфера: солнечный протуберанец
Солнечные протуберанцы представляют собой яркие петли солнечного вещества. Они могут врываться далеко в корональный слой Солнца, расширяясь на сотни километров в секунду. Эти изогнутые и скрученные элементы могут достигать сотен тысяч километров в высоту и ширину и сохраняться от нескольких дней до нескольких месяцев.
Солнечные протуберанцы холоднее короны и выглядят как более темные нити на фоне солнца. По этой причине они также известны как нити.
Фотосфера: солнечный цикл
Солнце не постоянно испускает солнечные пятна и солнечные выбросы; он проходит через цикл около 11 лет. Во время этого солнечного цикла меняется частота солнечных вспышек. Во время солнечных максимумов может быть несколько вспышек в день. Во время солнечных минимумов их может быть меньше одного в неделю.
Солнечный цикл определяется магнитными полями Солнца, которые вращаются вокруг Солнца и соединяются на двух полюсах.
Каждые 11 лет магнитные поля меняются местами, вызывая нарушение, которое приводит к солнечной активности и солнечным пятнам.
Солнечный цикл может влиять на климат Земли. Например, ультрафиолетовый свет Солнца расщепляет кислород в стратосфере и укрепляет защитный озоновый слой Земли. Во время солнечного минимума ультрафиолетовых лучей мало, а это означает, что озоновый слой Земли временно истончен. Это позволяет большему количеству ультрафиолетовых лучей проникать в атмосферу Земли и нагревать ее.
Солнечная атмосфера
Солнечная атмосфера — самая горячая область Солнца. Он состоит из хромосферы, короны и переходной зоны, называемой солнечной переходной областью, которая соединяет их.
Солнечная атмосфера затемнена ярким светом, излучаемым фотосферой, и ее редко можно увидеть без специальных инструментов. Только во время солнечных затмений, когда Луна движется между Землей и Солнцем и скрывает фотосферу, эти слои можно увидеть невооруженным глазом.
Хромосфера
Розовато-красная хромосфера имеет толщину около 2000 километров (1250 миль) и пронизана струями горячего газа.
В нижней части хромосферы, там, где она встречается с фотосферой, температура Солнца самая холодная, около 4400 К (4100°C, 7500°F). Эта низкая температура придает хромосфере розовый цвет. Температура в хромосфере увеличивается с высотой и достигает 25 000 К (25 000 ° C, 45 000 ° F) на внешней границе области.
Хромосфера испускает струи горящих газов, называемых спикулами, похожие на солнечные вспышки. Эти огненные струйки газа тянутся из хромосферы, как длинные пылающие пальцы; обычно они имеют диаметр около 500 километров (310 миль). Спикулы существуют всего около 15 минут, но могут достигать тысячи километров в высоту, прежде чем разрушиться и раствориться.
Область солнечного перехода
Область солнечного перехода (STR) отделяет хромосферу от короны.
Ниже STR слои солнца контролируются и остаются разделенными благодаря гравитации, давлению газа и различным процессам обмена энергией.
Выше STR движение и форма слоев гораздо более динамичны. В них преобладают магнитные силы. Эти магнитные силы могут привести в действие солнечные явления, такие как корональные петли и солнечный ветер.
Состояние гелия в этих двух регионах также имеет отличия. Ниже STR гелий частично ионизирован. Это означает, что он потерял электрон, но еще остался. В районе СТО гелий поглощает немного больше тепла и теряет свой последний электрон. Его температура достигает почти одного миллиона К (один миллион ° C, 1,8 миллиона ° F).
Корона
Корона – это тонкий внешний слой солнечной атмосферы, который может простираться на миллионы километров в космос. Газы в короне сгорают при температуре около одного миллиона k (один миллион ° C, 1,8 миллиона ° F) и движутся со скоростью около 145 километров (90 миль) в секунду.
Некоторые частицы достигают убегающей скорости 400 километров в секунду (249 миль в секунду). Они избегают гравитационного притяжения Солнца и становятся солнечным ветром.
Солнечный ветер дует от Солнца к краю Солнечной системы.
Другие частицы образуют корональные петли. Корональные петли — это всплески частиц, которые возвращаются к ближайшему солнечному пятну.
Вблизи полюсов Солнца находятся корональные дыры. Эти области холоднее и темнее, чем другие области Солнца, и пропускают некоторые из самых быстро движущихся частей солнечного ветра.
Солнечный ветер
Солнечный ветер – это поток чрезвычайно горячих заряженных частиц, выбрасываемых из верхних слоев атмосферы Солнца. Это означает, что каждые 150 миллионов лет Солнце теряет массу, равную массе Земли. Однако даже при такой скорости потери Солнце потеряло лишь около 0,01% своей общей массы из-за солнечного ветра.
Солнечный ветер дует во всех направлениях. Он продолжает двигаться с этой скоростью около 10 миллиардов километров (шесть миллиардов миль).
Некоторые частицы солнечного ветра скользят через магнитное поле Земли и попадают в ее верхние слои атмосферы около полюсов.
Когда они сталкиваются с атмосферой нашей планеты, эти заряженные частицы заставляют атмосферу светиться цветом, создавая полярные сияния, красочные световые представления, известные как северное и южное сияние. Солнечные ветры также могут вызывать солнечные бури. Эти бури могут мешать работе спутников и выводить из строя электрические сети на Земле.
Солнечный ветер наполняет гелиосферу, массивный пузырь заряженных частиц, который окружает Солнечную систему.
Солнечный ветер в конце концов замедляется вблизи границы гелиосферы, на теоретической границе, называемой гелиопаузой. Эта граница отделяет вещество и энергию нашей Солнечной системы от вещества соседних звездных систем и межзвездной среды.
Межзвездная среда — пространство между звездными системами. Солнечный ветер, пройдя миллиарды километров, не может выйти за пределы межзвездной среды.
Изучение Солнца
Солнце не всегда было предметом научных открытий и исследований.
На протяжении тысячелетий солнце было известно в культурах всего мира как бог, богиня и символ жизни.
Для древних ацтеков солнце было могущественным божеством, известным как Тонатиу, которому для путешествия по небу требовались человеческие жертвы. В балтийской мифологии солнце было богиней по имени Сауле, которая приносила плодородие и здоровье. Китайская мифология считала солнце единственным оставшимся из 10 богов солнца.
В 150 году нашей эры греческий ученый Клавдий Птолемей создал геоцентрическую модель Солнечной системы, в которой Луна, планеты и Солнце вращались вокруг Земли. Только в 16 веке польский астроном Николай Коперник использовал математические и научные рассуждения, чтобы доказать, что планеты вращаются вокруг Солнца. Этой гелиоцентрической моделью мы и пользуемся сегодня.
В 17 веке телескоп позволил людям детально рассмотреть солнце. Солнце слишком яркое, чтобы мы могли изучать его незащищенными глазами. С помощью телескопа впервые стало возможным спроецировать четкое изображение солнца на экран для изучения.
Английский ученый сэр Исаак Ньютон использовал телескоп и призму, чтобы рассеять солнечный свет, и доказал, что солнечный свет на самом деле состоит из спектра цветов.
В 1800 году было обнаружено, что инфракрасный и ультрафиолетовый свет существуют за пределами видимого спектра. Оптический прибор, называемый спектроскопом, позволил разделить видимый свет и другое электромагнитное излучение на различные длины волн. Спектроскопия также помогла ученым идентифицировать газы в солнечной атмосфере — каждый элемент имеет свою собственную структуру длины волны.
Однако способ, которым солнце генерировало свою энергию, оставался загадкой. Многие ученые выдвинули гипотезу, что Солнце сжимается и излучает тепло в результате этого процесса.
В 1868 году английский астроном Джозеф Норман Локьер изучал электромагнитный спектр Солнца. Он наблюдал яркие линии в фотосфере, длина волны которых не соответствовала ни одному известному элементу на Земле. Он догадался, что на Солнце есть элемент, изолированный от Солнца, и назвал его гелием в честь греческого бога солнца Гелиоса.
В течение следующих 30 лет астрономы пришли к выводу, что у Солнца есть горячее ядро под давлением, способное производить огромное количество энергии посредством ядерного синтеза.
Технологии продолжали совершенствоваться и позволили ученым открыть новые особенности Солнца. Инфракрасные телескопы были изобретены в 1960-х годах, и ученые наблюдали энергию за пределами видимого спектра. Астрономы двадцатого века использовали воздушные шары и ракеты, чтобы отправить специальные телескопы высоко над Землей и исследовать Солнце без какого-либо вмешательства со стороны земной атмосферы.
Solrad 1 был первым космическим кораблем, предназначенным для изучения Солнца, и был запущен Соединенными Штатами в 1960 году. В то десятилетие НАСА отправило пять спутников Pioneer на орбиту вокруг Солнца и собирает информацию о звезде.
В 1980 году НАСА запустило миссию во время солнечного максимума для сбора информации о высокочастотных гамма-лучах, ультрафиолетовых и рентгеновских лучах, испускаемых во время солнечных вспышек.
Солнечная и гелиосферная обсерватория ( SOHO ) был разработан в Европе и выведен на орбиту в 1996 году для сбора информации. SOHO успешно собирает данные и прогнозирует космическую погоду уже 12 лет.
«Вояджер-1» и 2 – это космические корабли, направляющиеся к краю гелиосферы, чтобы узнать, из чего состоит атмосфера там, где солнечный ветер встречается с межзвездной средой. «Вояджер-1» пересек эту границу в 2012 году, а «Вояджер-2» – в 2018 году. Предполагается, что турбулентность конвективной зоны способствует солнечным волнам, которые непрерывно переносят солнечный материал во внешние слои солнца. Изучая эти волны, ученые больше узнают о недрах Солнца и причинах солнечной активности.
Энергия Солнца
Фотосинтез
Солнечный свет обеспечивает необходимый свет и энергию растениям и другим производителям в пищевой сети. Эти производители поглощают солнечное излучение и преобразуют его в энергию посредством процесса, называемого фотосинтезом.
Продуценты в основном растения (на суше) и водоросли (в водной среде). Они являются основой пищевой сети, и их энергия и питательные вещества передаются всем остальным живым организмам.
Ископаемое топливо
Фотосинтез также отвечает за все ископаемое топливо на Земле. Ученые подсчитали, что около трех миллиардов лет назад первые производители появились в водной среде. Солнечный свет позволил растениям развиваться и адаптироваться. После гибели растения разлагались и перемещались вглубь земли, иногда на тысячи метров. Этот процесс продолжался миллионы лет.
Под сильным давлением и высокими температурами эти останки превратились в то, что мы знаем как ископаемое топливо. Эти микроорганизмы превратились в нефть, природный газ и уголь.
Люди разработали процессы извлечения этих ископаемых видов топлива и использования их для получения энергии. Однако ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом. На их формирование уходят миллионы лет.
Технология солнечной энергии
Технология солнечной энергии использует солнечное излучение и преобразует его в тепло, свет или электричество.
Солнечная энергия – это возобновляемый ресурс, и многие технологии могут собирать ее непосредственно для использования в домах, на предприятиях, в школах и больницах. Некоторые технологии солнечной энергетики включают солнечные элементы и панели, солнечные тепловые коллекторы, солнечное тепловое электричество и солнечную архитектуру.
Фотогальваника использует солнечную энергию для ускорения электронов в солнечных батареях и выработки электроэнергии. Эта форма технологии широко используется и может обеспечивать электроэнергией сельские районы, крупные электростанции, здания и небольшие устройства, такие как парковочные счетчики и уплотнители мусора.
Солнечная энергия также может быть использована с помощью метода, называемого «концентрированной солнечной энергией», при котором солнечные лучи отражаются и усиливаются зеркалами и линзами.
Усиленный луч солнечного света нагревает жидкость, которая создает пар и приводит в действие электрический генератор.
Солнечную энергию также можно собирать и распределять без использования машин или электроники. Например, крыши могут быть покрыты растительностью или окрашены в белый цвет, чтобы уменьшить количество тепла, поглощаемого зданием, тем самым уменьшая количество электроэнергии, необходимой для кондиционирования воздуха. Это солнечная архитектура.
Солнечного света в избытке: за один час атмосфера Земли получает достаточно солнечного света, чтобы удовлетворить потребности всех людей в электричестве в течение года. Однако солнечная технология стоит дорого, и ее эффективность зависит от солнечной и безоблачной местной погоды. Методы использования солнечной энергии все еще разрабатываются и совершенствуются.
Краткий факт
Как алмаз в небе
Белые карлики состоят из кристаллизованного углеродного алмаза. Типичный белый карлик весит около 10 миллиардов триллионов триллионов каратов.
Примерно через 5 миллиардов лет, говорит Трэвис Меткалф из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, «Наше Солнце превратится в алмаз, который действительно будет вечным».
Краткий факт
Солнечная постоянная
Солнечная постоянная — это среднее количество солнечной энергии, достигающей атмосферы Земли. Солнечная постоянная составляет около 1,37 киловатта электроэнергии на квадратный метр.
Краткий факт
Solarmax
2013 год принесет следующий солнечный максимум (solarmax), период, который, по словам астрономов, принесет больше солнечных вспышек, корональных выбросов массы, солнечных бурь и полярных сияний.
Краткий факт
Солнце — самое одинокое число
Солнце находится довольно изолированно, далеко на внутреннем крае Рукава Ориона Млечного Пути. Ближайший звездный сосед, красный карлик по имени Проксима Центавра, находится на расстоянии около 4,24 световых года.
Быстрый факт
Солнечные дни в космических агентствах
НАСА и другие космические агентства проводят более дюжины миссий по гелиофизике, которые изучают солнце, гелиосферу и окружающие планеты как единую взаимосвязанную систему.