Наше Солнце получает энергию от синтеза в своем ядре. Но можно ли сделать свет с поверхности?
“Птицы поют после грозы; почему бы людям не чувствовать себя свободно, чтобы наслаждаться тем солнечным светом, который у них остался?» - Роуз Кеннеди
И тем не менее, сам по себе солнечный свет был бы невероятно смертельным для нас, если бы он достиг нас в момент своего создания. Как всегда, вы не разочаровали своими вопросами и предложениями для «Спросите Итана» на этой неделе, поскольку они варьировались от инфляции до черных дыр и аннигиляции антивещества, но я могу выбрать только один в неделю. На этот раз честь достается kbanks64, который спрашивает:
Я неоднократно слышал, что свету требуются тысячи лет, чтобы добраться от центра Солнца до поверхности. Я это понимаю. Вот что я хочу спросить. Есть ли ЛЮБОЙ солнечный свет, который создается на поверхности солнца и, следовательно, немедленно уходит?
Солнце - любопытная штука, а свет от Солнца - еще более любопытная вещь! Давайте зайдем внутрь, чтобы узнать.
Если бы не процесс ядерного синтеза, единственным источником энергии Солнца была бы наша старая знакомая гравитация. На самом деле это была первоначальная идея лорда Кельвина о том, что приводило в действие Солнце: что Солнце будет постоянно сжиматься с течением времени, и что огромное количество гравитационной потенциальной энергии будет преобразовано в тепловую энергию в процессе, излучаясь через поверхность Солнца..
Это была блестящая идея, но она будет питать Солнце не более чем на 100 миллионов лет, чего недостаточно для того, чтобы геология и биология, которые мы наблюдали на Земле, существовали в том виде, в котором они существуют. Некоторые звезды - например, белые карлики (включая Сириус B, выше) приводятся в действие этим механизмом Кельвина-Гельмгольца, но они лишь в миллионы раз ярче нашего Солнца.
Вместо этого свет нашего Солнца питается от процесса ядерного синтеза, когда легкие ядра сливаются вместе в тяжелые ядра, высвобождая огромное количество энергии (через E=mc^2) и высокоэнергетические фотоны. в процессе.
Но, как отмечает наш вопрошающий, эти реакции происходят исключительно в ядре, и огромное количество ионизированных атомов - протонов, ядер и свободных электронов - препятствует тому, чтобы эти высокоэнергетические фотоны достигли поверхности Солнце, не претерпев огромное количество столкновений, во-первых. В результате этих столкновений образуется очень большое количество гораздо более холодных фотонов: ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных длин волн, а не гамма-лучи, в виде которых они изначально созданы.
Ядерный синтез происходит в основном через серию стадий, где два протона сливаются в дейтрон, где дейтерий синтезируется с образованием гелия-3 или трития, где гелий-3 или тритий сливаются с дейтрон для создания гелия-4, и высвобождаются побочные продукты протонов или нейтронов, а также нейтрино и высокоэнергетические фотоны.
- Нейтрино устремляются наружу без помех.
- Фотоны высокой энергии претерпевают огромное количество столкновений, и на то, чтобы покинуть Солнце, уходит от десятков до сотен тысяч лет.
- А ядерные продукты либо стабильны, либо распадаются, либо вступают в дальнейшие реакции, но все это происходит в недрах Солнца.
Процесс, управляющий ядерным синтезом, требует квантовой физики: энергии даже в самом ядре Солнца, температура которой может превышать 15 000 000 К, по-прежнему недостаточно для запуска этих термоядерных реакций. Вместо этого существует лишь небольшая квантово-механическая вероятность при этих температурах - примерно 1 из 10 ^ 28 столкновений, - что сталкивающиеся частицы туннелируют в состояние слитых более тяжелых ядер. Плотность и температура Солнца настолько высоки, что колоссальные 4 × 10^38 протонов каждую секунду сливаются в гелий на нашем Солнце.
Тем не менее, ни одна из этих реакций не происходит достаточно близко к поверхности, чтобы дойти до нас без помех. Даже с квантовой физикой на нашей стороне требуется температура не менее 4 000 000 Кельвинов, чтобы иметь хоть какой-то шанс на ядерный синтез, и это заканчивается примерно на полпути через зону излучения. (Более 99% всего синтеза происходит в ядре.) Так что нет, ни одна из ядерных реакций, питающих Солнце, не происходит достаточно близко к поверхности, чтобы достичь наших глаз.
Но с Солнцем происходит кое-что еще: его фотосферу окружает очень высокотемпературная плазма, солнечная корона. Эта горячая ионизированная плазма может достигать температуры в миллионы градусов, в отличие от ~6000 К солнечной фотосферы. Кроме того, существуют солнечные вспышки, апвеллинг из недр Солнца, выбросы массы и многое другое, что приводит к повышению температуры Солнца в определенных местах.
Хотя ни один из этих эффектов не приводит к созданию каких-либо дополнительных ядерных реакций, они изменяют фактический профиль излучения энергии Солнца. Тот спектр, который я показывал тебе раньше? Это была идеализированная ложь.
Вот как на самом деле выглядит Солнце.
Вы заметили, насколько это отличается? Он гораздо более энергичен в дальнем ультрафиолете и ближнем рентгеновском диапазоне. (Гамма-лучей в нормальных условиях по-прежнему нет, извините. Только во время солнечных вспышек, и это происходит из-за ударного нагрева, а не из-за ядерных реакций.) Вы действительно можете увидеть последствия этого, если мы посмотрим на отдельных, определенные длины волн света.
Мы видим, что видимый свет довольно однороден на поверхности Солнца (за исключением солнечных пятен, которые холоднее), а свет в ближнем ультрафиолетовом диапазоне следует примерно той же схеме. Но когда мы переходим к более коротким длинам волн (и, следовательно, к более высоким энергиям), эта энергия проявляется только вокруг областей вспышек и солнечной короны.
Свет, который излучается самыми внешними слоями Солнца - из фотосферы и Короны - - это просто то, как излучает любое тело во Вселенной, нагреваясь до определенной температуры. На самом деле излучает не просто твердая «поверхность» Солнца, а ряд черных тел, некоторые из которых находятся немного внутри (где температура выше), а некоторые немного снаружи (где она ниже) средней фотосферы.
Вот почему, если мы подробно рассмотрим спектры излучения Солнца, мы увидим, что отклонение от абсолютно черного тела наблюдается не только при более высоких энергиях, но и при всех энергиях.
Итак:
- Реакции ядерного синтеза, которые происходят внутри Солнца, происходят глубоко внутри, и ни один из фотонов, созданных в результате этого процесса, никогда не попадает на поверхность без множества столкновений.
- Внешние слои Солнца - фотосфера и корона - откуда мы получаем излучаемый свет.
- Корона - самая горячая часть (почему - это тема для отдельной статьи), и она отвечает за подавляющее большинство дальнего ультрафиолетового и рентгеновского излучения, но ее вклад в видимый свет невелик. мизерный и виден только во время полного затмения.
- В светоизлучающих областях не происходит ядерных реакций, но иногда происходит ударный нагрев из-за солнечных вспышек, которые могут вызывать выброс гамма-лучей сверхвысокой энергии.
Технически все это солнечный свет, так что это самый близкий ответ, который я могу вам дать. Энергия из недр нагревает все различные слои Солнца, включая самые внешние, до температур, о которых мы упоминали. Атомы при этой температуре затем испускают фотоны в соответствии с этой температурой, и вот откуда исходит солнечный свет на всех его различных частотах.
Но если суть вашего вопроса заключалась в том, происходят ли реакции ядерного синтеза достаточно близко к поверхности, чтобы создать прямую реакцию, которую мы видим, то ответ будет отрицательным, если только вы не посмотрите в нейтринный телескоп.
В таком случае, да, мы можем видеть их все!
Есть вопрос или предложение для Ask Ethan? Отправьте его сюда на рассмотрение.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме, и если вам действительно понравился этот пост и вы хотите увидеть больше, поддержите Starts With A Bang и проверьте нас на Patreon!