Сколько энергии излучает солнце: Мощность излучения Солнца и использование энергии на Земле

Сколько энергии дает нам Солнце?

Каждый сходит с ума по-своему. У меня тоже имеется индивидуальная, запатентованная технология.

Недавно меня крайне заинтересовал вопрос: какую площадь имеет такая часть поверхности Солнца, которая излучает ровно столько энергии, сколько Земля получает от всего Солнца в целом? Как вам вопрос?

Поискав готовый ответ на просторах интернета, я ничего толкового не нашел. Зато приметил на нескольких форумах обсуждающийся похожий вопрос: какая доля всей излучаемой солнечной энергии достается Земле? И тут же во всех источниках дается приблизительно такое решение: доля солнечной радиации, которую получает Земля, равна отношению площади сечения Земли диаметральной плоскостью к площади сферы c радиусом, равным радиусу земной орбиты.

Ну что же, давайте проверять.

Для начала придется сделать несколько допущений. Во всех дальнейших расчетах мы будем предполагать, что: Земля и Солнце являются идеальными шарами; Земля обращается вокруг Солнца по круговой орбите; излучение исходит от Солнца и распределяется в пространстве равномерно. Решать задачу мы будем исключительно на геометрическом уровне и не будем брать в расчет, что некоторая часть излучения вовсе не доходит до Земли, поглощаясь и отражаясь по пути сначала космической пылью и газами, а затем и земной атмосферой.

Для расчетов возьмем справочные средние значения нужных нам величин.

Радиус Земли r₁ = 6 371 км.

Расстояние от центра Земли до центра Солнца R = 149 597 870 км.

Искомая доля излучения = π(r₁)² / 4πR² = 0,000000000453…

То есть Земля получает приблизительно одну двухмиллиардную часть от общего солнечного излучения.

Теперь вычисляем площадь такой части поверхности Солнца, которая выдает именно эту долю излучения. Очевидно, что она будет равна произведению площади поверхности всего Солнца на только что найденную долю.

Радиус Солнца r₂ = 695 700 км.

Искомая площадь части поверхности:

S = 4π(r₂)² х 0,000000000453… = 2 757,771439343673… кв. километров.

Однако, выпив и рассудив трезво, я обнаружил, что такое решение нельзя назвать правильным. Если бы нам нужно было только оценить порядок этой величины, то можно было бы согласиться и с таким результатом. Но меня интересует точное решение, поэтому для его поиска придется немного пораскинуть мозгами. Хорошо бы заиметь какое-нибудь ненаглядное пособие.

Скажите мне, Киса, как художник – художнику: вы рисовать умеете? Нет? Я тоже. Но надо.

Рисовать мы будем на плоскости, а представлять нарисованное – в пространстве.

Рисуем Землю, рисуем Солнце. Рисуем, конечно, без соблюдения масштабов. Пунктирной линей разделяем Землю по диаметру. Для наглядности чертим круговую орбиту, по которой Земля обращается вокруг Солнца.

Проводим из центра Солнца касательные к окружности Земли (красные линии). Также проводим касательные между окружностями Земли и Солнца (синие линии).

Посмотрите, в каких точках красные касательные соприкасаются с Землей. Эти точки не совпадают с условными полюсами Земли, через которые проведена пунктирная линия.

А ведь в ранее рассмотренном алгоритме, который предлагают на различных сайтах и форумах, мы брали в расчет площадь сечения Земли, которое проходит через ее центр.

Теперь становится понятно, что приведенное выше решение является неверным.

Конечно же, невозможно провести из центра Солнца красные касательные к окружности Земли так, чтобы они коснулись Земли в точках условных полюсов. И чем ближе будут находиться друг к другу Земля и Солнце, или, чем больше будет отношение радиуса Земли к радиусу Солнца, тем дальше от полюсов будут отодвинуты точки, в которых красные касательные касаются Земли.

Теперь соединим отрезком точки пересечения красных касательных с поверхностью Солнца.

Этот отрезок отсекает часть Солнца. Перенеся построенную модель с плоскости в пространство, мы получим отсеченный от Солнца шаровой сегмент. Площадь его боковой (то есть выпуклой) поверхности, без учета площади основания, и будет равна той самой площади части Солнца, которую я ищу (вспомните мучивший меня вопрос).

Возможно, некоторый читатель воскликнет: не может быть! Ведь излучение исходит от Солнца не только перпендикулярно его поверхности! Солнце освещает Землю не только с части поверхности, ограниченной двумя красными касательными, но также и с других участков поверхности, что находятся между красными и синими касательными!

Конечно, это так. Но излучение, исходящее от Солнца с части поверхности, ограниченной двумя красными касательными, не всё идет на Землю, а частично уходит и в других направлениях. И если мы допускаем, что излучение исходит от Солнца и распределяется в пространстве равномерно, то становится очевидным, что количество излучения, исходящего от участков поверхности, находящихся между красными и синими касательными и направленного при этом на Землю, будет абсолютно равно количеству излучения, исходящему от части поверхности, ограниченной двумя красными касательными, но при этом не направленному в сторону Земли.

Следовательно, для вычисления нужной нам величины достаточно иметь только лишь рассмотренный выше отсеченный от Солнца шаровой сегмент. Если кто-то этого пока не понял, значит нужно поработать с более тщательным представлением модели сначала на плоскости, а потом и в пространстве.

Итак, мы будем искать площадь боковой (выпуклой) поверхности шарового сегмента, полученного отсечением части Солнца по точкам, где красные касательные пересекаются с его поверхностью.

Площадь боковой поверхности шарового сегмента:

S = 2πr₂h, где r₂ – радиус Солнца, h – высота шарового сегмента.

Теперь нам необходимо найти высоту шарового сегмента. Без тригонометрии здесь уже не обойтись. Проводим отрезки от центра Земли к точкам, в которых красные касательные касаются Земли. Соединяем отрезком центры Земли и Солнца.

Всем образующимся на нашей модели точкам даем имена.

Малюсенький отрезочек между точкой L и необозначенной точкой на поверхности Солнца – это и есть высота шарового сегмента, которую нам нужно найти. Точку на поверхности Солнца я не стал обозначать, чтобы она не сливалась с точкой L.

Но если увеличить картинку, то можно обозначить и вторую точку. Высота шарового сегмента равна длине отрезка NL.

Возвращаемся к предыдущей полной картинке, чтобы она была здесь, перед глазами.

Касательные, проведенные к окружности, всегда перпендикулярны радиусу, проведенному в точке касания.

Таким образом, мы имеем большой прямоугольный треугольник ACB и входящий в него маленький прямоугольный треугольник KLB. Углы ACB и KLB – прямые. Теперь нам нужно выяснить, чему равны острые углы треугольников.

Синус угла ABC будет равен отношению радиуса Земли к расстоянию между Землей и Солнцем.

sin (ABC) = AC / AB = 6 371 / 149 597 870 = 0,000042587504…

Зная синус угла ABC, определяем, что сам угол ABC = 0,002440084283… градуса.

Очевидно, что также и угол LBK = 0,002440084283… градуса.

Далее, угол LKB = 90 – 0,002440084283… = 89,997559915716… градусов.

Вычисляем длину отрезка LB, ведь нам теперь известны все углы и гипотенуза маленького треугольника, которая равна радиусу Солнца.

LB = KB х sin (LKB) = 695 699,999369105998… км.

Определяем высоту шарового сегмента:

NL = NB – LB = 0,000630894001… км, то есть всего около 63 сантиметров!

Площадь боковой поверхности шарового сегмента:

S = 2πr₂h = 2 757,771440594113… кв. километров.

Это и есть та самая часть поверхности Солнца, которая излучает ровно столько энергии, сколько Земля получает от всего Солнца в целом. Сей участок сравним по площади с Москвой в её границах по состоянию на 2019 год.

Теперь сравним полученный результат с тем, что был найден ранее, при расчете по неверному алгоритму.

Было: 2 757,771439343673… кв. километров.

Стало: 2 757,771440594113… кв. километров.

Казалось бы, разница ничтожна: всего лишь в 1,25 квадратных метра! Однако, такая разница возникает не из-за округлений или погрешностей в расчетах, а из-за того, что Земля очень маленькая по сравнению с Солнцем, находится от него очень далеко, и красные касательные касаются Земли почти рядом с ее условными полюсами. На нашем рисунке, где масштабы не соблюдены, этого, конечно, не видно.

Но стоит нам изменить стартовые параметры, как разница в результатах будет более значительная.

Увеличим радиус Земли в 100 раз, до 637 100 км.

Уменьшим радиус Солнца в 100 раз, до 6 957 км.

Уменьшим расстояние от Земли до Солнца в 100 раз, до 1 495 978,70 км.

Подставим полученные значения в расчетные формулы и получим следующее.

При расчете по первому (неверному) алгоритму S = 27 577 714,3934… кв. километров.

При расчете по второму (моему) алгоритму S = 28 956 294,8228… кв. километров.

Как видите, разница стала более ощутимой.

Таким образом, мы убедились в том, что вести расчеты по первому принципу (делением площади сечения Земли диаметральной плоскостью на площадь сферы c радиусом, равным радиусу земной орбиты) нельзя.

И на десерт – несколько удивительных фактов о мощности Солнца.

Солнце излучает колоссальное количество радиации и теряет при этом свою массу: каждую секунду в результате термоядерных процессов 4,26 миллиона тонн солнечного вещества превращаются в лучистую энергию. Чтобы увезти такой груз на товарном поезде, понадобится 71 000 вагонов, в каждый из которых будет загружено 60 тонн. Длина такого состава будет равна 994 км.

Представьте себе, что мимо вас такой поезд проносится за одну секунду. 60 поездов в минуту. 3 600 поездов в час. И так постоянно: миллиарды лет в прошлом и миллиарды – в будущем. Вот с какой скоростью Солнце расходует свою массу! И тем не менее, для него это ничтожно мало и похудение Солнцу абсолютно не грозит: за один миллиард лет оно теряет таким образом всего лишь одну пятнадцатитысячную долю своей массы.

Полная мощность излучения Солнца составляет 3,83 х 10 (в 20 степени) МВт. Соответственно, плотность мощности излучения на его поверхности приблизительно равна 62,97 МВт на квадратный метр, чего достаточно для безостановочной постоянной работы в полную силу 10 000 бытовых электрических плит с четырьмя нагревательными элементами или 1 000 000 лампочек накаливания мощностью по 60 Вт каждая. На каждом квадратном метре!

За один год Солнце генерирует 33,57 х 10 (в 23 степени) МВт·час энергии. До верхних слоев атмосферы Земли доходит, как мы ранее установили, приблизительно одна двухмиллиардная часть, а именно 1,52 х 10 (в 15 степени) МВт·час. В среднем 53% излучения отражаются, рассеиваются и поглощаются атмосферой Земли, и только лишь 7,15 х 10 (в 14 степени) МВт·час достигает поверхности нашей планеты в течение одного года. Маловато будет?

Если всю эту энергию распределить равномерно во времени и по всей поверхности Земли, то на каждый квадратный метр придется всего лишь 0,16 кВт мощности (не стоит путать это значение с Солнечной постоянной – суммарной мощностью солнечного излучения, проходящего через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы, которая составляет 1,37 кВт на квадратный метр).

Полученной на поверхности Земли среднесуточной мощности 0,16 кВт на квадратный метр хватит, чтобы зажечь только лишь две с половиной лампочки. И тем не менее, в масштабах всей Земли эта энергия огромна.

Согласно справочным данным, мировое потребление всей энергии в 2008 году составило 143 000 000 ГВт·час (в это значение входит суммарно вся потребляемая человечеством и промышленностью энергия, получаемая на всех видах электростанций и от всех видов энергоресурсов и добываемого топлива). Так вот, суммарно солнечное излучение, достигшее поверхности Земли, приносит энергии в 5 000 раз больше, чем фактически расходуется во всем мире.

Для сравнения, самая мощная электростанция в России (Саяно-Шушенская ГЭС) имеет мощность 6 400 МВт, а годовая выработка электроэнергии на ней составляет 23 500 ГВт·час (так как станция работает приблизительно на 40 процентов от максимальной проектной мощности).

Количество фактически вырабатываемой станцией энергии меньше мирового потребления в 6 085 раз. Именно столько Саяно-Шушенских ГЭС потребовалось бы создать на нашей планете для обеспечения ее потребностей, если бы на Земле больше не было других электростанций и источников энергии. Выходит, что Солнце дает нам на поверхности Земли энергии в 30 425 000 раз больше, чем вырабатывает Саяно-Шушенская ГЭС!

Однако, использование человечеством энергии Солнца пока ничтожно мало. По состоянию на 2017 год, суммарная установленная электрическая мощность всех солнечных электростанций в России составляла всего 75,20 МВт, то есть 0,03% от мощности всех электростанций нашей страны, вместе взятых. В США и странах Европы солнечную энергию используют куда более активно, но все равно несоизмеримо меньше, чем другие виды энергоносителей.

Несмотря на то, что солнечная энергия бесплатна и экологически чиста, существуют факторы, сдерживающие развитие этого вида энергетики: фотоэлементы весьма дороги, а плотность потока солнечного излучения на поверхности Земли такова, что придется строить поистине гигантские сооружения для получения мощных электростанций.

Поскольку в среднем на один квадратный метр поверхности Земли приходится 0,16 кВт мощности солнечной энергии, то для построения солнечной электростанции такой же мощности, как и фактическая мощность Саяно-Шушенской ГЭС, необходимо будет всплошную укрыть фотоэлементами поле площадью 17 квадратных километров. И это при условии, что КПД таких солнечных батарей составит 100 процентов.

Но в реальности на сегодняшний день мы имеем средний КПД фотоустановок около 15-20 процентов. И тогда, с учетом такой производительности, чтобы перевести всю энергетику Земли на солнечную, под установку фотоэлементов потребуется выделение территории площадью около 600 000 кв. километров (при равномерном распределении электростанций по всей Земле, по разным ее широтам). Это сравнимо с площадью всей Украины (извините, но вместе с Крымом).

Поэтому строить такие электростанции целесообразно в районах с наибольшей инсоляцией – в широтах, близких к экватору, где реальное значение поступающей на поверхность Земли мощности в дневное время в ясную погоду может достигать 0,8-0,9 кВт на квадратный метр, что позволит более эффективно использовать энергию Солнца и сократить площадь необходимой для строительства территории.

Так сможем ли мы научиться эффективно использовать энергию Солнца и спасти Землю от экологической катастрофы, до которой остался один шаг? На этот вопрос я ответа уже найти не могу.

Буду рад видеть ваши вопросы, комментарии и замечания.

P.S. Эта статья – уникальный контент, который не был откуда-либо скопирован, а был создан автором с нуля. На подбор материалов, проверку фактов, математические расчеты, создание графики, написание статьи, редактирование, коррекцию, а также типографскую подготовку к публикации было затрачено около 60 часов времени. Если эта работа заинтересовала вас, вы можете отблагодарить автора, отослав ему посильную сумму на Яндекс Деньги 4100189981909.

Солнечное излучение | SolarSoul.net ☀️

 Солнечная энергия

Каждые две недели Солнце отдает Земле такое количество энергии, которое все жители нашей планеты потребляют в течение года. Поэтому стоит обратить внимание на солнечное излучение как источник энергии.

 Излучение каждого тела в природе обладает своей длинной волны. С изменением температуры тела изменяется и длинна волны, чем выше интенсивность излучения, тем выше температуры. Соответственно и длинна волны будет больше, так до температуры 400 °С  излучение происходит в невидимом длинноволновом (инфракрасном) диапазоне. При повышении температуры начинается видимый спектр излучения. Например раскаленный металл при температуре до 900 °С, его излучение находится в видимом диапазоне.

И

нтенсивность солнечного излучения

Имея крайне высокие температуры, Солнце является очень сильным источником излучения. Видимый диапазон солнечного излучения обладает наивысшей интенсивность излучения. При этом до Земли так же доходит большое количество невидимого спектра. Внутри Солнца протекают  процессы, при которых из атомов водорода синтезируются атомы гелия. Это процессы называются процессами ядерного синтеза, они сопровождаются выделением огромного количества энергии. Эта энергия приводит к тому, что Солнце разогревается до температуры 15 миллионов градусов Цельсия (во внутренней его части).

Спектральное распределение солнечного света

На поверхности Солнца (фотосфере) температура достигает  5500°С. На этой поверхности Солнце излучает энергию со значение 63  МВт/ м².  До поверхности Земли доходит лишь немногая часть этого излучения, что позволяет комфортно существовать человечеству на нашей планете.  Средняя интенсивность излучения на атмосферу Земли приблизительно равна 1367 Вт/м². Данное значение может колебаться в диапазоне 5% из-за того что, двигаясь по эллиптической орбите Земля отдаляется от Солнца на разное расстояние в течение года. Значение 1367 Вт/ м² называют солнечной постоянной.     

Вращение Земли вокруг Солнца

Солнечная энергия на поверхности Земли

Атмосфера Земли не пропускает всю солнечную энергию.  Поверхности Земли достигает не более 1000 Вт/м2.  Часть энергии поглощается, часть отражается в слоях атмосферы и в облаках. Большое количество излучения рассеивается в слоях атмосферы, вследствие чего образуется рассеянное излучение (диффузное). На поверхности Земли тоже часть излучения отражается и превращается в рассеянное.   Сумма рассеянного и прямого излучения называется суммарным солнечным излучением. Рассеянное излучение может составлять от 20 до 60%.

Влияние атмосферы на солнечное излучение

На количество энергии, поступающее к поверхности Земли, так же влияет географическая широта и время года. Ось нашей планеты, проходящая через полюса, наклонена на 23,5° относительно орбиты вращения вокруг  Солнца. В период с марта до сентября солнечный свет больше попадает на Северное полушарие, в остальное время – Южное. Поэтому продолжительность дня в летнее и зимнее время разная. Широта местности та влияет на продолжительность светового дня. Чем Севернее, тем длиннее в летнее время и наоборот.

Для примера в Киеве (координаты 50,3° северной широты)  с учетом вышеизложенного в 12-00 21 декабря солнце будет находиться под углом всего лишь 16,2°. Летом этот угол будет выше. Забегая вперед, именно поэтому солнечные коллекторы и солнечные батареи  необходимо устанавливать под определенным углом, при этом этот угол зависит от целей использования. Если мы хотим добиться более высокой производительности зимой, то угол должен быть выше (более перпендикулярней лучам Солнца) а летом соответственно наоборот.

солнечное излучениесолнечный коллектор

Сколько энергии производит Солнце?

Я люблю солнце. Любое купание в нем — это оздоравливающая пауза. Даже когда на улице холодно, это тепло, излучаемое из далекого космоса, заставляет меня чувствовать себя довольно удачливым. Вот 3 причины, по которым я считаю солнце таким удивительным:

#1: Вы когда-нибудь поднимали взгляд в жаркий день и говорили: «Интересно, сколько энергии производит солнце?» Что ж, этого часа достаточно, чтобы запитать 2 880 триллионов лампочек

На изображении ниже вы увидите ровно 2 880 триллионов лампочек. Пожалуйста, остановитесь на мгновение, чтобы сосчитать их все, чтобы развить уважение к тому, сколько энергии производит солнце.

Это все равно, что дать каждому человеку на планете (а это 7 миллиардов человек) лампочку, которая будет ярко светить всю жизнь. Каждый час каждый квадратный метр верхних слоев атмосферы получает 1,367 кВтч солнечной энергии. Поскольку 60-ваттная лампочка потребляет 60 ватт x часов в час, или 60 Втч x 24 часа в день = 1440 Втч в день, а площадь нашей атмосферы составляет 120 триллионов квадратных метров, это все равно, что выбросить 120 ТРИЛЛИОНОВ 60-ваттных лампочек и все равно иметь достаточно электричества за один час солнечного света, чтобы ВСЕ эти лампочки могли светить 24 часа!

№2: Солнце — это гигантский ядерный взрыв!

Расположенное всего в 93 миллионах миль от поверхности нашей планеты Солнце представляет собой реакцию термоядерного синтеза. Хорошо, что это так далеко, поскольку при ядерном синтезе температура превышает 5700 °C (и достигает 14 миллионов °C в случае земного солнца). Для этой реакции требуется огромное количество чистого газообразного водорода, который находится исключительно в космосе.

#3: Солнце непрерывно излучает на Землю количество энергии, в 35 000 раз превышающее потребность всех нас, использующих электричество на планете!

Это ОГРОМНОЕ количество электричества. Этот фиолетовый квадрат наверху — это площадь земли, необходимая в Соединенных Штатах для использования технологии концентрирования солнечной энергии для питания всей нашей страны.

Основная причина, по которой мы должны использовать больше энергии, производимой солнцем, для нашего электричества

Из всей этой солнечной энергии, количество энергии, производимой солнцем, составляет менее 0,1% для электричества

(около 2% энергии в США поступает от солнца)

Больше, чем любой другой источник, мы зависим от электричества, вырабатываемого при сгорании ископаемого топлива, для питания тепловых двигателей, которые, в свою очередь, вращают электрические турбины. Ископаемое топливо — это материя, которая когда-то жила на поверхности земли, поглотила лучистую энергию солнца, умерла, разложилась и интегрировалась в метаморфическую геологию планеты. Когда ископаемое топливо выкапывается и сжигается в атмосфере, высвобождается ископаемая солнечная тепловая энергия, которую можно использовать для выполнения работы.

Однако это оказывается очень неэффективным использованием энергии. Второй закон термодинамики гласит, что любое преобразование энергии связано с потерей эффективности, а тепловые двигатели являются одним из наименее эффективных способов преобразования энергии. (Дополнительная неэффективность возникает из-за добычи ископаемого топлива, а также транспортировки и передачи этой энергии всем нам.)

Сжигание ископаемого топлива для получения энергии не только неэффективно, но и нецелесообразно. Ископаемое топливо является продуктом миллионов лет ненарушенной геологической деятельности. При их сжигании в атмосферу выделяется углерод со скоростью, которая нарушает экологические процессы.

К счастью, мы придумали более прямые и эффективные способы поглощения солнечной энергии. Огромные зеркала концентрируют солнечные лучи на теплоаккумуляторе, таком как вода, которая, в свою очередь, вырабатывает пар для питания турбин. Фотогальванические элементы преобразуют фотоны солнечного света непосредственно в напряжение и генерируют постоянный электрический ток. Лучистая солнечная энергия влияет на движение атмосферных жидкостей, таких как воздух и вода. Затем кинетическая энергия движущегося воздуха или воды может быть использована для вращения электрической турбины. Великолепно!

Солнечные панели, ветряные электростанции и тому подобное — отличные решения на долгую перспективу. Если вам интересно, как вы можете избежать хлопот и разрушения старой добычи энергии skül, вы попали в нужное место. Спросите у местного установщика, как вы можете начать собирать энергию непосредственно от нашего солнца.

Дэн — солнечный журналист и консультант по контенту в SolarReviews. Он также работает с установщиками солнечных батарей и некоммерческими организациями в области солнечной энергетики, разрабатывая и выполняя стратегические планы.

Сколько энергии производит Солнце?

More Great Content:

Солнце — одна из великих «хорошо постигнутых тайн». Наука установила его, но большинство людей не совсем уверены, как наш пылающий шар света творит свое волшебство.

Вам не нужны ученые степени по физике и химии, чтобы понять степень тепла, производимого солнцем. В то же время это может стать немного сложным, когда мы думаем о том, сколько тепла от него уходит.

Сложность заключается в том, что вам нужно понять «как», чтобы в полной мере оценить «сколько».

В следующих разделах дается общее представление о том, как солнце производит тепло, а также о том, сколько тепла оно излучает в любой момент времени. Когда вы поймете эти вещи, вы станете на один шаг ближе к полному пониманию того, как парящий газовый шар посреди космоса питает нашу планету! Это удивительные вещи, и пришло время всем нам узнать больше.

Как солнце производит тепло

Допустим, у вас есть костюм, который может защитить вас от любой температуры. Вы надеваете этот суперкостюм, и вы защищены от разрушительно экстремальных температур солнца (от 5 000 до 27 000 000 градусов по Фаренгейту, в зависимости от того, где вы находитесь).

Теперь вы выпрыгиваете из своего космического корабля, чтобы попытаться коснуться поверхности солнца, но обнаруживаете, что приземлиться совершенно некуда!

Это потому, что солнце состоит из газа, и хотя оно выглядит как твердая сфера, оно удерживается на месте только огромной силой собственной гравитации. Согласно теории туманностей, звезды, подобные нашему Солнцу, образуются, когда большие газовые облака, называемые туманностями, поддаются собственной огромной гравитационной силе.

Согласно Теории туманностей, звезды, подобные нашему Солнцу, образуются, когда большие газовые облака, называемые туманностями, поддаются собственной огромной гравитационной силе.

© iStock.com/Ed Williams

Все устремляется вниз к центру, и плотный шар атомов становится еще более массивным, создавая большую гравитационную силу, которая втягивает еще больше газа внутрь. В результате гравитация настолько сильна, что атомы сталкиваются в процессе ядерного синтеза.

Основы ядерного синтеза

Солнце производит энергию в процессе ядерного деления.

Когда газы получают достаточно энергии (тепловой или электрической), они могут изменить состояние и стать плазмой. Хотя они меняют свое физическое состояние, их химическая природа остается довольно похожей. Ключевое различие между газом и плазмой заключается в поведении электронов.

Когда тепла достаточно, орбитальные электроны покидают свои атомы, вызывая изменение состояния газа и переход в состояние плазмы. Некоторыми примерами плазмы в природе являются северное сияние и молнии.

Температура, необходимая для образования плазмы, ниже температуры синтеза, поэтому синтез на нашем Солнце всегда происходит при наличии плазмы. Плазма образуется ближе к ядру Солнца, потому что ядро ​​намного горячее, чем внешние слои, и вскоре после этого там начинается синтез.

Когда температура достигает 10 000 000 градусов, атомы мчатся с чрезвычайно высокой скоростью, врезаясь друг в друга с огромной силой. При более низких температурах атомы разделены силой электрического отталкивания друг к другу (поэтому изображения атомов всегда включают в себя различные частицы, подпрыгивающие вокруг или просто дающие друг другу много места).

Однако, когда тепла достаточно, эта тепловая энергия заставляет атомы двигаться быстрее, чем может выдержать отталкивание электронов, заставляя ядра сталкиваться друг с другом и переформулироваться. Рассматриваемые ядра представляют собой протоны водорода.

Эти одинокие частички водорода сбиваются вместе таким образом, что они сливаются , теряя при этом электрон. Когда происходит это слияние, рассматриваемые протоны сливаются, образуя гелий.

Вот почему водород и гелий являются двумя наиболее активно присутствующими элементами на Солнце. Водород составляет чуть менее 75% его массы, а гелий — чуть менее 25%. Оставшуюся массу поглощают более тяжелые элементы.

Солнце производит энергию в процессе ядерного деления.

© Юрчанка Сергей/Shutterstock.com

Откуда берется тепло?

Это слияние протонов водорода в гелий называется «цепочка протон-протон». Здесь вам придется смириться с несколькими научными терминами, но посмотрите, сможете ли вы проследить общий процесс.

Если вы запутались в терминах, проведите небольшое исследование, и вы обнаружите, что большинство названий делают вещи более сложными, чем они есть на самом деле. Тем не менее, общая идея состоит в том, что огромное количество энергии высвобождается каждый раз, когда происходит переход.

Для начала два одиночных протона сталкиваются друг с другом. Они выделяют энергию (один позитрон и одно нейтрино), а один из протонов при этом превращается в нейтрон. Протон и нейтрон теперь притягиваются друг к другу и образуют связь.

Затем эта пара сливается с другим одиноким протоном, высвобождая при этом энергию (гамма-излучение). На этом этапе молекула называется гелием-3, потому что она имеет два протона и один нейтрон.

Этот гелий-3 притягивается к другому гелию-3 на той же стадии процесса. Эти два гелия-3 сливаются, создавая гелий-4. При этом обмене высвобождаются два протона водорода. 92) выяснить, сколько энергии высвобождается. Возьмите материю, высвободившуюся при сделке, и умножьте ее на скорость света (примерно 6,702 x 10 ⁸ миль в час) в квадрате.

Избавьте себя от ума, необходимого для того, чтобы найти ответ на это уравнение. Количество энергии, содержащейся в маленьком протоне, астрономически по сравнению с его размером. Кроме того, у нас есть блестящие астрофизики и математики, которые занимаются такой математикой. В следующем разделе мы рассмотрим, сколько именно энергии это практически.

Эти взаимодействия происходят миллиарды и миллиарды раз, каждое мгновение, когда солнце находится там, излучая свет. Итак, сколько же энергии производит Солнце в результате ядерного синтеза?

Большой вопрос: сколько энергии излучает Солнце?

В ядре Солнца в результате синтеза выделяется тепло не менее 27 000 000 градусов по Фаренгейту, хотя не все это тепло высвобождается сразу.

Энергия высвобождается множеством способов. Энергия, полученная в результате синтеза, существует в виде электричества, излучения, ветра и, что наиболее важно для нас, солнечный свет.

В совокупности солнце производит 380 000 000 000 тераджоулей энергии каждую секунду. Один тераджоуль равен 1 000 000 000 джоулей. 3600 джоулей эквивалентны одному ватт-часу, и, чтобы представить некоторую перспективу, большинство сотовых телефонов держат около 5 ватт-часов заряда.

Если сложить количество энергии, используемой всеми людьми на планете каждый год, мы получим около 580 000 000 тераджоулей. Самая большая из когда-либо созданных ядерных бомб содержала около 0,00034% этой энергии и взрывалась примерно на 200 000 тераджоулей.

Итак, самая большая ядерная бомба, которую когда-либо устанавливали люди, составляет бесконечно малые 0,00000053% от количества энергии, которое Солнце производит каждую секунду. Это тоже полезный пример, потому что ядерные бомбы и солнце используют один и тот же метод производства энергии.

Вот некоторые основные выводы:

• За одну секунду солнце производит энергии, которой человечество затрачивает более 600 лет0102
• Вся солнечная энергия производится субатомными частицами

Как долго просуществует Солнце?

Каждый раз, когда в результате реакции ядерного синтеза частицы и энергия высвобождаются во Вселенную, крошечная часть солнечной массы также уходит в космос. В конце концов, это приведет к тому, что у Солнца закончится топливо. Обратите внимание, что источники топлива Солнца (водород и гелий) также составляют его массу.

По лучшим оценкам ученых, это дает солнцу около 4 миллиардов лет, прежде чем оно полностью высохнет. В конце концов, эта уменьшенная масса уменьшит гравитационную силу, которой в настоящее время обладает Солнце. Когда это произойдет, Солнце больше не сможет удерживать свое содержимое в такой плотной области, и внешние слои газа будут расширяться наружу.

Солнце на этом этапе своей жизни называют «красным гигантом», потому что оно сохраняет свой цвет при расширении.

Со временем наше Солнце может охватить всю солнечную систему, что приведет к образованию планетарной туманности. Большие звезды заканчиваются взрывом, образуя сверхновые. Наше, скорее всего, растянется и ляжет в виде прекрасного газообразного облака, прежде чем переформулируется во что-то новое.

Солнце на этом этапе своей жизни называют «красным гигантом», потому что оно сохраняет свой цвет при расширении.