Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет?

в 20:44, , рубрики: астрономия, гамма-излучение, Научно-популярное, солнце, спросите итана, физика, ядерный синтез

Солнце получает энергию благодаря синтезу в ядре. Но может ли свет появиться на его поверхности?

Птицы поют после шторма; почему бы и людям не радоваться отведённому им солнечному свету?
— Роуз Кеннеди

Но всё же, сам по себе свет Солнца был бы для нас смертелен, если бы мы встретились с ним в момент его появления. Как всегда, вы не разочаровываете меня своими вопросами и предложениями, и их спектр протянулся от инфляции до чёрных дыр и аннигиляции антиматерии, но я выбираю лишь один вопрос в неделю. В этот раз спрашивает kbanks64:

Я много раз слышал, что солнечному свету требуются тысячи лет, чтобы добраться из центра Солнца на поверхность. Я понимаю это, но хочу спросить – не создаётся ли какой свет на поверхности Солнца, чтобы покинуть его немедленно?

Солнце – интересная штука, а свет от Солнца – ещё более интересная штука! Давайте разбираться.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 1

Если бы не было ядерного синтеза, единственным источником энергии Солнца была бы наша родная гравитация. Лорд Кельвин изначально считал, что Солнце со временем будет сжиматься, и что огромное количество потенциальной гравитационной энергии в процессе конвертируется в тепло, излучаемое с его поверхности.

Это была прекрасная идея, но такой процесс подпитывал бы Солнце не более 100 миллионов лет, чего совершенно недостаточно с точки зрения геологии и биологии, наблюдаемой нами на Земле. Некоторые звёзды – такие, как белые карлики, (включая и Сириус В на картинке выше, имеющий массу, сравнимую с солнечной) – подпитываются таким механизмом Кельвина-Гельмгольца, но их свечение в несколько миллионов раз слабее, чем у Солнца.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 2

Свет Солнца питается от ядерного синтеза, в котором из лёгких ядер синтезируются тяжёлые, а в процессе испускается огромное количество энергии (E = mc2) и высокоэнергетических фотонов.

Но, как отмечает наш читатель, эти реакции проходят только в ядре, и огромное количество ионизированных атомов – протонов, ядер и свободных электронов – препятствуют тому, чтобы эти фотоны достигали поверхности Солнца без того, чтобы вначале претерпеть огромное количество столкновений. Из-за них получается большое количество гораздо более холодных фотонов, с длинами волн из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов, вместо первоначального гамма-излучения.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 3

Ядерный синтез происходит по шагам, когда два протона сливаются в дейтрон, затем из дейтерия синтезируется гелий-3 или тритий, а из гелия-3 или трития с ещё одним дейтроном синтезируется гелий-4, и в процессе получаются побочные продукты реакций в виде протонов и нейтронов, а также нейтрино и высокоэнергетических фотонов.

• Нейтрино беспрепятственно покидают Солнце.
• Высокоэнергетические фотоны претерпевают огромное количество столкновений, и выход наружу занимает от десятков до сотен тысяч лет.
• Продукты реакций остаются стабильными, распадаются, или участвуют в других реакциях, но всё это происходит в глубине светила.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 4

Процесс синтеза требует квантовой физики: энергии даже в ядре Солнца, где температуры могут превышать 15 000 000 K, всё ещё недостаточно для их прохождения. Вместо этого при таких температурах существует небольшая квантовая вероятность, порядка 1 шанса на 1028, что при столкновении частицы туннелируют в более тяжёлое ядро. Но внутри Солнца существуют такие плотности и температуры, что ежесекундно 4 * 1038 протонов сливаются в гелий.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 5

Но эти реакции не происходят близко к поверхности. Даже при помощи квантовой физики для синтеза необходима температура не менее 4 000 000 K, а такие температуры кончаются примерно в середине зоны излучения (более 99% всего синтеза происходит в ядре). Так что, нет, никакие реакции синтеза, питающие Солнце, не происходят так близко к поверхности, чтобы их результаты достигли наших глаз.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 6

Но на Солнце происходит кое-что ещё: её фотосферу окружает высокотемпературная плазма, солнечная корона. Эта горячая ионизированная плазма может достигать температур в миллионы градусов, в отличие от всего 6000 К у фотосферы. Кроме того, существуют солнечные вспышки, исходящие изнутри Солнца, массовые выбросы и прочие эффекты, увеличивающие температуру Солнца в определённых местах.

И хотя эти эффекты не приводят к запуску дополнительных реакций ядерного синтеза, они меняют профиль испускания энергии. Спектр, показанный мною ранее, это всего лишь идеализированная ложь.

Вот, как на самом деле выглядит Солнце.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 7

Заметьте, насколько он отличается. Он более энергетический в дальнем ультрафиолете и околорентгеновском диапазоне (но гамма-лучей всё же нет, извините; только во время вспышек – и то, из-за шокового нагрева, а не из-за ядерного синтеза). Разницу можно понять, рассмотрев отдельные, конкретные длины волн света.

Мы наблюдаем, что видимый свет на поверхности Солнца довольно однородный (за исключением более холодных пятен), и близкий к ультрафиолету свет следует примерно той же схеме. Но у более коротких волн и высоких энергий эти энергии достигаются только в районах вспышек и солнечной короны.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 8

Свет, исходящий от внешних слоёв Солнца – из фотосферы и короны – совпадает с излучением любого тела во Вселенной, нагретого до определённой температуры. Просто излучает его не единая поверхность Солнца, а набор абсолютно чёрных тел, некоторые из которых находятся в глубине верхних слоёв, где температура повыше, а другие – снаружи, в фотосфере, где температура пониже.

Поэтому, рассматривая детализацию спектра излучения Солнца, мы видим отклонения от абсолютно чёрного тела не только на высоких энергиях, но и на всех энергиях.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 9

Поэтому, в итоге:
• Реакции ядерного синтеза, происходящие внутри Солнца, идут очень глубоко, и никакие созданные в них фотоны не попадают на поверхность, не испытав множество столкновений.
• Свет излучается с внешних слоёв Солнца, из фотосферы и короны.
• Корона – самая горячая часть (почему – это отдельная тема), и она отвечает за большую часть излучения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне, но её вклад в видимый свет невелик, и заметен только при полных затмениях.
• В излучающих свет регионах не происходят ядерные реакции, но иногда из-за вспышек происходит шоковый нагрев, приводящий к излучению высокоэнергетических гамма-лучей.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 10

Всё это, строго говоря, солнечный свет, и это наиболее близкий к ответу «да» вариант. Энергия внутренностей Солнца разогревает все его различные слои, включая и внешние, до указанных температур. Атомы, разогретые до этих температур, испускают фотоны, соответствующие этим температурам, и так получается солнечный свет на всех этих различных частотах.

Но если суть вопроса была в том, происходят ли ядерные реакции достаточно близко к поверхности, для того, чтобы мы видели их непосредственный результат, тогда ответ будет отрицательный – если только вы не будете смотреть на Солнце в нейтринный телескоп.

Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет? - 11

А в этом случае, да, мы увидим их все!

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля