Происхождение солнечной энергии

Хотя в нашей жизни Солнце играет исключительно большую роль, оно является лишь незаметным членом так называемой главной последовательности звезд. Оно принадлежит к классу карликовых желтых звезд спектрального типа dG, более многочисленному, чем другие классы. В настоящее время предполагают, что эти звезды, как и другие, образовались из туманностей более раннего происхождения. Возможно, что началом образования отдельных изолированных небесных тел с повышенной плотностью вещества послужило хаотическое движение последнего в таких туманностях. Под действием тяготения вокруг этих тел начался процесс концентрации вещества, называемый холодной аккрецией. Подобные скопления вещества непрерывно уплотнялись под действием собственных сил тяготения, все время притягивая к себе новое вещество, постоянно увеличивая свои размеры и плотность. Уплотнение, по-видимому, прекращается, когда силам тяготения начинают противодействовать иные силы взаимодействия, возникающие при сближении частиц. Позже мы подробнее рассмотрим характер такого взаимодействия.

Действие гравитационных сил, под влиянием которых сближаются частицы вещества в туманности, подобно действию пружин. Эти гравитационные "пружины" имеют одну особенность: при достаточном удалении частиц их действие ослабевает. Сближение частиц приводит к ускорению их движения. Совершаемая при сжатии "пружин" работа (она связана с изменением энергии гравитационного поля) проявляется в увеличении энергии движения частиц. При этом каждая частица взаимодействует со множеством других. Частицы вещества при своем движении испытывают возмущения, в результате температура туманности повышается. При некоторой температуре (когда частицы приблизятся друг к другу на достаточное расстояние) может произойти ядерная реакция. Последствия этого зависят от природы и количества участвующего в реакции материала. Для звезд типа Солнца характерна такая эволюция: они вступают в длительный период относительной устойчивости, в течение которого очень медленно сжимаются, поскольку силы сжатия почти уравновешены силами давления, обусловленного исходящим из звезды излучением.

Температура в центре Солнца достигает 107°С; при такой температуре вещество уже не может сохранять обычную упорядоченную структуру из атомов и молекул. Оно становится плазмой, в которой ядра атомов движутся отдельно от электронов. При столкновении таких свободных ядер происходят термоядерные взрывы. Наблюдая поведение более холодного вещества на видимой поверхности Солнца, ученые пришли к выводу, что термоядерные реакции осуществляются в глубинах Солнца.

Температура видимой поверхности Солнца составляет около 5500°С, то есть она достаточно велика, чтобы атомы находились в возбужденном состоянии, и вместе с тем достаточно низка, чтобы здесь время от времени возникали обычные атомы и молекулярные структуры. Как мы увидим дальше, эти атомы можно обнаружить на основе анализа солнечных спектров излучения и поглощения. Сейчас уже установлено, что на Солнце присутствует по крайней мере ²/₃ элементов из числа найденных на Земле. Наиболее распространен на Солнце самый легкий элемент - водород. Солнечное вещество примерно на 80% состоит из водорода и почти на 20% - из гелия, другого наиболее легкого после водорода элемента. Это хорошо согласуется с общепринятым положением, что основным источником энергии излучения Солнца является реакция синтеза ядер водорода, которая приводит к образованию гелия. Ядра водорода состоят из одной положительно заряженной частицы - протона. Обычно одноименно заряженные частицы отталкиваются, но при достаточно высокой температуре их движение становится столь быстрым, что они могут приблизиться друг к другу на расстояние, при котором возможно их слияние под действием сил притяжения. При этом из каждых четырех ядер водорода образуются одно ядро гелия, два нейтрино и некоторое количество γ излучения. Нейтрино - это чрезвычайно стабильные незаряженные частицы, обладающие огромной проникающей способностью. Они сразу же покидают пределы Солнца и не принимают участия в дальнейших "событиях", а вот γ-излучение, как увидим далее, претерпевает существенное изменение, В ходе такой реакции расходуется примерно ³/₄ % вещества. В результате масса Солнца каждую секунду уменьшается на 4*10⁶ т, тем не менее ученые полагают, что его состояние практически не изменится еще в течение миллиардов лет.