> Из чего состоит Солнце

Узнайте, из чего состоит Солнце : описание структуры и состава звезды, перечисление химических элементов, количество и характеристика слоев с фото, диаграмма.

С Земли, Солнце выглядит как гладкий огненный шар, и до открытия комическим кораблём Galileo пятен на Солнце, многие астрономы считали, что оно идеальной формы без дефектов. Теперь мы знаем, что Солнце состоит из нескольких слоёв, как и Земля, каждый из которых выполняет свою функцию. Эта структура Солнца, похожая на массивную печь, является поставщиком всей энергии на Земле, необходимой для земной жизни.

Из каких элементов состоит Солнце?

Если бы у вас получилось разложить звезду на части, и сравнить составные элементы, вы бы поняли, что состав представляет собою 74% водорода и 24% гелия. Также, Солнце состоит из 1% кислорода, и оставшийся 1% - это такие химические элементы таблицы Менделеева, как хром, кальций, неон, углерод, магний, сера, кремний, никель, железо. Астрономы полагают, что элемент тяжелее гелия – это металл.

Как появились все эти элементы Солнца? В результате Большого Взрыва появились водород и гелий. В начале становления Вселенной, первый элемент, водород, появился из элементарных частиц. Из-за большой температуры и давления условия во Вселенной были как в ядре звезды. Позже, водород синтезировался в гелий, пока во Вселенной была высокая температура, необходимая для протекания реакции синтеза. Существующие пропорции водорода и гелия, которые есть во Вселенной сейчас, сложились после Большого Взрыва и не изменялись.

Остальные элементы Солнца созданы в других звездах. В ядрах звезд постоянно происходит процесс синтеза водорода в гелий. После выработки всего кислорода в ядре, они переходят на ядерный синтез более тяжелых элементов, таких как литий, кислород, гелий. Многие тяжелые металлы, которые есть в Солнце, образовывались и в других звездах в конце их жизни.

Образование самых тяжелых элементов, золота и урана, происходило, когда звезды, во много раз больше нашего Солнца, детонировали. За доли секунды образования черной дыры, элементы сталкивались на большой скорости и образовывались самые тяжелые элементы. Взрыв раскидал эти элементы по всей Вселенной, где они помогли образоваться новым звездам.

Наше Солнце собрало в себя элементы, созданные Большим Взрывом, элементы от умирающих звезд и частицы появившихся в результате новых детонаций звезд.

Из каких слоев состоит Солнце

На первый взгляд, Солнце - просто шар, состоящий из гелия и водорода, но при более глубоком изучении видно, что оно состоит из разных слоев. При движении к ядру, температура и давление увеличиваются, в результате этого были созданы слои, так как при различных условиях водород и гелий имеют разные характеристики.

Солнечное ядро

Начнем наше движение по слоям от ядра к наружному слою состава Солнца. Во внутреннем слое Солнца – ядре, температура и давление очень высокие, способствующие для протекания ядерного синтеза. Солнце создает из водорода атомы гелия, в результате этой реакции образуется свет и тепло, которые доходят до . Принято считать, что температура на Солнце около 13,600,000 градусов по Кельвину, а плотность ядра в 150 раз выше плотности воды.

Ученые и астрономы считают, что ядро Солнца достигает около 20% длины солнечного радиуса. И внутри ядра, высокая температура и давление способствуют разрыву атомов водорода на протоны, нейтроны и электроны. Солнце преобразовывает их в атомы гелия, не смотря на их свободно плавающее состояние.

Такая реакция называется экзотермической. При протекании этой реакции выделяется большое количество тепла, равное 389 х 10 31 дж. в секунду.

Радиационная зона Солнца

Эта зона берет свое начало у границы ядра (20% солнечного радиуса), и достигает длины до 70% радиуса Солнца. Внутри этой зоны находится солнечное вещество, которое по своему составу достаточно плотное и горячее, поэтому тепловое излучение проходит через него, не теряя тепло.

Внутри солнечного ядра протекает реакция ядерного синтеза – создание атомов гелия в результате слияния протонов. В результате этой реакции происходит большое количество гамма-излучения. В данном процессе испускаются фотоны энергии, затем поглощаются в радиационной зоне и испускаются различными частицами вновь.

Траекторию движения фотона принято называть «случайным блужданием». Вместо движения по прямой траектории к поверхности Солнца, фотон движется зигзагообразно. В итоге, каждому фотону необходимо примерно 200.000 лет для преодоления радиационной зоны Солнца. При переходе от одной частицы к другой частице происходит потеря энергии фотоном. Для Земли это хорошо, ведь мы бы могли получать лишь гамма-излучение, идущее от Солнца. Фотону, попавшему в космос необходимо 8 минут для путешествия к Земле.

Большое количество звезд имеют радиационные зоны, и их размеры напрямую зависит от масштаба звезды. Чем меньше звезда, тем меньше будут зоны, большую часть которой будет занимать конвективная зона. У самых маленьких звезд могут отсутствовать радиационные зоны, а конвективная зона будет достигать расстояние до ядра. У самых больших звезд ситуация противоположная, радиационная зона простирается до поверхности.

Конвективная зона

Конвективная зона находится снаружи радиационной зоны, где внутреннее тепло Солнца перетекает по столбам горячего газа.

Почти все звезды имеют такую зону. У нашего Солнца она простирается от 70% радиуса Солнца до поверхности (фотосферы). Газ в глубине звезды, у самого ядра, нагреваясь, поднимается на поверхность, как пузырьки воска в лампадке. При достижении поверхности звезды, происходит потеря тепла, при охлаждении газ обратно погружается к центру, за возобновлением тепловой энергии. Как пример, можно привезти, кастрюля с кипящей водой на огне.

Поверхность Солнца похожа на рыхлую почву. Эти неровности и есть столбы горячего газа, несущие тепло к поверхности Солнца. Их ширина достигает 1000 км, а время рассеивания достигает 8-20 минут.

Астрономы считают, что звезды маленькой массы, такие как красные карлики, имеющие только конвективную зону, которая простирается до ядра. У них отсутствует радиационная зона, что нельзя сказать о Солнце.

Фотосфера

Единственный видимый с Земли слой Солнца – . Ниже этого слоя, Солнце становится непрозрачным, и астрономы используют другие методы для изучения внутренней части нашей звезды. Температуры поверхности достигает 6000 Кельвин, светится желто-белым цветом, видимым с Земли.

Атмосфера Солнца находится за фотосферой. Та часть Солнца, которая видна во время солнечного затмения, называется .

Строение Солнца в диаграмме

NASA специально разработало для образовательных потребностей схематическое изображение строения и состава Солнца с указанием температуры для каждого слоя:

• (Visible, IR and UV radiation) – это видимое излучение, инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение – это свет, которые мы видим приходящим от Солнца. Инфракрасное излучение – это тепло, которое мы ощущаем. Ультрафиолетовое излучение – это излучение, дающее нам загар. Солнце производит эти излучения одновременно.
• (Photosphere 6000 K) – Фотосфера – это верхний слой Солнца, поверхность его. Температура 6000 Кельвин равна 5700 градусов Цельсия.
• Radio emissions (пер. Радио эмиссия) – Помимо видимого излучения, инфракрасного излучения и ультрафиолетового излучения, Солнце отправляет радио эмиссию, которую астрономы обнаружили с помощью радиотелескопа. В зависимости от количества пятен на Солнце, эта эмиссия возрастает и снижается.
• Coronal Hole (пер. Корональная дыра) – Это места на Солнце, где корона имеет небольшую плотность плазмы, в результате она темнее и холоднее.
• 2100000 К (2100000 Кельвин) – Радиационная зона Солнца имеет такую температуру.
• Convective zone/Turbulent convection (пер. Конвективная зона/Турбулентная конвекция) – Это места на Солнце, где тепловая энергия ядра передается с помощью конвекции. Столбы плазмы доходят до поверхности, отдают своё тепло, и вновь устремляются вниз, чтоб вновь нагреться.
• Coronal loops (пер. Корональные петли) – петли, состоящие из плазмы, в атмосфере Солнца, движущиеся по магнитным линиям. Они похожи на огромные арки, простирающиеся от поверхности на десятки тысяч километров.
• Core (пер. Ядро) – это солнечное сердце, в котором происходит ядерный синтез, при помощи высокой температуры и давления. Вся солнечная энергия происходит из ядра.
• 14,500,000 К (пер. 14,500,000 Кельвин) – Температура солнечного ядра.
• Radiative Zone (пер. Радиационная зона) – Слой Солнца, где энергия передается при помощи радиации. Фотон преодолевает радиационную зону за 200.000 и выходит в открытый космос.
• Neutrinos (пер. Нейтрино) – это ничтожно маленькие по массе частицы, исходящие из Солнца в результате реакции ядерного синтеза. Сотни тысяч нейтрино проходят через тело человека ежесекундно, но никакого вреда нам не приносят, мы их не чувствуем.
• Chromospheric Flare (пер. Хромосферная вспышка) – Магнитное поле нашей звезды может закручиваться, а потом резко разрывается в различных формах. В результате разрывов магнитных полей появляются мощные рентгеновские вспышки, исходящие из поверхности Солнца.
• Magnetic Field Loop (пер. Петля магнитного поля) – Магнитное поле Солнца находится над фотосферой, и видно, так как раскаленная плазма движется по магнитным линиям в атмосфере Солнца.
• Spot– A sunspot (пер. Солнечные пятна) – Это места на поверхности Солнца, где магнитные поля проходят через поверхность Солнца, и на них температура ниже, часто в виде петли.
• Energetic particles (пер. Энергичные частицы) – Они исходят из поверхности Солнца, в результате создается солнечный ветер. В солнечных бурях их скорость достигает скорости света.
• X-rays (пер. Рентгеновские лучи) – невидимые для глаза человека лучи, образующиеся во вспышек на Солнце.
• Bright spots and short-lived magnetic regions (пер. Яркие пятна и недолгие магнитные регионы) – Из-за перепада температур на поверхности Солнца появляются яркие и тусклые пятна.

Солнце является неисчерпаемым источником энергия. Многие миллиарды лет оно испускает огромное количе­ство тепла и света. Для создания такого же количества энергии, какое испускает Солнце, понадобилось бы 180 ООО ООО миллиардов электростанций, обладающих мощностью Куйбышевской ГЭС.

Основным, источником энергии Солнца служат ядер - ныа реакции. Какие же реакции там происходят? Может быть, Солнце - это гигантский атомный котёл, сжигаю­щий огромные запасы урана или тория?

Солнце состоит главным образом из лёгких элемен­тов - водорода, гелия, углерода, азота и т. д. Около по­ловины его массы составляет водород. Количество урана и тория на Солнце очень невелико. Поэтому они не могут быть основными источниками солнечной энергии.

В недрах Солнца, где происходят ядерные реакции, температура достигает примерно 20 миллионов градусов. Заключённое там вещество находится под огромным дав­лением в сотни миллионов тонн на каждый квадратный сантиметр и чрезвычайно уплотнено. При таких условиях могут происходить ядерные реакции иного типа, которые приводят не к делению тяжёлых ядер на более лёгкие, а наоборот - к образованию более тяжёлых ядер из бо­лее лёгких.

Мы уже видели, что соединение протона и нейтрона в ядро тяжёлого водорода или двух прогонов и двух ней­тронов в ядро гелия сопровождается освобождением боль­шого количества энергии. Однако трудность получения необходимого количества нейтронов лишает этот способ освобождения атомной энергии практической ценности.

Более тяжёлые ядра можно создавать и с помощью одних протонов. Например, соединив друг с другом два протона, мы получим ядро тяжёлого водорода, так как один из двух протонов тотчас же превратится в нейтрон.

Соединение протонов в более тяжёлые ядра происхо­дит под действием ядерных сил. При этом освобождается очень большая энергия. Но при сближении протонов бы­стро возрастает электрическое отталкивание между ними. Медленные прогоны не могут преодолеть этого отталкива­ния и подойти друг к другу на достаточно близкое рас­стояние. Поэтому такие реакции производятся только очень быстрыми протонами, имеющими запас энергии, до­статочный для преодоления действия электрических сил отталкивания.

При царящей в недрах Солнца чрезвычайно высокой температуре атомы водорода теряют свои электроны. Не­которая доля ядер этих атомов (прогонов) приобретает скорости, достаточные для образования более тяжёлых ядер. Так как количество таких протонов в глубине Солнца весьма велико, то и количество создаваемых ими более тяжёлых ядер оказывается значительным. При этом освобождается очень большая энергия.

Ядерные реакции, идущие при очень высоких темпера­турах, называются термоядерными. Примером тер­моядерной реакции может служить образование ядер тяжёлого водорода из двух протонов. Оно происходит сле­дующим путём:

1Н 1 + ,№ - + +1е« .

Протон протон тяжёлый позитрон водород

Освобождаемая при этом энергия почти в 500 ООО раз больше, чем при горении угля.

Необходимо отметить, что и при столь высокой темпе­ратуре далеко не каждое столкновение протонов друг с другом приводит к образованию ядер тяжёлого водо­рода. Поэтому протоны расходуются постепенно, что и обеспечивает выделение ядерной энергии на протяжении сотен миллиардов лет.

Солнечная энергия, повидимому, получается с помо­щью другой ядерной реакции - превращения водорода в гелий. Если четыре ядра водорода (протона) соединить в одно более тяжёлое ядро, то это и будет ядро гелия, так как два из этих четырёх протонов превратятся в нейтроны. Такая реакция имеет следующий вид:

4,№ - 2Не*+ 2 +1е° . водород гелий позитроны

Образование гелия из водорода происходит на Солнце несколько более сложным путём, который, однако, приво­дит к такому же результату. Происходящие при этом реакции изображены на рис. 23.

Сначала один протон соединяется с ядром углерода бС12, образуя неустойчивый ивотоп азота 7И13- Эта реак­ция сопровождается освобождением некоторого количества ядерной энергии, уносимой гамма-излучением. Об­разовавшийся азот т№3 вскоре превращается в устойчи­вый изотоп углерода 6С13. При этом испускается пози­трон, обладающий значительной энергией. Через некото­рое время к ядру бС13 присоединяется новый (второй) протон, в результате чего возникает устойчивый изотоп азота 7№4, а часть энергии снова освобождается в виде гамма-излучения. Третий протон, присоединившись к ядру 7МИ, образует ядро неустойчивого изотопа кисло­рода вО15. Эта реакция также сопровождается испуска­нием гамма-лучей. Образовавшийся изотоп 8015 выбра­сывает позитрон и превращается в устойчивый изотоп азота 7№5. Присоединение четвёртого протона к этому ядру приводит к возникновению ядра 8016, которое рас­падается на два новых ядра: ядро углерода бС и ядро гелия гНе4.

В результате этой цепочки следующих друг за дру­гом ядерных реакций вновь образуется исходное ядро углерода 6С12, а вместо четырёх ядер водорода (прото­нов) появляется ядро гелия. На осуществление этого цикла реакций уходит около 5 миллионов лет. Восстановленное

Ядро бС12 может снова начать такой же цикл. Освобождае­мая энергия, уносимая гамма-излучением и позитронами, и обеспечивает излучение Солнца.

Повидимому, таким же путём получают огромную энергию и некоторые другие звёзды. Однако многое в этом сложном вопросе ещё остаётся нерешённым.

Же условиях протекают значительно быстрее. Так, реакция

,№ + ,№ -. 2Не3

Дейтерий лёгкий лёгкий водород гелий

Может при наличии большого количества водорода за­кончиться в несколько секунд, а реакция -

ХНз + ,Н‘ ->2Не4 тритий лёгкий гелий водород

В десятые доли секунды.

Быстрое соединение лёгких ядер в более тяжёлые, происходящее при термоядерных реакциях, позволило создать новый вид атомного оружия - водородную бомбу. Одним из возможных путей создания водородной бомбы является термоядерная реакция между тяжёлым и сверхтяжёлым водородом:

1№ + ,№ - 8Не*+ «о1 .

Дейтерий тритий гелий нейтрон

Энергия, освобождаемая при этой реакции, примерно в 10 раз больше, чем при делении ядер урана или плутония.

Чтобы начать эту реакцию, надо нагреть дейтерий и тритий до очень высокой температуры. Такую темпера­туру в настоящее время можно получить только при атомном взрыве.

Водородная бомба имеет прочную металлическую обо­лочку, размеры которой больше размеров атомных бомб. Внутри неё находится обычная атомная бомба на уране или плутонии, а также дейтерий и тритий. Для взрыва во­дородной бомбы надо сначала взорвать атомную бомбу. Атомный взрыв создаёт большую температуру и давление, при которых заключённый в бомбе водород начнёт пре­вращаться в гелий. Освобождаемая при этом энергия под­держивает высокую температуру, необходимую для даль­нейшего протекания реакции. Поэтому превращение водо­рода в гелий будет продолжаться до тех пор, пока либо не «сгорит» весь водород, либо не разрушится оболочка бомбы. Атомный взрыв как бы «поджигает» водородную бомбу, а она своим действием значительно усиливает мощность атомного взрыва.

Взрыв водородной бомбы сопровождается теми же по­следствиями, что и атомный взрыв - возникновением вы­сокой температуры, ударной волны и радиоактивных продуктов. Однако мощность водородных бомб во много раз больше мощности урановых и плутониевых бомб.

Атомные бомбы имеют критическую массу. Увеличи­вая количество ядерного горючего в такой бомбе, мы не сумеем, полностью его разделить. Значительная часть урана или плутония обычно разбрасывается в зоне взрыва в неразделённом виде. Это сильно затрудняет увеличение мощности атомных бомб. У водородной бомбы никакой критической массы нет. Поэтому мощность таких бомб может быть значительно увеличена.

Производство водородных бомб на дейтерии и тритии связано с громадными расходами энергии. Дейтерий можно получать из тяжёлой воды. Для получения три­тия надо бомбардировать литий 6 нейтронами. Происхо­дящая при этом реакция приведена на стр. 29. Наиболее мощным источником нейтронов являются атомные Котлы. Через каждый квадратный сантиметр поверхности цент­ральной части котла средней мощности выходит в защит­ную оболочку около 1000 миллиардов нейтронов. Сделав в этой оболочке каналы и поместив в них литий 6, можно получать тритий. Природный литий имеет два изотопа: литий 6 и литий 7. Доля лития б составляет всего 7,3%. Полученный же из него тритий оказывается радиоактив­ным. Испуская электроны, он превращается в гелий 3. Период полураспада трития равен 12 годам.

Советский Союз в короткий срок ликвидировал моно­полию США на атомную бомбу. После этого американ­ские империалисты пытались запугивать миролюбивые народы водородной бомбой. Однако и эти расчёты поджи­гателей войны провалились. 8 августа 1953 г. на пятой сессии Верховного Совета СССР товарищ Маленков указал, что Соединённые Штаты не являются монополи­стами и в производстве водородной бомбы. Вслед за тем 20 августа 1953 г. было опубликовано Правительственное сообщение об успешном испытании водородной бомбы в Советском Союзе. В этом сообщении Правительство нар - шей страны ещё раз подтвердило своё неизменное жела­ние добиться запрещения всех видов атомного оружия и установления строгого международного контроля за вы­полнением этого запрещения.

Можно ли сделать термоядерную реакцию управляе­мой и использовать энергию ядер водорода в промыш­ленных целях?

Процесс превращения водорода в гелий не имеет кри­тической массы. Поэтому его можно производить даже при небольшом количестве изотопов водорода. Но для этого надо создать новые источники высокой темпера­туры, отличающиеся от атомного взрыва чрезвычайно малыми размерами. Возможно также, что с этой целью придётся использовать несколько более медленные тер­моядерные реакции, чем реакция между дейтерием и тритием. В настоящее время учёные работают над реше­нием этик задач.

Что является источником солнечной энергии? Какова природа процессов, в ходе которых производится огромное количество энергии? Сколько времени будет еще светить Солнце?

Первые попытки ответить на эти вопросы были сделаны астрономами в середине ХIX века, после формулирования физиками закона сохранения энергии.

Роберт Майер предположил, что Солнце светит за счет постоянной бомбардировки поверхности метеоритами и метеорными частицами. Эта гипотеза была отвергнута, так как простой расчет показывает, что для поддержания светимости Солнца на современном уровне необходимо, чтобы на него за каждую секунду выпадало 2*1015 кг метеорного вещества. За год это составит 6*1022 кг, а за время существования Солнца, за 5 миллиардов лет – 3*1032 кг. Масса Солнца М = 2*1030 кг, поэтому за пять миллиардов лет на Солнце должно было выпасть вещества в 150 раз больше массы Солнца.

Вторая гипотеза была высказана Гельмгольцем и Кельвином также в середине ХIX века. Они предположили, что Солнце излучает за счет сжатия на 60–70 метров ежегодно. Причина сжатия – взаимное притяжение частиц Солнца, именно поэтому данная гипотеза получила название контракционной. Если сделать расчет по данной гипотезе, то возраст Солнца будет не больше 20 миллионов лет, что противоречит современным данным, полученным по анализу радиоактивного распада элементов в геологических образцах земного грунта и грунта Луны.

Третью гипотезу о возможных источниках энергии Солнца высказал Джеймс Джинс в начале ХХ века. Он предположил, что в недрах Солнца содержатся тяжелые радиоактивные элементы, которые самопроизвольно распадаются, при этом излучается энергия. Например, превращение урана в торий и затем в свинец, сопровождается выделением энергии. Последующий анализ этой гипотезы также показал ее несостоятельность; звезда, состоящая из одного урана, не выделяла бы достаточно энергии для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца. Кроме того, существуют звезды, по светимости во много раз превосходящие светимость нашей звезды. Маловероятно, что в тех звездах запасы радиоактивного вещества будут также больше.

Самой вероятной гипотезой оказалась гипотеза синтеза элементов в результате ядерных реакций в недрах звезд.

В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.

Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых» элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет.

Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерное время 7,9*109 лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Количество нейтрино, излучаемое Солнцем за секунду, определяется только светимостью Солнца. Поскольку при выделении 26,7 МэВ рождается 2 нейтрино, то скорость излучения нейтрино: 1,8*1038 нейтрино/с.

Прямая проверка этой теории – наблюдение солнечных нейтрино. Нейтрино высоких энергий (борные) регистрируются в хлор-аргонных экспериментах (эксперименты Дэвиса) и устойчиво показывают недостаток нейтрино по сравнению с теоретическим значением для стандартной модели Солнца. Нейтрино низких энергий, возникающие непосредственно в рр-реакции, регистрируются в галлий-германиевых экспериментах (GALLEX в Гран Сассо (Италия – Германия) и SAGE на Баксане (Россия – США)); их также «не хватает».

По некоторым предположениям, если нейтрино имеют отличную от нуля массу покоя, возможны осцилляции (превращения) различных сортов нейтрино (эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна) (существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тауонное нейтрино). Т.к. другие нейтрино имеют гораздо меньшие сечения взаимодействия с веществом, чем электронное, наблюдаемый дефицит может быть объяснен, не меняя стандартной модели Солнца, построенной на основе всей совокупности астрономических данных.

Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Центральные части Солнца будут сжиматься, разогреваясь, а тепло, передаваемое при этом внешней оболочке, приведет к ее расширению до размеров, чудовищных по сравнению с современными: Солнце расширится настолько, что поглотит Меркурий, Венеру и будет тратить «горючее» в сто раз быстрее, чем в настоящее время. Это приведет к увеличению размеров Солнца; наша звезда станет красным гигантом, размеры которого сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца! Жизнь на Земле исчезнет или найдет пристанище на внешних планетах.

Мы, конечно, будем заранее поставлены в известность о таком событии, поскольку переход к новой стадии займет примерно 100–200 миллионов лет. Когда температура центральной части Солнца достигнет 100 000 000 К, начнет сгорать и гелий, превращаясь в тяжелые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатия и расширения. На последней стадии наша звезда потеряет внешнюю оболочку, центральное ядро будет иметь невероятно большую плотность и размеры, как у Земли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись в белый карлик.

Несомненно, что в ранний период после Большого взрыва крошечная, очень горячая Вселенная расширялась и охлаждалась до тех пор, пока протоны и нейтроны не получили возможности соединяться друг с другом, образуя атомные ядра. Какие же ядра получались и в какой пропорции? Это очень интересная проблема для космогоников (ученых, занимающихся происхождением Вселенной), - проблема, которая в конечном счете вернет нас к рассмотрению новых и сверхновых. Поэтому давайте рассмотрим ее в некоторых деталях.

Атомные ядра имеют некоторое число разновидностей. Чтобы разобраться в этих разновидностях, их классифицируют в зависимости от числа протонов, имеющихся в этих ядрах. Это число колеблется от 1 до 100 и выше.

Каждый протон имеет электрический заряд +1. Другими частицами, присутствующими в ядрах, являются нейтроны, которые не имеют электрического заряда. Поэтому общий электрический заряд атомного ядра равен числу содержащихся в нем протонов. Ядро, содержащее один протон, имеет заряд +1, ядро с двумя протонами имеет заряд +2, ядро с пятнадцатью протонами имеет заряд +15 и т. д. Число протонов в данном ядре (или число, выражающее электрический заряд ядра) называется атомным числом.

Вселенная остывает все больше, и каждое ядро уже в состоянии уловить какое-то количество электронов. Каждый электрон имеет электрический заряд -1, и, поскольку противоположные заряды притягиваются, отрицательно заряженный электрон стремится остаться вблизи положительно заряженного ядра. В обычных условиях число электронов, которые могут удерживаться отдельным ядром, равно числу протонов в этом ядре. Когда число протонов в ядре равно числу окружающих его электронов, суммарный электрический заряд ядра и электронов равен нулю, а их сочетание дает нейтральный атом. Число протонов или электронов соответствует атомному числу.

Вещество, состоящее из атомов с одним и тем же атомным числом, называется элементом. Например, водород - элемент, состоящий из атомов, ядра которых содержат один протон и один электрон вблизи него. Такой атом называется «атомом водорода», а ядро такого атома - «ядром водорода». Таким образом, атомное число водорода равно 1. Гелий состоит из атомов гелия, содержащих ядра с двумя протонами, отсюда атомное число гелия равно 2. Аналогично литий имеет атомное число 3, бериллий - 4, бор - 5, углерод - 6, азот - 7, кислород - 8 и т. д.

С помощью химического анализа атмосферы Земли, океана и почвы установлено, что существует 81 устойчивый элемент, т. е. 81 элемент, которые не претерпят никаких изменений в естественных условиях неопределенно долго.

Наименее сложный атом на Земле (из фактически существующих) - это атом водорода. Рост атомного числа приведет нас к самому сложному устойчивому атому на Земле. Это атом висмута, имеющий атомное число 83, т. е. каждое ядро висмута заключает в себе 83 протона.

Так как всего имеется 81 устойчивый элемент, то в списке атомных чисел два числа должны быть пропущены, и это так: атомы, имеющие 43 протона и 61 протон, неустойчивы, элементов с атомными числами 43 и 61, подвергшихся химическому анализу, в естественных материалах нет.

Это, однако, не значит, что элементы с атомными числами 43 и 61 или с числом более 83 не могут существовать временно. Эти атомы нестабильны, поэтому рано или поздно, в один или несколько приемов они распадутся на атомы, которые останутся устойчивыми. Это не обязательно случается мгновенно, но может потребовать долгого времени. Торию (атомное число 90) и урану (атомное число 92) требуются миллиарды лет атомного распада, чтобы прийти к устойчивым атомам свинца (атомное число 82).

В сущности, за все долгие миллиарды лет существования Земли только часть тория и урана, изначально присутствовавших в ее структуре, успела распасться. Около 80 % первоначального тория и 50 % урана избежали распада и сегодня еще могут находиться в породах земной поверхности.

Хотя все 81 устойчивый элемент (плюс торий и уран) присутствуют в земной коре (ее верхних слоях), но в разных количествах. Наиболее распространенными являются кислород (атомное число 8), кремний (14), алюминий (13) и железо (26). Кислород составляет 46,6 % земной коры, кремний - 27,7 %, алюминий - 8,13 %, железо -5 %. Эта четверка образует почти семь восьмых частей земной коры, одну восьмую - все остальные элементы.

Конечно, названные элементы редко существуют в чистом виде. Смешиваясь, они стремятся соединиться друг с другом. Эти сочетания (или комбинации элементов) атомов называются соединениями. Атомы кремния и кислорода связываются между собой весьма прихотливым образом, к этому соединению (кремний/кислород) здесь и там присоединяются атомы железа, алюминия и других элементов. Такие соединения - силикаты - обычные породы, из которых в основном состоит земная кора.

Поскольку атомы кислорода сами по себе легче, чем другие наиболее распространенные элементы земной коры, то общая масса кислорода содержит больше атомов, чем аналогичная масса других элементов. На каждую 1000 атомов земной коры приходится 625 атомов кислорода, 212 кремния, 65 алюминия и 19 железа, т. е. 92 % атомов земной коры приходится, так или иначе, на эти четыре элемента.

Земная кора - не пробный образец Вселенной и даже Земли в целом. «Сердцевина» Земли (центральная область, составляющая одну треть массы планеты), как считают, состоит почти целиком из железа. Если принять это в соображение, то железо составляет 38 % массы всей Земли, кислород - 28 %, кремний-15 %. Четвертым наиболее распространенным элементом может быть магний, а не алюминий, составляющий до 7 % земной массы. Эти четыре элемента составляют вместе семь восьмых массы всей Земли. Тогда на каждую 1000 атомов в целом на Земле приходится 480 атомов кислорода, 215 - железа, 150 - кремния и 80 - магния, т. е. вместе эта четверка составляет 92,5 % всех атомов Земли. Но Земля не типичная планета Солнечной системы. Возможно, Венера, Меркурий, Марс и Луна, очень схожие с Землей по своему строению, составлены из каменистых материалов и, как Венера и Меркурий, имеют богатую железом сердцевину. В какой-то мере то же верно для спутников и некоторых астероидов, но все эти скалистые миры (с железными ядрами или без них) не составляют и половины процента общей массы всех обращающихся вокруг Солнца объектов. Остальные 99,5 % массы Солнечной системы (без массы Солнца) принадлежат четырем планетам-гигантам: Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну. Только Юпитер (крупнейший из всех) составляет более 70 % общей массы.

Предположительно Юпитер имеет относительно небольшую скалисто-металлическую сердцевину. Структура гигантской планеты, судя по данным спектроскопии и пробам планет, состоит из водорода и гелия. Сказанное, видимо, справедливо и для других планет-гигантов.

Но вернемся к Солнцу, масса которого в 500 раз больше массы всех планетных тел, вместе взятых, - от Юпитера до крошечной пылинки; мы обнаружим (главным образом благодаря спектроскопии), что его объем заполняет все тот же водород с гелием. Фактически примерно 75 % его массы падает на водород, 22 %-на гелий, а 3 % - это все остальные элементы, вместе взятые. Количественный состав атомов Солнца окажется таким, что на каждую 1000 атомов Солнца приходится 920 атомов водорода и 80 атомов гелия. Менее одного атома из тысячи представляют все остальные элементы.

Бесспорно, Солнце обладает львиной долей массы всей Солнечной системы, и мы не очень ошибемся, решив, что его элементарный состав представителен для всей системы в целом. Подавляющее большинство звезд по своему элементарному составу напоминает Солнце. Кроме того, известно, что разреженные газы, заполняющие межзвездное и межгалактическое пространство, тоже в основном водород и гелий.

Поэтому можно заключить, что из 1000 атомов всей Вселенной 920 - водород, 80 - гелий и менее одного - все прочее.

ВОДОРОД И ГЕЛИЙ

Почему так? Увязывается ли водородно-гелиевая Вселенная с Большим взрывом? Очевидно, да. По крайней мере в том, что касается системы рассуждений Гамова, системы улучшенной, но в основе оставшейся без изменений.

Вот как это работает. Очень скоро после Большого взрыва, через какую-то долю секунды, расширяющаяся Вселенная остыла до такой точки, когда образовались известные нам составляющие атомов: протоны, нейтроны и электроны. В условиях огромной температуры, которая еще царила в то время, ничего более сложного существовать не могло. Частицы не могли соединиться друг с другом: при такой температуре, даже сталкиваясь, они тут же отскакивали в разные стороны.

Это остается справедливым и при столкновениях протон - протон или нейтрон - нейтрон даже при гораздо меньших температурах, таких, как температура нынешней Вселенной. Однако по мере того как температура ранних этапов эволюции Вселенной продолжала падать, наступил момент, когда при столкновениях протон - нейтрон появилась возможность двум частицам удержаться вместе. Они удерживаются вместе так называемым сильным взаимодействием - сильнейшим из четырех известных взаимодействий.

Протон-1 - это ядро водорода, как было сказано ранее в этой главе. Но комбинация протон - нейтрон - это тоже ядро водорода, потому что она имеет один протон, а это все, что требуется, чтобы квалифицировать ядро как водородное. Эти две разновидности ядер водорода (протон и протон - нейтрон) называются изотопами водорода и определяются в зависимости от общего числа частиц, которые они включают. Протон, в котором есть только одна частица, - это ядро водород-1. Комбинация протон - нейтрон, которая включает всего две частицы, - это ядро водород-2.

При высоких температурах ранней Вселенной, когда формировались различные ядра, ядро водорода-2 было не очень устойчиво. Оно стремилось либо к распаду на отдельные протоны и нейтроны, либо к соединению с дополнительными частицами, с последующим образованием более сложных (но, возможно, более стабильных) ядер. Ядро водорода-2 может столкнуться с протоном и примкнуть к нему, образуя ядро, составленное двумя протонами и одним нейтроном. В этой комбинации два протона, и мы получим ядро гелия, а так как в ядре три частицы, то это гелий-3.

Если водород-2 сталкивается и смыкается с нейтроном, образуется ядро, состоящее из одного протона и двух нейтронов (снова вместе три частицы). В результате получается водород-3.

Водород-3 неустойчив ни при какой температуре, даже при невысокой температуре современной Вселенной, поэтому он претерпевает вечные изменения, даже если он свободен от влияния других частиц или столкновений с ними. Один из двух нейтронов в ядре водорода-3 рано или поздно превращается в протон, и водород-3 становится гелием-3. В теперешних условиях это изменение не слишком быстро: половина ядер водорода-3 обращается в гелий-3 в течение немногим более двенадцати лет. При огромных температурах ранней Вселенной это изменение, несомненно, было более быстрым.

Итак, у нас теперь три типа ядер, устойчивых в современных условиях: водород-1, водород-2 и гелий-3.

Частицы гелия-3 соединяются друг с другом еще слабее, чем частицы водорода-2, и особенно при повышенных температурах ранней Вселенной, у гелия-3 сильная тенденция к распаду или изменениям путем дальнейшего добавления частиц.

Если бы гелию-3 случилось натолкнуться на протон и ему пришлось бы к нему присоединиться, тогда мы имели бы ядро, состоящее из трех протонов и нейтрона. Это был бы литий-4, нестабильный при любой температуре, так как даже в условиях прохладной температуры земной поверхности один из его протонов быстро превращается в нейтрон. В результате получается комбинация два протона - два нейтрона, или гелий-4.

Гелий-4 - очень устойчивое ядро, самое устойчивое при обычных температурах, за исключением единственного протона, образующего водород-1. Однажды сложившись, он почти не имеет тенденции к распаду, даже при очень высоких температурах.

Если гелий-3 сталкивается и соединяется с нейтроном, тут же образуется гелий-4. Если сталкиваются и соединяются два ядра водорода-2, опять же образуется гелий-4. Если гелий-3 сталкивается с водородом-2 или с другим гелием-3, образуется гелий-4, а избыточные частицы отсеиваются как отдельные протоны и нейтроны. Таким образом, гелий-4 образуется за счет водорода-2 и гелия-3.

В сущности, когда Вселенная остыла до температуры, при которой протоны и нейтроны, соединяясь, могли строить более сложные ядра, то первым таким ядром, образовавшимся в большом количестве, был именно гелий-4.

По мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной водород-2 и гелий-3 все меньше стремились к изменению, а некоторые из них были, так сказать, заморожены для неизменяемого существования. В настоящее время только один атом водорода из каждых 7000 - водород-2; гелий-3 еще реже - только один атом гелия на миллион. Значит, не принимая в расчет водород-2 и гелий-3, мы можем сказать, что вскоре после того, как Вселенная достаточно остыла, ее составляли ядра водорода-1 и гелия-4. Таким образом, масса Вселенной слагалась из 75 % водорода-1 и 25 % гелия-4.

С течением времени в местах, где температура была достаточно низкой, ядра притягивали отрицательно заряженные электроны, которые удерживались при положительно заряженных ядрах силой электромагнитного взаимодействия - вторым сильнейшим из четырех взаимодействий. Единственный протон ядра водорода-1 ассоциировал с одним электроном, а два протона ядра гелия-4 соединялись с двумя электронами. Так формировались атомы водорода и гелия. Выражаясь количественно, на каждую 1000 атомов во Вселенной приходится 920 атомов водорода-1 и 80 атомов гелия-4.

В этом и есть объяснение водородно-гелиевой Вселенной. Но минуточку! Как обстоит дело с атомами тяжелее, чем гелий, и с более высоким атомным весом? (Соберем все атомы, содержащие более четырех частиц в ядрах, под знаком «тяжелые атомы»). Во Вселенной очень мало тяжелых атомов, тем не менее они существуют. Как они появились? Логика подсказывает, что, хотя гелий-4 очень устойчив, все же в нем есть слабая тенденция соединяться с протоном, нейтроном, водородом-2, гелием-3 или с другим гелием-4, образуя небольшие количества различных тяжелых атомов; это и есть источник возникновения примерно 3 % массы сегодняшней Вселенной, состоящей из этих атомов.

К сожалению, такой ответ проверки не выдержит. Если гелий-4 столкнулся бы с водородом-1 (один протон) и они соединились, появилось бы ядро с тремя протонами и двумя нейтронами. Это был бы литий-5. Если гелий-4 столкнулся бы и соединился с нейтроном, в результате появилось бы ядро с двумя протонами и тремя нейтронами, или гелий-5.

Ни литий-5, ни гелий-5, даже сформировавшись в условиях нашей остывшей Вселенной, не просуществуют больше нескольких триллионных долей триллионной доли секунды. Именно за такой период времени они распадутся либо в гелий-4, либо в протон или нейтрон.

Возможность столкновения и слияния гелия-4 с водородом-2 или гелием-3 очень призрачна, учитывая, как редки два последних ядра в первозданной смеси. Любые тяжелые атомы, которые могли образоваться таким путем, слишком немногочисленны, чтобы ими можно было объяснить столь значительное число атомов, существующих сегодня. Более возможно соединение одного ядра гелия-4 с другим ядром гелия-4. Такое сдвоенное ядро, состоящее из четырех протонов и четырех нейтронов, должно стать бериллием-8. Однако бериллий еще одно чрезвычайно нестабильное ядро: даже в условиях нашей сегодняшней Вселенной оно существует менее нескольких сотых триллионной доли секунды. Образовавшись, оно тут же распадается на два ядра гелия-4.

Конечно, что-нибудь дельное и вышло бы, если бы три ядра гёлия-4 встретились в результате «трехходового» столкновения и пристали друг к другу. Но надежда на то, что это случится в среде, где гелий-4 окружен преобладающим над ним водородом-1, слишком мала, чтобы это принять в расчет.

Следовательно, к тому времени, когда Вселенная расширилась и остыла до точки, при которой образование сложных ядер закончилось, в изобилии оказываются только водород-1 и гелий-4. Если остаются свободные нейтроны, они распадаются на протоны (водород-1) и электроны. Никаких тяжелых атомов не образуется.

В такой Вселенной облака водородно-гелиевого газа распадаются на галактического размера массы, и последние сгущаются в звезды и гигантские планеты. В итоге и звезды, и гигантские планеты почти сплошь состоят из водорода и гелия. И есть ли смысл беспокоиться о каких-то тяжелых атомах, если они составляют только 3 % массы и менее 1 % количества существующих атомов?

Есть смысл! Эти 3 % должны быть объяснены. Мы не должны пренебрегать ничтожным количеством тяжелых атомов в звездах и гигантских планетах, потому что такая планета, как Земля, состоит почти исключительно из тяжелых атомов. Больше того, в человеческом теле и вообще в живых существах водород составляет лишь 10 % массы, гелий и вовсе отсутствует. Все остальные 90 % массы - это тяжелые атомы.

Другими словами, если бы Вселенная вскоре после Большого взрыва осталась неизменной и процесс образования ядер был бы завершен, планеты, подобные Земле, да и сама жизнь на ней, в известной форме были бы совершенно невозможны.

Прежде чем нам с вами появиться в этом мире, сначала должны были сложиться тяжелые атомы. Но как?

УТЕЧКА ИЗ ЗВЕЗД

В сущности, для нас это уже не загадка, так как ранее мы уже беседовали о том, как в недрах звезд происходит образование ядер. В нашем Солнце, например в центральных его областях, водород непрерывно преобразуется в гелий (водородный синтез, который служит Солнцу источником его энергии. Водородный синтез осуществляется и во всех других звездах главной последовательности).

Если б это было единственно возможным превращением и этому превращению суждено было длиться неопределенно долго с нынешней его скоростью, то весь водород был бы синтезирован и Вселенная состояла бы из чистого гелия в течение примерно 500 млрд. лет (30 - 40-кратный возраст нашей Вселенной). И все же непонятно появление массивных атомов.

Массивные атомы, как мы теперь знаем, зарождаются в звездном ядре. Но они зарождаются только тогда, когда такой звезде приходит время оставить главную последовательность. К этому климактерическому моменту ядро становится таким плотным и горячим, что ядра гелия-4 ударяются друг о друга с величайшей скоростью и частотой. Время от времени три ядра гелия-4 соударяются и смыкаются в одно устойчивое ядро, состоящее из шести протонов и шести нейтронов. Это углерод-12.

Каким же образом тройное столкновение может произойти в сердцевине звезды сейчас, а не в период непосредственно за Большим взрывом?

Что ж, в ядрах звезд, готовящихся выйти из главной последовательности, температура достигает приблизительно 100 000 000 °C при огромном давлении. Такие температуры и давления присущи и очень молодой Вселенной. Но у сердцевины звезды есть одно важное преимущество: тройному столкновению гелия-4 гораздо легче произойти, если в сердцевине звезды нет никаких других ядер, кроме ядер водорода-1, отгружающих ядра гелия-4.

Значит, тяжелые ядра образуются в недрах звезд на протяжении всей истории Вселенной, несмотря на то что такие ядра не были образованы непосредственно после Большого взрыва. Более того, и сегодня, и в будущем в сердцевинах звезд будут образовываться тяжелые ядра. И не только ядра углерода, но и все остальные массивные ядра, включая железо, которое, как было сказано, есть конец нормальных процессов синтеза в звездах.

И все же остаются два вопроса: 1) как тяжелые ядра, возникнув в центрах звезд, распространяются во Вселенной таким образом, что находятся и на Земле, и в нас самих? 2) как ухитряются сформироваться элементы с более массивными ядрами, чем ядра железа? Ведь самое массивное устойчивое ядро железа - это железо-58, состоящее из 26 протонов и 32 нейтронов. И все же на Земле есть еще более тяжелые ядра, вплоть до урана-238, имеющего 92 протона и 146 нейтронов.

Давайте сначала рассмотрим первый вопрос. Существуют ли процессы, способствующие распространению звездного материала во Вселенной?

Существуют. И некоторые из них мы можем ясно почувствовать, изучая наше собственное Солнце.

Невооруженному глазу (с необходимыми предосторожностями) Солнце может показаться спокойным, лишенным особых примет ярким шаром, но мы знаем, что оно находится в состоянии вечного шторма. Огромные температуры в его недрах вызывают конвективные движения в верхних слоях (как в котелке с водой, который собирается закипеть). Солнечное вещество непрерывно то здесь, то там поднимается, взламывая поверхность, поэтому поверхность Солнца покрыта «гранулами», являющимися для него конвективными столбами. (Такая гранула выглядит на фотографиях солнечной поверхности совсем маленькой, на самом же деле она имеет площадь приличного американского или европейского государства.)

Конвективный материал по мере своего подъема расширяется и остывает и, оказавшись на поверхности, стремится снова уйти вниз, чтобы дать место новому, более горячему потоку.

Этот вечный круговорот не останавливается ни на мгновение, он помогает переносу тепла от ядра к поверхности Солнца. С поверхности энергия высвобождается в пространство в виде излучения, большая часть его - свет, который мы видим и от которого зависит сама жизнь на Земле.

Процесс конвекции иногда может привести к чрезвычайным событиям на поверхности светила, когда в пространство не только уходит излучение, но и выбрасываются целые груды настоящего солнечного вещества.

В 1842 г. в Южной Франции и в Северной Италии наблюдали полное затмение Солнца. Тогда затмения редко изучались подробно, так как они обычно проходили в районах, удаленных от крупных астрономических обсерваторий, а проделывать большие расстояния с полным грузом специального оборудования было совсем не просто. Но затмение 1842 г. прошло вблизи астрономических центров Западной Европы, и астрономы со своими инструментами все собрались туда.

Впервые было замечено, что вокруг солнечного обода существуют какие-то раскаленные, багрового цвета, объекты, которые стали отчетливо видны, когда диск Солнца был закрыт Луной. Это походило на струи солнечного материала, выстреливаемого в пространство, и огненные языки эти получили название «протуберанцы».

Какое-то время астрономы еще колебались относительно того, чему принадлежат эти протуберанцы - Луне или Солнцу, но в 1851 г. произошло еще одно затмение, на этот раз наблюдаемое в Швеции, и тщательное наблюдение показало, что протуберанцы - это явление, солнечное, а Луна к ним не имеет никакого отношения.

С тех пор протуберанцы стали изучаться регулярно, и теперь их можно наблюдать с помощью соответствующих инструментов в любое время. Для этого не нужно ждать полного затмения. Некоторые протуберанцы вздымаются мощной дугой и достигают высоты десятков тысяч километров над поверхностью Солнца. Другие взрывоподобно взлетают вверх со скоростью 1300 км/с. Хотя протуберанцы - это наиболее эффектное явление, наблюдаемое на поверхности Солнца, они все же не несут в себе наибольшей энергии.

В 1859 г. английский астроном Ричард Кэррингтон (1826–1875) заметил звездообразную точку света, вспыхнувшую на солнечной поверхности, которая горела в течение пяти минут и затем пропала. Это было первое зафиксированное наблюдение того, что мы теперь называем солнечной вспышкой. Сам же Кэррингтон думал, что на Солнце упал крупный метеорит.

Наблюдение Кэррингтона не привлекло к себе внимания, пока американский астроном Джордж Хэйл не изобрел в 1926 г. спектрогелиоскоп. Это дало возможность наблюдать Солнце в свете особых длин волн. Солнечные вспышки заметно богаты некоторыми длинами световых волн, и, когда Солнце рассматривают в волнах этой длины, вспышки видны очень ярко.

Теперь мы знаем, что солнечные вспышки - дело обычное, они связаны с солнечными пятнами, и, когда на Солнце много пятен, маленькие вспышки бывают через каждые несколько часов, а более крупные - через несколько недель.

Солнечные вспышки - это взрывы высокой энергии на солнечной поверхности, и те участки поверхности, которые вспыхивают, гораздо горячее, чем окружающие их другие участки. Вспышка, охватывающая хотя бы тысячную часть поверхности Солнца, может послать больше радиации высокой энергии (ультрафиолетового излучения, рентгеновских и даже гамма-лучей), чем послала бы вся обычная поверхность Солнца.

Хотя протуберанцы выглядят очень внушительно и могут существовать несколько дней, Солнце теряет через них очень мало материи. Совсем другое дело вспышки. Они менее заметны, многие из них длятся какие-то минуты, даже крупнейшие из них полностью исчезают через пару часов, однако они обладают такой высокой энергией, что выстреливают материю в космос; эта материя навсегда потеряна для Солнца.

Это начали понимать в 1843 г., когда немецкий астроном Самуил Генрих Швабе (1789–1875), ежедневно наблюдавший за Солнцем в течение семнадцати лет, сообщил, что число солнечных пятен на его поверхности увеличивается и уменьшается за период примерно в одиннадцать лет.

В 1852 г. английский физик Эдвард Сабин (1788–1883) заметил, что возмущения магнитного поля Земли («магнитные бури») возникают и ослабевают одновременно с циклом солнечных пятен.

Сначала это было лишь статистическим заявлением, ибо никто не знал, какая тут может быть связь. Однако со временем, когда начали понимать энергетическую природу солнечных вспышек, связь обнаружилась. Через два дня после того, как близ центра солнечного диска произошло извержение большой солнечной вспышки (она, таким образом, была обращена прямо к Земле), компасные стрелки на Земле пошли вразброд, а северное сияние приняло совершенно необыкновенный вид.

Это двухдневное ожидание было исполнено большого смысла. Если бы названные эффекты были вызваны радиацией Солнца, то промежуток времени между вспышкой и ее последствиями составил бы восемь минут: радиация Солнца летит к Земле со скоростью света. Но задержка в два дня означала: каков бы ни был «возмутитель спокойствия», вызывающий эти эффекты, он должен двигаться от Солнца к Земле со скоростью примерно 300 км/ч. Конечно, тоже быстро, но никак не соизмеримо со скоростью света. Такую скорость можно ожидать от субатомных частиц. Эти частицы, выброшенные в результате солнечных событий в направлении Земли, несли электрические заряды и, проходя Землю, должны были именно так повлиять на стрелки компасов и на северное сияние. Когда была понята и подхвачена идея субатомных частиц, выбрасываемых Солнцем, стала проясняться еще одна особенность Солнца.

Когда Солнце оказывается в состоянии полного затмения, то простым глазом можно видеть вокруг него свечение жемчужного цвета, в центре, на месте Солнца, - черный диск мутноватой Луны. Это свечение (или светимость) - солнечная корона, получившая свое название от латинского слова corona - венец (корона окружает Солнце как бы сияющим венцом, или ореолом).

Упомянутое солнечное затмение 1842 г. привело к началу научного изучения протуберанцев. Тогда впервые тщательно была исследована и корона. Оказалось, что она тоже принадлежит Солнцу, а не Луне. С 1860 г. для исследований короны была привлечена фотография, а позднее и спектроскопия.

В 1870 г. в период солнечного затмения в Испании американский астроном Чарлз Янг (1834–1908) впервые изучил спектр короны. В спектре он обнаружил ярко-зеленую линию, которая не соответствовала позиции ни одной известной линии ни одного из известных элементов. Были открыты и другие странные линии, и Янг предположил, что они представляют собой какой-то новый элемент, и назвал его «коронием».

Какая польза от этого «корония», только и всего, что существует какая-то спектральная линия. До тех пор никакая, пока не описана была природа строения атома. Оказалось, что каждый атом состоит из тяжелого ядра в центре, окруженного одним или несколькими легкими электронами на периферии. Всякий раз, как электрон отрывается от атома, спектральные линии, производимые этим атомом, изменяются. Химики могли разобрать спектр атомов, от которых ушли два-три электрона, но техника для удаления большого числа электронов и изучения спектра при этих условиях им была пока недоступна.

В 1941 г. Бенгт Эдлен сумел показать, что «короний» совсем не новый элемент. Обыкновенные элементы - железо, никель и кальций оставляют точно такие же линии, если отнять у них дюжину электронов. Значит, «короний» являлся обычным элементом, у которого недоставало многих электронов.

Такой большой дефицит электронов мог быть вызван только исключительно высокими температурами, и Эдлен выдвинул предположение, что солнечная корона должна иметь температуру один или два миллиона градусов. Сначала это было встречено всеобщим недоверием, но в итоге, когда пришел час ракетной техники, было установлено, что солнечная корона излучает рентгеновские лучи, а это могло иметь место лишь при температурах, предсказанных Эдленом.

Итак, корона - это внешняя атмосфера Солнца, непрерывно питаемая веществом, выбрасываемым наружу солнечными вспышками. Корона - чрезвычайно лучистая материя, разреженная настолько, что в одном кубическом сантиметре ее менее миллиарда частиц, а это примерно одна триллионная плотности земной атмосферы на уровне моря.

По сути, это настоящий вакуум. Энергия, выбрасываемая с поверхности Солнца его вспышками, магнитными полями и огромными звуковыми колебаниями от непрестанно ревущих конвективных потоков, распределяется между относительно небольшим количеством частиц. Хотя все тепло, заключенное в короне, невелико (учитывая ее изрядный объем), количество тепла, которым обладает каждая из этих немногих частиц, достаточно высоко, и под измеряемой температурой понимается именно это «тепло на частицу».

Частицы короны - это отдельные атомы, выброшенные наружу из солнечной поверхности, большинство или все электроны которых отняты высокими температурами. Поскольку Солнце состоит в основном из водорода, большинство этих частиц - ядра водорода, или протоны. За водородом в количественном отношении идут ядра гелия. Число всех других более тяжелых ядер совсем ничтожно. И хотя некоторые тяжелые ядра служат причиной знаменитых линий корония, они присутствуют лишь в виде следов.

Частицы короны движутся от Солнца во всех направлениях. По мере их распространения корона занимает все больший и больший объем и становится все более разреженной. В результате свет ее все более ослабевает, пока на каком-то удалении от Солнца он не исчезает совсем.

Однако сам факт, что корона ослабевает до полного исчезновения для глаз наблюдателя, еще не означает, что она не продолжает существовать в виде устремленных в пространство частиц. Американский физик Юджин Паркер (р. 1927) в 1959 г. назвал эти быстрые частицы солнечным ветром.

Солнечный ветер, расширяясь, достигает ближних планет и проходит еще дальше. Пробы, выполненные с помощью ракет, показали, что солнечный ветер обнаружим за пределами орбиты Сатурна и, по-видимому, будет обнаруживаться даже за орбитами Нептуна и Плутона.

Другими словами, все планеты, обращающиеся вокруг Солнца, движутся внутри широчайшей его атмосферы. Однако эта атмосфера настолько разрежена, что не отражается сколько-нибудь ощутимо на движении планет.

И все же солнечный ветер вещь не настолько призрачная, чтобы не проявить себя множеством способов. Частицы солнечного ветра электрически заряжены, и эти частицы, захваченные магнитным полем Земли, образуют «пояса Ван Аллена» зажигают полярное сияние, сбивают с толку компасы и электронное оборудование. Солнечные вспышки на какой-то момент усиливают солнечный ветер и на какое-то время значительно повышают интенсивность этих эффектов.

В окрестностях Земли частицы солнечного ветра проносятся со скоростью 400–700 км/с, а количество их в 1 см 3 варьируется от 1 до 80. Если бы эти частицы ударялись о земную поверхность, они самым вредным образом влияли бы на все живое, к счастью, мы защищены магнитным полем Земли и ее атмосферой.

Количество вещества, теряемого Солнцем через солнечный ветер, - 1 млрд. кг/с. По человеческим меркам ужасно много, для Солнца это сущий пустяк. Солнце находилось на главной последовательности около 5 млрд. лет и будет оставаться на ней еще 5–6 млрд. лет. Если в течение всего этого времени оно теряло и будет терять с ветром свою массу с теперешней скоростью, то общая потеря Солнца за весь срок его жизни как звезды главной последовательности составит 1/5 его массы.

Тем не менее 1/5 массы всякой солидной звезды не является средним количеством, приплюсовываемым к общему запасу вещества, дрейфующего в огромных пространствах между звездами. Это только пример того, как вещество может уходить от звезд и присоединяться к общему запасу межзвездного газа.

Наше Солнце не является в этом смысле чем-то необычным. У нас есть все основания считать, что каждая звезда, еще не закончившая коллапсом, посылает звездный ветер.

Конечно, мы не в состоянии изучать звезды так, как изучаем Солнце, но кое-какие обобщения можно сделать. Есть, например, маленькие холодные красные карлики, которые через неравные промежутки времени внезапно обнаруживают усиление яркости, сопровождаемое побелением света. Это усиление длится от нескольких минут до часа и обладает такими особенностями, что его вполне можно принять за вспышку на поверхности маленькой звезды.

Эти красные карлики поэтому и называют вспыхивающими звездами.

Вспышка по величине своей менее слабая, чем солнечная, на маленькой звезде приобретет эффект гораздо более заметный. Если достаточно крупная вспышка способна увеличить сияние Солнца на 1 %, то такой же вспышки будет достаточно, чтобы усилить свет тусклой звезды в 250 раз.

В итоге вполне может статься, что красные карлики шлют звездный ветер весьма внушительного свойства.

Некоторые звезды, вероятно, посылают необычайно сильный звездный ветер. Красные гиганты, к примеру, имеют непомерно растянутую структуру, крупнейшие из них в диаметре в 500 раз больше Солнца. Отсюда их поверхностная гравитация относительно мала, так как крупная масса огромного красного гиганта едва уравновешена необычно большим расстоянием от центра к поверхности. Кроме того, красные гиганты приближаются к концу своего существования и закончат его коллапсом. Поэтому они чрезвычайно турбулентны.

Можно отсюда предположить, что мощные вихри уносят звездную материю вопреки слабому поверхностному притяжению.

Большой красный гигант Бетельгейзе достаточно близок к нам, и астрономы в состоянии собрать о нем кое-какие данные. Например, считается, что звездный ветер Бетельгейзе в миллиард раз сильнее, чем солнечный. Даже учитывая, что масса Бетельгейзе в 16 раз больше массы Солнца, эта масса при такой скорости расхода может растаять полностью примерно через миллион лет (если не коллапсирует много раньше).

По-видимому, мы можем предположить, что солнечный ветер нашего светила не слишком далек от средней интенсивности всех звездных ветров вообще. Если мы допустим, что в нашей галактике имеется 300 млрд. звезд, то общая масса, потерянная через звездный ветер, будет равняться З Х 1020 кг/с.

Это значит, что каждые 200 лет от звезд в межзвездное пространство уходит количество вещества, равное массе Солнца. Приняв, что нашей Галактике 15 млрд. лет и что солнечные ветры на протяжении этого времени «дули» одинаково, получим, что общая масса вещества, перенесенного от звезд в пространство, равна массе 75 млн. звезд, как наше Солнце, или приблизительно 1/3 массы Галактики.

Но звездные ветры берут начало с поверхностных слоев звезд, а эти слои целиком (или почти целиком) состоят из водорода и гелия. Поэтому звездные ветры целиком (или почти целиком) содержат те же водород и гелий и никаких тяжелых ядер в галактическую смесь не привносят.

Тяжелые ядра образуются в центре звезды и, будучи далеки от звездной поверхности, при образовании звездного ветра остаются недвижимы.

Когда в верхних слоях звездной структуры имеются какие-то следы тяжелых ядер (что имеет место у нас на Солнце), звездный ветер, естественно, включает эти немногие ядра. Тяжелые ядра изначально не были образованы в недрах звезд, но появились там, когда звезда уже сформировалась. Они возникли от действия какого-то внешнего источника, который нам предстоит найти.

ВЫХОД ЧЕРЕЗ КАТАСТРОФУ

Если звездные ветры - это не тот механизм, благодаря которому тяжелые ядра переносятся из центра звезды во внешнее пространство, тогда обратимся к бурным событиям, происходящим, когда звезда покидает главную последовательность.

Здесь мы сразу же должны вычеркнуть большинство звезд.

Примерно 75–80 % существующих звезд много меньше Солнца. Они остаются в главной последовательности где-то от 20 до 200 млрд. лет, в зависимости от того, насколько они малы, а это значит, что ни одна из мелких звезд, существующих ныне, еще не покидала главной последовательности. Даже самые старые из них, образовавшиеся на заре Вселенной в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, еще не успели израсходовать свое водородное горючее до того предела, когда они должны будут оставить главную последовательность.

Кроме того, когда маленькая звезда в самом деле покидает главную последовательность, она делает это без лишнего шума. Насколько мы знаем, чем меньше звезда, тем спокойнее она покидает эту последовательность. Маленькая звезда (как в общем и все звезды), расширяясь, превратится в красный гигант, но в данном случае это расширение приведет к образованию небольшого красного гиганта. Он, вероятно, проживет значительно дольше, чем другие, более крупные и заметные, и в конце концов, коллапсируя, более или менее спокойно превратится в белый карлик, конечно, не такой плотный, как Сириус В.

Тяжелые элементы, образовавшиеся в глубинах маленькой звезды (в основном углерод, азот и кислород), оставаясь в ее ядре в течение ее существования в главной последовательности, будут оставаться там и после превращения звезды в белый карлик. Ни при каких обстоятельствах не перейдут они в хранилище межзвездного газа более чем в ничтожном количестве. За исключением очень редких случаев, тяжелые элементы, возникшие в маленьких звездах, остаются в этих звездах неопределенно долго.

Звезды, по массе равные Солнцу (а таких 10–20 %), коллапсируют и превращаются в белые карлики, пробыв на главной последовательности всего от 5 до 15 млрд. лет. Наше Солнце, которое должно находиться в главной последовательности около 10 млрд. лет, все еще находится на ней, потому что оно образовалось только 5 млрд. лет назад.

Солнцеобразные звезды, возрастом старше нашего Солнца, к настоящему дню, пожалуй, давно покинули главную последовательность. То же самое произошло и с другими такими же звездами, которые возникли еще в младенчестве нашей Вселенной. Звезды, равные по массе Солнцу, образуют более крупные красные гиганты, чем маленькие звезды, и эти красные гиганты, достигнув точки превращения в белый карлик, коллапсируют более бурно, чем эти звезды. Энергия коллапса сдувает верхние покровы звезды и уносит их в пространство, образуя планетарную туманность описанного ранее типа.

Расширяющийся заряд газа, образовавшийся при коллапсе солнцеобразной звезды, может содержать от 10 до 20 % ее первоначальной массы. Однако эта материя уносится с наружных областей звезды, и, даже когда такие звезды стоят на грани коллапса, эти области, в сущности, не что иное, как смесь водорода с гелием.

Даже тогда, когда в результате турбулентности звезды, стоящей на точке коллапса, тяжелые ядра из ее недр выносятся на поверхность и выбрасываются в космос как часть газового потока, все равно это крошечная, едва заметная часть тех тяжелых ядер, что существуют в межзвездных газовых облаках.

Но раз уж мы остановились на том, как образуются белые карлики, уместен вопрос: а что происходит в тех особых случаях, когда белый карлик не означает конец, но служит фактором распределения вещества в космосе?

Ранее в этой книге мы говорили о белых карликах как о части тесной двойной системы, способной наращивать материю за счет звезды-компаньона, приближающейся к стадии красного гиганта. Время от времени часть этой материи на поверхности белого карлика охватывается ядерной реакцией и высвобождающаяся огромная энергия, с силой выбрасывая в космос продукты синтеза, заставляет его вспыхивать с яркостью новой.

Но материал, наращиваемый белым карликом, это в основном водород и гелий из наружных слоев раздувающегося красного гиганта. Реакция синтеза превращает водород в гелий, и в космос при взрыве взлетает именно облако гелия.

Значит, и в этом последнем случае если какие-то тяжелые ядра и поступили от звезды-компаньона или образовались в процессе синтеза, то число их так ничтожно, что ими не объяснить того множества тяжелых ядер, что рассеяно в межзвездных облаках.

С чем же мы остаемся?

Единственный возможный источник тяжелых ядер - это сверхновая.

Сверхновая типа 1, как я ранее объяснял, возникает на той же почве, на какой возникают обычные новые: белый карлик получает материю от близрасположенного компаньона, собирающегося стать красным гигантом. Разница в том, что здесь белый карлик стоит у предела массы Чандрасекара, поэтому добавляемая масса в конце концов выводит его за этот предел. Белый карлик обречен на коллапс. При этом в нем возникает мощнейшая ядерная реакция и он взрывается.

Вся его структура, равная по массе 1,4 массы Солнца, разлетается в прах и превращается в облако расширяющегося газа.

Некоторое время мы наблюдаем его как сверхновую, но это излучение, очень сильное в первый момент, постепенно исчезает. Остается только облако газа, которое расширяется миллионы лет, пока не сольется с общим фоном межзвездного газа.

При взрыве белого карлика в космос рассеивается огромное количество углерода, азота, кислорода и неона (из всех тяжелых ядер наиболее распространенных элементов). В ходе самого взрыва происходит дальнейшая ядерная реакция, в результате которой образуются небольшие количества ядер еще более тяжелых, чем неон. Разумеется, лишь очень немногие белые карлики достаточно массивны и достаточно близки к большой звезде-компаньону, чтобы стать сверхновой типа 1, но на протяжении 14 млрд. лет жизни Галактики таких взрывов было так много, что ими с лихвой можно объяснить значительное количество тяжелых ядер, имеющихся в межзвездном газе.

Остальные тяжелые ядра существуют в межзвездной среде как результат эволюции сверхновых типа 2. Речь идет, как было сказано, о массивных звездах, которые в 10, 20 и даже в 60 раз тяжелее Солнца.

На этапе существования звезд в виде красных гигантов в их ядрах происходит ядерный синтез, продолжающийся до тех пор, пока там не начнут во множестве образовываться ядра железа. Образование железа - это тупик, за которым ядерный синтез не может больше существовать как устройство, производящее энергию. Поэтому звезда переживает коллапс.

Хотя ядро звезды содержит в последовательно более глубоких слоях тяжелые ядра, вплоть до ядер железа, внешние области звезды все еще имеют внушительные количества нетронутого водорода, ни разу не находившегося в условиях высоких температур и давлений, которые могли бы принудить его вступить в ядерную реакцию.

Коллапс гигантской звезды настолько стремителен, что она испытывает резкое, катастрофическое возрастание и температуры и давления. Весь водород (и гелий тоже), существовавший до сих пор безмятежно, теперь вступает в реакцию, причем вступает весь сразу. В результате происходит колоссальный взрыв, который мы наблюдаем с Земли как сверхновую типа 2.

Энергия, высвобождаемая при этом, может идти и действительно идет на ядерные реакции, способные образовать ядра более тяжелые, чем ядра железа. Такое образование ядер требует притока энергии, но в разгар неистовства сверхновой энергии не занимать… Так происходит образование ядер вплоть до урана и тяжелее. Достаточно энергии и для образования радиоактивных (т. е. неустойчивых) ядер, которые со временем распадутся.

Фактически все тяжелые ядра, существующие во Вселенной, образовались в результате взрывов сверхновых типа 2.

Конечно, такие массивные звезды, из которых обязательно должна получиться сверхновая типа 2, встречаются не часто. Лишь одна звезда из миллиона, а может быть и того меньше, обладает для этого достаточной массой. Однако это и не такой уж редкий случай, как кажется на первый взгляд.

Таким образом, в нашей Галактике имеются десятки тысяч звезд, являющихся потенциальными сверхновыми типа 2.

Поскольку гигантские звезды могут оставаться в главной последовательности самое большее несколько миллионов лет, мы вправе удивиться: почему же они все давным-давно не взорвались и не исчезли? Дело в том, что новые звезды образуются все время и некоторые из них - звезды с очень большой массой. Сверхновые типа 2, которые мы теперь наблюдаем, - это извержения звезд, образовавшихся всего несколько миллионов лет назад. Сверхновые типа 2, которые произойдут в далеком будущем, станут взрывами крупных звезд, которых еще нет сегодня. Может быть, появятся сверхновые и более грандиозные. Еще сравнительно недавно астрономы были уверены, что звезд с массой в 60 раз больше солнечной вообще, наверное, не существует. Считалось, что такие звезды в ядрах своих будут развивать так много тепла, что моментально взорвутся, несмотря на огромную гравитацию.

Другими словами, они даже никогда бы не смогли и образоваться.

Однако в 80-х годах поняли, что в этих рассуждениях не принимались в расчет некоторые аспекты общей теории относительности Эйнштейна. После того как эти аспекты были учтены в астрономических вычислениях, оказалось, что звезды размером в 100 солнечных диаметров и массой в 2000 раз большей, чем масса Солнца, все еще могут быть устойчивы. Более того, несколько астрономических наблюдений подтвердили, что подобные сверхмассивные звезды действительно существуют.

Естественно, сверхмассивные звезды со временем коллапсировали и взрывались как сверхновые, которые производили гораздо больше энергии и в продолжение гораздо большего времени, чем обычные сверхновые. Эти сверхвзрывы мы, по-видимому, должны рассматривать как сверхновые типа 3.

Примерно в это же время советский астроном В. П. Утробин решил ретроспективно изучить астрономические записи прошлых лет, чтобы найти там сверхновую, которая по природе своей была бы сверхновой типа 3. Он высказал предположение, что сверхновая, обнаруженная в 1901 г. в галактике созвездия Персея, именно тот случай. Вместо того чтобы достичь пика блеска за несколько дней или недель, этой сверхновой для достижения максимума блеска потребовался целый год, после чего она очень медленно угасала, оставаясь на виду девять последующих лет.

Излученная ею суммарная энергия была в 10 раз больше, чем энергия обычной сверхновой. Даже в наше время астрономам это показалось фантастикой, и они были явно озадачены.

Такие сверхтяжелые звезды - явление крайне редкое, но количество тяжелых ядер, которые они вырабатывают, в тысячу раз и более превышает количество ядер, производимых обычными сверхновыми. Это значит, что вклад тяжелых ядер в облака межзвездного газа, вносимый сверхтяжелыми звездами, очень велик. В нашей Галактике за время ее существования было, по-видимому, 300 млн. взрывов всевозможных сверхновых (и аналогичное же количество, с поправкой на разность в размерах, в каждой другой), и этого вполне достаточно, чтобы объяснить запасы тяжелых ядер в межзвездном газе, в наружных слоях обычных звезд (и в дополнение к нашей планетной системе - в любых планетах).

Теперь вы видите, что фактически вся Земля и все мы почти полностью состоим из атомов, образовавшихся в недрах звезд (отличных от нашего Солнца) и рассеянных в Космосе при ранних взрывах сверхновых. Мы не можем указать на отдельные атомы и сказать, на какой звезде они родились и когда именно их выбросило в Космос, но мы знаем, что они зародились на какой-то отдаленной звезде и пришли к нам вследствие взрыва в отдаленном прошлом.

Мы, и наш мир, таким образом, не только произошли из звезд, но из взрывающихся звезд. Мы произошли из сверхновых!

Примечания:

Внутренняя ближайшая к Земле часть радиационного пояса, «пояса Ван Аллена», формируется протонами и электронами, возникающими при распаде нейтронов, выходящих из верхних слоев атмосферы Земли, - Примеч. ред.

Чтобы понимать процесс рождения и развития представлений о термоядерном синтезе на Солнце, необходимо знать историю человеческих представлений о понимании этого процесса. Есть много неразрешимых теоретических и технологических проблем по созданию управляемого термоядерного реактора, в котором происходит процесс управления термоядерным синтезом. Многие учёные , а тем более чиновники от науки, не знакомы с историей этого вопроса.

Именно незнание истории понимания и представления человечеством термоядерного синтеза на Солнце привело к неверным действиям создателей термоядерных реакторов. Это доказывается шестидесятилетней неудачей работ по созданию управляемого термоядерного реактора, напрасными растратами огромных денежных средств многими развитыми странами. Самое главное и неопровержимое доказательство: в течение 60 лет не создан управляемый термоядерный реактор. Более того, известные научные авторитеты в СМИ обещают создание управляемого термоядерного реактора (УТЯР) лет через 30...40.

2. «Бритва Оккама»

«Бритва Оккама» – методологический принцип, получивший название по имени английского монаха-францисканца, философа-номиналиста Уильяма. В упрощенном виде он гласит: «Не следует множить сущее без необходимости» (либо «Не следует привлекать новые сущности без самой крайней на то необходимости»). Этот принцип формирует базис методологического редукционизма, также называемый принципом бережливости, или законом экономии. Порой принцип выражается в словах: «То, что можно объяснить посредством меньшего, не следует выражать посредством большего».

В современной науке под «Бритвой Оккама» обычно понимают более общий принцип, утверждающий, что если существует несколько логически непротиворечивых определений или объяснений какого-либо явления, то следует считать верным самое простое из них.

Содержание принципа можно упрощённо свести к следующему: не надо вводить сложные законы, чтобы объяснить какое-то явление, если это явление можно объяснить простыми законами. Сейчас этот принцип – мощное орудие научной критической мысли. Сам же Оккам сформулировал этот принцип как подтверждение существования Божия. Им-то, по его мнению, точно можно всё объяснить, не вводя ничего нового.

Переформулированный на языке теории информации принцип «Бритвы Оккама» гласит, что самым точным сообщением является сообщение минимальной длины.

Альберт Эйнштейн переформулировал принцип «Бритвы Оккама» следующим образом: «Всё следует упрощать до тех пор, пока это возможно, но не более того».

3. О начале понимания и представления человечеством термоядерного синтеза на Солнце

Все жители Земли долгое время понимали факт, что Солнце греет Землю, но для всех непонятными оставались источники солнечной энергии. В 1848 г. Роберт Майер выдвинул метеоритную гипотезу, согласно которой Солнце нагревается благодаря бомбардировке метеоритами. Однако при таком необходимом количестве метеоритов сильно нагревалась бы и Земля; кроме того, земные геологические напластования состояли бы в основном из метеоритов; наконец, масса Солнца должна была расти, и это сказалось бы на движении планет.

Поэтому во второй половине XIX века многими исследователями наиболее правдоподобной считалась теория, развитая Гельмгольцем (1853) и лордом Кельвином, которые предположили, что Солнце нагревается за счёт медленного гравитационного сжатия («механизм Кельвина – Гельмгольца»). Основанные на этом механизме расчёты оценивали максимальный возраст Солнца в 20 млн лет, а время, через которое Солнце потухнет – не более чем в 15 млн. Однако эта гипотеза противоречила геологическим данным о возрасте горных пород, которые указывали на намного большие цифры. Так, например, Чарльз Дарвин отметил, что эрозия вендских отложений продолжалась не менее 300 млн лет. Тем не менее, энциклопедия Брокгауза и Ефрона считает гравитационную модель единственно допустимой.

Только в XX веке было найдено «правильное» решение этой проблемы. Первоначально Резерфорд выдвинул гипотезу, что источником внутренней энергии Солнца является радиоактивный распад. В 1920 г. Артур Эддингтон предположил, что давление и температура в недрах Солнца настолько высоки, что там могут идти термоядерные реакции, при которой ядра водорода (протоны) сливаются в ядро гелия-4. Так как масса последнего меньше, чем сумма масс четырёх свободных протонов, то часть массы в этой реакции, согласно формуле Эйнштейна E = mc 2 , переходит в энергию. То, что водород преобладает в составе Солнца, подтвердила в 1925 г. Сесиллия Пейн.

Теория термоядерного синтеза была развита в 1930-х годах астрофизиками Чандрасекаром и Гансом Бете. Бете детально рассчитал две главные термоядерные реакции, которые являются источниками энергии Солнца. Наконец, в 1957 г. появилась работа Маргарет Бёрбридж «Синтез элементов в звёздах», в которой было показано, высказано предположение, что большинство элементов во Вселенной возникло в результате нуклеосинтеза, идущего в звёздах.

4. Космические исследования Солнца

Первые работы Эддингтона как астронома связаны с изучением движений звезд и строением звездных систем. Но, главная его заслуга – в том, что он создал теорию внутреннего строения звезд. Глубокое проникновение в физическую сущность явлений и мастерское владение методами сложнейших математических расчетов позволили Эддингтону получить ряд основополагающих результатов в таких областях астрофизики, как внутреннее строение звезд, состояние межзвездной материи, движение и распределение звезд в Галактике.

Эддингтон рассчитал диаметры некоторых красных звезд-гигантов, определил плотность карликового спутника звезды Сириус – она оказалась необычайно высокой. Работа Эддингтона по определению плотности звезды послужила толчком для развития физики сверхплотного (вырожденного) газа. Эддингтон был хорошим интерпретатором общей теории относительности Эйнштейна. Он осуществил первую экспериментальную проверку одного из эффектов, предсказанных этой теорией: отклонение лучей света в поле тяготения массивной звезды. Это удалось ему сделать во время полного затмения Солнца в 1919 г. Вместе с другими учеными Эддингтон заложил основы современных знаний о строении звезд.

5. Термоядерный синтез – горение!?

Что представляет собой, визуально, термоядерный синтез? В принципе это горение. Но понятно, что это горение очень большой мощности на единицу объёма пространства. И понятно, что это не процесс окисления. Здесь, в процессе горения, участвуют другие элементы, которые тоже горят, но при особых физических условиях.

Вспомним о горении.

Горение химическое – это сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии.

Горение химическое разделяют на несколько типов горения.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому – детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.

Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса – скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов – не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Бывает объёмное горение, оно всем известное и часто используемое в быту.

Диффузионное горение. Характеризуется раздельной подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе.

Горение предварительно смешанной среды. Как следует из названия, горения происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Беспламенное горение. В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Тление. Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями.

Автогенное горение. Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонент: влаги и золы.

Пламя – область пространства, в которой происходит горение в газовой фазе, сопровождающееся видимым и (или) инфракрасным излучением.

Обычное пламя, которое мы наблюдаем при горении свечи, пламя зажигалки или спички, представляет собой поток раскалённых газов, вытянутый вертикально за счёт силы тяготения Земли (горячие газы стремятся подниматься вверх).

6. Современные физико-химические представления о Солнце

Основные характеристики:

Состав фотосферы:

Солнце – центральная и единственная звезда нашей Солнечной системы, вокруг которой обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль. Масса Солнца (теоретически) составляет 99,8% от суммарной массы всей Солнечной системы. Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (фотоны необходимы для начальных стадий процесса фотосинтеза), определяет климат.

По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000 K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок.

Солнечный спектр содержит линии ионизированных и нейтральных металлов, а также ионизированного водорода. В нашей галактике Млечный Путь насчитывается примерно 100 млн звёзд класса G2. При этом 85% звёзд нашей галактики – это звёзды, менее яркие, чем Солнце (в большинстве своём это красные карлики, находящиеся в конце своего цикла эволюции). Как и все звёзды главной последовательности, Солнце вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза.

Излучение Солнца – основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной – количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1370 Вт/м 2 .

Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м 2 , и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м 2 (при ясной погоде и когда Солнце находится в зените). Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Так, растения с помощью фотосинтеза перерабатывают её в химическую форму (кислород и органические соединения). Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива.

Солнце – магнитно активная звезда. Она обладает сильным магнитным полем, напряжённость которого меняется со временем, и которое меняет направление приблизительно каждые 11 лет, во время солнечного максимума. Вариации магнитного поля Солнца вызывают разнообразные эффекты, совокупность которых называется солнечной активностью и включает в себя такие явления как солнечные пятна, солнечные вспышки, вариации солнечного ветра и т.д., а на Земле вызывает полярные сияния в высоких и средних широтах и геомагнитные бури, которые негативно сказываются на работе средств связи, средств передачи электроэнергии, а также негативно воздействует на живые организмы, вызывая у людей головную боль и плохое самочувствие (у людей, чувствительных к магнитным бурям). Солнце является молодой звездой третьего поколения (популяции I) с высоким содержанием металлов, то есть оно образовалось из останков звёзд первого и второго поколений, (соответственно популяций III и II).

Текущий возраст Солнца (точнее – время его существования на главной последовательности), оценённый с помощью компьютерных моделей звёздной эволюции, равен приблизительно 4,57 млрд лет.

Жизненный цикл Солнца. Считается, что Солнце сформировалось примерно 4,59 млрд лет назад, когда быстрое сжатие под действием сил гравитации облака молекулярного водорода привело к образованию в нашей области Галактики звезды первого типа звёздного населения типа T Тельца.

Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 млрд лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла. На современном этапе в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 млн тонн вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.

7. Теоретические представления человечества о внутреннем и наружном строении Солнца

В центре Солнца находится солнечное ядро. Фотосфера – это видимая поверхность Солнца, которая и является основным источником излучения. Солнце окружает солнечная корона, которая имеет очень высокую температуру, однако она крайне разрежена, поэтому видима невооружённым глазом только в периоды полного солнечного затмения.

Центральная часть Солнца с радиусом примерно 150 000 километров, в которой идут термоядерные реакции, называется солнечным ядром. Плотность вещества в ядре составляет примерно 150 000 кг/м 3 (в 150 раз выше плотности воды и в ≈6,6 раз выше плотности самого тяжёлого металла на Земле – осмия), а температура в центре ядра – более 14 млн градусов. Теоретический анализ данных, проведённый миссией SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности. В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 млн тонн вещества, однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца – 2·10 27 тонн.

Над ядром, на расстояниях около 0,2...0,7 радиуса Солнца от его центра, находится зона лучистого переноса, в которой отсутствуют макроскопические движения, энергия переносится с помощью «переизлучения» фотонов.

Конвективная зона Солнца. Ближе к поверхности Солнца возникает вихревое перемешивание плазмы, и перенос энергии к поверхности совершается преимущественно движениями самого вещества. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца, толщиной примерно 200 000 км, где она происходит – конвективной зоной. По современным данным, её роль в физике солнечных процессов исключительно велика, так как именно в ней зарождаются разнообразные движения солнечного вещества и магнитные поля.

Атмосфера Солнца Фотосфера (слой, излучающий свет) достигает толщины ≈320 км и образует видимую поверхность Солнца. Из фотосферы исходит основная часть оптического (видимого) излучения Солнца, излучение же из более глубоких слоёв до неё уже не доходит. Температура в фотосфере достигает в среднем 5800 К. Здесь средняя плотность газа составляет менее 1/1000 плотности земного воздуха, а температура по мере приближения к внешнему краю фотосферы уменьшается до 4800 К. Водород при таких условиях сохраняется почти полностью в нейтральном состоянии. Фотосфера образует видимую поверхность Солнца, от которой определяются размеры Солнца, расстояние от поверхности Солнца и т.д. Хромосфера – внешняя оболочка Солнца толщиной около 10 000 км, окружающая фотосферу. Происхождение названия этой части солнечной атмосферы связано с её красноватым цветом, вызванным тем, что в её видимом спектре доминирует красная H-альфа линия излучения водорода. Верхняя граница хромосферы не имеет выраженной гладкой поверхности, из неё постоянно происходят горячие выбросы, называемые спикулами (из-за этого в конце XIX века итальянский астроном Секки, наблюдая хромосферу в телескоп, сравнил её с горящими прериями). Температура хромосферы увеличивается с высотой от 4000 до 15 000 градусов.

Плотность хромосферы невелика, поэтому яркость её недостаточна, чтобы наблюдать её в обычных условиях. Но при полном солнечном затмении, когда Луна закрывает яркую фотосферу, расположенная над ней хромосфера становится видимой и светится красным цветом. Её можно также наблюдать в любое время с помощью специальных узкополосных оптических фильтров.

Корона – последняя внешняя оболочка Солнца. Несмотря на её очень высокую температуру, от 600 000 до 2 000 000 градусов, она видна невооружённым глазом только во время полного солнечного затмения, так как плотность вещества в короне мала, а потому невелика и её яркость. Необычайно интенсивный нагрев этого слоя вызван, по-видимому, магнитным эффектом и воздействием ударных волн. Форма короны меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности: в периоды максимальной активности она имеет округлую форму, а в минимуме – вытянута вдоль солнечного экватора. Поскольку температура короны очень велика, она интенсивно излучает в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Эти излучения не проходят сквозь земную атмосферу, но в последнее время появилась возможность изучать их с помощью космических аппаратов. Излучение в разных областях короны происходит неравномерно. Существуют горячие активные и спокойные области, а также корональные дыры с относительно невысокой температурой в 600 000 градусов, из которых в пространство выходят магнитные силовые линии. Такая («открытая») магнитная конфигурация позволяет частицам беспрепятственно покидать Солнце, поэтому солнечный ветер испускается «в основном» из корональных дыр.

Из внешней части солнечной короны истекает солнечный ветер – поток ионизированных частиц (в основном протонов, электронов и α-частиц), имеющий скорость 300...1200 км/с и распространяющийся, с постепенным уменьшением своей плотности, до границ гелиосферы.

Так как солнечная плазма имеет достаточно высокую электропроводность, в ней могут возникать электрические токи и, как следствие, магнитные поля.

8. Теоретические проблемы термоядерного синтеза на Солнце

Проблема солнечных нейтрино. Ядерные реакции, происходящие в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества электронных нейтрино. При этом измерения потока нейтрино на Земле, которые постоянно производятся с конца 1960-х годов, показали, что количество регистрируемых там солнечных электронных нейтрино приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает стандартная солнечная модель, описывающая процессы в Солнце. Это рассогласование между экспериментом и теорией получило название «проблема солнечных нейтрино» и более 30 лет было одной из загадок солнечной физики. Положение осложнялось тем, что нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом, и создание нейтринного детектора, который способен достаточно точно измерить поток нейтрино даже такой мощности, как исходящий от Солнца – достаточно непростая научная задача.

Предлагалось два главных пути решения проблемы солнечных нейтрино. Во-первых, можно было модифицировать модель Солнца таким образом, чтобы уменьшить предполагаемую температуру в его ядре и, следовательно, поток излучаемых Солнцем нейтрино. Во-вторых, можно было предположить, что часть электронных нейтрино, излучаемых ядром Солнца, при движении к Земле превращается в нерегистрируемые обычными детекторами нейтрино других поколений (мюонные и тау-нейтрино). Сегодня ученые склоняются, что правильным, скорее всего, является второй путь. Для того, чтобы имел место переход одного сорта нейтрино в другой – так называемые «нейтринные осцилляции» – нейтрино должно иметь отличную от нуля массу. В настоящее время установлено, что это вроде действительно так. В 2001 г. в нейтринной обсерватории в Садбери были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так в солнечном веществе («эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна»). Таким образом, в настоящее время проблема солнечных нейтрино, по-видимому, решена.

Проблема нагрева короны. Над видимой поверхностью Солнца (фотосферой), имеющей температуру около 6 000 K, находится солнечная корона с температурой более 1 000 000 K. Можно показать, что прямого потока тепла из фотосферы недостаточно для того, чтобы привести к такой высокой температуре короны.

Предполагается, что энергия для нагрева короны поставляется турбулентными движениями подфотосферной конвективной зоны. При этом для переноса энергии в корону предложено два механизма. Во-первых, это волновое нагревание – звук и магнитогидродинамические волны, генерируемые в турбулентной конвективной зоне, распространяются в корону и там рассеиваются, при этом их энергия переходит в тепловую энергию корональной плазмы. Альтернативный механизм – магнитное нагревание, при котором магнитная энергия, непрерывно генерируемая фотосферными движениями, высвобождается путём пересоединения магнитного поля в форме больших солнечных вспышек или же большого количества мелких вспышек.

В настоящий момент неясно, какой тип волн обеспечивает эффективный механизм нагрева короны. Можно показать, что все волны, кроме магнитогидродинамических альвеновских, рассеиваются или отражаются до того, как достигнут короны, диссипация же альвеновских волн в короне затруднена. Поэтому современные исследователи сконцентрировали основное внимание на механизм нагревания с помощью солнечных вспышек. Один из возможных кандидатов в источники нагрева короны – непрерывно происходящие мелкомасштабные вспышки, хотя окончательная ясность в этом вопросе ещё не достигнута.

P.S. После прочтения о «Теоретических проблемах термоядерного синтеза на Солнце» необходимо вспомнить о «Бритве Оккама». Здесь в объяснениях теоретических проблем явно используются надуманные нелогичные теоретические объяснения.

9. Типы термоядерного топлива. Термоядерное горючее

Управляемый термоядерный синтез (УТС) – синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2 H) и тритий (3 H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3 He) и бор-11 (11 B)

Типы реакций. Реакция синтеза заключается в следующем: берутся два или больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются настолько, что силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией, что выделяется в процессе реакции. Количество выделяемой энергии описывает известная формула E = mc 2 . Более легкие атомные ядра проще свести на нужное расстояние, поэтому водород – самый распространенный элемент во Вселенной – является наилучшим горючим для реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов водорода, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, продуцировать меньше нейтронов. Особенную заинтересованность вызывают, так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на его декомиссию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Схема реакции дейтерий-тритий. Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Самая легко осуществимая реакция – дейтерий + тритий:

2 H + 3 H = 4 He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ.

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток её – выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Реакция – дейтерий + гелий-3 существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3:

2 H + 3 He = 4 He + p при энергетическом выходе 18,3 МэВ.

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3 кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах на настоящее время не производится.

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо).

Так же возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3.

Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием.

Другие типы реакций. Возможны и некоторые другие типы реакций. Выбор топлива зависит от многих факторов – его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и проч.

«Безнейтронные» реакции. Наиболее перспективны т. н. «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий – гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

10. Классические представления о условиях реализации. термоядерного синтеза и управляемых термоядерных реакторах

ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) – тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью ТОКАМАКа является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы.

УТС возможен при одновременном выполнении двух критериев:

• температура плазмы должна быть больше 100 000 000 К;
• соблюдение критерия Лоусона: n · t > 5·10 19 см –3 c (для реакции D-T),
  где n – плотность высокотемпературной плазмы, t – время удержания плазмы в системе.

Считается, теоретически, что именно от значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

В настоящее время управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Хотя в развитых странах построено, в общем, несколько десятков управляемых термоядерных реактора, но они не могут обеспечить управляемый термоядерный синтез. Строительство международного исследовательского реактора ITER находится в начальной стадии.

Рассматриваются две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Квазистационарные системы. Нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде ТОКАМАКов, стеллараторов, зеркальных ловушек и торсатронов, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ITER имеет конфигурацию ТОКАМАКа.

Импульсные системы. В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Исследования первого вида термоядерных реакторов существенно более развиты, чем второго. В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка. Магнитная ловушка призвана удерживать плазму от контакта с элементами термоядерного реактора, т.е. используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на вращении заряженных частиц вокруг силовых линий магнитного поля. К сожалению, замагниченная плазма очень не стабильна и стремится покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются самые сверхмощныме электромагниты, потребляющее огромное количество энергии.

Можно уменьшить размер термоядерного реактора, если в нем использовать одновременно три способа создания термоядерной реакции.

Инерционный синтез. Облучать крошечные капсулы дейтериево-тритиевого топлива лазером мощностью 500 трлн (5·10 14) Вт. Этот гигантский, очень кратковременный лазерный импульс 10 –8 c приводит к взрыву топливных капсул, в результате чего на доли секунды рождается мини-звезда. Но термоядерной реакции на нем не достигнуть.

Одновременно использовать Z-machine с ТОКАМАКом. Z-машина действует иначе чем лазер. Она пропускает через паутину тончайших проводов, окружающих топливную капсулу, заряд мощностью в полтриллиона ватт 5·10 11 Вт.

Реакторы первого поколения будут, вероятнее всего, работать на смеси дейтерия и трития. Нейтроны, которые появляются в процессе реакции, поглотятся защитой реактора, а выделяющееся тепло будет использоваться для нагревания теплоносителя в теплообменнике, и эта энергия, в свою очередь, будет использоваться для вращения генератора.

Существуют, в теории, альтернативные виды горючего, которые лишены указанных недостатков. Но их использованию препятствует фундаментальное физическое ограничение. Чтобы получить достаточное количество энергии из реакции синтеза, необходимо удерживать достаточно плотную плазму при температуре синтеза (10 8 K) на протяжении определенного времени.

Этот фундаментальный аспект синтеза описывается произведением густоты плазмы n на время содержания нагретой плазмы τ, что требуется для достижения точки равновесия. Произведение n τ зависит от типа горючего и является функцией температуры плазмы. Из всех видов горючего дейтерий-тритиевая смесь требует самого низкого значения n τ по меньшей мере на порядок, и самую низкую температуру реакции, по меньшей мере в 5 раз. Таким образом, D-T реакция является необходимым первым шагом, однако использование других видов горючего остается важной целью исследований.

11. Реакция синтеза в качестве промышленного источника электроэнергии

Энергия синтеза рассматривается многими исследователями в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе. Сторонники коммерческого использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:

• практически неисчерпаемые запасы топлива (водород);
• топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию горючего одной или группой стран;
• невозможность неуправляемой реакции синтеза;
• отсутствие продуктов сгорания;
• нет необходимости использовать материалы, которые могут быть использованы для производства ядерного оружия, таким образом, исключается случаи саботажа и терроризма;
• по сравнению с ядерными реакторами, вырабатывается незначительное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада.

Оценивают, что наперсток, наполненный дейтерием, производит энергию, эквивалентную 20 тоннам угля. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. Однако следует заметить, что существующие исследовательские реакторы спроектированы для достижения прямой дейтериево-тритиевой (DT) реакции, цикл топлива которой требует использования лития для производства трития, тогда как заявления о неисчерпаемости энергии касаются использования дейтериево-дейтериевой (DD) реакции во втором поколении реакторов.

Так же, как и реакция деления, реакция синтеза не производит атмосферных выбросов углекислоты, что является главным вкладом в глобальное потепление. Это является значительным преимуществом, поскольку использование горючих ископаемых для производства электроэнергии имеет своим следствием то, что, например, в США производится 29 кг CO 2 (один из основных газов, которые могут считаться причиной глобального потепления) на жителя США в день.

12. Уже есть сомнения

Страны Европейского Сообщества тратят около 200 млн евро ежегодно на исследования, и прогнозируется, что нужно еще несколько десятилетий пока промышленное использование ядерного синтеза станет возможным. Сторонники альтернативных источников электроэнергии считают, что было бы целесообразнее направить эти средства на внедрение возобновляемых источников электроэнергии.

К сожалению, невзирая на распространенный оптимизм (распространенный начиная с 1950-х годов, когда первые исследования начались), существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены, неясным является даже насколько может быть экономически выгодно производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Хотя прогресс в исследованиях является постоянным, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, что, как оценивается, должно быть в 100 раз интенсивнее, чем в традиционных ядерных реакторах.

13. Классическое представление о предстоящих этапах в создании управляемого термоядерного реактора

Различают следующие этапы в исследованиях.

Равновесие или режим «перевала»: когда общая энергия что выделяется в процессе синтеза равняется общей энергии тратящей на запуск и поддержку реакции. Это соотношение помечают символом Q . Равновесие реакции было продемонстрировано на JET в Великобритании в 1997 г. Затратив на его разогрев 52 МВт электроэнергии, на выходе ученые получили мощность на 0,2 МВт выше затраченной. (Необходимо перепроверить эти данные!)

Пылающая плазма: промежуточный этап, на котором реакция будет поддерживаться главным образом альфа-частицами, что продуцируются в процессе реакции, а не внешним подогревом.

Q ≈ 5. До сих пор промежуточный этап не достигнутый.

Воспламенение: стабильная реакция, что поддерживает саму себя. Должна достигаться при больших значениях Q . До сих пор не достигнуто.

Следующим шагом в исследованиях должен стать ITER, Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор. На этом реакторе планируется провести исследование поведения высокотемпературной плазмы (пылающая плазма с Q ≈ 30) и конструктивных материалов для промышленного реактора.

Окончательной фазой исследований станет DEMO: прототип промышленного реактора, на котором будет достигнуто воспламенение, и продемонстрирована практическая пригодность новых материалов. Самые оптимистичные прогнозы завершения фазы DEMO: 30 лет. Учитывая ориентировочное время на построение и введение в эксплуатацию промышленного реактора, нас отделяет ≈40 лет от промышленного использования термоядерной энергии.

14. Всё это надо обдумать

В мире было построены десятки, а может быть и сотни экспериментальных термоядерных реакторов разных габаритов. Учёные приходят на работу, включают реактор, реакция быстро происходит, вроде бы, выключают, и сидят и думают. В чём же причина? Что делать дальше? И так десятилетиями, безрезультатно.

Итак, выше была изложена история человеческого понимания о термоядерном синтезе на Солнце и история о достижениях человечества по созданию управляемого термоядерного реактора.

Пройден большой путь и сделано много, для достижения конечной цели. Но, к сожалению, результат отрицательный. Управляемый термоядерный реактор не создан. Ещё лет 30...40 и обещания учёных будут выполнены. А будут ли? 60 лет нет результата. Почему он должен получиться через 30...40 лет, а не через три года?

Есть другое представление о термоядерном синтезе на Солнце. Оно логичное, простое и реально приводит к положительному результату. Это открытие В.Ф. Власова. Благодаря этому открытию могут заработать в ближайшее время даже ТОКАМАКи.

15. Новый взгляд на природу термоядерного синтеза на Солнце и изобретение «Способ управляемого термоядерного синтеза и управляемый термоядерный реактор для осуществления управляемого термоядерного синтеза»

От автора. Этому открытию и изобретению почти 20 лет. Я долго сомневался в том, что нашёл новый способ проведения термоядерного синтеза и для его реализации новый термоядерный реактор. Мной были исследованы и изучены сотни работ в области термоядерного синтеза. Время и переработанная информация убедили меня, что я на правильном пути.

На первый взгляд изобретение очень простое и, совсем не похоже на экспериментальный термоядерный реактор типа ТОКАМАК. В современных представлениях авторитетов от науки ТОКАМАК это единственно правильное решение и обсуждению не подлежит. 60 лет идее термоядерного реактора. Но положительный результат – рабочий термоядерный реактор с управляемым термоядерным синтезом ТОКАМАК обещают только лет через 30...40. Наверное, если 60 лет нет реального положительного результата, значит выбранный способ технического решения идеи – создание управляемого термоядерного реактора – мягко говоря, неверный, или недостаточно реальный. Попробуем показать, что есть другое решение этой идеи на базе открытия о термоядерном синтезе на Солнце, и оно отличается от общепринятых представлений.

Открытие. Главная идея открытия очень простая и логичная, и заключается в том, что термоядерные реакции происходят в области солнечной короны . Именно здесь существуют необходимые физические условия для реализации термоядерной реакции. От Солнечной короны, где температура плазмы составляет примерно 1 500 000 К, нагревается поверхность Солнца до 6 000 K, отсюда с кипящей поверхности Солнца происходит испарение топливной смеси в солнечную корону, Температуры в 6 000 K достаточно, чтобы топливная смесь в виде испаряющихся паров преодолела силу гравитации Солнца. Это и защищает поверхность Солнца от перегрева и поддерживает температуру его поверхности.

Около зоны горения – солнечной короны существуют физические условия, при которых размеры атомов должны изменяются и при этом значительно снижаться кулоновские силы. При соприкосновении атомы топливной смеси сливаются и синтезируют новые элементы с большим выделением тепла. Эта зона горения и создаёт солнечную корону, от которой энергия в виде излучения и вещества поступает в космическое пространство. В слиянии дейтерия и трития помогает магнитное поле вращающегося Солнца, где они перемешиваются и разгоняются. Также от зоны термоядерной реакции в солнечной короне появляются и двигаются с большой энергией, навстречу испаряющемуся топливу, быстрые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля, всё это создаёт необходимые физические условия для термоядерного синтеза.

В классических представлениях физиков термоядерный синтез, почему то не относят к процессу горения (здесь не имеется ввиду окислительный процесс). Авторитеты от физики придумали, что термоядерный синтез на Солнце повторяет вулканический процесс на планете, например, Земля. Отсюда все рассуждения, используется приём подобия. Не существует доказательств того, что ядро планеты Земля имеет расплавленное жидкое состояние. До таких глубин даже геофизика не может добраться. То, что существуют вулканы нельзя считать доказательством жидкого ядра Земли. В недрах Земли, особенно на небольших глубинах, есть физические процессы, которые авторитетным физикам пока неизвестны. В физике нет ни единого доказательства, что в недрах, какой либо звезды происходит термоядерный синтез. Да и в термоядерной бомбе термоядерный синтез совершенно не повторяет модель в недрах Солнца.

При внимательном визуальном изучении Солнце похоже на сферическую объёмную горелку и очень напоминает горение на большой поверхности земли, где между границей поверхности и зоной горения (прототип солнечной короны) есть промежуток, через которую к поверхности земли передаётся тепловое излучение, которое испаряет, например, разлитое топливо и эти подготовленные пары поступают в зону горения.

Понятно, что на поверхности Солнца, такой процесс происходит при иных, других физических условиях. Подобные физические условия, достаточно близкие по параметрам, были заложены в разработку конструкции управляемого термоядерного реактора, Краткое описание и принципиальная схема которого изложены в заявке на патент излагаемой ниже.

Реферат заявки на патент №2005123095/06(026016).

«Способ управляемого термоядерного синтеза и управляемый термоядерный реактор для осуществления управляемого термоядерного синтеза».

Объясняю способ и принцип работы заявленного управляемого термоядерного реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Рис. 1. Упрощённая принципиальная схема УТЯР

На рис. 1 изображена принципиальная схема УТЯР. Топливная смесь, в массовом соотношении 1:10, сжатая до 3000 кг/см 2 и нагретая до 3000°C, в зоне 1 смешивается и поступает через критическое сечение сопла в зону расширения 2 . В зоне 3 происходит зажигание топливной смеси.

Температура искры зажигания может быть любой необходимой для начала термического процесса – от 109...108 К и ниже, это зависит от создаваемых необходимых физических условий.

В высокотемпературной зоне 4 происходит непосредственно процесс горения. Продукты сгорания передают тепло в виде излучения и конвекции системе теплообмена 5 и навстречу поступающей топливной смеси. Устройство 6 в активной части реактора от критического сечения сопла до конца зоны горения, помогает изменять величину кулоновских сил и увеличивает эффективное сечение ядер топливной смеси (создаёт необходимые физические условия).

По схеме видно, что реактор похож на газовую горелку. Но термоядерный реактор и должен быть таким, и конечно, физические параметры будут отличаться на величину в сотни раз от, например, физических параметров газовой горелки.

Повторение физических условий термоядерного синтеза на Солнце в земных условиях – это и есть сущность изобретения.

Любое теплогенерирующее устройство, в котором используется горение, должно создавать следующие условия – циклы: подготовка топлива, смешивание, подача в рабочую зону (зону горения), зажигание, сжигание (преобразование химическое или ядерное), теплоотвод от горячих газов в виде излучения и конвекции, и отвод продуктов сгорания. При опасных отходах – их утилизация. В заявленном патенте, всё это предусмотрено.

Основной довод физиков, о выполнении критерия Лоусена выполняется – во время зажигания электрической искрой или лучом лазера, а также отражающимися от зоны горения испаряющемуся топливу, быстрыми электрическими заряженными частицами, а так же фотонами – квантами электромагнитного поля с энергиями высокой плотности достигается температура 109...108 К на некоторую минимальную площадь топлива, кроме того и плотность топлива будет 10 14 см –3 . Разве это не способ и метод для выполнения критерия Лоусена. Но все эти физические параметры могут изменяться, при воздействии внешних факторов на некоторые другие физические параметры. Это пока ноу-хау.

Рассмотрим причины невозможности реализации термоядерного синтеза в известных термоядерных реакторах.

16. Недостатки и проблемы общепринятых представлений в физике о термоядерной реакции на Солнце

1. Известно. Температура видимой поверхности Солнца – фотосферы – 5800 К. Плотность газа в фотосфере в тысячи раз меньше плотности воздуха у поверхности Земли. Общепринятым считается, что внутри Солнца температура, плотность и давление увеличиваются с глубиной, достигая в центре соответственно 16 млн К (некоторые, считают 100 млн К), 160 г/см 3 и 3,5·10 11 бар. Под влиянием высокой температуры в ядре Солнца водород превращается в гелий с выделением большого количества тепла. Итак, считается, что температура, внутри Солнца от 16 до 100 млн градусов, на поверхности 5800 градусов, а в солнечной короне от 1 до 2 млн градусов? Почему такая несуразица? Никто внятно и понятно объяснить этого не может. Известные общепринятые объяснения имеют недостатки и не дают четкого и достаточного представления о причинах нарушения законов термодинамики на Солнце.

2. Термоядерная бомба и термоядерный реактор работают на разных технологических принципах, т.е. неодинаково похоже. Нельзя термоядерный реактор создавать по подобию работы термоядерной бомбы, что упущено при разработке современных экспериментальных термоядерных реакторов.

3. В 1920 г. авторитетный физик Эддингтон осторожно высказал предположение о природе термоядерной реакции на Солнце, что давление и температура в недрах Солнца настолько высоки, что там могут идти термоядерные реакции, при которой ядра водорода (протоны) сливаются в ядро гелия-4. В настоящее время это общепринятое представление. Но с тех пор нет никаких доказательств о том, что термоядерные реакции происходят в ядре Солнца при 16 млн. К (некоторые физики считают 100 млн. К), плотности 160 г/см3 и давлении 3,5 х 1011 бар, есть только теоретические предположения. Термоядерные реакции же в солнечной короне доказательны. Это несложно обнаружить и измерить.

4. Проблема солнечных нейтрино. Ядерные реакции, происходящие в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества электронных нейтрино. Образование, превращения и количество солнечных нейтрино по старым представлениям не объясняются понятно и достаточно несколько десятков лет. В новых представлениях о термоядерном синтезе на Солнце этих теоретических трудностей нет.

5. Проблема нагрева короны. Над видимой поверхностью Солнца (фотосферой), имеющей температуру около 6 000 K, находится солнечная корона с температурой более 1 500 000 K. Можно показать, что прямого потока тепла из фотосферы недостаточно для того, чтобы привести к такой высокой температуре короны. Новое понимание термоядерного синтеза на Солнце объясняет природу такой температуры солнечной короны. Именно в ней происходят термоядерные реакции.

6. Физики забывают, что ТОКАМАКи в основном нужны, чтобы удержать высокотемпературную плазму и не более того. В существующих и создающихся ТОКАМАКах не предусмотрено создание необходимых, специальных, физических условий для проведения термоядерного синтеза. Этого, почему то, никто не понимает. Все упрямо считают, что при многомиллионных температурах дейтерий с тритием должны хорошо гореть. С чего бы вдруг? Ядерная мишень просто быстро взрывается, а не горит. Посмотрите внимательно, как происходит ядерное горение в ТОКАМАКе. Такой ядерный взрыв может удержать только сильное магнитное поле реактора очень больших размеров (легко просчитывается), но тогда к.п.д. такого реактора будет неприемлемым для технического применения. В заявленном патенте проблема удержания термоядерной плазмы легко решается.

Объяснения учёных о процессах, которые происходят в недрах Солнца недостаточные для понимания термоядерного синтеза в глубине. Никто достаточно хорошо не рассматривал процессы подготовки топлива, процессы тепломассообмена, на глубине, в очень сложных критических условиях. Например, как, при каких условиях, образуется плазма на глубине, в которой происходит термоядерный синтез? Как она себя ведёт и т.д. Ведь именно подобным образом технически устроены ТОКАМАКи.

Итак, новое представление о термоядерном синтезе решает все существующие технические и теоретические проблемы в этой области.

P.S. Сложно предлагать простые истины людям, которые десятилетия верили в мнения (предположения) научных авторитетов. Чтобы понять о чём новое открытие, достаточно самостоятельно пересмотреть то, что было для себя догмой многие годы. Если новое предложением о природе физического эффекта вызывает сомнение в истинности старых предположений, докажи истину в первую очередь себе. Так должен поступать каждый настоящий учёный. Открытие о термоядерном синтезе в солнечной короне доказывается в первую очередь визуально. Термоядерное горение происходит не в недрах Солнца, а на его поверхности. Это особое горение. На многих фотографиях и снимках Солнца видно как идёт процесс горения, как идёт процесс образования плазмы.

1. Управляемый термоядерный синтез. Википедия.

2. Велихов Е.П., Мирнов С.В. Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую. Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Российский научный центр «Курчатовский институт», 2006.

3. Ллуэллин-Смит К. На пути к термоядерной энергетике. Материалы лекции, прочитанной 17 мая 2009 г. в ФИАНе.

4. Энциклопедия Солнца. Тесис, 2006.

5. Солнце. Астронет.

6. Солнце и жизнь Земли. Радиосвязь и радиоволны.

7. Солнце и Земля. Единые колебания.

8. Солнце. Солнечная система. Общая астрономия. Проект «Астрогалактика».

9. Путешествие из центра Солнца. Популярная механика, 2008.

10. Солнце. Физическая энциклопедия.

11. Astronomy Picture of the Day.

12. Горение. Википедия.

"Наука и техника"