Влияние космических факторов на климат земли. Термоядерный синтез - источник энергии звёзд

1. Лекция № 2 Влияние космичеких факторов на климат земли. Термоядерный синтез – источник энергии звёзд.

В нашем учебном пособии, мы расскажем о влиянии
климатических
факторов
на
сельскохозяйственное
производство, которое в итоге стало важным направлением в
метеорологии – агрометеорологией. Для того, чтобы понять
влияние метеорологических факторов на жизненные процессы
земли и возможность существование самой жизни и её
зарождения, вкратце вспомним курс таких наук, как
астрономия и астрофизика. Это позволит понять, почему на
нашей планете зародилась жизнь, как в животной, так и
растительной форме, почему климат на разных уголках нашей
планете стал таким и почему он со временем меняется,
природу различных климатических факиров, их влияние на
живые и растительные организмы.

2. Мле́чный Путь (или Гала́ктика Млечный Путь)

Мле́чный Путь (или Гала́ктика Млечный
Путь)
Галактика, в которой находятся Земля, Солнечная
система
и
все
отдельные
звёзды,
видимые
невооружённым
глазом.
Относится
к спиральным галактикам с перемычкой.
Млечный
Путь
вместе
с
Галактикой
Андромеды, Галактикой Треугольника (М33) и более чем
40
карликовыми
галактиками-спутниками
—
своими и Андромеды — образуют Местную Группу
галактик, которая входит в Местное Сверхскопление
(Сверхскопление Девы).
Название Млечный Путь распространено в западной
культуре и является калькой с лат. via lactea «молочная
дорога», которое, в свою очередь, калька с др.греч. ϰύϰλος γαλαξίας «молочный круг».

3. Размеры нашей галактики

Диаметр Галактики составляет около 30
тысяч парсек (порядка 100 000 световых лет,
1 квинтиллион километров) при оценочной
средней толщине порядка 1000 световых лет. —
распространённая
в
астрономии
внесистемная
единица
измерения расстояний, равная расстоянию до
объекта,
годичный
тригонометрический
параллакс которого равен одной угловой
секунде. Название образовано из сокращений
слов «параллакс» и «секунда».

4. Парсек

5.

Согласно эквивалентному определению, парсек — это расстояние, с
которого отрезок длиной в одну астрономическую единицу (практически
равный среднему радиусу орбиты Земли), перпендикулярный лучу
зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1″). Из определения
вытекает, что парсек равен длине катета прямоугольного треугольника с
прилежащим углом 1 угловая секунда и другим катетом длиной 1
астрономическая единица. (1 астрономическая единица – расстояние от
солнца до земли = 149,5 млн. км ≈ 150 000 000 км.)
1 пк = {\displaystyle {\frac {1}{\operatorname {tg} 1''}}} а. е.
≈ {\displaystyle {\frac {360\cdot 60\cdot 60}{2\pi }}} а. е. ≈ 206 264,8 а.
е. = 3,0856776·1016 м = 30,8568 трлн км (петаметров) = 3,2616 светового
года. Также используются и кратные единицы: килопарсек (кпк, kpc),
мегапарсек (Мпк, Mpc), гигапарсек (Гпк, Gpc). Дольные единицы, как
правило,
не
используются,
поскольку
вместо
них
применяются астрономические единицы.
Основная единица измерения расстояний в космосе – световой год
(количество километров за которое свет преодолевает за один год –
порядка 9,5 триллионов километров). На данный момент считают, что
скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по
определению, точно равная 299 792 458 км/с ≈ 300 000 км/сек,
или 1 079 252 848,8 км/ч.

6. Расположение солнца в галактике

Согласно
последним
научным
оценкам,
расстояние от Солнца до галактического центра
составляет 26 000 ± 1 400 световых лет, в то время как,
согласно предварительным оценкам, наша звезда
должна находиться на расстоянии около 35 000
световых лет от перемычки. Это означает, что Солнце
расположено ближе к краю диска, чем к его центру.
Вместе с другими звёздами Солнце вращается вокруг
центра Галактики со скоростью 220—240 км/с, делая
один оборот примерно за 200 млн лет. Таким образом,
за все время существования Земля облетела вокруг
центра Галактики не более 30 раз.

7. Термоядерный синтез в звёздах источник энергии для планет

В результате гравитационного сжатия температура в центре звезды повышается до 10 ÷ 15
млн оС. K, кинетической энергии сталкивающихся ядер водорода оказывается достаточно для
преодоления кулоновского отталкивания – начинается ядерная реакция горения водорода, которая
является первой реакцией протон - протонного цикла. Высокие температуры увеличивают
скорость движения частиц. Увеличение кинетической энергии приводит к повышению
вероятности проникновения частиц сквозь потенциальный барьер и в определенный момент этого
оказывается достаточно для возникновения стабильно протекающей термоядерной реакции
водородного слияния. Такая реакция начинается в ограниченной центральной части звезды, но
выделяющаяся в результате энергия сразу останавливает ее дальнейшее гравитационное сжатие.
На этой стадии своего развития происходит качественное изменение механизма выделения
энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды
происходило только за счет гравитационного сжатия, то теперь открывается другой механизм –
энергия выделяется за счёт ядерных реакций синтеза и ее хватает для противодействия силам
гравитации. В результате звезда приобретает стабильные размеры и светимость, которые для
звезды с массой, близкой к солнечной, не меняются в течение миллиардов лет, т.е. все то время,
пока в её центре происходит сгорание водорода.
Малая величина сечения этой реакции объясняет, почему стадия горения водорода – самая
продолжительная стадия в звёздной эволюции.
В звёздах разной массы термоядерные реакции протекают по-разному, с
различной скоростью и продолжаются примерно от десятков миллионов до
десятков миллиардов лет.

8.

Термоядерная реакция (реакция синтеза, нуклеосинтеза или слияния
атомных ядер) – это разновидность ядерной реакции, которая, как обычно
считается, протекает в звёздах при энергиях порядка 0.1 ÷ 100 кэВ (1 кэВ
согласно соотношению E = kT примерно соответствует температуре 107
К), и приводит к объединению, слиянию лёгких атомных ядер в более
тяжёлые. Для того чтобы произошло слияние ядер или термоядерная
реакция, ядра атомов, имеющие положительный заряд, должны
сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие,
имеющее притягивающий характер. Это расстояние имеет порядок
размера самих ядер и примерно равно 10-13 см или 1 Фм (Ферми) и во
много раз меньше размера атома в обычном, не ионизированном
состоянии, которое имеет порядок 10-8 см или 1 А (Ангстрем).
Таким образом, чтобы вступить в реакцию, атомные ядра должны
преодолеть потенциальный кулоновский барьер или, точнее говоря,
иметь достаточную вероятность для прохождения такого барьера.
Например, для реакции радиационного захвата дейтерия тритием 2Н +
3Н → 5Не + γ величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ =
100 кэВ = 105 эВ (электроновольт).

9. Протон-протонный цикл

Рассмотрим теперь более подробно процессы
синтеза легких атомных ядер, которые возможны
благодаря протеканию термоядерных реакций в
центре звезды. Большую часть своего существования
звезда находится в стадии равновесия, а это означает,
что, с одной стороны, сила гравитации стремится
сжать и уменьшить её в размерах, с другой стороны,
энергия, высвобождаемая в результате термоядерных
реакций,
вынуждает
звезду
расширяться,
увеличиваться в размерах. Пока эти две силы,
действующие на звезду, равны по величине и
противоположны по направлению, поддерживается
баланс, и она находится в стационарном состоянии на
Главной последовательности.

10.

Протон - протонный или рр - цикл – это совокупность
термоядерных реакций для звезд Главной последовательности, в ходе
которых водород (вернее, ядро атома водорода, протон "р") превращается
в гелий (ядро атома гелия 4Не). Этот цикл может протекать при наиболее
низких энергиях и является основной альтернативой CNO – циклу.
Именно протон - протонный цикл доминирует в звёздах с массой порядка
массы Солнца на стабильной стадии их развития. В тоже время, CNO цикл преобладает в более массивных и горячих звёздах, поэтому на
данном цикле останавливаться не будем. Нас интересует протонпротонный цикл, характерный для нашего солнца.
Протон-протонный цикл, характерный для нашего солнца, может
протекать до 10 и более миллиарда лет, нежели CNO – цикл, характерный
для массивных звёзд, продолжительность жизни которых в среднем 20-25
миллионов лет. Естественно, за такой срок, жизнь на планете, даже в зоне
комфортной обитаемости, на достаточном удалении, не может
зародиться. Кроме того, термоядерные реакции протекающие на
массивных звёздах, порядка 15 и более масс солнца, при малой
продолжительности жизни по космическим меркам, выжигают водород
значительно интенсивнее звёзд с более меньшей массой и выделяют
энергии и особенно различных активных излучений, вредных для любых
живых организмов в непостижимых величинах, которые не способствуют
зарождению жизни.

11.

Но, без сверхмассивных звёзд, где протекают супер
интенсивные термоядерные реакции, с огромным выделением
энергии, не могли бы сформироваться твёрдые планеты, как наша
Земля или Марс, Венера и Меркурий. Остальные планеты
Солнечной системы представляют собой газовые гиганты, где не
возможно зарождение жизни.
Дело в том, что при взрыве сверхмассивных звёзд, в космос
улетучивается огромное количество тяжёлых элементов, как
железо, уран, золото, серебро, медь и другие элементы таблицы
Менделеева, сформировавшиеся при термоядерном синтезе в CNO
цикле. Этот цикл порождает новые, более тяжёлые элементы в
результате термоядерного синтеза протекающими в CNO цикле,
которые возможны только в сверхмассивных звёздах.
Таким образом, наша планета Земля в результате эволюции
получила практически все элементы таблицы Менделеева в
результате в далёком прошлом, взрыва сверхновой звезды (взрыв
сверхмассивных звёзд в конце своего существования)
находившейся на небольшом удалении по космическим меркам от
зарождавшиеся солнечной системы (примерно 4,5 миллиарда лет
назад).

12.

Для
нас
больший
интерес
представляет
термоядерный синтез характерный для нашего солнца
или
по
квалификации
–
жёлтый
карлик.
Продолжительность жизни нашей звезды (солнца) –
10-12 миллиардов лет. Наша звезда (солнце), сейчас в
середине своей эволюции. Примерно, через 5
миллиардов лет, оно погаснет, как и погаснет вся
жизнь на земле, включая животный и растительный
мир. Солнце, постепенно начнёт превращаться в
красного гиганта, который со временем покроет весь
небосвод. Выгорит вся органика, вскипят все моря и
океаны. Затем, земля будет поглощена раздувшиеся
атмосферой солнца и полностью в ней сгорит.
Останутся, возможно Марс и другие внешние планеты
солнечной системы, представляющие в основном
газовые гиганты, как Юпитер и Сатурн, на которых
жизнь в нашем понимании не возможна.

13. Термоядерный синтез протон-протонного типа

Нас, в первую очередь интересует протон-протонная стадия термоядерного синтеза, которая
поддерживает энергию солнца, а следовательно и жизнь на земле, возможно единственную и
уникальную во вселенной.
Суммарным итогом рр - реакций является слияние четырех протонов с образованием ядра
атома 4Не и выделением энергии, эквивалентной 0,7 % массы этих протонов. Такая цепочка
реакций в упрощенном виде проходит в три стадии. Вначале два протона, имеющие достаточно
энергии для прохождения кулоновского барьера, сливаются, образуя дейтрон, позитрон и
электронное нейтрино. Затем дейтрон сливается с протоном, образуя ядро 3He и γ - квант и,
наконец, два ядра атома 3Не сливаются, образуя ядро атома 4Не – при этом высвобождаются два
протона. Схематично это принято обозначать следующим образом:
1. p + p → 2Н + e+ + νe , Q = 0.42 МэВ ,
2. 2Н + p → 3He + γ , Q = 5.49 МэВ ,
3. 3He + 3He → 4He + 2p , Q = 12.86 МэВ .
Здесь величина Q – это энергия, выделяемая в процессе протекания реакции, выраженная в
единицах энергии, называемых мегаэлектронвольт (МэВ).
Но это только основные реакции протон - протонного цикла, а все остальные, с указанием
относительного вклада различных каналов и скорости протекания.

14. Табл.1. Реакции протон - протонного цикла с указанием выхода энергии Q и τ – характерного времени протекания для каждого

процесса
№
I
II
III
Реакция
Q, Мэв
τ, лет
εv, Мэв; X
р(p,e+ v) 2Н
0,42
8.2 * 109
ἕv = 0.26; εv, макс = 0.42
2Н(p,γ) 3He
5,49
4.4 * 10-8
X(2Н) = 2.7*10-18
3He(3He,2p)4He
12,86
2.4 * 105
X(3He) = 1.6*10-5
3He(4He,γ) 7Be
1,59
9.5 * 105
X(7Be) = 1.2*10-11
7Be(e- ,γ ν) 7Li
0,86
0,30
7Li(p,4He)4He
17,35
3.8 * 10-5
X(7Li) = 1.5 * 10-15
7Be(p,γ) 8B
0,14
1.0 * 102
X(8B) = 4*10-21
8B(e+ v) 8Be*
14,06
3.0 * 10-8
ἕ =7.3; εv, макс = 14.06
8Ве* → 24Не
3,0
-
εv = 0.86 (90%); 0.38 (10%);
εv =0.8
-

15.

Как видно из табл.1 данный цикл может заканчиваться тремя
различными путями. Для завершения ветви I, которая была приведена
выше и дает максимальный энергетический вклад, первые две реакции
должны осуществиться дважды, поскольку для третьей реакции
требуется два ядра 3Не. Здесь можно, по-видимому, пренебречь реакцией
р + р + e- → 2H + ν, которая, как и основной процесс р + р → 2Н + e - + ν,
проходит за счёт слабых взаимодействий, но с вероятностью почти на три
порядка меньше.
Скорости или вероятности промежуточных реакций в протон протонном цикле очень велики, а характерное время мало по сравнению
со скоростью первой реакции ветви I, которая протекает очень медленно,
поэтому ядра 2Н, 3He, 7Be, 7Li и 8В не накапливаются на звездах в
заметных количествах. В ветви III при распаде ядра атома бора 8В с
образованием неустойчивого ядра бериллия в возбуждённом состоянии (
8Ве* ), которое почти мгновенно распадается на два ядра 4Не,
испускаются нейтрино с особенно высокой для рр - цикла энергией. Эти
нейтрино от термоядерных реакций на Солнце регистрируются
различными счетчиками на Земле. Примерно в 70% всех случаев цикл
заканчивается ветвью I, в 30% - ветвью II, а на долю ветви III приходится
несколько десятых долей процента.

16.

Запасов водорода на Солнце при современном темпе его горения по протон протонной цепочке могло бы хватить на 100 млрд. лет. Однако некоторое
обстоятельство существенно сокращает стадию горения водорода. Дело в том, что
водород, фактически, сгорает только в центральной части Солнца, а там его запасов
хватит примерно на 5 ÷ 6 млрд. лет, т.е. через 5 ÷ 6 млрд. лет Солнце, как это следует
из современной модели развития звёзд, должно превратиться в красный гигант. На
этом этапе радиус Солнца возрастет примерно в 200 раз, а внешняя оболочка Солнца
сначала достигнет Меркурия, потом Венеры и как указывали раньше, достигнет
орбиты земли с возможным полным поглощением.
По мере выгорания водорода, ядро более массивной, чем Солнце звёзды
начинает постепенно сжиматься под действием гравитации, приводя к увеличению
давления и температуры внутри неё и наряду с протон - протонным циклом вступает в
действие следующий термоядерный процесс, называемый, CNO - циклом. Этот цикл
термоядерного синтеза характерен для сверх массивных звёзд и сопровождается
быстрым сжиганием водорода и образованию всё более тяжёлых элементов, которые
после взрыва сверхновой обогащают космическое пространство многими элементами
таблицы Менделеева. Правда последствия взрыва сверхновой, для ближайших соседей
может вызвать незавидную участь, если там есть условия для зарождения жизни. Ещё
один путь окончания жизни особо сверх массивных звёзд, превращение их в
нейтронную, а ещё более массивных в чёрную дыру.
Но нас интересуют звёзды по классу близким к нашему солнцу.
Именно у таких звёзд могут быть планеты, где возможно зарождение
жизни.

17. Протон-протонная цепочка термоядерного синтеза

18.

На Земле самоподдерживающиеся термоядерные
реакции с выделением огромной энергии
осуществлялись в течение очень короткого времени
(10-7–10-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной
из основных термоядерных реакций, обеспечивающих
энерговыделение при таких взрывах, является реакция
слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и
трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:
2Н + 3Н 4Не + n.
При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного
реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах
предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза

19. Рисунок 1. Термоядерный синтез

В процессе «солнечного синтеза»
общая масса создающейся материи
немногим превышает общую массу
изначальных
ингредиентов.
«Недостающая часть» преобразуется
в энергию, согласно знаменитой
формуле Эйнштейна:
Е = mс2,
где Е — энергия в джоулях, m —
«недостающая
масса»
в
килограммах, а с — скорость света,
равная (в вакууме) 299 792 458 м/с
(300 000 км/сек). Солнце производит
таким
образом
колоссальное
количество энергии, так как ядра
водорода преобразуются в ядра гелия
безостановочно и в огромных
количествах

20.

Таким образом, благодаря термоядерному синтезу,
звёзды испускают свет и тепло.
Кроме светового излучения, солнце излучает гаммалучи, ренгеновские лучи, огромный поток заряженных
частиц, от которых нас защищает магнитное поле земли,
отклоняя их на полюса. Некоторые из этих заряженных
частиц сталкиваются в высоких слоях атмосферы с
атомами атмосферы, вызывая полярное сияние. Магнитное
поле земли существует за счёт расплавленного
вращающегося железного ядра. От ультра фиолетлвых
Лучей нас защищает озоновый слой, состоящий из
изотопов кислорода О3. Озоновый слой
Поглощает
большую
часть
ультрафиолетового
излучения и лишь незначительная часть достигает
поверхности земли.