Содержание
Больше 1,5 млн км в длину. Солнце выбросило в космос один из самых больших потоков плазмы (фото)
В свете того, что на Солнце сейчас появляется все больше вспышек, такие выбросы плазмы не удивительны. Но удивляют их изображения.
Related video
Профессиональный астрофотограф из США, Эндрю Маккарти, поделился в социальной сети Reddit своим новым изображением Солнца. Но на этот раз ему удалось запечатлеть один из эпизодов солнечной активности. Во время очередной вспышки на Солнце в космос был выброшен длинный поток плазмы, который был длиной примерно 1,6 млн км, пишет ScienceAlert.
Солнце становится все более активным в то время, как наша звезда приближается к максимуму своей активности, который наступит через пару лет. Поэтому нет ничего удивительного в том, что на Солнце почти каждый день появляются вспышки разной мощности.
У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!
Солнце становится все более активным в то время, как наша звезда приближается к максимуму своей активности, который наступит через пару лет.
Поэтому нет ничего удивительного в том, что на Солнце почти каждый день появляются вспышки разной мощности
Фото: NASA
В результате таких извержений в космос улетают огромные потоки плазмы, которые называются корональными выбросами массы. Данная вспышка по данным ученых, которые наблюдают за космической погодой, принадлежала к классу М. Это не самые мощные вспышки, как та которая появилась 5 дней назад. Как уже писал Фокус это была вспышка класса Х1.
Пятно, в котором появилась недавняя вспышка, не было направлено на Землю, и поток плазмы, длиной примерно в 1,6 млн км улетел, миновал нашу планету. Ученые предположили, что этот поток плазмы улетел в космос имея огромную скорость – примерно 160 тысяч км/час. По словам астрофотографа Эндрю Маккарти, это был самый большой выброс плазмы, который он когда-либо видел.
Для того, чтобы сделать уникальное изображение Солнца со шлейфом из солнечных частиц, фотограф потратил 6 часов.
За это время он сделал несколько сотен тысяч фотографий. Весь объем данных занял 800 Гб
Фото: ScienceAlert
Для того, чтобы сделать уникальное изображение Солнца со шлейфом из солнечных частиц, фотограф потратил 6 часов. За это время он сделал несколько сотен тысяч фотографий. Весь объем данных занял 800 Гб. После проведения съемки Маккарти объединил все снимки в одно изображение, чтобы получить максимально точное представление о масштабе извержения.
Также фотограф придал Солнцу оранжевый цвет, с желтыми и красноватыми областями. Ведь изначально изображение было просто белым. Фокус уже писал о том, что Солнце на самом деле не имеет ни желтого, ни оранжевого цвета, хотя многим людям кажется, что наша звезда выглядит именно так.
В дополнение ко всему фотограф добавил больше контрастности изображению, чтобы максимально детализировано показать огромный поток плазмы.
Стоит заметить, что после обработки фотографий, Маккарти все же оставил белый цвет, который виден в виде оболочки, окружающей Солнце.
«Я думаю, что я и мои коллеги сможем в ближайшее время запечатлеть еще больше таких потоков плазмы, которые выбрасывает Солнце. Это удивительное зрелище», — пишет Маккарти.
Астрофотограф не рекомендует фотографировать Солнце любителям, у которых нет соответствующего оборудования, так как можно повредить не только камеру, но и глаза.
Фокус уже писал о еще одном изображении потока плазмы, выброшенного в космос из Солнца, которое сделал другой астрофотограф.
Солнце — космический убийца Земли
Срочная новость
Названы лучшие работы конкурса «Снимай науку!»
Названы лучшие работы конкурса «Снимай науку!»
Как Солнце может уничтожить нашу цивилизацию?
Солнце — источник жизни на Земле, но именно оно может убить человечество.
Супервспышки способны вывести из строя спутники и наземную электронику, погрузив планету в хаос глобального блэкаута. Также наша звезда может серьезно повлиять на климат — например, спровоцировать новый ледниковый период. Про вред ультрафиолета знают все, чего не скажешь про угрозы космической погоды.
Вспышки, замеченные человеком
1 сентября 1859 года английский астроном Ричард Кэррингтон заметил, что от Солнца отделились два ослепительных шара, которые быстро росли. Мощная вспышка привела к выбросу огромного облака плазмы. Она врезалась в магнитосферу Земли и спровоцировала мощнейшую магнитную бурю в истории! Ночь над Америкой и Европой стала днем. Было светло от всполоха северного сияния. Казалось, что города охвачены пламенем. Пропадало электричество, вышел из строя телеграф. Из аппаратов сыпались искры, поджигая бумагу. Многие тогда подумали, что наступил конец света.
Событие Кэррингтона стало ярким примером того, какую опасность Солнце может представлять для человеческой цивилизации.
Сегодня, когда электричество проникло во все сферы жизни, последствия подобной солнечной бури могли бы быть куда более масштабными!
Например, 13 марта 1989 года на Солнце произошла далеко не самая мощная вспышка. Тем не менее вся провинция Квебек на девять часов погрузилась во тьму. В системе электроснабжения возникли индукционные токи, которые пережгли трансформаторы. Миллионы людей остались без света.
А если представить, что магнитная буря будет в несколько раз сильнее? Тогда человечеству грозит глобальный блэкаут. В условиях, когда электроника контролирует буквально все: промышленность, финансы, медицину, безопасность, оборонные технологии — такое событие приведет к самым непредсказуемым последствиям, от масштабного экономического кризиса до начала ядерной войны. Конечно, с тех пор было вложено много миллиардов долларов в защиту сетей от перегрузок. Но случись на Солнце супервспышка, человечество откатится на десятки лет назад в своем развитии. В один момент мы можем остаться без связи, телевидения и многих других важных технологий.
Солнце как термоядерный реактор
Каждый день мы смотрим на солнце, но едва ли понимаем, с чем имеем дело! На самом деле наше светило — это огромный термоядерный реактор, и его масса в 333 000 раз больше массы Земли. Температура на поверхности этого гигантского плазменного шара — около 5772 К, а температура ядра достигает 13 млн °С! Солнечная плазма постоянно курсирует от горячего ядра к более холодной поверхности светила. Этот эффект называется конвекцией. При этом плазма обладает хорошей электропроводностью, близкой к электропроводности металлов, поэтому, благодаря ее движению, создается магнитное поле. Это магнитное поле неоднородно и изменчиво.
«У Солнца, как у периодической звезды, есть циклы активности: примерно раз в 11 лет у нас наблюдается так называемый максимум солнечной активности, когда интенсивность магнитного поля Солнца повышена, на нем много пятен, а пятна — это области с несколько бóльшим магнитным полем», — объясняет Анатолий Петрукович, директор Института космических исследований РАН.
Как возникают солнечные вспышки?
Сильные магнитные поля затормаживают движения плазмы от ядра к поверхности: она остывает быстрее, в результате солнечные пятна примерно на 1200 °С холоднее, чем окружающие их участки. Поэтому они и кажутся нам темными, хотя все равно излучают яркий свет. Именно солнечные пятна являются областями наибольшей активности на Солнце. Если пятен появляется много, магнитные линии, проходящие внутри одной группы пятен, могут соединиться с магнитными линиями из другой группы пятен, имеющими противоположную полярность. Видимым результатом этого процесса является солнечная вспышка — выброс огромного количества плазмы в космическое пространство.
«Вспышка — это взрыв на Солнце. Причем взрыв колоссальной мощности, когда выделяется энергия, равная употреблению энергии человечеством за 10 млн лет! Такая энергия выделяется за 10 секунд. И вот даже на том огромном расстоянии, на котором Земля удалена от Солнца (150 млн км), последствия такого мощного взрыва, к сожалению, ощущаются», — говорит Сергей Богачев, главный научный сотрудник лаборатории «Рентгеновская астрономия Солнца» Физического института им.
П. Н. Лебедева РАН.
Одно из последствий вспышек на Солнце — солнечная радиация. В околоземное пространство прилетают заряженные частицы: протоны и ионы гелия. Они представляют серьезную угрозу для космонавтов. Например, в 1972 году, когда американские астронавты высаживались на Луну, произошла мощная вспышка на Солнце. Если бы экипаж «Аполлона» не разминулся с потоком заряженных частиц, астронавты могли бы погибнуть от лучевой болезни. К счастью, с тех пор технологии шагнули далеко вперед и в наши дни экипаж МКС гораздо лучше защищен от солнечной радиации.
А вот обезопасить космическую технику от солнечной радиации до сих пор не удается в полной мере. Потоки заряженных частиц периодически выводят из строя космические аппараты и в первую очередь электронику спутников и бортовые аппараты. Ионизуя атмосферу Земли, заряженные частицы сказываются даже на качестве радиосвязи.
Сергей Богачев отмечает: «Современная микросхема при попадании в нее тяжелого иона выходит из строя гарантированно.
Если такие ионы проходят потоками через спутник, вероятность уцелеть для него крайне слаба. Защита здесь в принципе невозможна. Выход из строя спутников — это событие очень серьезного плана. Заменить вышедший из строя спутник ни за день, ни за год невозможно. А если такие жизненно важные спутники выйдут из строя десятками или сотнями, на их замену потребуются десятилетия».
Геомагнитные бури
Геомагнитные бури грозят человечеству серьезными неприятностями. Так называемые солнечные штормы случаются, когда Земля оказывается на пути облака плазмы. К моменту подхода к нашей планете оно имеет огромное размеры: до миллиона километров в диаметре. Но самое главное, что эта плазма обладает собственным магнитным полем, и это магнитное поле начинает взаимодействовать с магнитным полем Земли, вызывая его колебания.
«Эти колебания, которые рождаются в космосе на большой высоте в результате колоссального события, столкновения, как по струнам добегают вниз, до поверхности Земли.
По сути, любой прибор, положенный на стол, начинает чувствовать эти колебания», — рассказывает Сергей Богачев.
Такие колебания магнитных полей способны индуцировать электрические токи в замкнутых изолированных контурах большой протяженности. В первую очередь в линиях электропередач, которые как паутина опутывают всю нашу планету. Во время магнитной бури в них происходят те же процессы, что и в знаменитой рамке Фарадея из школьного опыта: если рядом с ней находится катушка, магнитное поле которой изменяется, — возникают индукционные токи.
«Колебания способны наводить токи в электрических системах, в разного рода проводах и в том числе в организме человека, где тоже есть проводящие системы: кровеносная, нервная. Собственно говоря, воздействие переменного поля на проводящие системы и составляет собой физическую основу воздействия магнитных бурь на человека, которое широко обсуждается», — уточняет Сергей Богачев.
Влияние на человека
За год мы переживаем порядка 50–60 магнитных бурь, но оказывают ли они непосредственное влияние на организм? Этот вопрос остается дискуссионным среди ученых.
Но факты говорят сами за себя: во время геомагнитных бурь многие люди чувствуют себя плохо, жалуются на перепады давления, головные боли, сонливость и усталость. Во время магнитной бури происходят изменения в окружающей среде: в частности, меняется атмосферное давление. Здоровый человек это вряд ли почувствует. А вот на людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями солнечная погода может оказывать негативное влияние.
«Это доказано статистически: во время больших магнитных бурь в два раза увеличивается количество инфарктов и инсультов. Проверено в разных местах Земли! В организме человека циркулирует около 5 л крови. И когда мы сдаем анализы, в крови оценивается такая реакция, как скорость оседания эритроцитов. Была замечена четкая закономерность: этот показатель меняется в зависимости от магнитной активности», — говорит Сергей Гайдаш, руководитель Центра прогнозов космической погоды Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН).
В ИЗМИРАН был разработан перечень рекомендаций для лиц с инфарктом миокарда и артериальной гипертензией по приему различных медицинских препаратов в зависимости от геомагнитной активности, а также создан автоответчик, который круглосуточно сообщает о состоянии геомагнитного поля и дает прогноз (можно звонить по телефону 8 (495) 851–19–34).
Потенциальные инсультники могут получить информацию о рисках космической погоды и с помощью врача или самостоятельно принять меры: скорректировать дозу медикаментов, обеспечить себе покой и т. д.
Недавно японские ученые выяснили, что магнитные бури повышают риск суицида среди мужчин. Такие выводы они сделали на основе анализа статистики самоубийств с начала 1999 по конец 2008 года. Была обнаружена четкая корреляция между магнитными возмущениями и суицидом среди японцев мужского пола.
Изменение климата: заморозка или потепление?
Изменения активности Солнца влияют на климат Земли. Существуют научные теории, которые прослеживают связь между супервспышками и массовыми вымираниями видов.
«Самое известное вымирание — динозавров. Но до этого были еще вымирания ранее аналогичные, которым ищут причину: то ли в резкой смене климата, то в падении метеорита. Одной из возможных причин может быть супервспышка на Солнце, энергия и масштабы которой позволили солнечному излучению проникнуть до поверхности Земли и существенно повредить, уничтожить биосферу», — рассказывает Сергей Богачев.
Ученые отмечают, что ледниковые периоды совпадали с понижением солнечной активности. Есть мнение, что в будущем светило может попросту нас заморозить —его активность снизится, и наступит новый ледниковый период.
«Ледниковые периоды совпадали с понижениями солнечной активности. В частности, был последний такой период: Маундеровский минимум. Галилей открыл солнечные пятна больше чем 300 лет назад. Их несколько десятилетий наблюдали, а потом вдруг пятна исчезли», — поясняет Владимир Кузнецов, директор ИЗМИРАН.
С 1645 по 1715 год астрономы не наблюдали солнечных пятен. Одновременно в Европе были аномально суровые зимы. В Голландии покрывались льдом каналы. Заморозки весной и даже летом привозили к гибели урожая и фруктовых садов. В ряде европейских стран начался продовольственный кризис
Ученые считают, что подобное похолодание должно повториться в будущем. Правда, назвать точный год или хотя бы век, когда стартует новый малый ледниковый период, они пока не могут.
По одной из самых пессимистичных гипотез, Солнце в конечном итоге уничтожит жизнь на Земле, подогрев ее. Незаметно для нас огромный космический термоядерный реактор разогревается — этот процесс растянут на миллиарды лет.
«Разогрев Солнца постепенно будет приводить к тому, что за каждые примерно 100 млн лет температура на Земле будет повышаться примерно на 1 градус. То есть через миллиард лет уже условия будут некомфортные для жизни. Это и повышение средней температуры на 10 градусов, и испарение воды — испаряясь, она еще больше нагреет Землю», — отмечает Леонид Ледедцов, научный сотрудник отдела физики Солнца Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга.
Некоторые ученые предсказывают нашей планете судьбу Венеры — не случайно ее называют сестрой Земли. Согласно гипотезам, на ней тоже были океаны. Но так как ее орбита лежит ближе к Солнцу, Венеру быстро захлестнул парниковый эффект: на месте океанов он оставил пустыню, покрытую облаками серной кислоты, и атмосферу, состоящую почти полностью из углекислого газа.
В похожей ситуации в будущем, вероятно, окажется и Земля.
Перспектива апокалипсиса, хоть и отдаленного во времени, заставляет ученых разрабатывать план B и искать «запасную планету» — недаром США вкладывают огромные средства в марсианскую программу и всерьез говорят о колонизации космоса. Сейчас этот план спасения человечества кажется абсолютной фантастикой, но законам физики он не противоречит. Наука уже не раз доказывала, что нет ничего невозможного, а значит, есть и шанс не дать Солнцу уничтожить нашу цивилизацию.
Подробнее смотрите в передаче «Угрозы современного мира» на канале «Наука».
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Расскажите друзьям
- Климатический кризис
Объемы выбросов углекислого газа в этом году выросли во всем мире, но снизились в Китае
- Внеземное
- Красивое
«Джеймс Уэбб» взглянул на одинокую карликовую галактику и получил блестящие результаты
- Машины против людей
- Кибервсё
- Будущее уже здесь
Искусственный интеллект теперь при обучении может задавать вопросы, как ребенок
- 42
- Физика всего
В лаборатории создали аналог ранней Вселенной
- Техника на грани
- Наука против природы
Погладить шмеля: люди теперь могут безопасно и аккуратно потрогать насекомых
Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology
Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили Сванте Паабо
Curtin University
Геофизики предсказывают обратное слияние континентов
Mirosław Blicharski/Aleksander Poznań
В Польше археологи открыли погребение женщины-«вампира» с серпом у горла
Иллюстрация: Ирина Лутцева
Что мы будем есть в будущем
Shutterstock
Ученые рассказали, какое поведение родителей лучше всего влияет на развитие мозга ребенка
Хотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Ваш e-mail
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Как солнце производит энергию?
Внутреннее строение Солнца. Кредит: Wikipedia Commons/kelvinsong
Существует причина жизни, потому что Земля является единственным местом в Солнечной системе, где, как известно, жизнь может жить и процветать. Конечно, ученые считают, что под ледяными поверхностями Европы и Энцелада или в метановых озерах на Титане могут существовать микробные или даже водные формы жизни. Но пока Земля остается единственным известным нам местом, где есть все подходящие условия для существования жизни.
Одна из причин этого заключается в том, что Земля находится в пределах Обитаемой зоны нашего Солнца (она же «Зона Златовласки»). Это означает, что он находится в правильном месте (ни слишком близко, ни слишком далеко), чтобы получать обильную солнечную энергию, которая включает в себя свет и тепло, необходимые для химических реакций. Но как именно наше солнце производит эту энергию? Какие шаги для этого необходимы и как они попадают к нам на планету Земля?
Простой ответ заключается в том, что Солнце, как и все звезды, способно создавать энергию, потому что это, по сути, массовая реакция синтеза.
Ученые считают, что это началось, когда огромное облако газа и частиц (то есть туманность) рухнуло под действием силы собственной гравитации, что известно как теория туманности. Это не только создало большой шар света в центре нашей Солнечной системы, но и запустило процесс, в результате которого водород, собранный в центре, начал сливаться для создания солнечной энергии.
Технически известный как ядерный синтез, этот процесс высвобождает невероятное количество энергии в виде света и тепла. Но чтобы доставить эту энергию из центра нашего Солнца на планету Земля и дальше, нужно сделать пару важных шагов. В конце концов, все сводится к солнечным слоям и той роли, которую каждый из них играет в обеспечении того, чтобы солнечная энергия попадала туда, где она может помочь создать и поддерживать жизнь.
Ядро:
Ядро Солнца — это область, простирающаяся от центра примерно на 20–25 % солнечного радиуса. Именно здесь, в ядре, энергия вырабатывается атомами водорода (H), превращающимися в ядра гелия (He).
Это возможно благодаря экстремальному давлению и температуре внутри ядра, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25,33 триллиона кПа) и 15,7 миллионам кельвинов соответственно.
Конечным результатом является слияние четырех протонов (ядер водорода) в одну альфа-частицу – два протона и два нейтрона связаны вместе в частицу, идентичную ядру гелия. В ходе этого процесса высвобождаются два позитрона, а также два нейтрино (которые превращают два протона в нейтроны) и энергия.
Ядро — единственная часть Солнца, производящая заметное количество тепла в результате синтеза. Фактически, 99 % энергии, производимой солнцем, находится в пределах 24 % солнечного радиуса. К 30% радиуса синтез почти полностью прекратился. Остальная часть Солнца нагревается за счет энергии, которая передается от ядра через последовательные слои, в конечном итоге достигает солнечной фотосферы и уходит в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.
Солнце высвобождает энергию со скоростью преобразования массы в энергию 4,26 миллиона метрических тонн в секунду, что эквивалентно 384,6 септиллиона ватт (3,846×10 26 Вт).
Для сравнения, это эквивалентно примерно 9,192×10 10 мегатонн тротила в секунду, или 1 820 000 000 Царь-бомба — самой мощной термоядерной бомбы из когда-либо созданных!
Радиационная зона:
Это зона непосредственно рядом с ядром, простирающаяся примерно на 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечный материал в этом слое достаточно горячий и плотный, так что тепловое излучение — это все, что нужно для передачи сильного тепла, выделяемого в ядре, наружу. По сути, это связано с испусканием фотонов ионами водорода и гелия, которые проходят небольшое расстояние, прежде чем поглощаются другими ионами.
Температура в этом слое падает примерно с 7 миллионов кельвинов ближе к ядру до 2 миллионов на границе с конвективной зоной. Плотность в этом слое также падает в сотни раз от 0,25 солнечного радиуса до вершины радиационной зоны, от 20 г/см 3 ближе всего к ядру до всего лишь 0,2 г/см 3 на верхней границе.
Конвективная зона:
Это внешний слой Солнца, на долю которого приходится все, что находится за пределами 70% внутреннего солнечного радиуса (или от поверхности примерно до 200 000 км ниже). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и более тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате лучистый перенос тепла менее эффективен, а плотность плазмы достаточно мала, чтобы могли развиваться конвективные потоки.
Из-за этого поднимающиеся тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу, в фотосферу Солнца. Как только эти клетки поднимаются чуть ниже поверхности фотосферы, их материал охлаждается, что приводит к увеличению их плотности. Это вынуждает их снова опускаться к основанию конвективной зоны, где они набирают больше тепла, и конвективный цикл продолжается.
На поверхности Солнца температура падает примерно до 5700 К. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также является причиной эффекта, создающего магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.
Иллюстрация строения Солнца и красного гиганта с указанием их конвективных зон. 1 кредит
Также в этом слое встречаются солнечные пятна, которые выглядят как темные пятна по сравнению с окружающей областью. Эти пятна соответствуют концентрациям в поле магнитного потока, которые препятствуют конвекции и вызывают понижение температуры областей на поверхности по сравнению с окружающим материалом.
Фотосфера:
Наконец, есть фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, излучаемые и переносимые на поверхность, распространяются в космос. Температура в слое колеблется от 4500 до 6000 К (4230–5730 ° C; 7646–10346 ° F). Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее, чем нижняя, изображение Солнца кажется более ярким в центре, чем на краю или краю солнечного диска, в результате явления, известного как затемнение края.
Толщина фотосферы составляет от десятков до сотен километров, а также это область Солнца, где она становится непрозрачной для видимого света.
Причина этого заключается в уменьшении количества отрицательно заряженных ионов водорода (H–), которые легко поглощают видимый свет. И наоборот, видимый свет, который мы видим, возникает, когда электроны реагируют с атомами водорода с образованием ионов H–.
Фотосфера Солнца, где видимый солнечный свет и тепло посылаются в космос. Авторы и права: НАСА/SDO/AIA
Энергия, излучаемая фотосферой, затем распространяется в космосе и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения, но часть пропускает на поверхность. Полученная энергия затем поглощается земным воздухом и земной корой, нагревая нашу планету и обеспечивая организмы источником энергии.
Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него завершился бы жизненный цикл растений и животных, нарушились бы циркадные ритмы всех земных существ; и со временем вся жизнь на Земле перестанет существовать.
Важность солнца была признана с доисторических времен, и многие культуры рассматривали его как божество (чаще всего как главное божество в своих пантеонах).
Но только в последние несколько столетий стали понятны процессы, приводящие в движение солнце. Благодаря непрекращающимся исследованиям физиков, астрономов и биологов мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как оно передает ее нашей Солнечной системе. Изучение известной Вселенной с ее разнообразием звездных систем и экзопланет также помогло нам провести сравнения с другими типами звезд.
Предоставлено
Вселенная сегодня
Цитата :
Как солнце производит энергию? (2015, 14 декабря)
получено 13 ноября 2022 г.
с https://phys.org/news/2015-12-sun-energy.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Солнечная энергия | Национальное географическое общество
Солнечная энергия — это любой вид энергии, вырабатываемой солнцем.
Солнечная энергия создается в результате ядерного синтеза, происходящего на Солнце. Синтез происходит, когда протоны атомов водорода яростно сталкиваются в ядре Солнца и сливаются, образуя атом гелия.
Этот процесс, известный как цепная реакция PP (протон-протон), испускает огромное количество энергии. В своем ядре Солнце каждую секунду сжигает около 620 миллионов метрических тонн водорода. Цепная реакция PP происходит в других звездах размером с наше Солнце и обеспечивает их непрерывной энергией и теплом. Температура этих звезд составляет около 4 миллионов градусов по шкале Кельвина (около 4 миллионов градусов по Цельсию, 7 миллионов градусов по Фаренгейту).
В звездах, которые примерно в 1,3 раза больше Солнца, цикл CNO управляет созданием энергии. Цикл CNO также преобразует водород в гелий, но для этого используются углерод, азот и кислород (C, N и O).
В настоящее время менее 2% солнечной энергии создается циклом CNO.
Ядерный синтез с помощью цепной реакции PP или цикла CNO высвобождает огромное количество энергии в форме волн и частиц. Солнечная энергия постоянно течет от Солнца и по всей Солнечной системе. Солнечная энергия согревает Землю, вызывает ветер и погоду, поддерживает жизнь растений и животных.
Энергия, тепло и свет солнца уходят в виде электромагнитного излучения (ЭМИ).
Электромагнитный спектр существует в виде волн различных частот и длин волн. Частота волны показывает, сколько раз волна повторяется за определенную единицу времени. Волны с очень короткими длинами волн повторяются несколько раз в данную единицу времени, поэтому они являются высокочастотными. Напротив, низкочастотные волны имеют гораздо большую длину волны.
Подавляющее большинство электромагнитных волн невидимы для нас. Наиболее высокочастотными волнами, излучаемыми солнцем, являются гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи).
Наиболее вредные ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются атмосферой Земли. Менее мощные УФ-лучи проходят через атмосферу и могут вызывать солнечные ожоги.
Солнце также излучает инфракрасное излучение, волны которого имеют гораздо более низкую частоту. Большая часть солнечного тепла поступает в виде инфракрасной энергии.
Между инфракрасным и ультрафиолетовым диапазоном находится видимый спектр, который содержит все цвета, которые мы видим на Земле. Красный цвет имеет самые длинные волны (наиболее близкие к инфракрасному), а фиолетовый (наиболее близкие к ультрафиолетовому) — самые короткие.
Природная солнечная энергия
Парниковый эффект
Достигающие Земли инфракрасные, видимые и УФ-волны участвуют в процессе нагревания планеты и делают возможной жизнь — так называемый «парниковый эффект».
Около 30% солнечной энергии, достигающей Земли, отражается обратно в космос. Остальное поглощается земной атмосферой.
Излучение нагревает поверхность Земли, и поверхность излучает часть энергии обратно в виде инфракрасных волн. Когда они поднимаются в атмосферу, их перехватывают парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ.
Парниковые газы задерживают тепло, которое отражается обратно в атмосферу. Таким образом, они действуют как стеклянные стены теплицы. Этот парниковый эффект поддерживает температуру Земли достаточной для поддержания жизни.
Фотосинтез
Почти вся жизнь на Земле напрямую или косвенно зависит от солнечной энергии для питания.
Производители напрямую зависят от солнечной энергии. Они поглощают солнечный свет и превращают его в питательные вещества посредством процесса, называемого фотосинтезом. Производители, также называемые автотрофами, включают растения, водоросли, бактерии и грибы. Автотрофы составляют основу пищевой сети.
Потребители полагаются на производителей питательных веществ. Травоядные, плотоядные, всеядные и детритоядные животные косвенно зависят от солнечной энергии.
Травоядные питаются растениями и другими производителями. Плотоядные и всеядные едят как производителей, так и травоядных. Детритофаги разлагают растительные и животные вещества, потребляя их.
Ископаемое топливо
Фотосинтез также является источником всех ископаемых видов топлива на Земле. По оценкам ученых, около 3 миллиардов лет назад в водной среде появились первые автотрофы. Солнечный свет позволял растительной жизни процветать и развиваться. После того, как автотрофы погибли, они разложились и сместились вглубь Земли, иногда на тысячи метров. Этот процесс продолжался миллионы лет.
Под сильным давлением и высокими температурами эти останки превратились в то, что мы знаем как ископаемое топливо. Микроорганизмы превратились в нефть, природный газ и уголь.
Люди разработали процессы извлечения этих ископаемых видов топлива и использования их для получения энергии. Однако ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом. На их формирование уходят миллионы лет.
Использование солнечной энергии
Солнечная энергия является возобновляемым ресурсом, и многие технологии могут собирать ее непосредственно для использования в домах, на предприятиях, в школах и больницах. Некоторые технологии солнечной энергетики включают фотоэлектрические элементы и панели, концентрированную солнечную энергию и солнечную архитектуру.
Существуют различные способы улавливания солнечного излучения и преобразования его в полезную энергию. Методы используют либо активную солнечную энергию, либо пассивную солнечную энергию.
Активные солнечные технологии используют электрические или механические устройства для активного преобразования солнечной энергии в другую форму энергии, чаще всего в тепло или электричество. Пассивные солнечные технологии не используют никаких внешних устройств. Вместо этого они используют местный климат для обогрева зданий зимой и отражения тепла летом.
Фотогальваника
Фотогальваника — это форма активной солнечной технологии, открытая в 1839 году 19-летним французским физиком Александром-Эдмоном Беккерелем.
Беккерель обнаружил, что когда он помещал хлорид серебра в кислый раствор и подвергал его воздействию солнечного света, прикрепленные к нему платиновые электроды генерировали электрический ток. Этот процесс выработки электроэнергии непосредственно из солнечного излучения называется фотогальваническим эффектом или фотогальваникой.
Сегодня фотогальваника, вероятно, является наиболее известным способом использования солнечной энергии. Фотоэлектрические массивы обычно включают в себя солнечные панели, набор из десятков или даже сотен солнечных элементов.
Каждый солнечный элемент содержит полупроводник, обычно изготовленный из кремния. Когда полупроводник поглощает солнечный свет, он выбивает электроны. Электрическое поле направляет эти свободные электроны в электрический ток, текущий в одном направлении. Металлические контакты в верхней и нижней части солнечного элемента направляют этот ток на внешний объект. Внешний объект может быть как маленьким, как калькулятор на солнечной энергии, так и большим, как электростанция.
Фотогальваника впервые широко использовалась на космических кораблях. Многие спутники, включая Международную космическую станцию, имеют широкие отражающие «крылья» из солнечных панелей. У МКС есть два крыла солнечных батарей (SAW), каждое из которых использует около 33 000 солнечных элементов. Эти фотоэлементы обеспечивают МКС всей электроэнергией, позволяя астронавтам управлять станцией, безопасно жить в космосе месяцами и проводить научные и инженерные эксперименты.
Фотоэлектрические электростанции построены по всему миру. Крупнейшие станции находятся в США, Индии и Китае. Эти электростанции вырабатывают сотни мегаватт электроэнергии, которая используется для снабжения домов, предприятий, школ и больниц.
Фотогальваническая технология также может быть установлена в меньшем масштабе. Солнечные панели и элементы могут быть закреплены на крышах или наружных стенах зданий, обеспечивая электричеством структуру. Их можно размещать вдоль дорог на легкие магистрали.
Солнечные батареи достаточно малы, чтобы питать даже более мелкие устройства, такие как калькуляторы, паркоматы, прессовщики мусора и водяные насосы.
Концентрированная солнечная энергия
Другим типом активной солнечной технологии является концентрированная солнечная энергия или концентрированная солнечная энергия (CSP). Технология CSP использует линзы и зеркала для фокусировки (концентрации) солнечного света с большой площади на гораздо меньшую. Эта интенсивная область излучения нагревает жидкость, которая, в свою очередь, вырабатывает электричество или подпитывает другой процесс.
Солнечные печи являются примером концентрированной солнечной энергии. Существует множество различных типов солнечных печей, в том числе башни солнечной энергии, параболические желоба и отражатели Френеля. Они используют один и тот же общий метод для захвата и преобразования энергии.
Солнечные энергетические башни используют гелиостаты, плоские зеркала, которые поворачиваются, чтобы следовать по дуге солнца в небе.
Зеркала расположены вокруг центральной «коллекторной башни» и отражают солнечный свет в виде концентрированного луча света, который падает на фокус башни.
В предыдущих конструкциях башен солнечной энергии концентрированный солнечный свет нагревал емкость с водой, которая производила пар, приводивший в действие турбину. В последнее время в некоторых солнечных электростанциях используется жидкий натрий, который имеет более высокую теплоемкость и сохраняет тепло в течение более длительного периода времени. Это означает, что жидкость не только достигает температуры от 773 до 1273 К (от 500 до 1000 ° C или от 932 до 1832 ° F), но и может продолжать кипятить воду и генерировать энергию, даже когда солнце не светит.
Параболические желоба и отражатели Френеля также используют CSP, но их зеркала имеют другую форму. Параболические зеркала изогнуты, по форме напоминают седло. В отражателях Френеля используются плоские тонкие полоски зеркала, которые улавливают солнечный свет и направляют его на трубку с жидкостью.
Рефлекторы Френеля имеют большую площадь поверхности, чем параболические желоба, и могут концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз по сравнению с ее нормальной интенсивностью.
Концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Крупнейший объект в мире — это серия заводов в пустыне Мохаве в Калифорнии. Эта система генерации солнечной энергии (SEGS) ежегодно вырабатывает более 650 гигаватт-часов электроэнергии. Другие крупные и эффективные заводы были разработаны в Испании и Индии.
Концентрированная солнечная энергия также может использоваться в меньших масштабах. Например, он может генерировать тепло для солнечных плит. Жители деревень по всему миру используют солнечные плиты для кипячения воды для санитарии и приготовления пищи.
Солнечные плиты обладают многими преимуществами по сравнению с дровяными печами: они не пожароопасны, не выделяют дыма, не требуют топлива и уменьшают потерю среды обитания в лесах, где деревья используются для топлива.
Солнечные плиты также позволяют сельским жителям тратить время на образование, бизнес, здоровье или семью в то время, которое раньше использовалось для сбора дров. Солнечные плиты используются в таких разных регионах, как Чад, Израиль, Индия и Перу.
Солнечная архитектура
В течение дня солнечная энергия является частью процесса тепловой конвекции или перемещения тепла из более теплого помещения в более прохладное. Когда солнце восходит, оно начинает нагревать предметы и материю на Земле. В течение дня эти материалы поглощают тепло солнечного излучения. Ночью, когда солнце садится и атмосфера охлаждается, материалы отдают свое тепло обратно в атмосферу.
Методы пассивной солнечной энергии используют этот естественный процесс нагрева и охлаждения.
Дома и другие здания используют пассивную солнечную энергию для эффективного и недорогого распределения тепла. Примером этого является расчет «тепловой массы» здания. Тепловая масса здания – это масса материала, нагретого в течение дня.
Примерами тепловой массы здания являются дерево, металл, бетон, глина, камень или глина. Ночью тепловая масса отдает свое тепло обратно в помещение. Эффективные системы вентиляции — коридоры, окна и воздуховоды — распределяют нагретый воздух и поддерживают умеренную постоянную температуру в помещении.
Пассивные солнечные технологии часто используются при проектировании зданий. Например, на этапе планирования строительства инженер или архитектор может выровнять здание по дневному пути солнца, чтобы получить желаемое количество солнечного света. Этот метод учитывает широту, высоту и типичную облачность конкретной области. Кроме того, здания могут быть построены или модернизированы, чтобы иметь теплоизоляцию, тепловую массу или дополнительное затенение.
Другими примерами пассивной солнечной архитектуры являются прохладные крыши, излучающие барьеры и зеленые крыши. Прохладные крыши окрашены в белый цвет и отражают солнечное излучение, а не поглощают его. Белая поверхность уменьшает количество тепла, достигающего внутренней части здания, что, в свою очередь, снижает количество энергии, необходимой для охлаждения здания.
Радиационные барьеры работают аналогично прохладным крышам. Они обеспечивают изоляцию материалами с высокой отражающей способностью, такими как алюминиевая фольга. Фольга отражает, а не поглощает тепло и может снизить затраты на охлаждение до 10%. В дополнение к крышам и чердакам, излучающие барьеры также могут быть установлены под полами.
Зеленые крыши — это крыши, полностью покрытые растительностью. Им требуется почва и орошение для поддержки растений, а также водостойкий слой под ними. Зеленые крыши не только уменьшают количество поглощаемого или теряемого тепла, но и обеспечивают растительность. Благодаря фотосинтезу растения на зеленых крышах поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Они отфильтровывают загрязняющие вещества из дождевой воды и воздуха и компенсируют некоторые последствия использования энергии в этом пространстве.
Зеленые крыши веками были традицией в Скандинавии, а недавно стали популярными в Австралии, Западной Европе, Канаде и США.
Например, Ford Motor Company покрыла растительностью 42 000 квадратных метров (450 000 квадратных футов) крыш своего сборочного завода в Дирборне, штат Мичиган. Помимо сокращения выбросов парниковых газов, крыши уменьшают ливневые стоки, поглощая несколько сантиметров осадков.
Зеленые крыши и прохладные крыши также могут противодействовать эффекту «городского острова тепла». В оживленных городах температура может быть постоянно выше, чем в прилегающих районах. Этому способствуют многие факторы: города построены из таких материалов, как асфальт и бетон, которые поглощают тепло; высокие здания блокируют ветер и его охлаждающие эффекты; и большое количество отработанного тепла генерируется промышленностью, дорожным движением и большим населением. Использование доступного пространства на крыше для посадки деревьев или отражение тепла белыми крышами может частично смягчить локальное повышение температуры в городских районах.
Солнечная энергия и люди
Поскольку в большинстве частей мира солнечный свет светит только около половины дня, технологии солнечной энергетики должны включать методы хранения энергии в темное время суток.
Системы с термальной массой используют твердый парафин или различные формы соли для хранения энергии в виде тепла. Фотогальванические системы могут отправлять избыточную электроэнергию в местную энергосистему или хранить энергию в перезаряжаемых батареях.
Использование солнечной энергии имеет много плюсов и минусов.
Преимущества
Основным преимуществом использования солнечной энергии является то, что это возобновляемый ресурс. У нас будет постоянный, безграничный запас солнечного света еще 5 миллиардов лет. За один час атмосфера Земли получает достаточно солнечного света, чтобы удовлетворить потребности в электричестве каждого человека на Земле в течение года.
Солнечная энергия чистая. После того, как оборудование солнечной технологии построено и установлено, солнечной энергии не нужно топливо для работы. Он также не выделяет парниковых газов или токсичных материалов. Использование солнечной энергии может значительно уменьшить воздействие, которое мы оказываем на окружающую среду.
Есть места, где можно использовать солнечную энергию. Дома и здания в районах с большим количеством солнечного света и низкой облачностью имеют возможность использовать обильную солнечную энергию.
Солнечные плиты представляют собой прекрасную альтернативу приготовлению пищи в дровяных печах, от которых до сих пор зависят 2 миллиарда человек. Солнечные плиты обеспечивают более чистый и безопасный способ дезинфекции воды и приготовления пищи.
Солнечная энергия дополняет другие возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или гидроэлектроэнергия.
Дома или предприятия, установившие успешные солнечные панели, могут производить избыточное электричество. Эти домовладельцы или владельцы бизнеса могут продавать энергию обратно поставщику электроэнергии, сокращая или даже устраняя счета за электроэнергию.
Недостатки
Основным препятствием для использования солнечной энергии является необходимое оборудование. Солнечное технологическое оборудование стоит дорого.
Покупка и установка оборудования может стоить десятки тысяч долларов для отдельных домов. Хотя правительство часто предлагает сниженные налоги для людей и предприятий, использующих солнечную энергию, а технология может сократить счета за электроэнергию, первоначальная стоимость слишком велика для многих, чтобы ее учитывать.
Солнечное энергетическое оборудование тоже тяжелое. Чтобы модернизировать или установить солнечные панели на крыше здания, крыша должна быть прочной, большой и ориентированной на путь солнца.
Как активные, так и пассивные солнечные технологии зависят от факторов, которые мы не можем контролировать, таких как климат и облачный покров. Необходимо изучить местные районы, чтобы определить, будет ли солнечная энергия эффективной в этом районе.
Солнечный свет должен быть обильным и постоянным, чтобы солнечная энергия была эффективным выбором. В большинстве мест на Земле непостоянство солнечного света затрудняет его использование в качестве единственного источника энергии.
Краткий факт
Агуа Калиенте
Солнечная электростанция Агуа Калиенте в Юме, штат Аризона, представляет собой крупнейший в мире комплекс фотоэлектрических панелей. Агуа-Кальенте имеет более 5 миллионов фотоэлектрических модулей и производит более 600 гигаватт-часов электроэнергии.
Краткий факт
Зеленый Чикаго
Парк Миллениум в Чикаго, штат Иллинойс, имеет одну из самых обширных зеленых крыш в мире почти 100 000 квадратных метров (более миллиона квадратных футов). Растительность на уровне земли занимает 24,5 акра подземной парковки и включает в себя сады, места для пикников и концертную площадку под открытым небом.
Краткий факт
Солнечное десятиборье
Солнечное десятиборье — это международное мероприятие, проводимое два раза в год Министерством энергетики США. Команды соревнуются в том, чтобы спроектировать, построить и эксплуатировать самый привлекательный, эффективный и энергоэффективный дом на солнечной энергии.