Состояние и эволюция Солнца

С единых позиций универсальности вещества при разнообразии масс мы должны подходить к проблеме строения и эволюции Солнца. Его современное состояние находится в полном соответствии с гигантской массой светила, равной 2 • 1033 г и заключающей более 99 % всей массы вещества Солнечной системы. В центре такой массы развивается давление в сотни миллиардов атмосфер (1О10 атм), а температура достигает более 15 • 106 К. Пусковой температурой, с которой термохимические реакции перерастают в реакции термоядерного синтеза, является, как известно [73], температура 107 К. С этого момента тело вступает на звездный путь эволюции. Однако этот процесс, как будет показано далее, занимает значительное время, что не согласуется с существующими физическими моделями [73], но позволяет объяснить многие особенности эволюции земной коры и биосферы в докембрии.

Концепция полностью водородного состава Солнца была выведена из анализа звездных атмосфер. Преимущественно водородный их состав был перенесен и на весь объем светила. В этой модели мы встречаемся с теми же трудностями, что и при реконструкции истории планет [24]. Неясно, как и почему произошла фрагментация гетерогенного по составу материнского облака на газовую и твердомонолитную фракции и каким образом легчайший газ — водород — был сконденсирован в самую большую массу, в то время как на строительство ближайших к протозвезде планет пошел более тяжелый железокаменный материал. Однако механизм конденсации центральной и периферийных масс Солнечной системы был неизбежно общим [49]. Различным было лишь количество вещества, заключенное в области гравитационного захвата каждого из центров конденсации, т.е. конденсация главной массы протозвезды происходила по тем же законам, что и конденсация планет, особенно на начальной стадии аккреции.

Первоначальная структура прото-Солнца мало чем отличалась от современного Юпитера, кроме, конечно, размеров. По мере возрастания гравитационного сжатия, происходившего не только за счет наращивания массы, но и благодаря уменьшению угловой скорости вращения прото-

Солнца за счет роста радиуса и тормозящего эффекта магнитного поля, возрастали давление и температура, необходимые для запуска реакции термоядерного синтеза водорода. Эти реакции начались одновременно с образованием плазменного состояния ЗРТ, вследствие растущего давления и температуры в нижней мантии на границе с металлическим ядром (рис. 12).

Внутреннее строение Солнца

Рис. 12. Внутреннее строение Солнца

Возникли также благоприятные условия для запуска термохимического реактора взаимодействия дигидридов и пероксидов металлов. Однако процесс этот термодинамически был возможен в условиях огромной массы прото-Солнца на глубине порядка 500 км от поверхности, где давление было около 750 • 103 атмосфер, т. е. примерно такое же, как на внешней границе ЗРТ Земли. Он должен был инициировать начальный мощный вулканизм. Реликтовая газовая атмосфера, захваченная мощным гравитационным полем прото-Солнца, простиралась над его поверхностью на расстоянии в миллионы и, возможно, десятки миллионов километров. По мере возрастания гравитационного сжатия и роста температуры за атомный порог 107 К химические процессы медленно перерастали в термоядерные. Как известно, наиболее вероятна в термодинамических условиях прото-Солнца реакция превращения четырех ядер атомов водорода в гелий с выделением энергии — реакция протон-протонного (РР) цикла:

4Не + 28,5 Мэв. (VI.7)

Только за счет гравитационного сжатия время активной жизни светила было бы не более 30—40 млн лет.

Если исходить из гипотезы полностью водородного состава Солнца, то при наблюдаемой энергии излучения 10 = 1,2 1041 эрг/год (4 1026 Вт/год) время активной жизни его составит: где Мо = 2 ? Ю30 кг, 10 = 4 • 1026 Вт, 1 год = 3 • 107 с.

Мо-0,007с2

« 3- 1018с «10'1 лет,

(VI.8)

Этот вывод, приводимый, кстати, в учебниках, явно неприемлем, так как продолжительность излучения светила оказывается сравнима или даже больше времени существования самой Метагалактики. Кроме того, полная расчетная мощность излучения водородного Солнца оказывается много выше наблюдаемой (3 • 1027 Вт против 3,86 • 1026 Вт ~ 4 • 1026 Вт/год). Это значит, что кроме водорода вещество Солнца содержит значительное количество других элементов, не участвующих напрямую в реакции ядер-ного синтеза: это металлическое ядро, которое, по расчетам автора, составляет 1/5 часть радиуса Солнца (Ro) (см. далее), различные катализаторы, дигидриды и пероксиды металлов и др. Если же исходить из представлений об универсальности строения протовещества Солнечной системы, тогда количество водорода в общей массе прото-Солнца, как и у планет, должно быть не более 2% [24]. Важным аргументом в пользу этого является тот факт, что непрозрачность звезды зависит от наличия в ее веществе кроме водорода тяжелых элементов — металлов, силикатов и их соединений. Дело в том, что и гелий, и водород в недрах звезды являются полностью ионизированными, т. е. ни поглощать излучение, ни переизлу-чать его они не могут. Чтобы квант излучения был поглощен, необходимо, чтобы его энергия была полностью израсходована на отрыв электронов от ядра [73]. У ионизованных Н и Не уже нечего «отрывать», поэтому единственным эффективным источником передачи лучевой энергии из недр звезды становятся тяжелые элементы (металлы). Они еще сохраняют часть своих электронов и поэтому у них остается способность поглощать кванты излучения и переизлучать их вдоль радиуса вверх [73]. Современные наблюдения подтверждают это предположение: в химическом спектре Солнца присутствуют многочисленные линии металлов, указывающие на далеко проэволюционировавшее состояние протовещества звезды. Этот факт служит еще одним важным подтверждением того, что состав звезды, и в частности Солнца, не может быть полностью водородным. Он должен включать также силикаты, металлы и их соединения. Передавая энергию, тяжелые ядра не расходуются, выгорает только водород. Температура порядка 107 К для таких ядер недостаточна для преодоления кулоновского барьера. Реализация ядерных реакций на тяжелых элементах возможна лишь при повышении давления и температуры на несколько порядков выше 107 К, что возможно только при взрыве сверхновых звезд. Таким образом, в случае признания гипотезы полностью водородного состава Солнца ядерные реакции синтеза водорода оказались бы невозможны! Ниже будет приведен еще один весомый аргумент в пользу неводородного состава светила.

Рассчитаем время существования Солнца, исходя не из 100%-ного содержания в нем водорода, а полагая его содержание равным 2 %, как это следует из химико-эквивалентных соотношений протопланетного вещества [24].

При массе Солнца Мо = 2 • 1033 г содержание водорода (2 % от массы) составит 4 • 1031 г. Найдем запас ядерной энергии при таком количестве водорода:

Е = Мо • Ат ? с2, (VI.9)

где Ат — дефицит массы между четырьмя ядрами водорода и ядром гелия, равный 0,007; с — скорость света.

Е = 4- 1031 г • 0,007 • с2 = 4 • Ю50эрг. (VI. 10)

Учитывая современную энергию излучения Солнца 10, равную 1,2 • 1041 эрг/год, рассчитаем время активной жизни Солнца:

4 • 1050 эрг /1,2- 1041 эрг/год = 3,3-109 лет. (VI. 11)

Отсюда следует важное заключение, что при современной интенсивности излучения запаса ядерной энергии Солнца хватит лишь на 3,3 млрд лет. Если бы это было так, то Солнце прекратило бы свое существование 700 млн лет назад. Но, поскольку этого не произошло, значит, энергия излучения длительное время была значительно ниже современной! В геологической истории Земли есть вехи, которые позволяют оценить время, когда могли произойти изменения солнечной активности. Переход Солнца в современную стадию желтого спектрального класса с температурой на фотосфере 6000 К, по всей вероятности, произошел на рубеже девона и карбона (400 • 106 лет назад), который характеризуется повсеместным выходом растительности на сушу и, следовательно, значительным общим потеплением на Земле (рис. 13).

I-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1 млрд лет

I 4.4 4.2 | 3.8 3.6 3.4 3.2 | 2.8 2.6 2.4 2.2 | 1.8 1.6 1.4 1.2 | 0.8 0.6 0.4 0.2 | н

4.6 4.0 3.0 2.0 1.0 0

Рис. 13. Крупнейшие этапы глобального вулканизма на Земле и состояние Солнца (цифрами показаны объемы (х Ю9 км3) переброшенных на земную поверхность магматических пород, с уточнениями и дополнениями) [50; 51]

Еще один отчетливый рубеж имел место 2,3 • 109 лет назад (ранний верхний протерозой). Ои характеризуется началом массового фотосинтеза зеленых растений и, соответственно, фотолиза молекулы воды в атмосфере Земли [56]. Этот рубеж указывает на повышение температуры Солнца до 4000—4500 К. И, наконец, третий отчетливый рубеж соответствует границе катархея и неоархея (4 • 109 лет назад). Этот рубеж характеризует переход Солнца от стадии горячей несветящейся массы, существовавшей иа протяжении всего катархея (4,5—4,0 • 109 лет), в стадию звезды переменного блеска типа Т-Тельца с температурой 3500 К (рис. 13). Можно также предположить, что с конца рифея и по девон — (600—400) • 106 лет назад — Солнце вступило в переходную стадию — оранжевого спектрального класса с температурой фотосферы 5000 К (табл. 11).

Таблица И

Изменение энергии излучения Солнца за 4 109 лет

Показатель

Температура (К) и спектральный класс Солнца

6000 G

5000 К

4000 М

3500 Т-тельца

Интервал времени существования (х Ю6лет)

о-лоо

400—600

600—2300

2300^1000

ТСОВЛз

1,0

0,83

0,67

0,58

Энергия излучения

10 (эрг/год)

1,2 • 1041

1,0 ? 1041

0,8 • 1041

0,7 • 1041

Израсходованная энергия излучения Е (t) (эрг)

0,48 • Ю50

0,2 • Ю50

1,36 • Ю50

1,19 • Ю50

ЕЕ = 3,23 • Ю50

Нормируя современное излучение Солнца по фотосфере 6000 К, можно определить характер изменения энергетики излучения по выделенным классам светимости Солнца. Как видно из таблицы 11, она менялась от 0,7 • 1041 эрг/год в начальной стадии Т-Тельца, до современной 1,2 • 1041 эрг. Суммарные затраты энергии Солнца за период его активности (4 • 109 лет) составили ЕЕ = 3,23 • 1О50 эрг. Найдем разницу между теоретическим запасом термоядерной энергии и энергией, уже израсходованной Солнцем за прошедшее 4 • 109 лет. Она составляет:

3,3 • Ю50 - 3,23 • Ю50 эрг = 0,07 • Ю50 эрг. (VI. 12)

При сохранении современной мощности излучения время существования Солнца будет:

to = 0,07 • Ю50 эрг /1,2 • 1041 = 5,8 • 107 лет ~ 58 млн лет. (VI. 13)

Полученная оценка соответствует затратам энергии Солнца за минувшие 4 млрд лет его существования в звездном режиме. Из приведенного с очевидностью следует, что Солнце, вопреки известной теории об изначальном выходе его в спектральный класс G (на диаграмме Герцшпрунга — Рессела), на самом деле могло выйти на этот спектр лишь в последние 400 млн лет. Все остальное время средняя светимость Солнца составляла всего 0,78 • 1041 эрг/год, что соответствовало более низкой светимости, чем современная. Температура фотосферы была порядка ~ 3500—4500 К (см. табл. И).

Учитывая постепенный характер нарастания звездной активности Солнца, следует предположить, что и завершение ее начнется с постепенного спада интенсивности излучения. В связи с этим последнее материковое оледенение четвертичного периода на Земле, закончившееся всего 10 тыс. лет назад и длившееся около 600 тыс. лет, прерываясь через каждые 100 тыс. лет краткими (10 тыс. лет) потеплениями, по мнению автора, было обусловлено в первую очередь падением уровня интенсивности излучения солнечной энергии, вызванным эндогенной перестройкой вещества звезды в связи со значительной выработкой водорода и уменьшением ее объема. Можно предположить, что это падение — лишь предвестник будущего неизбежного спада светимости Солнца, а выбросы протуберанцев и отчасти И-летний цикл изменения солнечной активности предвещают нарушение стационарности процесса излучения, вызванного нарушением равновесия между гравитационным сжатием и газовым противодавлением GM/R2 Ф Р. Заметим, что если бы возраст таких звезд, как Солнце, исчислялся в соответствии с физической теорией — 1011 лет, то наблюдать взрывы далеко проэволюционировавших сверхновых звезд было бы невозможно, так как их возраст был бы сопоставим с возрастом Метагалактики. Однако этот класс сверхновых наблюдаем, как и их предвестники — красные гиганты спектрального класса М и остатки сверхновых — белые карлики. К сказанному можно добавить, что теоретически предсказываемый поток нейтрино, который так и не удается зафиксировать у Солнца [73], может быть объяснен незначительным количеством оставшихся в его недрах запасов водорода, в результате чего для испускания нейтрино не хватает энергетики светила. Оставшийся запас ядерной энергии на водороде, как мы видели, составляет 0,07 • Ю50 эрг. С учетом того, что 1 г водорода в термоядерном синтезе дает энергии порядка 1019эрг, масса оставшегося водорода будет:

0,07- Ю50эрг/ 1019эрг/год = 7 • 1029 г, (VI. 14)

что составляет немногим более 2 % от исходной массы водорода.

В связи с этим небезынтересно определить глубинное строение звезды и размеры металлического ядра, которое образовалось в начале ее формирования, чтобы учесть его массу. На Земле и Луне, по данным сейсмических измерений, радиус ядра составляет примерно пятую часть радиуса этих планет. Поскольку объемы ядра конденсации мало менялись в ходе эволюции, то радиус первичного металлического ядра конденсации у Солнца будет составлять 138900 км (см. рис. 12, с. 97). На первоначальной, дозвездной стадии, когда действовали только термохимические реакции, можно оценить также параметры зоны радиогенного тепла (ЗРТ), мантии и горячей атмосферы, используя коэффициенты пропорциональности, полученные для Земли и Луны. В условиях Земли и планет-гигантов радиус мантии составляет 1: 2,2, т. е. у Солнца ои будет 314900 км, а радиус ЗРТ, соответственно, 1:2,9 от общего радиуса Земли, т. е. у Солнца —

  • 240 000 км. Размеры газовой атмосферы определяются как разность найденных значений параметров Солнца и его внешнего радиуса (Ro) (см. рис. 12, с. 97). Ее радиус равен 3000 км. Рассчитанная модель Солнца соответствует его дозвездной стадии развития. К настоящему времени зона радиогенного тепла, где начались реакции термоядерного синтеза водорода, неизбежно значительно расширилась. Процесс переработки вещества мантии продолжается, вовлекая все более высокие ее горизонты, он давно перерос в термоядерный синтез, при котором давление уже не играет роли, а всё определяется температурой. Как следует из расчетов автора, запасы водорода сократились почти до 2% от первоначальной массы. В случае 100%-ного водородного состава Солнца его расход за 5,6 • 109 лет составил бы:
  • 1,2 • 1041 эрг • 5,6 • 109 лет = 6,7 • Ю50 эрг.

Горение 1 г Нг сопровождается выделением порядка 1019 эрг. Следовательно, расход водорода составил 6,7 • 1031 г. Трудно представить, что после такой большой потери массы радиус водородной звезды оставался бы неизменным. При неизбежном нарушении равновесия между гравитационным потенциалом и газовым противодавлением возможны значительные изменения стационарности излучения звезды. Они могут иметь и катастрофический характер, и более медленное изменение интенсивности излучения — как в сторону резкого возрастания, так и в сторону резкого уменьшения. Найдем энергию гравитационного сжатия (Е) шара — звезды — для определения реального изменения его радиуса. Для этого продифференцируем энергию поля тяготения U:

  • 3 GM2
  • (VI. 15)
  • 5 ПГ”

где Мо — масса Солнца, Ro — его радиус, G — гравитационная постоянная.

аи

6R

3GM2 3-6,67-10’8-4-10“ ,, |п37 ,

=----z— =-------------------- =3,3 • 10 эрг/см. (VI. 16)

5R2 5-49-1О20

Учитывая современную энергию излучения Солнца (1,2 • 1041 эрг/год), найдем время, за которое найденная величина сжатия сократит радиус Солнца на 1 км:

3,3 • 1037 • 105 эрг/км / 1,2 • 1041 эрг/год = 27,5 лет. (VI. 17)

Отсюда следует, что сжатие радиуса Солнца на 1 км произойдет за 27,5 лет. Однако современные наблюдения не обнаруживают такого сокращения радиуса. Это значит, что наблюдается атмосфера Солнца, а не его твердое тело. Термоядерные реакции идут в настоящее время в верхней части мантии звезды (рис. 12, с. 97). Начало же реакции осуществлялось в нижней мантии на границе с металлическим ядром, где давление 1О10 атм обеспечивало необходимое для преодоления кулоновского барьера сжатие протовещества и температуру выше 107 К. Обилие в нижней мантии долгоживущих изотопов тория, урана и калия дало дополнительную энергию и температуру для запуска реакции термоядерного синтеза водорода, содержащегося в протовеществе мантии. Выход Солнца на стадию звездного развития с температурой 3500 К произошло только 4,0- 109лет назад, т. е. спустя 500 млн лет после завершения аккреции планет и Солнца. Следовательно, в течение катархея солнечная энергия на поверхность Земли не поступала. Оно пребывало в стадии несветящейся горячей массы. В дальнейшем по мере расширения объема протовещества мантии, вовлеченного в процесс ядерных реакций, возрастала и энергия светимости Солнца. При 2%-ном содержании водорода в мантии сокращение объема звезды по мере его выработки значительно меньше влияло бы на интенсивность излучения, так как основной объем протовещества не был затронут переработкой, что и обеспечивало длительную стационарность излучения.

В заключение остановимся на исследовании температурного режима последнего межледниковья (голоцена). Расчеты палеотемператур с использованием различных климатических характеристик [85] показали, что климат последних 10 тыс. лет периодически менялся от теплого до очень холодного, причем последний пик такого холодного климата (250 лет назад) получил в научной литературе название «малый ледниковый период». Всего, по данным Джона Имбри [85], имело место четыре холодных периода и четыре теплых. Климатический оптимум, когда глобальная температура превышала современные ее значения на 2 °C и составляла 16 °C, имел место 7 тыс. лет назад (табл. 12). В настоящее время глобальная температура составляет 14 °C. Продолжительность циклов колебания климата — 2,5 тыс. лет с амплитудой около 2 °C. Пики похолодания наблюдались 250 лет назад, 2800, 5300, 8000 и 10500 лет назад [85].

Таблица 12

Состояние Солнца в конце плейстоцена и в голоцене

Событие

Температура фотосферы

Средняя глобальная температура

Интервал события

Современное состояние

6000 К

14°С

0—400-106 лет

Климатический оптимум

6860 К

16°С

8500—7500 лет

Малый ледниковый период

5400 К

12,6 °C

1450—1850 гг.

Ледниковый период

4285 К

10°С

10,5 тыс. лет назад

Нет никаких данных для предположения, что эта цикличность климата вызвана внутриземными процессами. Не связаны они также с изменениями орбитального состояния и наклоном земной оси. Как известно, причина материковых оледенений обусловлена изменением наклона оси вращения Земли, эксцентриситетом земной орбиты и прецессией. В течение последних 600 тыс. лет периодичность наступления ледниковых периодов составляла 100 тыс. лет, что соответствует периоду изменения эксцентриситета орбиты. Изменение наклона оси вращения Земли происходило через каждую 41 тыс. лет. Периодические изменения прецессии имели период 23 и 19 тыс. лет. Таким образом, орбитальный фактор Миланковича также не был причиной короткопериодной цикличности климата голоцена. Остается единственное объяснение этому явлению — оно связано с изменением светимости Солнца. В старой физической теории Солнца эта высокопериодная цикличность его светимости не обсуждалась. Природа волнообразной светимости, очевидно, связана с периодичностью активности термоядерных реакций на Солнце, в результате чего фотосфера испытывает попеременное нагревание и охлаждение с амплитудой до 2000 К. Солнце светит не как электрическая лампочка (не мигая — постоянным светом), а имеет место волнообразный процесс свечения с периодом 2500 лет. Интересно, что изменения в 2000 К температуры фотосферы на границе с атмосферой Земли трансформируются в температуру с амплитудой в 2 °C. В климатическом оптимуме, имевшем место 8500—7500 лет назад, температура фотосферы была 6860 К, а средняя глобальная температура составляла 16 °C. В малый ледниковый период (1450—1850) температура фотосферы составляла 5400 К, а глобальная температура опускалась до 12,6 °C. Во время ледникового периода (10,5 тыс. лет назад) глобальная температура опускалась до 10°C, что соответствовало температуре фотосферы 4285 К (см. табл. 12).

Попытаемся понять ситуацию, использовав для этого уравнение состояния для однородного газа, которым обычно описывается термодинамика звезд. Для 1 моль уравнение состояния будет иметь вид:

PV = RT,

где Р, V, Т — давление, объем газа и его термодинамическая температура; R = 8,3 • Дж моль- ’-К-1 — газовая постоянная.

Перепишем уравнение состояния газа в виде:

V = RT/P.

Из приведенного следует, что при значительном нагревании атмосферы Солнца, каковой является его фотосфера, объем газа возрастает, а давление падает. Поскольку основным процессом регулирования температуры является конвекция, то расширение происходит по мере расходования внутренней энергии системы, которая сменяется сжатием и охлаждением поверхности фотосферы. Очевидно, что циклы расширения — сжатия являются отражением периодичности термоядерного синтеза в поверхностных областях Солнца. Как мы видели, эта периодичность в условиях Земли реализуется цикличностью палеотемператур, а с ними и изменением климата в голоцене. Очевидно, эта цикличность не ограничивается межледниковьем, она должна наблюдаться и в периоды основных материковых оледенений. Спектральный анализ инсоляционных кривых, записанных в колонках глубоководных осадков, а также в длинных кернах льда Гренландии и Антарктиды может подтвердить это предположение.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >