Слънчевото ядро се счита, че се разпростира от центъра на Слънцето до 0,2 – 0,25 от слънчевия радиус. Това е най-горещата част на Слънцето и на Слънчевата система. Има плътност от 150-160 g/cm³ (150-160 пъти по-голяма от тази на течната вода) в центъра и температура от 15 милиона келвина.How Hot Is the Sun? Ядрото е съставено от горещ и плътен газ в състояние на плазма (йони и електрони) при налягане от около 265 милиарда бара в центъра. Поради термоядрената реакция, съставът на слънчевата плазма намалява от 68 – 70% водород във външното ядро до 33% водород в самия център на Слънцето.

Ядрото в 0,20 от слънчевия радиус съдържа 34% от масата на Слънцето, но едва 0,8% от неговия обем. В 0,24 от слънчевия радиус ядрото генерира 99% от термоядрената енергия на Слънцето. Съществуват две различни реакции, чрез които четири водородни ядра могат да доведат до едно хелиево ядро: протон-протонен цикъл и CNO цикъл.

Състав Слънцето във фотосферата си е около 73 – 74% водород, което е същият състав като атмосферата на Юпитер и първичния състав на водород и хелий по време на най-ранното образуване на звезди след Големия взрив. Обаче, с наръсването на дълбочината в Слънцето, термоядрената реакция намалява частта водород. Пътувайки навътре, частта на масата водород започва да намалява бързо, след като е достигнат радиуса на ядрото (все още е 70% при 25% от слънчевия радиус), а след като се навлезе в ядрото, масата на водорода спада драстично, докато достигне 33% в центъра на Слънцето (радиус 0).composition Едва 2% от останалата маса на плазмата е хелий в центъра на Слънцето.

Преобразуване на енергията Приблизително 3,6 протона (водороден атом) или грубо 229 милиона тона водород се преобразуват в хелий (алфа-частица) всяка секунда, освобождавайки енергия със скорост 3,86 джаула в секунда.

Ядрото произвежда почти всичката топлина на Слънцето чрез термоядрена реакция: останалата част от звездата се загрява от топлообмена от ядрото към външните части. Енергията, произведена от термоядрената реакция в ядрото, с изключение на малка част, произведена от неутрино, трябва да премине през много последователни слоеве към слънчевата фотосфера, преди да излезе в космоса във вид на слънчева светлина, кинетична или топлинна енергия или частици. Преобразуването на енергия за единица време (мощност) на термоядрения синтез в ядрото варира според разстоянието от слънчевия център. В центъра на Слънцето термоядрената мощност е оценена от модели на около 276,5 W/m3. Въпреки високата си температура, пиковата плътност на мощността на ядрото като цяло е подобна на куп активен компост и е по-ниска от плътността на мощността, произвеждана от метаболизма на възрастен човек. Слънцето е много по-горещо от куп компост, поради огромния си обем.

Производството на малка мощност в ядрото на Слънцето също може да е изненадващо, имайки предвид голямата мощност, която би могла да се предскаже, прилагайки закона на Стефан-Болцман за температури от 10 до 15 милиона келвина. Все пак, слоевете от Слънцето излъчват към външните слоеве само с малко по-ниска температура и именно тази разлика в мощността на излъчването между слоевете, която определя нето продукцията на мощност и трансфер в слънчевото ядро.

При 19% от слънчевия радиус, близо до ръба на ядрото, температурата е около 10 милиона келвина, а плътността на термоядрената мощност е 6,9 W/m3, което е около 2,5% от максималната стойност в центъра на Слънцето. Плътността тук е около 40 g/cm3 или около 27% от тази в центъра.с. 54, 55 91% от слънчевата енергия се произвежда в този радиус. В 24% от радиуса се произвежда 99% от слънчевата енергия. Отвъд 30% от слънчевия радиус, където температурата е 7 милиона келвина и плътността е 10 g/cm3, скоростта на термоядрената реакция е почти нулева.

Протон-протонен цикъл

Първата реакция, при която 4 ядра водород могат да станат на 1 ядро хелий е известна като протон-протонен цикъл:

Тази последователност на реакцията се счита, за най-важната в слънчевото ядро. Характерното време за първата реакция е около 1 милиард години, дори и при високи плътности и температури на ядрото, поради необходимостта от слабото ядрено взаимодействие да предизвика бета разпад, преди нуклеоните да могат да се слепят. Времето, което съществуват деутерий и хелий-3 в следващите реакции, е съответно около 4 секунди и 400 години. Тези по-нататъшни реакции се случват, благодарение на ядрените сили и, следователно, са доста по-бързи.These times come from: Byrne, J. Neutrons, Nuclei, and Matter, Dover Publications, Mineola, New York, 2011, ISBN 0-486-48238-3, с. 8. Общата енергия, освободена при тези реакции на превръщане на 4 водородни атома в 1 хелиев, е 26,7 MeV.

CNO цикъл

Втората последователност от реакции, при която 4 водородни ядра могат да станат на 1 ядро хелий се нарича въглерод-азот-кислороден цикъл или накратко CNO цикъл. Той генерира по-малко от 10% от общата слънчева енергия. Включва въглеродни атоми, които не се поглъщат в целия процес. Детайлите на този въглероден цикъл са както следва:

Този процес може да бъде разбран и чрез картинката вдясно, започвайки от най-горе и продължавайки по посока на часовниковата стрелка.

Равновесие Скоростта на термоядрения синтез зависи от плътността. Следователно, скоростта на синтеза в ядрото е в самостоятелно коригиращо се равновесие: малко по-голяма скорост на синтез би накарала ядрото да се загрее повече и да се разшири към външните слоеве. Това би намалило синтеза и би коригирало смущението. Малко по-малка скорост би накарала ядрото да се охлади и смали, увеличавайки скоростта на синтез и връщайки го на нормалното ниво.

Обаче, Слънцето постепенно става по-топло по време на своя живот в главна последователност, защото хелиевите атоми в ядрото са по-плътни от водородните атоми, от които са синтезирани. Това увеличава гравитационното налягане върху ядрото, което устоява благодарение на постепенното увеличаване на скоростта на синтез. Този процес се забързва с времето, докато ядрото постепенно става по-плътно. Предполага се, че Слънцето е станало с 30% по-ярко през последните 4,5 милиарда годиниThe Sun's evolution и че ще продължи да увеличава яркостта си с 1% на всеки 100 милиона години.Earth Won't Die as Soon as Thought

Енергиен обмен Високоенергийните фотони (гама лъчи), освободени от реакцията на синтез, поемат различни пътища към повърхността на Слънцето. Според настоящия модел, случайно разсейване от свободни електрони в слънчевата излъчваща зона (зоната в 75% от слънчевия радиус, където топлообменът е от излъчване) прави времето за дифузия на фотони (или времето на пътуване на фотоните) от ядрото към външния край на зоната на излъчване 170 000 години. Оттам те преминават в зоната на конвекция (останалите 25% от слънчевия радиус), където доминиращият процес на обем е конвекция, а скоростта, с която топлината се движи навън, става значително по-висока.Mitalas, R. & Sills, K. R. On the photon diffusion time scale for the sun

В процеса на топлообмен от ядрото към фотосферата, всеки гама лъч в слънчевото ядро се преобразува по време на разсейването в няколко милиона светлинни фотона, преди да излезе в открития космос. Неутрино също бива освобождавано от реакциите на термоядрен синтез в ядрото, но за разлика от фотоните, то много рядко взаимодейства с материята, така че почти всичкото неутрино моментално напуска Слънцето. В продължение на много години измерванията на броя неутрино в Слънцето показват много по-малък брой от теоретично предсказания. Този проблем впоследствие бива решен чрез по-добро разбиране на неутринната осцилация.

Източници

Категория:Слънце