Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор (англ. Lithium-ion battery, сокращенно Li-ion) — один из двух основных типов литиевых электрических аккумуляторов с категории вторичных электрических батарей, который отличается с литий-полимерным аккумулятором лишь типом электролита, который используется при их изготовлении. В случае с Li-ion — это гелеобразный электролит, в случае с Li-Pol — специальный полимер, насыщенный раствором лития. Широко распространенный в бытовой электронике.

Название литий-ионные аккумуляторы получили из-за того, что электрический ток во внешней цепи появляется из-за переноса литиевых ионов от анода к катоду на основе различных соединений (чаще LiCoO 2, LiNiO 2 и смешанных оксидов).

Практически все источники питания, имеющие высокую удельную плотность, используют литий, благодаря его химическим свойствам. Килограмм лития способен хранить +3860 А • ч., Когда для сравнения, показатель цинка составляет 820 А • ч, а свинца — 260.200px-Lithium-Ion_Cell_cylindric

История

Попытки разработать литиевые электрические батареи, перезаряжаемые проводились в 80-х г.. ХХ в., Но были неудачными из-за невозможности обеспечения необходимого уровня безопасности при их эксплуатации поскольку литий слишком активен и столь бурно реагирует с водой, может загореться. Было установлено, что в ходе циклов заряда-разряда электрической батареи с металлическим литиевым электродом может возникнуть короткое замыкание внутри аккумуляторной батареи. При этом температура внутри аккумулятора может достичь температуры плавления лития. В результате бурной химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв.

Основные характеристики

Если еще несколько лет назад разработчики считали достижимой емкость литий-ионных аккумуляторов не более нескольких ампер-часов, то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители начали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов.

Энергетическая емкость 110 … 200 Вт * ч / кг
Внутреннее сопротивление 150 …
Энергетическая емкость 110 … 200 Вт * ч / кг
250 мОм (для батареи 7,2 В)
Число циклов заряд / разряд до потери 20% мощности: 500-1000
Время быстрого заряда: 2-4 часа
Допустимый перезаряд: очень низкий
Саморазряд при комнатной температуре: 7% в год
Напряжение максимальна в элементе: 4,18..4,20 В (полностью заряжен)
Напряжение минимальная: 2,5..2,75 В (полностью разряжен)
Ток нагрузки относительно мощности (С):
— Пиковый: больше 2С
— Больше допустимый: до 1С
Диапазон рабочих температур: -20 — +60 ° C
Обслуживание: не регламентируется
Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2С, мощные — до 10-20С. Диапазон рабочих температур: от -20 до +60 в С. Но многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособны при -40 ° С. Возможно расширение температурного диапазона и в сторону более высоких температур.

В основном Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа при повышенной температуре сокращает срок действия их использования. Повышенная температура временно противодействует внутреннему сопротивлению аккумулятора, увеличение которого приводит к его износу. Исключением сегодня только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом.

Саморазряд составляет 4-6% за первый месяц, потом — значительно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости в несколько раз меньше, чем в никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 в С, так и при 40 о С.

Ресурс — 500-1000 циклов.

Все литиевые аккумуляторы имеют достаточно приемлемые для хранения параметры. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10% в год.

Приведенные показатели следует рассматривать как некоторые номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора, например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня розряджености, температуры; ресурс зависит от режимов (токов) разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих температур — от уровня производимого ресурса и допустимых рабочих напряжений.

К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядки и разрядке, поэтому они должны иметь ограничители заряда и разряда.

Форматы литий-ионных аккумуляторов. Конструкция Li-ion аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы доступны в различных форм-факторах, которые в целом можно разделить на четыре группы:

Небольшие цилиндрические (твердые тела без терминалов, таких как батареи для портативных компьютеров)
Большие цилиндрические (твердое тело с большими винтовыми клеммами)
В чехлах (мягкие, плоские тела, такие, как те, которые используются в мобильных телефонах)
Призматические (полужесткий пластиковый корпус с большими винтовыми клеммами)
Конструктивно Li-ion аккумуляторы, как и щелочные (Ni-Cd, Ni-MH), изготавливаются в цилиндрическом и призматическом вариантах.

В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора встроенный в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку.

Призматические аккумуляторы изготавливаются путем составления прямоугольных пластин друг на друга. Они обеспечивают плотнее упаковка в аккумуляторной батарее, но, в отличие от цилиндрических аккумуляторов, сложнее выдерживают сжимающие усилия на электроды.В некоторых призматических аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, скручивается в эллиптическую спираль.

Некоторые конструктивные мероприятия обычно применяют и для предупреждения быстрого разогрева и обеспечения безопасности работы Li-ion аккумуляторов. Под крышкой аккумулятора есть устройство, реагирующее на положительный температурный коэффициент увеличением сопротивления, и, который разрывает электрическую связь между катодом и положительным клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимой нормы. Для повышения уровня безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешний электронная защита, цель которого не допустить перезарядки и разрядку, короткого замыкания и чрезмерного разогрева.

iКонструкция Li-ion и других литиевых аккумуляторов, как и конструкция всех первичных батарей с литиевым анодом, отличается абсолютной герметичностью. Требование абсолютной герметичности определяется как недопустимостью утечки жидкого электролита (отрицательно действующего на приборы) и недопустимости попадания в аккумулятор кислорода и влаги из окружающей среды, поскольку они реагируют с материалами электродов и электролита, полностью выводя аккумулятор из строя.

Встроенные системы защиты

Li-ion аккумуляторы коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту, по сравнению со всеми типами батарей. Как правило, в схеме защиты Li-ion батарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прерывает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель, который при нагревании батареи до 90 в С отключает круг ее нагрузки, обеспечивая ее термозащита.

Некоторые аккумуляторы имеют выключатель, который срабатывает при достижении предельного уровня давления внутри корпуса, равного одна тысяча тридцать четыре кПа (10,5 кг / м 2), и разрывает цепь нагрузки. Есть и схема защиты от глубокого разряда, следит за напряжением аккумуляторной батареи и разрывает цепь нагрузки, если напряжение на элемент снизится до уровня 2,5 В.

Внутреннее сопротивление схемы защиты аккумуляторной батареи мобильного телефона во включенном состоянии равна 0,05- 0,1 Ом. Конструктивно она состоит из двух ключей, соединенных последовательно. Один из них срабатывает при достижении верхнего, а другой — нижнего порогов напряжения на батарее. Общее сопротивление этих ключей фактически создает удвоение ее внутреннего сопротивления, особенно, если батарея состоит только из одного аккумулятора.

В некоторых Li-ion батареях, в которых используют марганец, имеющих 1-2 элементы; схема защиты не применяется. Вместо этого в них установлено только один предохранитель. И такие батареи являются безопасными благодаря их небольшим габаритам и емкости. Кроме того, марганец достаточно «терпеливый» к нарушениям правил эксплуатации Li-ion батареи. Отсутствие схемы защиты уменьшает стоимость Li-ion батареи, но порождает новые проблемы.

При использовании недорогих зарядных устройств, предназначенных для подзарядки от сети или от бортовой сети автомобиля, можно быть уверенным, что при наличии в батарее схемы защиты, она отключит ее при достижении напряжения конца заряда. Если схему защиты в аккумуляторе не предусмотрено, произойдет перезаряд батареи и, как следствие, ее необратимый выход из строя. Этот процесс сопровождается повышенным нагревом и раздутием корпуса батареи.

Технологические операции производства

Технологические операции производства электродов и других деталей, а также сборки аккумуляторов проводят в особых сухих комнатах или герметичных боксах в атмосфере чистого аргона.

При составлении аккумуляторов применяют сложные современные технологии сварки и конструкции гермовиводив.

Закладка активных масс электродов является компромиссом между желанием достичь максимума разрядной емкости аккумулятора и требованием обеспечить безопасность его работы для предупреждения образования металлического лития (и тем самым возможности возгорания). Увеличение активных масс потенциально снижает уровень безопасности при эксплуатации аккумулятора.

Аккумуляторы собирают в разряженном состоянии. Для приведения в действие их необходимо зарядить.

При первом цикле заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы теряют часть емкости, так как в процессе первого заряда кроме внедрения лития в структуру углеродного материала происходит разложение электролита с образованием пленки, имеет только ионную проводимость. Образование пассивной пленки приводит к необратимой потере до 20-30% заложенной емкости. Для снижения этих потерь рекомендуют как добавки в электролит, так и разного рода обработку поверхности углеродного материала. Начиная со второго цикла, процесс разряда и заряда литий-ионного аккумулятора сводится к переносу ионов лития от анода к катоду и обратно. Коэффициент использования по току при этом близок к единице.

Солнечный коллектор

Солнечный коллектор — устройство для сбора энергии излучения Солнца в видимом и инфракрасном спектре.

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбент ом; он соединен с теплопроводящей системой. Прозрачный элемент обычно выполняется из закаленного стекла с пониженным содержанием металлов. При отсутствии отбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагревать воду до 190-200 ° C. Чем больше энергии излучения передается теплоносителю, протекает в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить ее можно, применяя специальное оптическое покрытие, которое не излучает тепла в инфракрасном спектре. Стандартным способом повышения эффективности коллектора стало применение абсорбента из листовой меди из-за ее высокой теплопроводностью.
220px-Sokola

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температуры теплоносителя до 250-300 ° C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счет уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума. Фактически солнечная тепловая труба похожа по строению с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливает солнечную энергию. Между внешней и внутренней трубками находится вакуум. Именно Ваккумный прослойка дает возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии. Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. 220px-Vakuumroehrenkollektor_01Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности. Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Солнечные коллекторы-концентраторы

Повышение эксплуатационных температур до 120-250 ° C возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрическим отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Параболические концентраторы

Параболические концентраторы имеют форму спутниковой тарелки. Параболический рефлектор управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92% падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплен двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2 008 года Национальная лаборатория «Sandia» достигла эффективности 31,25% в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9-25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22-24%, что выше, чем в фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий и т. Д. Без использования кремния «солнечного чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98%. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999%.

В 2 001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $ 0,09-0,12 за кВт · ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $ 0,04-0,05 в 2015 — 2020 году.

Компания «Stirling Solar Energy» разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. К 2010 году будет построено 20 000 параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

История. Гелий-солнце

18 августа 1868 французский ученый Пьер Жансан, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансена удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только во время затмения, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — выявила очень яркую желтую линию, сначала принятую Жансеном и другими спостеригавшимы ее астрономами линии D натрия. Жансен немедленно написал об этом в Французской Академии наук. Впоследствии было установлено, что ярко-желтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.Helium_discharge

Через два месяца, 20 октября, английский астроном Норман Локьер, не зная об опытах французского коллеги, также провел исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную желтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил ее D 3, так как она была очень близко расположена к фраунгоферових линий D 1 (589,59 нм) и D 2 (588,99 нм ) натрия. Через два года Локьер объяснил ее происхождение присутствием на Солнце нового элемента и совместно с английским химиком Эдвардом Франкланда, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч ἥλιος — «солнце»).

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868, однако письмо Локьера, написанный им четырьмя днями ранее, пришел на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифологического бога Солнца Аполлона, на колеснице запряженной четверкой лошадей.

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмьери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах фумаролы. Он исследовал светло-желтую маслянистое вещество, оседающую с газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмьери прожарював этот вулканический продукт в пламени бунзеновського горелки и наблюдал спектр видиляючихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свои опыты Пальмьери описал неясно. Много лет в составе фумарольных газов действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона.

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-желтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Крукс, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца желтая линия совпадает с линией D 3 гелия. 23 марта 1895 Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Бертло.

Шведские химики Пер Теодор Клеве и Нильс Абрахам Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомную массу элемента.

В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а еще через два года Эдвард Бели окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере.

Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно считал, что получил азот [8], и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.

Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует уран и торий. Но только значительно позже, в 1906 году, Эрнест Резерфорд и Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия. Эти исследования положили начало современной теории строения атома.

График зависимости теплоемкости жидкого гелия от температуры.
Только в 1908 году нидерландскому физику Камерлинг-Оннес удалось получить жидкий гелий. Он использовал дросселирования (см. Эффект Джоуля-Томсона), после того как газ был предварительно охлажденный в кипящем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твердый гелий еще долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K, которых достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Только в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы [10].

В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоемкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 K медленный и плавный подъем теплоемкости сменяется резким падением, и кривая теплоемкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоемкости, присвоено условное название «λ-точка» [10]. Более точное значение температуры в этой точке, установлено позже, — 2,172 K. В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия меняется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ-точки существует так называемый гелий-I, а ниже ее — гелий-II.

В 1938 году советский физик Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течет практически без трения [10] [11]. Вот что он писал в одном из своих докладов об открытии этого явления:

… Такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение.
И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Может дело в том, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхпроводящей веществом, а сверхтекучим. …
… Если вязкость воды равна 10 -2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода …

Циклы солнечной активности

Циклы солнечной активности — это периодические процессы появления и развития на Солнце активных областей, характеризующихся выходом на поверхность сильных магнитных полей. 220px-Solar-cycle-data Циклы солнечной активности — периодическая 11-летняя активизация в солнечной атмосфере с возникновением повышенного количества пятен, факелов, вспышек, протуберанцев и повышение их энергии. Некоторые исследователи предполагают влияние активности Солнца на перемещение в земной коре, землетрясения, вулканизм и тому подобное. Комплексные исследования солнечно-земных связей проводятся в рамках международных исследований (Международный геофизический год и др.).

Солнечный цикл охватывает весь диск Солнца и может быть прослежен по многим явлениям в фотосфере, хромосфере и короне Солнца. Однако наиболее наглядное проявление Солнечного цикла — изменение с периодом около 11,2 лет числа солнечных пятен, входящих в состав активных областей.

В середине 19 века швейцарский астроном Рудольф Вольф предложил характеризовать состояние солнечной активности относительными числами пятен (названных впоследствии числами Вольфа) W = 10g + f, где g — количество групп пятен, f — общее количество всех пятен, которые есть в данный момент на диске Солнца .

Solar_Cycle_PredictionСолнечной активности характеризуют также суммарной площадью пятен, потоком радиоизлучения в сантиметровом диапазоне волн и др. В начале 11-летнего цикла, после минимума W, пятна появляются достаточно далеко от солнечного экватора, на широтах около 30 °. В течение цикла зона пятен спускается к экватору до 15 ° в максимуме W и до 8 ° в следующем минимуме. Далее на высоких широтах 30 ° образуются пятна нового цикла. Эти закономерности относятся и активных областей в целом. Обычно пятна встречаются не в одиночку, а группами, в которых они концентрируються преимущественно вокруг двух — ведущей (западной) и замыкающей (восточной) пятен. Чаще всего магнитные поля ведущей и замыкающей пятен имеют разную полярность (N и S), причем структура активной области над ними показывает, что силовые линии поля как бы выходят из одного пятна и входят в другую.

В течение одного цикла все ведущие пятна в Северном полушарии имеют одну полярность, а в Южной — другую. В следующем цикле все полярности меняются на обратные. Полярные магнитные поля Солнца достигают максимальной, напряженности (1 Е) у минимума цикла и исчезают, меняя знак у полюсов в эпохи максимумов 11-летних циклов. Возвращение к одной и той же магнитной ситуации — определенной полярности ведущих пятен в выбранной полушария, определенного знака поля у выбранного полюса происходит только через 22 года, причем первым из входящих в пару 11-летних циклов являеться цикл с четным номером (нулевой номер присвоенный цикла, максимум которого был около 1750 года). Существует отставание по фазе явлений в полярных областях Солнца и на низких широтах. Это приводит к отставанию примерно на 5 лет от максимума цикла ряда солнечных и геофизических явлений, связанных с высокоширотным магнитным полем Солнца. Величина периода цикла 11,2 года (промежуток времени между соседними минимумами или максимумами) носит статистический характер; пятна цикла появляются в течение 12-15 лет, период роста активности равен 4,2 года, спада — 7 годам. Относительная интенсивность 11-летних циклов, очевидно, меняется с периодом 80 лет.

Солнце-звезда. Солнечная энергия

Солнце (лат. Sol) — звезда, которая является центром Солнечной системы, типичная звезда главной последовательности спектрального класса G2. Оно почти идеально круглое и представляет собой горячую плазму, сплетенную магнитными полями. При диаметре примерно 1.3 млн км, что в 109 раз больше, чем земной, имеет массу около 2 × десять 30 кг, что больше земного примерно в 330 000 раз. Источником энергии Солнца является термоядерные реакции в его ядре. Земля и семь других планет вращаются вокруг Солнца. Кроме них, вокруг Солнца вращаются кометы, астероиды, метеороиды, космическая пыль и другие мелкие объекты. Масса Солнца составляет 99,866% от общей массы всей Солнечной системы. YohkohimageСолнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (фотоны необходимы для начальных стадий процесса фотосинтеза) и определяет климат нашей планеты. Солнце состоит из водорода (~ 73% от массы и ~ 92% от объема), гелия (~ 25% от массы и ~ 7% от объема) и других элементов с меньшей концентрацией (менее 2% от массы) Средняя плотность Солнца составляет 1400 кг / м³. Температура поверхности Солнца составляет около 6000 К. Солнце светит почти белым светом, но из-за сильнее рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает определенный желтого оттенка. Если небо ясное, то голубой оттенок рассеянного света состоит из желтоватым прямым солнечным светом и общее освещение объектов на Земле становится белым.

Солнечный спектр содержит линии ионизированных и нейтральных металлов, а также ионизированного водорода. В нашей Галактике насчитывается более 100 млрд звезд. При этом 85% звезд нашей галактики — это звезды, меньше Солнца (в основном — красные карлики). Как и все звезды главной последовательности, Солнце вырабатывает энергию путем термоядерного синтеза. У Солнца большая часть энергии производится при синтезе гелия из водорода.

Расстояние Солнца от Земли — около 149 600 000 км, примерно равна астрономической единицы, а видимый угловой диаметр, как и у Луны — не более полградуса (31-32 минут). Солнце находится на расстоянии около 26 000 световых лет от центра «Млечного Пути» и вращается вокруг него с периодом около 220 млн лет

     Общие характеристики и химический состав Солнца

Солнце — центральное и массивные тело Солнечной системы. Его масса приблизительно в 333 000 раз больше массы Земли и в 750 раз превышает массу всех других планет, вместе взятых. Солнце — мощный источник энергии, которую оно постоянно излучает во всех участках спектра электромагнитных волн — от рентгеновских и ультрафиолетовых лучей до радиоволн. Это излучение сильно влияет на все тела Солнечной системы: нагревает их, сказывается на атмосферах планет, дает свет и тепло, необходимые для жизни на Земле.

     Спектральный класс Солнца

В то же время Солнце — ближайшая к нам звезда, в которой, в отличие от всех других звезд, можно наблюдать диск, и с помощью телескопа изучать на нем мелкие детали, размером до нескольких сотен километров. Это типичная звезда, поэтому ее изучение помогает понять природу звезд вообще. По звездной классификации Солнце имеет спектральный класс G2V. В популярной литературе Солнце довольно часто классифицируют как желтый карлик.

       Диаметр

Видимый угловой диаметр Солнца несколько меняется через эллиптичность орбиты Земли. В среднем он составляет около 32 «или 1/107 радиана, то есть диаметр Солнца равен 1/107 а.е., или примерно 1400000 км. Согласно последним наблюдениям НАСА, радиус Солнца составляет 696 342 км с погрешностью 65 км [16].

   Химический состав

Химический состав (по количеству атомов) определены по анализу солнечного спектра:

водород составляет около 90%,
гелий — 9,88%,
другие элементы — порядка 0,1%, в том числе: на 1 млн атомов водорода приходится 851 атомов кислорода, 398 углерода, 123 неона, 100 азота, 47 железа, 38 магния, 35 кремния, 16 серы, 4 аргона, 3 алюминия, по 2 атомы никеля, натрия и кальция, а также совсем немного всех остальных элементов.
Вещество Солнца очень ионизированная, то есть атомы потеряли свои внешние электроны и вместе с ними стали свободными частицами ионизированного газа — плазмы.

   Плотность и температура

Средняя плотность солнечного вещества ρ ≈ 1400 кг / м³. Это значение близко к плотности воды и в 1000 раз больше плотности воздуха у поверхности Земли. Во внешних слоях Солнца плотность в миллионы раз меньше, а в центре — в 100 раз больше средней.

Вычисления, которые учитывают рост плотности и температуры к центру, показывают, что в центре Солнца плотность составляет около 1,5 × 10 пять кг / м³, давление — около 2 × 10 18 Па, а температура — около 15000000 К.

При такой температуре ядра атомов водорода (протоны и дейтроны) имеют очень большие скорости (сотни км / с) и могут приближаться друг к другу, несмотря на действие электростатической силы отталкивания. Некоторые столкновения заканчиваются ядерными реакциями, в результате которых из водорода образуется гелий и высвобождается значительное количество энергии, превращается в тепло. Эти реакции являются источником энергии Солнца на современном этапе его эволюции. Вследствие этого количество гелия в центральной части светила постепенно увеличивается, а водорода — уменьшается.

Поток энергии, возникающей в недрах Солнца, передается во внешние слои и распределяется на все большую площадь. Вследствие этого температура солнечной плазмы снижается с удалением от центра. В зависимости от температуры и характера процессов, которой определяются, Солнце можно условно разделить на 4 части:

внутренняя, центральная часть (ядро), где давление и температура обеспечивают ход ядерных реакций; она простирается от центра на расстояние примерно 1/3 радиуса
лучистая зона (расстояние от 1/3 до 2/3 радиуса), в которой энергия передается наружу результате последовательного поглощения и излучения квантов электромагнитной энергии;
конвективная зона — от верхней части «лучистой» зоны почти до видимой поверхности Солнца. Здесь температура быстро уменьшается с приближением к видимой поверхности светила, вследствие чего увеличивается концентрация нейтральных атомов, вещество становится более прозрачной, лучистое переноса становится менее эффективным и тепло передается преимущественно путем перемешивания вещества (конвекция), подобно кипения жидкости в сосуде, который подогревается снизу;
солнечная атмосфера, которая начинается сразу за конвективной зоной и выходит далеко за пределы видимого диска Солнца. Нижний слой атмосферы — фотосфера, тонкий слой газов, который мы воспринимаем как поверхность Солнца. Верхних слоев атмосферы непосредственно (хромосферы и короны) не видно из-за значительной разреженности, их можно наблюдать или во время полных солнечных затмений, либо с помощью специальных приборов.

Глобальное затемнение

Глобальное затемнение ( англ. Global dimming ) — эффект, вызванный естественным ( вулканизмом ) и техногенным загрязнением атмосферы пылевыми и другими частицами, в результате чего количество излучения Солнца , что попадает на поверхность Земли , уменьшается. Эффект сильно зависит от географического положения, но в целом по Земле составляет около 5% за 1960-1990 гг. Глобальное затемнение вызывает охлаждение поверхности, то есть частично компенсирует глобальное потепление , вызванное парниковым эффектом .

Считается, что глобальное затемнение вызвано, в первую очередь, образованием капелек облака вокруг частиц, которые являются центрами конденсации .

Последствия

Общее охлаждение планеты
Уменьшение испаряемости
Перераспределение тепла на планете
Усиление глобального потепления вскоре после того, как значительная часть антропогенных выбросов затемняющих веществ прекратится. При этом такое усиление, вероятно, может запустить более мощные процессы, которые усиливают глобальное потепление: самопроизвольный выброс десятков миллиардов тонн метана из-под мелководий Арктики и вечной мерзлоты.