ما الغازات التي تشكل الشمس؟

شمسنا ، مثل أي نجم آخر ، هي كرة عملاقة من البلازما المتوهجة. إنه مفاعل نووي حراري قائم بذاته يوفر الضوء والحرارة التي يحتاجها كوكبنا تحافظ على الحياة ، بينما تمنعنا جاذبيتها (وبقية النظام الشمسي) من الدوران في الأعماق الفضاء.

تحتوي الشمس على العديد من الغازات والعناصر الأخرى التي تنبعث من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، مما يسمح للعلماء بدراسة الشمس على الرغم من عدم قدرتهم على الوصول إلى العينات الفيزيائية.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

الغازات الأكثر شيوعًا في الشمس ، من حيث الكتلة ، هي: الهيدروجين (حوالي 70 بالمائة ، الهيليوم (حوالي 28 بالمائة) ، الكربون ، النيتروجين والأكسجين (معًا حوالي 1.5 بالمائة). يتكون الجزء المتبقي من كتلة الشمس (0.5 بالمائة) من خليط من كميات ضئيلة من العناصر الأخرى ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر النيون والحديد والسيليكون والمغنيسيوم والكبريت.

يشكل عنصران الغالبية العظمى من مادة الشمس بالكتلة: الهيدروجين (حوالي 70 بالمائة) والهيليوم (حوالي 28 بالمائة). لاحظ ، إذا رأيت أرقامًا مختلفة ، فلا تقلق ؛ ربما ترى تقديرات وفقًا لإجمالي عدد الذرات الفردية. نحن نذهب بشكل جماعي لأنه من الأسهل التفكير فيه.

1.5 بالمائة التالية من الكتلة عبارة عن مزيج من الكربون والنيتروجين والأكسجين. 0.5 بالمائة الأخيرة عبارة عن وفرة من العناصر الثقيلة ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر: النيون والحديد والسيليكون والمغنيسيوم والكبريت.

قد تتساءل كيف نعرف بالضبط ما هي مكونات الشمس. بعد كل شيء ، لم يكن هناك إنسان على الإطلاق ولم تقم أي مركبة فضائية بإعادة عينات من المادة الشمسية. ومع ذلك ، فإن الشمس تغمر الأرض باستمرارالاشعاع الكهرومغناطيسيوالجسيمات المنبعثة من لبها الذي يعمل بالاندماج.

يمتص كل عنصر أطوال موجية معينة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (أي الضوء) ، وبالمثل تصدر أطوال موجية معينة عند تسخينها. في عام 1802 ، لاحظ العالم ويليام هايد ولاستون أن ضوء الشمس الذي يمر عبر منشور ينتج طيف قوس قزح المتوقع ، ولكن مع وجود خطوط داكنة ملحوظة منتشرة هنا وهناك.

لإلقاء نظرة أفضل على هذه الظاهرة ، اخترع أخصائي البصريات جوزيف فون فراونهوفر أول مقياس طيف - منشور محسّن بشكل أساسي - ينشر الأطوال الموجية المختلفة لأشعة الشمس إلى الخارج بشكل أكبر ، مما يجعلها أسهل لترى. كما أنه جعل من السهل رؤية أن خطوط Wollaston المظلمة لم تكن خدعة أو وهمًا - بدت وكأنها سمة من سمات ضوء الشمس.

اكتشف العلماء أن تلك الخطوط المظلمة (تسمى الآن خطوط فراونهوفر) تتوافق مع الأطوال الموجية المحددة للضوء التي تمتصها عناصر معينة مثل الهيدروجين والكالسيوم والصوديوم. لذلك ، يجب أن تكون هذه العناصر موجودة في الطبقات الخارجية للشمس ، وتمتص بعض الضوء المنبعث من اللب.

بمرور الوقت ، سمحت لنا طرق الكشف المتطورة بشكل متزايد بتحديد الناتج من الشمس: الكهرومغناطيسية الإشعاع بجميع أشكاله (الأشعة السينية ، موجات الراديو ، الأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة تحت الحمراء وما إلى ذلك) وتدفق الجسيمات دون الذرية مثل النيوترينوات. من خلال قياس ما تطلقه الشمس وما تمتصه ، قمنا ببناء فهم شامل للغاية لتكوين الشمس من بعيد.

هل حدث أن لاحظت أي أنماط في المواد التي تشكل الشمس؟ الهيدروجين والهيليوم هما أول عنصرين في الجدول الدوري: الأبسط والأخف وزناً. كلما كان العنصر أثقل وأكثر تعقيدًا ، قلناه في الشمس.

يعكس هذا الاتجاه المتمثل في تناقص الكميات مع انتقالنا من العناصر الأخف / الأبسط إلى العناصر الأثقل / الأكثر تعقيدًا كيفية تولد النجوم ودورها الفريد في كوننا.

في أعقاب الانفجار العظيم مباشرة ، لم يكن الكون أكثر من سحابة كثيفة وساخنة من الجسيمات دون الذرية. لقد استغرق الأمر ما يقرب من 400000 عام من التبريد والتوسع حتى تتجمع هذه الجسيمات في شكل نعتبره أول ذرة ، الهيدروجين.

لفترة طويلة ، سيطر على الكون ذرات الهيدروجين والهيليوم التي كانت قادرة على التكوين تلقائيًا داخل حساء دون الذرة البدائي. ببطء ، تبدأ هذه الذرات في تكوين تجمعات فضفاضة.

تمارس هذه التجمعات جاذبية أكبر ، لذلك استمرت في النمو ، وسحب المزيد من المواد من المناطق المجاورة. بعد حوالي 1.6 مليون سنة ، أصبحت بعض هذه التجمعات كبيرة جدًا لدرجة أن الضغط والحرارة في مراكزها كانا كافيين لبدء الاندماج النووي الحراري ، وولدت النجوم الأولى.

هذا هو الشيء الرئيسي حول الاندماج النووي: على الرغم من أنه يتطلب قدرًا هائلاً من الطاقة للبدء ، فإن العملية في الواقعإطلاقطاقة.

ضع في اعتبارك تكوين الهيليوم عبر اندماج الهيدروجين: تتحد نواتان هيدروجين ونيوترونان لتشكيل ذرة هيليوم واحدة ، لكن الهليوم الناتج له في الواقع كتلة أقل بنسبة 0.7 في المائة من المواد الأولية. كما تعلم ، لا يمكن إنشاء المادة أو تدميرها ، لذا لابد أن تلك الكتلة قد ذهبت إلى مكان ما. في الواقع ، تم تحويلها إلى طاقة ، وفقًا لمعادلة أينشتاين الأكثر شهرة:

بحيث ههي الطاقة بالجول (J) ،مهو كيلوغرام الكتلة (كلغ) وجهي سرعة الضوء بالأمتار / الثانية (م / ث) - ثابت. يمكنك وضع المعادلة بلغة إنجليزية بسيطة على النحو التالي:

​​الطاقة (جول) = الكتلة (كيلوجرام) × سرعة الضوء (متر / ثانية)²​

سرعة الضوء تقارب 300.000.000 متر / ثانية ، ما يعنيج²تبلغ قيمتها حوالي 90.000.000.000.000.000 - أي تسعينكوادريليون- أمتار²/second². عادةً عند التعامل مع الأرقام بهذا الحجم ، يمكنك وضعها في تدوين علمي لتوفير مساحة ، ولكن من المفيد هنا معرفة عدد الأصفار التي تتعامل معها.

كما يمكنك أن تتخيل ، حتى عدد ضئيل مضروب فيتسعين كوادريليونسينتهي الأمر بحجم كبير جدًا. الآن ، دعونا نلقي نظرة على جرام واحد من الهيدروجين. للتأكد من أن المعادلة تعطينا إجابة بالجول ، سنعبر عن هذه الكتلة على أنها 0.001 كجم - الوحدات مهمة. لذا ، إذا عوضت بهذه القيم لكتلة الضوء وسرعته:

هذا قريب من كمية الطاقة المنبعثة من القنبلة النووية التي أسقطت على ناغازاكي والمحتواة في غرام واحد من أصغر وأخف عنصر. خلاصة القول: إن إمكانية توليد الطاقة عن طريق تحويل الكتلة إلى طاقة عن طريق الاندماج أمر محير للعقل.

هذا هو سبب محاولة العلماء والمهندسين اكتشاف طريقة لإنشاء مفاعل اندماج نووي هنا على الأرض. تعمل جميع مفاعلاتنا النووية اليوم عبر الانشطار النووي، والتي تقسم الذرات إلى عناصر أصغر ، ولكنها عملية أقل كفاءة بكثير لتحويل الكتلة إلى طاقة.

ليس للشمس سطح صلب مثل قشرة الأرض - حتى لو وضعنا جانبا درجات الحرارة القصوى ، لا يمكنك الوقوف على الشمس. بدلاً من ذلك ، تتكون الشمس من سبع طبقات متميزة منبلازما​.

البلازما هي الحالة الرابعة من حيث الطاقة. يسخن الثلج (صلب) ويذوب في الماء (سائل). استمر في تسخينه ، ويتحول مرة أخرى إلى بخار ماء (غاز).

إذا واصلت تسخين هذا الغاز ، فسيصبح بلازما. البلازما عبارة عن سحابة من الذرات ، مثل الغازات ، لكنها مشبعة بالكثير من الطاقة التي كانت عليهامؤين. أي أن ذراتها أصبحت مشحونة كهربائيًا عن طريق إفلات إلكتروناتها من مداراتها المعتادة.

يؤدي التحول من الغاز إلى البلازما إلى تغيير خصائص المادة ، وغالبًا ما تطلق الجسيمات المشحونة الطاقة كضوء. إشارات النيون المتوهجة ، في الواقع ، عبارة عن أنابيب زجاجية مملوءة بغاز النيون - عندما يمر تيار كهربائي عبر الأنبوب ، فإنه يتسبب في تحويل الغاز إلى بلازما متوهجة.

الهيكل الكروي للشمس هو نتيجة لقوتين متنافستين باستمرار:الجاذبيةمن الكتلة الكثيفة في مركز الشمس في محاولة لسحب كل البلازما إلى الداخل مقابل الطاقة من الاندماج النووي الذي يحدث في اللب ، مما يتسبب في تمدد البلازما.

تتكون الشمس من سبع طبقات: ثلاث طبقات داخلية وأربع طبقات خارجية. هم من المركز إلى الخارج:

1. النواة
2. المنطقة الإشعاعية
3. منطقة الحمل الحراري
4. فوتوسفير
5. الكروموسفير
6. منطقة انتقالية
7. كورونا

لقد تحدثنا عن النواةالكثير بالفعل إنه المكان الذي يحدث فيه الاندماج. كما تتوقع ، ستجد أعلى درجة حرارة على الشمس: حوالي 27 مليون درجة فهرنهايت (27 مليون) درجة فهرنهايت.

الالمنطقة الإشعاعية، تسمى أحيانًا منطقة "الإشعاع" ، حيث تنتقل الطاقة من القلب إلى الخارج بشكل أساسي كإشعاع كهرومغناطيسي.

ال منطقة الحمل الحراري، المعروف أيضًا باسم منطقة "الحمل الحراري" ، حيث يتم نقل الطاقة بشكل أساسي بواسطة التيارات داخل بلازما الطبقة. فكر في كيفية نقل البخار من وعاء الغليان من الموقد إلى الهواء فوق الموقد ، وستكون لديك الفكرة الصحيحة.

"سطح" الشمس ، على هذا النحو ، هو فوتوسفير. هذا ما نراه عندما ننظر إلى الشمس. يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من هذه الطبقة مرئيًا للعين المجردة كضوء ، وهو شديد السطوع لدرجة أنه يخفي الطبقات الخارجية الأقل كثافة عن الأنظار.

الالكروموسفيرأكثر سخونة من الفوتوسفير ، لكنها ليست ساخنة مثل الهالة. تؤدي درجة حرارته إلى إصدار الهيدروجين لضوء ضارب إلى الحمرة. عادة ما يكون غير مرئي ولكن يمكن رؤيته على أنه توهج ضارب إلى الحمرة يحيط بالشمس عندما يخفي الكسوف الكلي الغلاف الضوئي.

المنطقة انتقاليةهي طبقة رقيقة حيث تتغير درجات الحرارة بشكل كبير من الكروموسفير إلى الإكليل. إنه مرئي للتلسكوبات التي يمكنها اكتشاف الأشعة فوق البنفسجية.

وأخيرا، فإن الهالةهي الطبقة الخارجية للشمس وهي شديدة الحرارة - أسخن بمئات المرات من الغلاف الضوئي - ولكن غير مرئي للعين المجردة إلا أثناء الكسوف الكلي ، عندما يظهر على شكل هالة بيضاء رقيقة حول الشمس. بالضبط لماذاالجو حار للغاية هو نوع من الغموض ، ولكن يبدو أن هناك عاملًا واحدًا على الأقل هو "القنابل الحرارية": حزم من مادة شديدة الحرارة تطفو من أعماق الشمس قبل أن تنفجر وتطلق الطاقة في الهالة.

كما يمكن لأي شخص أصيب بحروق الشمس أن يخبرك ، فإن تأثيرات الشمس تمتد إلى ما هو أبعد من الهالة. في الواقع ، الإكليل حار جدًا وبعيد عن القلب لدرجة أن جاذبية الشمس لا يمكنها أن تحافظ على البلازما شديدة الحرارة - تنطلق الجسيمات المشحونة في الفضاء بشكل ثابتالرياح الشمسية​.

على الرغم من الحجم المذهل للشمس ، إلا أن الهيدروجين الذي تحتاجه في النهاية سينفد منها للحفاظ على لبها الاندماجي. يبلغ إجمالي العمر المتوقع للشمس حوالي 10 مليارات سنة. لقد وُلدت قبل حوالي 4.6 مليار سنة ، لذلك هناك فترة طويلة قبل أن تحترق ، لكنها ستحترق.

تشع الشمس حوالي 3.846 × 10²⁶ J من الطاقة كل يوم. باستخدام هذه المعرفة ، يمكننا تقدير مقدار الكتلة التي يجب أن يتم تحويلها على أساس كل ثانية. سنوفر لك المزيد من الرياضيات في الوقت الحالي ؛ يخرج إلى حوالي 4.27 × 10⁹ كلغفي الثانية. في ثلاث ثوانٍ فقط ، تستهلك الشمس ما يقرب من كتلة الهرم الأكبر بالجيزة ، مرتين.

عندما ينفد الهيدروجين ، سيبدأ في استخدام عناصره الأثقل للانصهار - متطاير عملية تجعله يتوسع إلى 100 ضعف حجمه الحالي بينما يقذف الكثير من كتلته فيه الفضاء. عندما تستنفد وقودها أخيرًا ، ستترك وراءها جسمًا صغيرًا كثيفًا للغاية يسمى أقزم ابيض، بحجم كوكب الأرض ، ولكن كثافته أكثر بعدة مرات.