Millised gaasid moodustavad päikese?

Meie päike, nagu iga teine ​​täht, on hiiglaslik hõõguva plasmaga pall. See on isemajandav termotuumareaktor, mis annab valgust ja soojust, mida meie planeet vajab säilitada elu, samas kui selle raskusjõud hoiab meid (ja kogu ülejäänud päikesesüsteemi) sügavasse ketramisest ruumi.

Päike sisaldab mitmeid gaase ja muid elemente, mis eraldavad elektromagnetkiirgust, mis võimaldab teadlastel uurida päikest hoolimata sellest, et tal pole füüsilistele proovidele juurdepääsu.

TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)

Kõige tavalisemad päikese käes olevad gaasid on: vesinik (umbes 70 protsenti, heelium (umbes 28 protsenti), süsinik, lämmastik ja hapnik (kokku umbes 1,5 protsenti). Ülejäänud osa päikesemassist (0,5 protsenti) koosneb väheste koguste muude elementide segust, sealhulgas, kuid mitte ainult, neoon, raud, räni, magneesium ja väävel.

Massi massist moodustavad valdava enamuse päikeseainest kaks elementi: vesinik (umbes 70 protsenti) ja heelium (umbes 28 protsenti). Pange tähele, kui näete erinevaid numbreid, ärge pahandage; tõenäoliselt näete hinnanguid üksikute aatomite koguarvu järgi. Läheme massiga, sest sellele on lihtsam mõelda.

Järgmine 1,5 protsenti massist on süsiniku, lämmastiku ja hapniku segu. Lõplik 0,5 protsenti on raskemate elementide, sealhulgas (kuid mitte ainult) neoon, raud, räni, magneesium ja väävel, sarvkesta.

Võib-olla mõtlete, kuidas me täpselt teame, millest päike koosneb. Lõppude lõpuks pole ükski inimene seal kunagi käinud ja ükski kosmoseaparaat pole kunagi tagasi toonud päikeseaine proove. Päike ujutab aga pidevalt maad sisseelektromagnetiline kiirgusja selle termotuumasünteesiga südamiku poolt eralduvad osakesed.

Iga element neelab teatud elektromagnetkiirguse (st valguse) lainepikkusi ja eraldab ka kuumutamisel teatud lainepikkusi. Aastal 1802 märkas teadlane William Hyde Wollaston, et prismat läbiv päikesevalgus tekitas oodatud vikerkaarespektri, kuid märkimisväärsete tumedate joontega hajus siia-sinna.

Selle nähtuse paremaks uurimiseks leiutas optik Joseph von Fraunhofer esimese spektromeetri - põhimõtteliselt täiustatud prisma - mis levitab päikesevalguse erinevad lainepikkused veelgi, muutes need lihtsamaks et näha. See hõlbustas ka arusaamist, et Wollastoni tumedad jooned ei olnud trikk ega illusioon - need tundusid olevat päikesevalguse tunnused.

Teadlased arvasid, et need tumedad jooned (nüüd nimetatakse Fraunhoferi joonteks) vastavad teatud elementide, nagu vesinik, kaltsium ja naatrium, neeldunud valguse spetsiifilistele lainepikkustele. Seetõttu peavad need elemendid olema päikese väliskihtides, neelates osa südamiku kiiratavast valgusest.

Aja jooksul on üha keerukamad tuvastamismeetodid võimaldanud meil päikese väljundit kvantifitseerida: elektromagnetiline kiirgus igas vormis (röntgenkiired, raadiolained, ultraviolett-, infrapuna- ja nii edasi) ning subatomaarsete osakeste vool nagu neutriinod. Mõõtes, mida päike vabastab ja mida neelab, oleme kaugelt mõistnud päikese koostist väga põhjalikult.

Kas juhtusite märkama päikese moodustavate materjalide mustreid? Vesinik ja heelium on perioodilisustabeli kaks esimest elementi: kõige lihtsam ja kergem. Mida raskem ja keerukam element, seda vähem leiame päikese käes.

Koguste vähenemise suundumus kergematelt / lihtsamatelt raskematele / keerukamatele elementidele liikumisel peegeldab tähtede sündi ja nende ainulaadset rolli meie universumis.

Vahetult pärast Suurt Pauku ei olnud universum muud kui kuum, tihe subatoomiliste osakeste pilv. Kulus peaaegu 400 000 aastat jahtumist ja paisumist, et need osakesed kokku saaksid kujul, mille tunnistasime esimese aatomina, vesinikuna.

Pikka aega domineerisid universumis vesiniku ja heeliumi aatomid, mis suutsid ürgse subatoomilise supi sees spontaanselt tekkida. Aeglaselt hakkavad need aatomid moodustama lahtiseid kogumeid.

Need liitmised avaldasid suuremat raskust, nii et nad kasvasid edasi ja tõmbasid lähistelt rohkem materjali. Umbes 1,6 miljoni aasta pärast muutusid mõned neist liitmistest nii suureks, et nende keskustes olevast rõhust ja kuumusest piisas termotuumasünteesi käivitamiseks ja esimesed tähed sündisid.

Siin on tuumasünteesi peamine asi: kuigi selle alustamiseks on vaja tohutult energiat, on protsess tegelikultvabastabenergia.

Mõelge heeliumi loomisele vesiniku sulandumise kaudu: kaks vesiniku tuuma ja kaks neutronit moodustavad a üks heeliumi aatom, kuid saadud heeliumi mass on tegelikult 0,7 protsenti väiksem kui lähteainetel. Nagu teate, ei saa ainet ei luua ega hävitada, nii et see mass pidi kuhugi kadunud olema. Tegelikult muundati see energiaks, vastavalt Einsteini kuulsaimale võrrandile:

Milles Eon energia džaulides (J),mon mass kilogrammides (kg) jacon valguskiirus meetrites sekundis (m / s) - konstant. Võid panna võrrandi lihtsasse inglise keelde järgmiselt:

​​energia (džaulides) = mass (kilogrammides) × valguse kiirus (meetrit sekundis)²​

Valguse kiirus on umbes 300 000 000 meetrit sekundis, mis tähendabc²väärtus on umbes 90 000 000 000 000 000 - see on üheksakümmendkvadriljonit- meetrit²/second². Tavaliselt, kui tegelete nii suurte numbritega, paneksite need ruumi kokkuhoiuks teaduslikesse märkmetesse, kuid siin on kasulik näha, kui palju nullidega teil on tegemist.

Nagu võite ette kujutada, korrutatakse isegi väike arvüheksakümmend kvadriljonitläheb lõpuks väga suureks. Vaatame nüüd ühte grammi vesinikku. Veendumaks, et võrrand annab meile vastuse džaulides, väljendame seda massi 0,001 kilogrammina - ühikud on olulised. Niisiis, kui ühendate need valguse massi ja kiiruse väärtused:

See on lähedane Nagasakile heidetud tuumapommi eraldatud energiahulgale, mis sisaldub ühe grammi väikseimas ja kergemas elemendis. Alumine rida: energia tootmise potentsiaal massi energiaks muundamise teel termotuumasünteesi teel on hämmastav.

Sellepärast on teadlased ja insenerid püüdnud välja mõelda, kuidas luua siin Maal tuumasünteesireaktor. Kõik meie tuumareaktorid töötavad täna läbi tuuma lõhustumine, mis jagab aatomid väiksemateks elementideks, kuid on palju vähem tõhus protsess massi muundamiseks energiaks.

Päikesel pole kindlat pinda nagu maakoorel - isegi kui jätta kõrvale äärmuslikud temperatuurid, ei saanud te päikese käes seista. Selle asemel koosneb päike seitsmest erinevast kihistplasma​.

Plasma on aine neljas kõige energilisem seisund. Kuumuta jää (tahke) ja see sulab vette (vedel). Kuumutage seda edasi ja see muutub uuesti veeauruks (gaasiks).

Kui jätkate selle gaasi kuumutamist, muutub see aga plasmaks. Plasma on aatomipilv, nagu gaas, kuid sellesse on sisse imbunud nii palju energiat, et on olnudioniseeritud. See tähendab, et selle aatomid on elektriliselt laetud, kui nende elektronid on tavapärasest orbiidist lahti löönud.

Transformatsioon gaasist plasmaks muudab aine omadusi ja laetud osakesed eraldavad energiat sageli valgusena. Hõõguvad neoonmärgid on tegelikult neoongaasiga täidetud klaastorud - kui torust läbitakse elektrivool, põhjustab see gaasi muundamise hõõguvaks plasmaks.

Päikese sfääriline struktuur on kahe pidevalt konkureeriva jõu tulemus:raskusjõudtihedast massist päikesekeskuses, mis üritab kogu oma plasma tõmmata sissepoole, võrreldes südamikus toimuva tuumasünteesi energiaga, põhjustades plasma laienemist.

Päike koosneb seitsmest kihist: kolm sisemist ja neli välimist. Nad on keskelt väljapoole:

1. Tuum
2. Kiirgusvöönd
3. Konvektiivne tsoon
4. Fotosfäär
5. Kromosfäär
6. Üleminekupiirkond
7. Corona

Oleme rääkinud tuumjuba palju; seal toimub termotuumasüntees. Nagu arvata võis, leiate sealt kõrgeima temperatuuri päikesel: umbes 27 000 000 000 (27 miljonit) kraadi Fahrenheiti.

Thekiirgusvöönd, mida mõnikord nimetatakse “kiirguse” tsooniks, liigub südamikust tulev energia peamiselt elektromagnetilise kiirguse kaudu väljapoole.

The konvektiivne tsoon, ehk “konvektsiooni” tsoon, on see, kus energiat kannavad peamiselt kihi plasmas olevad voolud. Mõelge, kuidas keeva potti aur kannab põleti kuumust pliidi kohal õhku, ja teil on õige idee.

Päikese selline pind, nagu see on, on fotosfäär. Seda näeme päikest vaadates. Selle kihi kiiratav elektromagnetkiirgus on palja silmaga nähtav valgusena ja see on nii ere, et peidab vähem tihedad välimised kihid silma alt.

Thekromosfääron fotosfäärist kuumem, kuid see pole nii kuum kui kroon. Selle temperatuur põhjustab vesiniku punakat valgust. See on tavaliselt nähtamatu, kuid seda võib näha kui päikest ümbritsevat punakat kuma, kui täielik varjutus fotosfääri varjab.

Theüleminekutsoonon õhuke kiht, kus temperatuurid muutuvad dramaatiliselt kromosfäärist kroonini. See on nähtav teleskoopidele, mis suudavad tuvastada ultraviolettkiirgust (UV).

Lõpuks pärgon päikesepoolseim kiht ja on äärmiselt kuum - sadu kordi kuumem kui fotosfäär -, kuid palja silmaga nähtamatu, välja arvatud täieliku varjutuse ajal, kui see ilmub õhuke valge aurana päikese ümber. Täpselt nii miksnii kuum on natuke mõistatus, kuid vähemalt üks tegur näib olevat “kuumapommid”: pakid äärmiselt kuum materjal, mis hõljub sügavalt päikese käes, enne kui plahvatab ja vabastab energia pärg.

Nagu igaüks, kes on kunagi päikesepõletust saanud, võib teile öelda, ulatub päikese mõju koroonast kaugemale. Tegelikult on koroona nii kuum ja südamikust kaugel, et päikese gravitatsioon ei suuda ülikuumutatud plasmat kinni hoida - laetud osakesed voolavad kosmosesse pidevanapäikesetuul​.

Vaatamata päikese uskumatule suurusele saab see lõpuks otsa termotuumasünteesi säilitamiseks vajalikust vesinikust. Päikese kogu eluiga on prognoositavalt umbes 10 miljardit aastat. See sündis umbes 4,6 miljardit aastat tagasi, seega on veel tükk aega aega, enne kui see läbi põleb, kuid nii saab.

Päikest kiirgab hinnanguliselt 3,846 × 10²⁶ J energiat iga päev. Selle teadmise abil saame hinnata, kui palju massi peab see sekundis teisendama. Säästame teile praegu rohkem matemaatikat; see tuleb välja umbes 4,27 × 10⁹ kgsekundis. Vaid kolme sekundiga kulutab päike umbes sama palju massi kui moodustab kaks korda rohkem kui Giza püramiidi.

Kui vesinik saab otsa, hakkab ta sulandamiseks kasutama raskemaid elemente - lenduvat protsess, mis paneb selle laienema praeguse suuruse 100-kordseks, samal ajal kui suur osa selle massist paisatakse ruumi. Kui see lõpuks oma kütuse ära kasutab, jätab ta maha väikese ülitiheda objekti, mida nimetatakse avalge kääbus, umbes sama suur kui meie Maa, kuid palju, mitu korda tihedam.