Koji plinovi čine sunce?

Naše je sunce, kao i svaka druga zvijezda, ogromna kugla užarene plazme. To je samoodrživi termonuklearni reaktor koji osigurava svjetlost i toplinu potrebnu našem planetu održavati život, dok nas njegova gravitacija sprječava (i ostatak Sunčevog sustava) da se ne okrenemo duboko prostor.

Sunce sadrži nekoliko plinova i drugih elemenata koji odaju elektromagnetsko zračenje, što omogućava znanstvenicima da proučavaju sunce, iako nisu mogli pristupiti fizičkim uzorcima.

TL; DR (predugo; Nisam pročitao)

Najčešći maseni plinovi na suncu su: vodik (oko 70 posto, helij (oko 28 posto), ugljik, dušik i kisik (zajedno oko 1,5 posto). Ostatak sunčeve mase (0,5 posto) sastoji se od mješavine tragova drugih elemenata, uključujući, ali ne ograničavajući se na neon, željezo, silicij, magnezij i sumpor.

Dva elementa čine pretežnu većinu sunčeve materije, maseno: vodik (oko 70 posto) i helij (oko 28 posto). Napomena: ako vidite različite brojeve, nemojte se uzrujavati; vjerojatno vidite procjene prema ukupnom broju pojedinačnih atoma. Idemo misom jer je lakše razmišljati o tome.

Sljedećih 1,5 posto mase smjesa je ugljika, dušika i kisika Konačnih 0,5 posto roga je težih elemenata, uključujući, ali ne ograničavajući se na: neon, željezo, silicij, magnezij i sumpor.

Možda se pitate kako točno znamo što čini sunce. Uostalom, nijedan čovjek nikada nije bio tamo i niti jedna letjelica nikada nije vratila uzorke sunčeve tvari. Sunce, međutim, neprestano kupa zemljuelektromagnetska radijacijai čestice koje oslobađa njegova jezgra na fuziju.

Svaki element apsorbira određene valne duljine elektromagnetskog zračenja (tj. Svjetlost), a isto tako emitira određene valne duljine kada se zagrije. 1802. godine znanstvenik William Hyde Wollaston primijetio je da sunčeva svjetlost koja prolazi kroz prizmu stvara očekivani dugin spektar, ali s zapaženim tamnim crtama raštrkanim tu i tamo.

Da bi bolje vidio ove pojave, optičar Joseph von Fraunhofer izumio je prvi spektrometar - u osnovi poboljšana prizma - koja još više širi različite valne duljine sunčeve svjetlosti, čineći ih lakšima vidjeti. Također je olakšalo uočavanje da Wollastonove tamne linije nisu trik ili iluzija - činilo se da su svojstvo sunčeve svjetlosti.

Znanstvenici su shvatili da te tamne crte (koje se danas nazivaju Fraunhoferove linije) odgovaraju specifičnim valnim duljinama svjetlosti koju apsorbiraju određeni elementi poput vodika, kalcija i natrija. Stoga ti elementi moraju biti prisutni u vanjskim slojevima sunca, upijajući dio svjetlosti koju emitira jezgra.

Vremenom su nam sve sofisticiranije metode otkrivanja omogućile da kvantificiramo izlaz sunca: elektromagnetski zračenje u svim oblicima (X-zrake, radio valovi, ultraljubičasto, infracrveno i tako dalje) i protok subatomskih čestica poput neutrina. Mjereći što sunce oslobađa i što upija, iz daleka smo izgradili vrlo temeljito razumijevanje sunčevog sastava.

Jeste li slučajno primijetili neke uzorke u materijalima koji čine sunce? Vodik i helij su prva dva elementa u periodnom sustavu: najjednostavniji i najlakši. Što je element teži i složeniji, to ga manje nalazimo na suncu.

Ovaj trend smanjenja količina kako prelazimo sa lakših / jednostavnijih na teže / složenijih elemenata odražava kako su zvijezde rođene i njihovu jedinstvenu ulogu u našem svemiru.

Neposredno nakon Velikog praska, svemir je bio samo vrući, gusti oblak subatomskih čestica. Trebalo je gotovo 400 000 godina hlađenja i širenja da bi se ove čestice spojile u obliku koji bismo prepoznali kao prvi atom, vodik.

Dugo vremena svemirom su dominirali atomi vodika i helija koji su se mogli spontano oblikovati unutar iskonske subatomske juhe. Polako ti atomi počinju stvarati labave nakupine.

Te su nakupine imale veću gravitaciju, pa su neprestano rasle, povlačeći više materijala iz blizine. Nakon otprilike 1,6 milijuna godina, neke od tih nakupina postale su toliko velike da su tlak i toplina u njihovim središtima bili dovoljni da pokrenu termonuklearnu fuziju i rođene su prve zvijezde.

Evo ključne stvari u vezi s nuklearnom fuzijom: iako je za početak potrebna ogromna količina energije, zapravo procesizdanjaenergije.

Razmotrite stvaranje helija fuzijom vodika: Dvije jezgre vodika i dva neutrona kombiniraju se i tvore a pojedinačni atom helija, ali nastali helij zapravo ima 0,7 posto manje mase od početnih materijala. Kao što znate, materiju nije moguće ni stvoriti ni uništiti, tako da je ta masa morala nekamo otići. Zapravo je transformiran u energiju, prema Einsteinovoj najpoznatijoj jednadžbi:

U kojem Eje energija u džulima (J),mje masa kilograma (kg) icje brzina svjetlosti u metrima / sekundi (m / s) - konstanta. Jednadžbu možete staviti na običan engleski kao:

​​energija (džula) = masa (kilogrami) × brzina svjetlosti (metara u sekundi)²​

Brzina svjetlosti je otprilike 300 000 000 metara / sekundu, što značic²ima vrijednost od približno 90 000 000 000 000 000 - to je devedesetkvadrilion- metri²/second². Kad se bavite ovako velikim brojevima, postavili biste ih u znanstvene zapise kako biste uštedjeli prostor, ali ovdje je korisno vidjeti s koliko nula imate posla.

Kao što možete zamisliti, čak i mali broj pomnožen sadevedeset kvadrilionaće završiti vrlo velik. Sada, pogledajmo jedan gram vodika. Da bismo bili sigurni da nam jednadžba daje odgovor u džulima, izrazit ćemo ovu masu kao 0,001 kilograma - jedinice su važne. Dakle, ako priključite ove vrijednosti za masu i brzinu svjetlosti:

To je približno količini energije koju je oslobodila nuklearna bomba bačena na Nagasaki i koja se nalazila unutar jednog grama najmanjeg, najlakšeg elementa. Dno crta: Potencijal za proizvodnju energije pretvaranjem mase u energiju fuzijom zapanjujući je.

Zbog toga znanstvenici i inženjeri pokušavaju smisliti način stvaranja nuklearnog fuzijskog reaktora ovdje na Zemlji. Svi naši nuklearni reaktori danas rade preko nuklearna fizija, koji dijeli atome na manje elemente, ali je mnogo manje učinkovit postupak pretvaranja mase u energiju.

Sunce nema čvrstu površinu poput zemljine kore - čak i ako ostavite po strani ekstremne temperature, ne biste mogli stajati na suncu. Umjesto toga, sunce se sastoji od sedam različitih slojevaplazma​.

Plazma je četvrto, najenergičnije, stanje materije. Zagrijte led (krut) i on se otopi u vodi (tekućina). Nastavite ga zagrijavati i on se opet pretvara u vodenu paru (plin).

Ako nastavite zagrijavati taj plin, on će postati plazma. Plazma je oblak atoma, poput plina, ali u njega je uliveno toliko energije da je i biloionizirani. Odnosno, njegovi atomi postali su električno nabijeni tako što su im elektroni izbačeni iz uobičajenih orbita.

Transformacija iz plina u plazmu mijenja svojstva tvari, a nabijene čestice često oslobađaju energiju kao svjetlost. Svijetleći neonski znakovi zapravo su staklene cijevi ispunjene neonskim plinom - kad električna struja prolazi kroz cijev, to uzrokuje da se plin transformira u užarenu plazmu.

Sunčana sferična struktura rezultat je dviju neprestano nadmećućih sila:gravitacijaiz guste mase u sunčevom središtu koja pokušava povući svu svoju plazmu prema energiji iz nuklearne fuzije koja se odvija u jezgri, uzrokujući širenje plazme.

Sunce se sastoji od sedam slojeva: tri unutarnja i četiri vanjska. Oni su, od središta prema van:

1. Jezgra
2. Zona zračenja
3. Konvektivna zona
4. Fotosfera
5. Kromosfera
6. Prijelazno područje
7. Korona

Razgovarali smo o jezgraveć puno; tu se odvija fuzija. Kao što biste očekivali, tamo ćete pronaći najvišu temperaturu na suncu: nekih 27 000 000 000 (27 milijuna) stupnjeva Fahrenheita.

Thezona zračenja, koja se ponekad naziva i zona "zračenja", gdje energija iz jezgre putuje prema van, prvenstveno kao elektromagnetsko zračenje.

The konvektivna zona, zvana "zona konvekcije", tamo gdje se energija prvenstveno prenosi strujama unutar plazme sloja. Razmislite kako para iz vrele posude prenosi toplinu iz plamenika u zrak iznad peći i imat ćete pravu ideju.

Takva "površina" sunca je fotosfera. To je ono što vidimo kad gledamo sunce. Elektromagnetsko zračenje koje emitira ovaj sloj golim je okom vidljivo kao svjetlost i toliko je svijetlo da skriva manje guste vanjske slojeve od pogleda.

Thekromosferaje vruća od fotosfere, ali nije toliko vruća kao korona. Njegova temperatura uzrokuje da vodik emitira crvenkastu svjetlost. Obično je nevidljiv, ali se može vidjeti kao crvenkasti sjaj koji okružuje sunce kad potpuna pomrčina sakrije fotosferu.

Theprijelazna zonaje tanak sloj u kojem se temperature dramatično pomiču iz kromosfere u koronu. Vidljiv je teleskopima koji mogu detektirati ultraljubičasto (UV) svjetlo.

Napokon, koronavanjski je sloj sunca i izuzetno je vruć - stotine puta vrući od fotosfere - ali nevidljiv golim okom, osim tijekom potpune pomrčine, kada se čini kao tanka bijela aura oko sunca. Točno zaštotoliko je vruće pomalo je tajna, ali čini se da su barem jedan čimbenik "toplinske bombe": paketi izuzetno vruć materijal koji pluta iz dubokog sunca prije eksplozije i oslobađanja energije u korona.

Kao što vam može reći svatko tko je ikada imao opekline, sunčevi učinci se šire i izvan korone. Zapravo, korona je toliko vruća i udaljena od jezgre da sunčeva gravitacija ne može zadržati pregrijanu plazmu - nabijene čestice struje u svemir kao konstantasolarni vjetar​.

Unatoč nevjerojatnoj veličini sunca, na kraju će ostati bez vodika potrebnog za održavanje svoje fuzijske jezgre. Sunce ima predviđeni ukupni životni vijek oko 10 milijardi godina. Rođen je prije oko 4,6 milijardi godina, tako da će proći dosta vremena prije nego što će izgorjeti, ali hoće.

Sunce zrači procijenjenih 3.846 × 10²⁶ J energije svaki dan. S tim znanjem možemo procijeniti koliko mase mora pretvoriti u sekundi. Za sada ćemo vas poštedjeti još matematike; izlazi na oko 4,27 × 10⁹ kgpo sekundi. U samo tri sekunde sunce potroši približno onoliko mase koliko čini Velika piramida u Gizi, dvostruko više.

Kad ostane bez vodika, počet će koristiti svoje teže elemente za fuziju - hlapljive tvari postupak zbog kojeg će se proširiti do 100 puta veće od trenutne veličine dok istjeruje velik dio svoje mase u prostor. Kad napokon iscrpi gorivo, za sobom će ostaviti mali, izuzetno gusti objekt nazvan abijeli patuljak, otprilike veličine naše Zemlje, ali mnogo, puno puta gušće.