Milyen gázok alkotják a napot?

Napunk, mint minden más csillag, egy izzó plazma gigászi golyója. Ez egy önfenntartó termonukleáris reaktor, amely biztosítja a bolygónknak szükséges fényt és hőt fenntartani az életet, miközben a gravitációja megakadályozza, hogy minket (és a Naprendszer többi részét) mélyre pörögjünk tér.

A nap számos gázt és egyéb elemet tartalmaz, amelyek elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, így a tudósok annak ellenére is tanulmányozhatják a napot, hogy fizikai mintákhoz nem férnek hozzá.

TL; DR (túl hosszú; Nem olvastam)

A napsütésben a legelterjedtebb gázok tömeg szerint: hidrogén (körülbelül 70 százalék, hélium (kb. 28 százalék), szén, nitrogén és oxigén (együttesen körülbelül 1,5 százalék)). A nap tömegének fennmaradó részét (0,5 százalék) nyomelemek más elemek keveréke alkotja, beleértve, de nem kizárólag, a neont, a vasat, a szilíciumot, a magnéziumot és a ként.

Két elem alkotja a nap anyagának túlnyomó többségét tömeg szerint: hidrogén (kb. 70 százalék) és hélium (kb. 28 százalék). Megjegyzés: ha különböző számokat lát, ne izguljon; valószínűleg az egyes atomok teljes száma szerinti becsléseket lát. Tömeggel megyünk, mert könnyebb erre gondolni.

A következő 1,5 tömegszázalék szén, nitrogén és oxigén keveréke. Az utolsó 0,5 százalék a nehezebb elemek bőségszaru, beleértve, de nem kizárólag: neon, vas, szilícium, magnézium és kén.

Kíváncsi lehet, hogyan, pontosan tudjuk, mi alkotja a napot. Végül is soha egyetlen ember sem járt ott, és egyetlen űrhajó sem hozta vissza a napanyag mintáit. A nap azonban folyamatosan fürdeti a földetelektromágneses sugárzásés a fúziós meghajtású mag által kibocsátott részecskék.

Minden elem elnyeli az elektromágneses sugárzás bizonyos hullámhosszait (azaz a fényt), és hevítéskor is kibocsát bizonyos hullámhosszakat. 1802-ben William Hyde Wollaston tudós észrevette, hogy a prizmán áthaladó napfény a várt szivárványspektrumot produkálja, de figyelemre méltó sötét vonalak szóródnak ide-oda.

Hogy jobban megismerhesse ezeket a jelenségeket, Joseph von Fraunhofer optikus feltalálta az első spektrométert - alapvetően egy továbbfejlesztett prizma - amely még jobban eloszlatja a napfény különböző hullámhosszait, megkönnyítve azokat látni. Könnyebben belátta azt is, hogy Wollaston sötét vonalai nem trükkök vagy illúziók voltak - úgy tűnt, hogy a napfény jellemzői.

A tudósok kitalálták, hogy ezek a sötét vonalak (amelyeket most Fraunhofer-vonalaknak hívnak) megfelelnek bizonyos elemek, például hidrogén, kalcium és nátrium által elnyelt fény sajátos hullámhosszának. Ezért ezeknek az elemeknek a nap külső rétegeiben kell lenniük, elnyelve a mag által kibocsátott fény egy részét.

Az idő múlásával az egyre kifinomultabb detektálási módszerek lehetővé tették számunkra a nap kimenetének számszerűsítését: elektromágneses sugárzás minden formájában (röntgensugarak, rádióhullámok, ultraibolya, infravörös és így tovább) és a szubatomi részecskék áramlása neutrínók. Azzal, hogy megmérettük, mit bocsát ki a nap és mit szív el, mélyen megértettük a nap összetételét messziről.

Észrevett valamilyen mintát a napot alkotó anyagokban? A hidrogén és a hélium az első két elem a periódusos rendszerben: a legegyszerűbb és a legkönnyebb. Minél nehezebb és összetettebb elem, annál kevesebbet találunk a napon.

Ez a csökkenő mennyiségű tendencia a könnyebb / egyszerűbbtől a nehezebb / összetettebb elemek felé haladva tükrözi a csillagok születési módját és egyedi szerepét az univerzumunkban.

Az Ősrobbanás után közvetlenül az univerzum nem más, mint egy szubatomi részecskék forró, sűrű felhője. Csaknem 400 000 év hűtés és tágulás kellett ahhoz, hogy ezek a részecskék összeálljanak olyan formában, amelyet az első atomnak, a hidrogénnek felismernénk.

Hosszú ideig az univerzumban a hidrogén- és héliumatomok domináltak, amelyek spontán módon képesek kialakulni az ősszubatomi őslében. Lassan ezek az atomok laza aggregációkat kezdenek kialakítani.

Ezek az aggregációk nagyobb gravitációt fejtettek ki, ezért folyamatosan nőttek, és több anyagot vontak be a közelből. Körülbelül 1,6 millió év után ezek közül az aggregációk egy része olyan nagy lett, hogy központjaikban a nyomás és a hő elegendő volt a termonukleáris fúzió elindításához, és megszülettek az első csillagok.

Ez a legfontosabb a magfúzióval kapcsolatban: annak ellenére, hogy az induláshoz óriási mennyiségű energia szükséges, a folyamat valójábankiadásokenergia.

Fontolja meg a hélium hidrogénfúzióval történő létrejöttét: Két hidrogénmag és két neutron egyesülve a-t alkotnak egyetlen héliumatom, de az így létrejövő hélium valójában 0,7 százalékkal kisebb tömegű, mint a kiindulási anyagok. Mint tudják, az anyag nem hozható létre és nem semmisíthető meg, ezért az a tömeg biztosan elment valahová. Valójában energiává alakult, Einstein leghíresebb egyenlete szerint:

Amiben Eenergia joule-ban (J),mtömeg kilogramm (kg) ésca fénysebesség méter / másodpercben (m / s) - állandó. Az egyenletet egyszerű angolra is beírhatja:

​​energia (joule) = tömeg (kilogramm) × fénysebesség (méter / másodperc)²​

A fénysebesség nagyjából 300 000 000 méter / másodperc, ami azt jelentic²értéke megközelítőleg 90 000 000 000 000 000 - ez kilencvenkvadrillió- méter²/second². Normális esetben, amikor ekkora számokkal foglalkozik, a helytakarékosság érdekében tudományos jegyzetbe helyezi őket, de itt hasznos megnézni, hogy hány nullával van dolgunk.

Ahogy el lehet képzelni, még egy apró szám is szorozvakilencven kvadrilliónagyon nagy lesz. Most nézzük meg egyetlen gramm hidrogént. Annak érdekében, hogy az egyenlet választ adjon joule-ban, ezt a tömeget 0,001 kilogrammban fejezzük ki - fontos az egység. Tehát, ha bekapcsolja ezeket az értékeket a tömegre és a fény sebességére:

Ez közel van ahhoz az energiamennyiséghez, amelyet a Nagasakira dobott atombomba bocsát ki, a gramm legkisebb, legkönnyebb elem egyetlen grammjában. Lényeg: Az energiatermelés lehetősége a tömeg fúzió útján történő energiává alakításával elgondolkodtató.

Ezért a tudósok és mérnökök megpróbálták kitalálni a fúziós reaktor létrehozásának a módját itt a Földön. Az összes atomreaktorunk ma keresztül működik nukleáris maghasadás, amely az atomokat kisebb elemekre bontja, de sokkal kevésbé hatékony folyamat a tömeg energiává történő átalakítására.

A Napnak nincs olyan szilárd felülete, mint a földkéreg - a szélsőséges hőmérsékleteket félretéve sem állhatott a nap. Ehelyett a nap hét különálló rétegből állvérplazma​.

A plazma az anyag negyedik, legenergikusabb állapota. Melegítsen jeget (szilárd), és vízzé (folyadék) olvad. Melegítse tovább, és ismét vízgőzzé (gázzá) változik.

Ha tovább melegíted azt a gázt, plazma lesz belőle. A plazma egy atomfelhő, mint egy gáz, de annyi energiával van ellátva, hogy voltionizált. Vagyis atomjai elektromosan feltöltődtek azzal, hogy elektronjaikat elszakították a szokásos pályájuktól.

A gázból plazmába történő átalakulás megváltoztatja az anyag tulajdonságait, és a töltött részecskék gyakran fényként szabadítják fel az energiát. Az izzó neonjelek valójában neongázzal töltött üvegcsövek - amikor elektromos áramot vezetnek át a csövön, a gáz izzó plazmává alakul.

A Nap gömbszerkezete két folyamatosan versengő erő következménye:gravitációa nap közepén lévő sűrű tömegből, amely az egész plazmáját befelé akarja húzni, szemben a magban zajló magfúzió energiájával, ami a plazma tágulását okozza.

A nap hét rétegből áll: három belső és négy külső. Középtől kifelé:

1. Mag
2. Sugárzási zóna
3. Konvektív zóna
4. Fotoszféra
5. Kromoszféra
6. Átmeneti régió
7. Korona

Beszéltünk a magsok már; itt zajlik a fúzió. Ahogy várható volt, itt találja a legmagasabb hőmérsékletet a napon: mintegy 27 000 000 000 (27 millió) Fahrenheit fok.

Asugárzó zóna, amelyet néha „sugárzási” zónának hívnak, ahol a magból származó energia elsősorban elektromágneses sugárzásként halad kifelé.

A konvektív zóna, más néven „konvekciós” zóna, ahol az energiát elsősorban a réteg plazmájában lévő áramok hordozzák. Gondoljon arra, hogy a forrásban lévő edényből származó gőz hogyan hordozza a hőt az égőből a kályha fölött a levegőbe, és akkor megfelelő ötlete lesz.

A nap „felülete”, olyan, amilyen fotoszféra. Ezt látjuk, amikor a napra nézünk. Az e réteg által kibocsátott elektromágneses sugárzás szabad szemmel fényként látható, és olyan fényes, hogy elrejti a kevésbé sűrű külső rétegeket a szem elől.

Akromoszféramelegebb, mint a fotoszféra, de nem olyan forró, mint a korona. Hőmérséklete miatt a hidrogén vöröses fényt bocsát ki. Általában láthatatlan, de vöröses ragyogásként tekinthető a Nap körül, amikor a teljes napfogyatkozás elrejti a fotoszférát.

Aátmeneti zónaegy vékony réteg, ahol a hőmérséklet drámai módon elmozdul a kromoszféráról a koronára. Az ultraibolya (UV) fényt érzékelni képes távcsövek számára látható.

Végül a koronaa nap legkülső rétege és rendkívül forró - több százszor melegebb, mint a fotoszféra -, de szabad szemmel láthatatlan, kivéve a teljes napfogyatkozást, amikor a nap körül vékony fehér auraként jelenik meg. Pontosan miértannyira forró, ez egy kis rejtély, de legalább egy tényező úgy tűnik, hogy „hőbomba”: csomagok rendkívül forró anyag, amely a nap mélyéről felúszik, mielőtt felrobban, és energiát enged a földbe korona.

Mint bárki elmondhatja, aki valaha leégett, a nap hatása messze túlmutat a koronán. Valójában a korona olyan forró és távol van a magtól, hogy a nap gravitációja nem képes megtartani a túlmelegedett plazmát - a töltött részecskék állandóan áramlanak az űrbenapszél​.

A nap hihetetlen mérete ellenére végül elfogy a fúziós mag fenntartásához szükséges hidrogén. A nap várható élettartama körülbelül 10 milliárd év. Körülbelül 4,6 milliárd évvel ezelőtt született, tehát elég sok idő van, mire kiég, de mégis.

A nap becsült értéke 3,846 × 10²⁶ J energia minden nap. Ezzel az ismerettel meg tudjuk becsülni, hogy mekkora tömegnek kell másodpercenként átalakítania. Egyelőre több matematikát kímélünk; 4,27 × 10 körül jön ki⁹ kgmásodpercenként. Mindössze három másodperc alatt a nap körülbelül annyi tömeget emészt fel, mint ami kétszer több, mint a gízai piramis.

Ha elfogy a hidrogén, nehezebb elemeit fúzióhoz kezdi használni - illékony anyag folyamat, amely a jelenlegi méretének 100-szorosára terjeszti, miközben tömegének nagy részét beleönti tér. Amikor végleg kimeríti üzemanyagát, egy kicsi, rendkívül sűrű tárgyat hagy maga utánfehér törpe, körülbelül akkora, mint a Földünk, de sok-sokszor sűrűbb.