אילו גזים מרכיבים את השמש?

השמש שלנו, כמו כל כוכב אחר, היא כדור ענק של פלזמה זוהרת. זהו כור תרמו-גרעיני שמספק את עצמו המספק את האור והחום שכדור הארץ זקוק לו לקיים את החיים, בעוד שחומרתם מונעת מאיתנו (ושאר מערכת השמש) להסתובב לעומק מֶרחָב.

השמש מכילה כמה גזים ואלמנטים אחרים שמסירים קרינה אלקטרומגנטית, מה שמאפשר למדענים לחקור את השמש למרות שלא הצליחו לגשת לדגימות פיזיות.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

הגזים הנפוצים ביותר בשמש, לפי המסה, הם: מימן (כ -70 אחוז, הליום (כ -28 אחוז), פחמן, חנקן וחמצן (יחד כ -1.5 אחוז). יתרת מסת השמש (0.5 אחוז) מורכבת מתערובת של כמויות זעירות של יסודות אחרים, כולל אך לא מוגבל לניאון, ברזל, סיליקון, מגנזיום וגופרית.

שני יסודות מהווים את הרוב המכריע של חומר השמש, לפי המסה: מימן (כ -70 אחוז) והליום (כ -28 אחוז). שים לב, אם אתה רואה מספרים שונים, אל תדאג; אתה כנראה רואה הערכות לפי המספר הכולל של אטומים בודדים. אנחנו הולכים לפי המסה כי קל יותר לחשוב עליו.

1.5 אחוזי המסה הבאים הם תערובת של פחמן, חנקן וחמצן 0.5 האחוזים הסופיים הם קרן שפע של יסודות כבדים יותר, כולל אך לא מוגבל: ניאון, ברזל, סיליקון, מגנזיום וגופרית.

ייתכן שאתה תוהה כיצד, בדיוק אנו יודעים מה מרכיב את השמש. אחרי הכל, אף בן אדם מעולם לא היה שם ואף חללית מעולם לא החזירה דגימות של חומר סולארי. השמש, לעומת זאת, רוחצת כל הזמן את האדמה פנימהקרינה אלקטרומגנטיתוחלקיקים המשוחררים על ידי הליבה המופעלת על ידי היתוך.

כל יסוד קולט אורכי גל מסוימים של קרינה אלקטרומגנטית (כלומר, אור), וכמו כן פולט אורכי גל מסוימים כאשר הוא מחומם. בשנת 1802, המדען ויליאם הייד וולסטון הבחין שאור השמש שעובר דרך פריזמה מייצר את ספקטרום הקשת הצפוי, אך עם קווים כהים בולטים מפוזרים פה ושם.

כדי לבחון טוב יותר את התופעות, המציא האופטיקן ג'וזף פון פראונהופר את הספקטרומטר הראשון - בעיקרון מנסרה משופרת - המפיצה את אורכי הגל השונים של אור השמש עוד יותר, מה שהופך אותם לקלים יותר לראות. זה גם הקל על הראייה שהקווים הכהים של וולסטון אינם טריק או אשליה - נראה שהם תכונה של אור שמש.

מדענים הבינו כי קווים כהים אלה (המכונים כיום קווי Fraunhofer) תואמים את אורכי הגל הספציפיים של האור הנספגים ביסודות מסוימים כמו מימן, סידן ונתרן. לכן, אלמנטים אלה חייבים להיות נוכחים בשכבות השמש החיצוניות, וסופגים חלק מהאור הנפלט על ידי הליבה.

עם הזמן, שיטות זיהוי מתוחכמות יותר ויותר אפשרו לנו לכמת את התפוקה מהשמש: אלקטרומגנטית קרינה על כל צורותיה (צילומי רנטגן, גלי רדיו, אולטרה סגול, אינפרא אדום וכן הלאה) וזרימת חלקיקים תת אטומיים כמו נייטרינים. על ידי מדידת מה שהשמש משחררת ומה היא סופגת, בנינו הבנה מעמיקה מאוד של הרכב השמש מרחוק.

האם הבחנת במקרה בדפוסים כלשהם בחומרים המרכיבים את השמש? מימן והליום הם שני היסודות הראשונים בטבלה המחזורית: הפשוטים והקלים ביותר. ככל שאלמנט כבד ומורכב יותר, אנו מוצאים אותו פחות בשמש.

מגמה זו של ירידה בכמויות ככל שאנו עוברים מאלמנטים קלים / פשוטים לכבדים / מורכבים יותר משקפת את אופן הולדתם של כוכבים ואת תפקידם הייחודי ביקום שלנו.

לאחר המפץ הגדול, היקום היה לא יותר מאשר ענן חם וצפוף של חלקיקים תת-אטומיים. נדרשו כמעט 400,000 שנים של קירור והתרחבות של חלקיקים אלה להתאחד בצורה שהיינו מכירים כאטום הראשון, מימן.

במשך זמן רב, היקום נשלט על ידי אטומי מימן והליום שהצליחו להיווצר באופן ספונטני בתוך המרק התת אטומי הקדום. לאט לאט אטומים אלה מתחילים ליצור צבירות רופפות.

צבירות אלה הפעילו כוח משיכה רב יותר, ולכן הן המשיכו לגדול, ומשכו חומר נוסף מהסביבה. לאחר כ- 1.6 מיליון שנה, חלק מהצבירות הללו גדלו כל כך שהלחץ והחום במרכזיהם הספיקו בכדי להניע איחוי תרמו-גרעיני, והכוכבים הראשונים נולדו.

הנה הדבר המרכזי בהתמזגות גרעינית: למרות שזה דורש כמות אדירה של אנרגיה כדי להתחיל, התהליך למעשהמשחרראֵנֶרְגִיָה.

שקול יצירת הליום באמצעות היתוך מימן: שני גרעיני מימן ושני נויטרונים מתאחדים ויוצרים a אטום הליום יחיד, אך ההליום שנוצר למעשה בעל מסה פחותה של 0.7 אחוזים מחומרי ההתחלה. כידוע, לא ניתן ליצור ולא להרוס חומר, כך שהמסה ודאי הלכה לאנשהו. למעשה, היא הפכה לאנרגיה, על פי המשוואה המפורסמת ביותר של איינשטיין:

באיזה ההיא אנרגיה בג'אול (J),Mהוא קילוגרמים המוניים (ק"ג) ו-גהיא מהירות האור במטר / שנייה (m / s) - קבוע. אתה יכול להכניס את המשוואה לאנגלית פשוטה כ:

​​אנרגיה (ג'אול) = מסה (קילוגרמים) × מהירות האור (מטר / שנייה)²​

מהירות האור היא בערך 300,000,000 מטר / שנייה, כלומרג²יש ערך של כ 90,000,000,000,000,000,000 - זה תשעיםרביעיותמטר²/second². בדרך כלל כשאתה מתמודד עם מספרים גדולים כל כך, היית שם אותם בסימון מדעי כדי לחסוך מקום, אך כדאי כאן לראות עד כמה אפסים אתה מתמודד.

כפי שאתה יכול לדמיין, אפילו מספר זעיר כפולתשעים קוואדריליוןהולך בסופו של דבר גדול מאוד. עכשיו, בואו נסתכל על גרם יחיד של מימן. כדי לוודא שהמשוואה נותנת לנו תשובה בג'אול, אנו נביע את המסה הזו כ- 0.001 קילוגרמים - יחידות חשובות. לכן, אם אתה מחבר ערכים אלה למסה ומהירות האור:

זה קרוב לכמות האנרגיה ששוחררה מהפצצה הגרעינית שהוטלה על נגסאקי שהכילה בתוך גרם אחד של היסוד הקטן והקל ביותר. בשורה התחתונה: הפוטנציאל לייצור אנרגיה על ידי המרת מסה לאנרגיה באמצעות היתוך הוא מדהים.

זו הסיבה מדענים ומהנדסים ניסו להבין דרך ליצור כור היתוך גרעיני כאן על כדור הארץ. כל הכורים הגרעיניים שלנו פועלים באמצעות ביקוע גרעיני, המפצל אטומים לאלמנטים קטנים יותר, אך הוא תהליך הרבה פחות יעיל להמרת מסה לאנרגיה.

לשמש אין משטח מוצק כמו קרום כדור הארץ - אפילו אם מפרישים את הטמפרטורות הקיצוניות, לא יכולת לעמוד על השמש. במקום זאת, השמש מורכבת משבע שכבות נפרדות שלפְּלַסמָה​.

פלזמה היא המצב הרביעי, האנרגטי ביותר. מחממים קרח (מוצק), והוא נמס למים (נוזל). המשך לחמם אותו והוא משתנה שוב לאדי מים (גז).

אם אתה ממשיך לחמם את הגז הזה, הוא יהפוך לפלזמה. פלזמה היא ענן אטומים, כמו גז, אך הוזרמה לה כל כך הרבה אנרגיה שהייתהמיונן. כלומר, האטומים שלו נעשו טעונים חשמליים בכך שהאלקטרונים שלהם דופקים מהמסלולים הרגילים שלהם.

ההפיכה מגז לפלזמה משנה את תכונות החומר, והחלקיקים הטעונים משחררים לעיתים קרובות אנרגיה כאור. שלטי ניאון זוהרים, למעשה, הם צינורות זכוכית הממולאים בגז ניאון - כאשר זרם חשמלי מועבר דרך הצינור, הוא גורם לגז להפוך לפלסמה זוהרת.

המבנה הכדורי של השמש הוא תוצאה של שני כוחות שמתחרים כל הזמן:כוח משיכהמהמסה הצפופה במרכז השמש המנסה למשוך את כל הפלזמה שלה פנימה לעומת אנרגיה מההיתוך הגרעיני המתרחש בליבה, מה שגורם להרחבת הפלזמה.

השמש מורכבת משבע שכבות: שלוש פנימיות וארבע חיצוניות. הם, מהמרכז כלפי חוץ:

1. הליבה
2. אזור קרינה
3. אזור הסעה
4. פוטוספירה
5. כרומוספירה
6. אזור מעבר
7. עֲטָרָה

דיברנו על ה הליבההרבה כבר; זה המקום שבו מתרחש היתוך. כפי שהיית מצפה, שם תמצא את הטמפרטורה הגבוהה ביותר על השמש: כ 27,000,000,000 (27 מיליון) מעלות פרנהייט.

האזור קרינה, המכונה לפעמים אזור "קרינה", הוא המקום בו האנרגיה מהליבה עוברת החוצה בעיקר כקרינה אלקטרומגנטית.

ה אזור הסעה, aka אזור "הסעה", הוא המקום בו האנרגיה מועברת בעיקר על ידי זרמים בתוך הפלזמה של השכבה. חשבו כיצד אדים מסיר רותח נושאים חום מהבערה לאוויר מעל הכיריים, ויהיה לכם רעיון נכון.

ה"שטח "של השמש, כזה שהוא, הוא ה פוטוספירה. זה מה שאנחנו רואים כשאנחנו מסתכלים על השמש. הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת משכבה זו נראית לעין בלתי מזוינת כאור, והיא כה בהירה שהיא מסתירה את השכבות החיצוניות הפחות צפופות מהעין.

הכרומוספירההוא חם יותר מהפוטוספירה, אבל זה לא חם כמו הקורונה. הטמפרטורה שלו גורמת למימן לפלוט אור אדמדם. זה בדרך כלל בלתי נראה אך ניתן לראותו כזוהר אדמדם המקיף את השמש כאשר ליקוי מוחלט מסתיר את פוטוספירה.

האזור מעברהיא שכבה דקה בה הטמפרטורות עוברות דרמטית מהכרומוספירה לקורונה. זה גלוי לטלסקופים שיכולים לזהות אור אולטרה סגול (UV).

סוף - סוף, ה עֲטָרָההיא השכבה החיצונית ביותר של השמש והיא חמה ביותר - מאות פעמים חמה יותר מהפוטוספירה - אבל בלתי נראה לעין בלתי מזוינת למעט בזמן ליקוי חמה מוחלט, כאשר הוא נראה כהילה לבנה דקה סביב השמש. בְּדִיוּק למהכל כך חם זה קצת תעלומה, אבל לפחות גורם אחד נראה "פצצות חום": חבילות של חומר חם במיוחד שצף מעומק השמש לפני שהוא מתפוצץ ומשחרר אנרגיה לשטח עֲטָרָה.

כפי שכל מי שחווה כוויות שמש יכול לומר לך, השפעות השמש חורגות הרבה מעבר לקורונה. למעשה, הקורונה כל כך חמה ומרוחקת מהליבה, עד שכוח המשיכה של השמש אינו יכול להחזיק אחיזה בפלזמה המחוממת במיוחד - חלקיקים טעונים זורמים לחלל כקבוע.רוח סולארית​.

למרות גודלה המדהים של השמש, בסופו של דבר ייגמר לו המימן הדרוש לו כדי לקיים את ליבת ההיתוך שלו. לשמש יש אורך חיים צפוי של כ -10 מיליארד שנים. הוא נולד לפני כ -4.6 מיליארד שנה, אז יש לא מעט זמן שהוא יישרף, אבל זה כן.

השמש מקרינה לפי הערכה 3.846 × 10²⁶ J של אנרגיה כל יום. בעזרת הידע הזה, אנו יכולים להעריך כמה מסה עליו להמיר על בסיס לשנייה. נחסוך מכם יותר מתמטיקה לעת עתה; זה יוצא סביב 4.27 × 10⁹ ק"גלשניה. בתוך שלוש שניות בלבד, השמש צורכת כמסה גדולה ככל שהיא מהווה את הפירמידה הגדולה של גיזה, פי שניים.

כאשר נגמר לו המימן, הוא יתחיל להשתמש באלמנטים הכבדים שלו לצורך היתוך - נדיף תהליך שיגרום לו להתרחב עד פי 100 מגודלו הנוכחי תוך כדי להשפיץ הרבה ממסתו לתוכו מֶרחָב. כאשר הוא סוף סוף ממצה את הדלק שלו, הוא ישאיר אחריו חפץ קטן וצפוף ביותר הנקרא aננס לבן, בערך בגודל של כדור הארץ שלנו, אבל הרבה יותר פעמים הרבה יותר צפוף.