Iš kokių dujų susidaro saulė?

Mūsų saulė, kaip ir kiekviena kita žvaigždė, yra milžiniškas spindinčios plazmos kamuolys. Tai savaime išsilaikantis termobranduolinis reaktorius, suteikiantis šviesą ir šilumą, kurios reikia mūsų planetai palaikyti gyvybę, o jos sunkumas neleidžia mums (ir likusiai Saulės sistemai) išsisukti gilyn vietos.

Saulėje yra kelios dujos ir kiti elementai, kurie skleidžia elektromagnetinę spinduliuotę, todėl mokslininkai gali tyrinėti saulę, nepaisant to, kad negali pasiekti fizinių mėginių.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Dažniausios saulės masės masės yra: vandenilis (apie 70 proc., Helis (apie 28 proc.), Anglis, azotas ir deguonis (kartu apie 1,5 proc.). Likusią saulės masės dalį (0,5 proc.) Sudaro nedaug kitų elementų, įskaitant neoną, geležį, silicį, magnį ir sierą, mišinys.

Didžiąją saulės medžiagos masės dalį sudaro du elementai: vandenilis (apie 70 proc.) Ir helis (apie 28 proc.). Atkreipkite dėmesį, jei matote skirtingus skaičius, nesijaudinkite; tikriausiai matote įvertinimus pagal bendrą atskirų atomų skaičių. Mes einame masiškai, nes apie tai lengviau galvoti.

Kitas 1,5 proc. Masės sudaro anglies, azoto ir deguonies mišinys. Galutiniai 0,5 proc. Yra sunkesnių elementų, įskaitant, bet neapsiribojant, neoną, geležį, silicį, magnį ir sierą.

Jums gali būti įdomu, kaip tiksliai mes žinome, kas sudaro saulę. Galų gale, nė vienas žmogus niekada nebuvo ten ir nė vienas erdvėlaivis niekada neatnešė saulės medžiagos pavyzdžių. Tačiau saulė nuolat maudosi žemėjeelektromagnetinė radiacijair dalelės, išsiskiriančios jo sintezės varoma šerdimi.

Kiekvienas elementas sugeria tam tikrus elektromagnetinės spinduliuotės (t. Y. Šviesos) bangos ilgius, taip pat kaitindamas skleidžia tam tikrus bangos ilgius. 1802 m. Mokslininkas Williamas Hyde'as Wollastonas pastebėjo, kad saulės spinduliai, praeinantys per prizmę, sukuria laukiamą vaivorykštės spektrą, tačiau čia ir ten išsibarstę žymios tamsios linijos.

Norėdami geriau pažinti šiuos reiškinius, optikas Josephas von Fraunhoferis išrado pirmąjį spektrometrą - iš esmės patobulinta prizmė, kuri dar labiau išskleidžia skirtingus saulės spindulių bangos, todėl jas lengviau matyti. Taip pat buvo lengviau suprasti, kad tamsios Wollastono linijos nebuvo triukas ar iliuzija - atrodė, kad tai saulės spindulių bruožas.

Mokslininkai išsiaiškino, kad tos tamsios linijos (dabar vadinamos Fraunhoferio linijomis) atitinka tam tikrus šviesos elementų, tokių kaip vandenilis, kalcis ir natris, absorbuojamus šviesos bangų ilgius. Todėl šie elementai turi būti išoriniuose saulės sluoksniuose, sugeriantys dalį šerdies skleidžiamos šviesos.

Laikui bėgant vis sudėtingesni aptikimo metodai leido mums įvertinti saulės spindulius: elektromagnetinius visų formų radiacija (rentgeno spinduliai, radijo bangos, ultravioletiniai spinduliai, infraraudonieji spinduliai ir pan.) ir subatominių dalelių srautas, pvz., neutrinai. Matuodami, ką saulė išleidžia ir ką sugeria, mes iš tolo supratome labai gerai saulės sudėtį.

Ar atsitiktinai pastebėjote kokius nors modelius medžiagose, kurios sudaro saulę? Vandenilis ir helis yra pirmieji du periodinės lentelės elementai: paprasčiausias ir lengviausias. Kuo sunkesnis ir sudėtingesnis elementas, tuo mažiau jo randame saulėje.

Ši mažėjančių kiekių tendencija pereinant nuo lengvesnių / paprastesnių prie sunkesnių / sudėtingesnių elementų atspindi žvaigždžių gimimą ir jų unikalų vaidmenį mūsų visatoje.

Iškart po Didžiojo sprogimo visata buvo ne kas kita, kaip karštas, tankus subatominių dalelių debesis. Prireikė beveik 400 000 metų aušinimo ir išsiplėtimo, kad šios dalelės susijungtų tokia forma, kurią atpažintume kaip pirmąjį vandenilio atomą.

Ilgą laiką visatoje vyravo vandenilio ir helio atomai, kurie galėjo savaime susidaryti pirminės subatominės sriubos viduje. Lėtai šie atomai pradeda formuoti birias agregacijas.

Šie agregatai darė didesnę gravitaciją, todėl jie vis augo, pritraukdami daugiau medžiagų iš netoliese esančių. Po maždaug 1,6 milijono metų kai kurie iš šių agregatų tapo tokie dideli, kad slėgis ir šiluma jų centruose buvo pakankami, kad prasidėtų termobranduolinė sintezė, ir gimė pirmosios žvaigždės.

Štai pagrindinis branduolių sintezės dalykas: nors norint pradėti, reikia milžiniško energijos kiekio, procesas iš tikrųjųišleidžiaenergijos.

Apsvarstykite helio susidarymą susiliejus vandeniliui: du vandenilio branduoliai ir du neutronai susijungia ir sudaro a vieno helio atomo, tačiau gauto helio masė iš tikrųjų yra 0,7 proc. mažesnė nei pradinių medžiagų. Kaip žinote, materija negali būti nei sukurta, nei sunaikinta, todėl ta masė turėjo kažkur iškeliauti. Tiesą sakant, jis buvo paverstas energija, remiantis garsiausia Einšteino lygtimi:

Kuriame Eyra energija džauliais (J),myra masės kilogramai (kg) ircyra šviesos greitis metrais / sekunde (m / s) - pastovus. Jūs galite pateikti lygtį į paprastą anglų kalbą:

​​energija (džauliais) = masė (kilogramais) × šviesos greitis (metrais per sekundę)²​

Šviesos greitis yra maždaug 300 000 000 metrų per sekundę, o tai reiškiac²vertė yra maždaug 90 000 000 000 000 000 000 - tai yra devyniasdešimtkvadrilijonas- metrai²/second². Paprastai, kai susiduriate su tokiais dideliais skaičiais, norėdami sutaupyti vietos, juos naudodavote moksliniais ženklais, tačiau čia naudinga sužinoti, kiek nulių turite.

Kaip galite įsivaizduoti, net mažytis skaičius padaugintas išdevyniasdešimt kvadrilijonųgalų gale bus labai didelis. Dabar pažvelkime į vieną gramą vandenilio. Norėdami įsitikinti, kad lygtis suteikia mums atsakymą džauliais, šią masę išreikšime kaip 0,001 kilogramo - svarbu vienetai. Taigi, jei prijungsite šias šviesos masės ir greičio vertes:

Tai arti energijos, kurią išskiria branduolinė bomba, numesta ant Nagasakio, esanti viename grame mažiausio, lengviausio elemento. Apatinė eilutė: energijos generavimo potencialas, masę paverčiant energija sintezės būdu, yra neįtikėtinas.

Štai kodėl mokslininkai ir inžinieriai bandė išsiaiškinti būdą, kaip sukurti branduolių sintezės reaktorių čia, Žemėje. Visi mūsų branduoliniai reaktoriai šiandien veikia per branduolio dalijimasis, kuris dalija atomus į mažesnius elementus, tačiau yra daug mažiau efektyvus procesas masę paverčiant energija.

Saulė neturi tvirto paviršiaus, pavyzdžiui, žemės plutos - net atidedant ekstremalią temperatūrą, negalėtumėte atsistoti ant saulės. Vietoj to, saulė susideda iš septynių skirtingų sluoksniųplazma​.

Plazma yra ketvirta, energingiausia materijos būsena. Pašildykite ledą (kietą) ir jis ištirpsta vandenyje (skystis). Šildykite toliau, ir jie vėl pasikeičia į vandens garus (dujas).

Tačiau jei vis tiek kaitinsite tas dujas, jos taps plazma. Plazma yra atomų debesis, tarsi dujos, tačiau jis buvo užpiltas tiek energijos, kiek buvojonizuotas. Tai yra, jo atomai tapo elektriškai įkrauti, kai jų elektronai buvo išmušti iš įprastų orbitų.

Transformacija iš dujų į plazmą keičia medžiagos savybes, o įelektrintos dalelės energiją dažnai išskiria kaip šviesą. Švytintys neoniniai ženklai iš tikrųjų yra stiklo vamzdeliai, užpildyti neoninėmis dujomis - kai per vamzdį praeina elektros srovė, dujos virsta švytinčia plazma.

Saulės sferinė struktūra yra dviejų nuolat konkuruojančių jėgų rezultatas:gravitacijanuo tankios masės, esančios saulės centre, bandydama pritraukti visą savo plazmą į vidų, palyginti su energija iš branduolyje vykstančios branduolio sintezės, dėl kurios plazma išsiplėtė.

Saulė susideda iš septynių sluoksnių: trijų vidinių ir keturių išorinių. Jie yra nuo centro išorės:

1. Šerdis
2. Radiacinė zona
3. Konvektyvinė zona
4. Fotosfera
5. Chromosfera
6. Pereinamasis regionas
7. Korona

Mes kalbėjome apie šerdisjau daug; būtent čia vyksta sintezė. Kaip ir galėjote tikėtis, ten rasite aukščiausią saulės temperatūrą: apie 27 000 000 000 (27 mln.) Laipsnių Fahrenheito.

Theradiacinė zona, kartais vadinama „spinduliuotės“ zona, yra tai, kai energija iš šerdies pirmiausia keliauja į išorę kaip elektromagnetinė spinduliuotė.

The konvekcinė zona, dar vadinama „konvekcine“ zona, yra ta vieta, kur energiją pirmiausia perduoda srovės sluoksnio plazmoje. Pagalvokite, kaip garai iš verdančio puodo perneša šilumą iš degiklio į orą virš viryklės, ir jūs turėsite teisingą idėją.

Saulės „paviršius“ yra toks, koks jis yra fotosfera. Tai matome žiūrėdami į saulę. Šio sluoksnio skleidžiama elektromagnetinė spinduliuotė plika akimi matoma kaip šviesa, ir ji yra tokia ryški, kad slepia mažiau tankius išorinius sluoksnius.

Thechromosferayra karštesnė už fotosferą, tačiau ji nėra tokia karšta kaip vainiko. Dėl jo temperatūros vandenilis skleidžia rausvą šviesą. Paprastai jis nematomas, bet gali būti vertinamas kaip rausvas švytėjimas, supantis saulę, kai visiškas užtemimas slepia fotosferą.

Theperėjimo zonayra plonas sluoksnis, kuriame temperatūra dramatiškai keičiasi iš chromosferos į vainiką. Tai matoma teleskopams, kurie gali aptikti ultravioletinę (UV) šviesą.

Galiausiai vainikėlisyra išorinis saulės sluoksnis ir yra labai karštas - šimtus kartų karščiau nei fotosfera, bet plika akimi nematoma, išskyrus visiško užtemimo metu, kai ji atrodo kaip plona balta aura aplink saulę. Tiksliai kodėltaip karšta yra šiek tiek paslaptis, tačiau bent vienas veiksnys atrodo „šilumos bombos“: pakeliai nepaprastai karšta medžiaga, kuri išplaukia iš giliai saulės, prieš sprogdama ir išleisdama energiją į vainikėlis.

Kaip jums gali pasakyti bet kas, patyręs saulės nudegimą, saulės poveikis yra toli už vainiko ribų. Tiesą sakant, vainika yra tokia karšta ir nutolusi nuo šerdies, kad saulės gravitacija negali išlaikyti perkaitintos plazmos - įkrautos dalelės į kosmosą plūsta kaip pastoviossaulės vėjas​.

Nepaisant neįtikėtino saulės dydžio, ilgainiui pritrūks vandenilio, kurio reikia palaikyti sintezės šerdį. Prognozuojama, kad saulės gyvenimo trukmė yra apie 10 milijardų metų. Jis gimė maždaug prieš 4,6 milijardo metų, taigi praeina nemažai laiko, kol jis išdegs, bet taip bus.

Saulė spinduliuoja apytiksliai 3,846 × 10²⁶ J energijos kiekvieną dieną. Turėdami šias žinias galime įvertinti, kiek masės ji turi konvertuoti per sekundę. Kol kas pasigailėsime daugiau matematikos; jis išeina maždaug 4,27 × 10⁹ kilogramasper sekundę. Vos per tris sekundes saulė sunaudoja maždaug tiek masės, kiek sudaro Didžioji Gizos piramidė, dvigubai daugiau.

Kai pasibaigs vandenilis, jis pradės naudoti sunkesniuosius elementus sintezei - lakų procesas, kurio dėka jis išsiplės iki 100 kartų didesnis už dabartinį dydį, tuo pačiu išspaudžiant didelę masės dalį vietos. Pagaliau išeikvojęs kurą, jis paliks mažą, itin tankų daiktą, vadinamą abaltasis nykštukas, maždaug mūsų Žemės dydžio, bet daug, daug kartų tankesnė.