Kādas gāzes veido sauli?

Mūsu saule, tāpat kā jebkura cita zvaigzne, ir gigantiska kvēlojošas plazmas bumba. Tas ir pašpietiekams kodolreaktors, kas nodrošina mūsu planētai nepieciešamo gaismu un siltumu uzturēt dzīvību, kamēr tās smagums neļauj mums (un pārējai Saules sistēmai) izplūst dziļi telpa.

Saule satur vairākas gāzes un citus elementus, kas izstaro elektromagnētisko starojumu, ļaujot zinātniekiem pētīt sauli, neskatoties uz to, ka viņi nevar piekļūt fiziskiem paraugiem.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

Visbiežāk saulē pēc masas ir: ūdeņradis (apmēram 70 procenti, hēlijs (apmēram 28 procenti), ogleklis, slāpeklis un skābeklis (kopā aptuveni 1,5 procenti). Atlikušo saules masas daļu (0,5 procenti) veido nelielu daudzumu citu elementu, tostarp neona, dzelzs, silīcija, magnija un sēra, maisījums.

Masas ziņā lielāko daļu saules vielas veido divi elementi: ūdeņradis (apmēram 70 procenti) un hēlijs (aptuveni 28 procenti). Ņemiet vērā: ja redzat dažādus skaitļus, nesatraucieties; jūs, iespējams, redzat aprēķinus atbilstoši kopējam atsevišķo atomu skaitam. Mēs ejam masā, jo par to ir vieglāk domāt.

Nākamie 1,5 procenti masas ir oglekļa, slāpekļa un skābekļa maisījums. Pēdējie 0,5 procenti ir pārpilnības rags no smagākiem elementiem, ieskaitot, bet neaprobežojoties ar: neonu, dzelzi, silīciju, magniju un sēru.

Jums var būt jautājums, kā tieši mēs zinām, kas veido sauli. Galu galā neviens cilvēks tur nekad nav bijis, un neviens kosmosa kuģis nekad nav atvedis Saules vielas paraugus. Tomēr saule pastāvīgi peld zemielektromagnētiskā radiācijaun daļiņas, ko atbrīvo tās kodolsintēzes darbināmais serde.

Katrs elements absorbē noteiktus elektromagnētiskā starojuma viļņu garumus (t.i., gaismu) un tāpat izstaro noteiktus viļņu garumus, sildot. 1802. gadā zinātnieks Viljams Haids Volastons pamanīja, ka saules gaisma, kas iet caur prizmu, rada paredzamo varavīksnes spektru, taču ar ievērojamām tumšām līnijām, kas izkliedētas šeit un tur.

Lai labāk apskatītu šīs parādības, optiķis Džozefs fon Fraunhofers izgudroja pirmo spektrometru - būtībā uzlabota prizma, kas vēl vairāk izkliedē dažādus saules gaismas viļņus, padarot tos vieglākus redzēt. Tas arī atviegloja redzamību, ka Volastona tumšās līnijas nebija nekāds triks vai ilūzija - tās, šķiet, bija saules gaismas iezīme.

Zinātnieki izdomāja, ka šīs tumšās līnijas (tagad sauktas par Fraunhofera līnijām) atbilda konkrētiem gaismas viļņu garumiem, ko absorbē daži elementi, piemēram, ūdeņradis, kalcijs un nātrijs. Tādēļ šiem elementiem jābūt saules ārējos slāņos, absorbējot daļu no kodola izstarotās gaismas.

Laika gaitā arvien sarežģītākas noteikšanas metodes ir ļāvušas kvantitatīvi noteikt saules izvadi: elektromagnētisko radiācija visās tās formās (rentgens, radioviļņi, ultravioletais, infrasarkanais un tā tālāk) un subatomisko daļiņu plūsma, piemēram, neitrīno. Mērot, ko saule izdala un ko absorbē, mēs esam izveidojuši ļoti pamatīgu izpratni par saules sastāvu no tālienes.

Vai jūs nejauši pamanījāt jebkādus modeļus materiālos, kas veido sauli? Ūdeņradis un hēlijs ir pirmie divi periodiskās tabulas elementi: vienkāršākais un vieglākais. Jo smagāks un sarežģītāks elements, jo mazāk to atrodam saulē.

Šī tendence samazināties, pārejot no vieglākiem / vienkāršākiem uz smagākiem / sarežģītākiem elementiem, atspoguļo to, kā zvaigznes dzimst, un to unikālo lomu mūsu Visumā.

Tūlīt pēc Lielā sprādziena Visums bija nekas cits kā karsts, blīvs subatomisko daļiņu mākonis. Pagāja gandrīz 400 000 gadu dzesēšanas un izplešanās, lai šīs daļiņas apvienotos tādā formā, kādu mēs atpazītu kā pirmo atomu - ūdeņradi.

Ilgu laiku Visumā dominēja ūdeņraža un hēlija atomi, kas spēja spontāni veidoties pirmatnējās subatomiskās zupas iekšienē. Lēnām šie atomi sāk veidot vaļīgas agregācijas.

Šīs apvienošanās radīja lielāku gravitāciju, tāpēc tās turpināja augt, pievilcinot vairāk materiālu no tuvumā esošajiem. Pēc apmēram 1,6 miljoniem gadu daži no šiem agregātiem kļuva tik lieli, ka to centros esošais spiediens un siltums bija pietiekami, lai sāktu kodoltermisko kodolsintēzi, un piedzima pirmās zvaigznes.

Kodolsintēzes galvenais ir tas, ka, lai arī sākumam ir nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums, process faktiskiizlaidumienerģija.

Apsveriet hēlija izveidošanu, izmantojot ūdeņraža saplūšanu: divi ūdeņraža kodoli un divi neitroni apvienojas, veidojot a atsevišķs hēlija atoms, bet iegūtā hēlija masa faktiski ir par 0,7 procentiem mazāka nekā izejmateriāliem. Kā jūs zināt, matēriju nevar nedz radīt, nedz iznīcināt, tāpēc tai masai noteikti kaut kur ir jābūt. Faktiski tas tika pārveidots enerģijā saskaņā ar Einšteina slavenāko vienādojumu:

Kurā Eir enerģija džoulos (J),mir masas kilogrami (kg) uncir gaismas ātrums metros / sekundē (m / s) - nemainīgs. Jūs varētu ievietot vienādojumu vienkāršā angļu valodā kā:

​​enerģija (džoulos) = masa (kilogramos) × gaismas ātrums (metros / sekundē)²​

Gaismas ātrums ir aptuveni 300 000 000 metri / sekundē, tas nozīmēc²vērtība ir aptuveni 90 000 000 000 000 000 - tas ir deviņdesmitkvadriljons- skaitītāji²/second². Parasti, strādājot ar tik lieliem skaitļiem, jūs tos izmantojat zinātniskā apzīmējumā, lai ietaupītu vietu, taču šeit ir noderīgi uzzināt, cik daudz nulles jūs darāt.

Kā jūs varat iedomāties, pat niecīgs skaitlis reizināts ardeviņdesmit kvadriljonibeigsies ļoti liels. Apskatīsim vienu gramu ūdeņraža. Lai pārliecinātos, vai vienādojums mums sniedz atbildi džoulos, šo masu izteiksim kā 0,001 kilogramu - svarīgas ir vienības. Tātad, ja pievienojat šīs gaismas masas un ātruma vērtības:

Tas ir tuvu enerģijas daudzumam, ko atbrīvo uz Nagasaki nomestā kodolbumba un kas satur vienu gramu mazākā, vieglākā elementa. Apakšējā līnija: Enerģijas ražošanas potenciāls, pārvēršot masu enerģijā, izmantojot kodolsintēzi, ir prātam neaptverams.

Tāpēc zinātnieki un inženieri ir mēģinājuši izdomāt veidu, kā šeit uz Zemes izveidot kodolsintēzes reaktoru. Visi mūsu kodolreaktori šodien darbojas caur kodola skaldīšana, kas atomus sadala mazākos elementos, bet ir daudz mazāk efektīvs process masas pārvēršanai enerģijā.

Saulei nav cietas virsmas, piemēram, zemes garozai - pat noliecot galējās temperatūras, jūs nevarētu stāvēt uz saules. Tā vietā saule sastāv no septiņiem atšķirīgiem slāņiemplazma​.

Plazma ir ceturtais, enerģētiskākais matērijas stāvoklis. Uzkarsē ledu (cietu), un tas kūst ūdenī (šķidrumā). Turpiniet to sildīt, un tas atkal mainās par ūdens tvaiku (gāzi).

Tomēr, ja jūs turpināsiet sildīt šo gāzi, tā kļūs par plazmu. Plazma ir atomu mākonis, piemēram, gāze, taču tajā ir ievadīts tik daudz enerģijas, cik tas ir bijisjonizēts. Tas ir, tā atomi ir kļuvuši elektriski uzlādēti, jo viņu elektroni tiek izsisti no ierastajām orbītām.

Transformācija no gāzes uz plazmu maina vielas īpašības, un uzlādētās daļiņas bieži atbrīvo enerģiju kā gaismu. Kvēlojošās neona zīmes faktiski ir stikla caurules, kas piepildītas ar neona gāzi - kad caur cauruli tiek nodota elektriskā strāva, tas izraisa gāzes pārveidošanos par kvēlojošu plazmu.

Saules sfēriskā struktūra ir divu pastāvīgi konkurējošu spēku rezultāts:smagumsno blīvās masas saules centrā, mēģinot izvilkt visu plazmu uz iekšu, salīdzinot ar enerģiju no kodolsintēzes, kas notiek kodolā, izraisot plazmas paplašināšanos.

Sauli veido septiņi slāņi: trīs iekšējie un četri ārējie. Viņi ir no centra uz āru:

1. Kodols
2. Radiatīvā zona
3. Konvektīvā zona
4. Fotosfēra
5. Hromosfēra
6. Pārejas reģions
7. Korona

Mēs esam runājuši par kodolsdaudz jau; tur notiek kodolsintēze. Kā jūs gaidījāt, tur atradīsit visaugstāko temperatūru saulē: aptuveni 27 000 000 000 (27 miljoni) grādi pēc Fārenheita.

Thestarojuma zona, ko dažkārt sauc par “starojuma” zonu, enerģija no kodola galvenokārt virzās uz āru kā elektromagnētiskais starojums.

The konvekcijas zona, jeb “konvekcijas” zona, kur enerģiju galvenokārt pārvadā strāvas slāņa plazmā. Padomājiet, kā tvaiki no verdoša katla nes siltumu no degļa gaisā virs plīts, un jums būs pareizā ideja.

Saules “virsma” tāda, kāda tā ir, ir fotosfēra. To mēs redzam, skatoties uz sauli. Šī slāņa izstarotais elektromagnētiskais starojums ir redzams ar neapbruņotu aci kā gaisma, un tas ir tik spilgts, ka slēpj mazāk blīvos ārējos slāņus no redzesloka.

Thehromosfērair karstāks par fotosfēru, bet tas nav tik karsts kā vainags. Tās temperatūra izraisa ūdeņraža izstaro sarkanīgu gaismu. Tas parasti nav redzams, bet to var uzskatīt par sarkanīgu mirdzumu, kas ieskauj sauli, kad pilnīgs aptumsums slēpj fotosfēru.

Thepārejas zonair plāns slānis, kur temperatūra krasi mainās no hromosfēras uz vainagu. Tas ir redzams teleskopiem, kas var noteikt ultravioleto (UV) gaismu.

Visbeidzot vainagsir visattālākais saules slānis un ir ārkārtīgi karsts - simtiem reižu karstāks par fotosfēru -, bet neredzams ar neapbruņotu aci, izņemot pilnīgu aptumsumu, kad tas parādās kā plāna balta aura ap sauli. Tieši tā kāpēctas ir tik karsts, tas ir mazliet noslēpums, bet vismaz viens faktors, šķiet, ir “karstuma bumbas”: paciņas ārkārtīgi karsts materiāls, kas peld dziļi saulē, pirms eksplodē un izdala enerģiju vainags.

Kā jums var pateikt ikviens, kam kādreiz ir bijis saules apdegums, saules ietekme sniedzas tālu aiz vainaga. Faktiski vainags ir tik karsts un tālu no kodola, ka saules gravitācija nespēj noturēt pārkarsēto plazmu - lādētas daļiņas straumē izplūst kosmosāsaules vējš​.

Neskatoties uz saules neticamo lielumu, galu galā tajā beigsies ūdeņradis, kas nepieciešams, lai uzturētu tā kodolsintēzes kodolu. Paredzamais saules mūža ilgums ir aptuveni 10 miljardi gadu. Tas ir dzimis apmēram pirms 4,6 miljardiem gadu, tāpēc ir jāpaiet diezgan ilgi, bet tas izdosies.

Saule izstaro aptuveni 3 846 × 10²⁶ J enerģijas katru dienu. Izmantojot šīs zināšanas, mēs varam novērtēt, cik liela masa tai jāpārvērš sekundē. Pagaidām mēs jums ietaupīsim vairāk matemātikas; tas iznāk apmēram 4,27 × 10⁹ Kilogramssekundē. Tikai trīs sekundēs saule patērē apmēram tikpat daudz masas, cik veido divreiz vairāk nekā Gīzas Lielā piramīda.

Kad ūdeņradis beigsies, tas sapludināšanai sāks izmantot savus smagākos elementus - gaistošu process, kas liks tai paplašināties līdz simtreiz lielākai par pašreizējo lielumu, vienlaikus izšļakstot lielu daļu no tās masas telpa. Kad tas beidzot iztukšos degvielu, tas atstās aiz sevis nelielu, īpaši blīvu priekšmetu, ko sauc par abaltais punduris, apmēram mūsu Zemes lielumā, bet daudz, daudzas reizes blīvāka.