Aké plyny tvoria slnko?

Naše slnko je ako každá iná hviezda obrovskou guľou žiariacej plazmy. Je to sebestačný termonukleárny reaktor, ktorý poskytuje svetlo a teplo, ktoré naša planéta potrebuje udržať život, zatiaľ čo jeho gravitácia nám (a zvyšku slnečnej sústavy) bráni v rotácii do hĺbky priestor.

Slnko obsahuje niekoľko plynov a ďalších prvkov, ktoré vydávajú elektromagnetické žiarenie, čo umožňuje vedcom študovať slnko napriek tomu, že nemajú prístup k fyzickým vzorkám.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Najbežnejšie hmotnostné plyny na slnku sú: vodík (asi 70 percent, hélium (asi 28 percent), uhlík, dusík a kyslík (spolu asi 1,5 percenta). Zvyšok slnečnej hmoty (0,5 percenta) je tvorený zmesou stopových množstiev ďalších prvkov, okrem iného vrátane neónu, železa, kremíka, horčíka a síry.

Drvivú väčšinu slnečnej hmoty tvoria dva prvky podľa hmotnosti: vodík (asi 70 percent) a hélium (asi 28 percent). Ak vidíte rôzne čísla, netrápte sa; pravdepodobne vidíte odhady podľa celkového počtu jednotlivých atómov. Ideme na omšu, pretože je jednoduchšie na to myslieť.

Nasledujúcich 1,5 percenta hmotnosti predstavuje zmes uhlíka, dusíka a kyslíka. Výsledných 0,5 percenta predstavuje hojnosť ťažších prvkov, okrem iných napríklad: neón, železo, kremík, horčík a síra.

Možno by vás zaujímalo, ako presne vieme, čo tvorí slnko. Napokon, nikdy tam nebol žiadny človek a žiadna kozmická loď nikdy nepriniesla vzorky slnečnej hmoty. Slnko však neustále kúpa Zemelektromagnetická radiáciaa častice uvoľnené jeho jadrom napájaným fúziou.

Každý prvok absorbuje určité vlnové dĺžky elektromagnetického žiarenia (t. J. Svetlo) a pri zahrievaní emituje určité vlnové dĺžky. V roku 1802 si vedec William Hyde Wollaston všimol, že slnečné svetlo prechádzajúce cez hranol vytvára očakávané dúhové spektrum, ale s miestami rozptýlenými pozoruhodnými tmavými čiarami.

Optik Joseph von Fraunhofer vyvinul prvý spektrometer, aby si tento fenomén mohol lepšie prezerať - v zásade vylepšený hranol - ktorý ešte viac rozširuje rôzne vlnové dĺžky slnečného žiarenia a uľahčuje ich vidieť. Tiež to uľahčilo videnie, že Wollastonove tmavé čiary neboli trikom alebo ilúziou - javili sa ako vlastnosť slnečného žiarenia.

Vedci prišli na to, že tieto tmavé čiary (teraz nazývané Fraunhoferove čiary) zodpovedajú špecifickým vlnovým dĺžkam svetla absorbovaného určitými prvkami, ako sú vodík, vápnik a sodík. Tieto prvky preto musia byť prítomné vo vonkajších vrstvách slnka a absorbovať časť svetla vyžarovaného jadrom.

Postupom času nám čoraz sofistikovanejšie detekčné metódy umožnili kvantifikovať výstup zo slnka: elektromagnetický žiarenie vo všetkých jeho formách (röntgenové lúče, rádiové vlny, ultrafialové, infračervené a pod.) a tok subatomárnych častíc ako neutrína. Meraním toho, čo slnko uvoľňuje a čo absorbuje, sme zďaleka vybudovali veľmi dôkladné pochopenie zloženia slnka.

Stalo sa vám, že ste si všimli nejaké vzory v materiáloch tvoriacich slnko? Vodík a hélium sú prvé dva prvky periodickej tabuľky: najjednoduchšie a najľahšie. Čím je prvok ťažší a zložitejší, tým menej ho nájdeme na slnku.

Tento trend znižovania množstva pri prechode od ľahších / jednoduchších k ťažším / zložitejším prvkom odráža to, ako sa rodia hviezdy, a ich jedinečnú úlohu v našom vesmíre.

Hneď po Veľkom tresku nebol vesmír ničím iným ako horúcim hustým mrakom subatomárnych častíc. Trvalo takmer 400 000 rokov ochladzovania a rozširovania, kým sa tieto častice spojili v podobe, ktorú poznáme ako prvý atóm, vodík.

Vo vesmíre dlho dominovali atómy vodíka a hélia, ktoré sa dokázali spontánne vytvoriť v prvotnej subatomovej polievke. Tieto atómy pomaly začínajú vytvárať voľné agregácie.

Tieto agregácie vyvíjali väčšiu gravitáciu, takže neustále rástli a sťahovali viac materiálu z blízka. Po asi 1,6 milióne rokov sa niektoré z týchto agregácií natoľko zväčšili, že tlak a teplo v ich centrách stačili na naštartovanie termonukleárnej fúzie a vznikli prvé hviezdy.

Tu je kľúčová vec v súvislosti s jadrovou syntézou: aj keď na začiatok je potrebné obrovské množstvo energie, proces v skutočnostisprávyenergie.

Zvážte vytvorenie hélia pomocou fúzie vodíka: Dve vodíkové jadrá a dva neutróny sa spoja a vytvoria a jediný atóm hélia, ale výsledné hélium má v skutočnosti o 0,7 percenta menšiu hmotnosť ako východiskové materiály. Ako viete, hmota nemôže byť ani vytvorená, ani zničená, takže masa musela niekam odísť. V skutočnosti sa transformovala na energiu podľa Einsteinovej najslávnejšej rovnice:

V ktorom Eje energia v jouloch (J),mje hmotnostný kilogram (kg) acje rýchlosť svetla v metroch za sekundu (m / s) - konštanta. Rovnicu môžete dať do jednoduchej angličtiny ako:

​​energia (jouly) = hmotnosť (kilogramy) × rýchlosť svetla (metre za sekundu)²​

Rýchlosť svetla je zhruba 300 000 000 metrov za sekundu, čo znamenác²má hodnotu približne 90 000 000 000 000 000 - to je deväťdesiatkvadrilión- metrov²/second². Keď sa zaoberáte tak veľkými číslami, zvyčajne by ste ich uložili do vedeckej notácie, aby ste ušetrili miesto, ale tu je užitočné zistiť, koľko núl máte na starosti.

Ako si dokážete predstaviť, aj malé číslo sa vynásobídeväťdesiat kvadriliónovskončí veľmi veľký. Teraz sa pozrime na jeden gram vodíka. Aby sme sa ubezpečili, že rovnica nám dáva odpoveď v jouloch, vyjadríme túto hmotnosť ako 0,001 kilogramu - jednotky sú dôležité. Ak teda pripojíte tieto hodnoty pre hmotnosť a rýchlosť svetla:

To sa blíži množstvu energie uvoľnenej jadrovou bombou dopadajúcou na Nagasaki, ktorá sa nachádza v jednom gramu najmenšieho a najľahšieho prvku. Zrátané a podčiarknuté: Potenciál výroby energie premenou hmoty na energiu pomocou fúzie je ohromujúci.

Preto sa vedci a inžinieri snažia prísť na spôsob, ako vytvoriť reaktor jadrovej fúzie tu na Zemi. Všetky naše jadrové reaktory dnes pracujú prostredníctvom jadrové štiepenie, ktorý štiepi atómy na menšie prvky, ale predstavuje oveľa menej efektívny proces premeny hmoty na energiu.

Slnko nemá pevný povrch ako zemská kôra - ani keby sme odložili extrémne teploty, nemohli by ste na ňom stáť. Namiesto toho je slnko tvorené siedmimi odlišnými vrstvamiplazma​.

Plazma je štvrtý najenergetickejší stav hmoty. Zahrejte ľad (tuhý), ktorý sa rozpustí vo vode (kvapaline). Stále ho zahrievajte a znova sa zmení na vodnú paru (plyn).

Ak však tento plyn stále ohrievate, stane sa z neho plazma. Plazma je oblak atómov ako plyn, je však naplnený toľkou energiou, aká bolaionizovaný. To znamená, že jeho atómy sa stali elektricky nabitými tým, že ich elektróny boli vyrazené z obvyklých dráh.

Transformácia z plynu na plazmu mení vlastnosti látky a nabité častice často uvoľňujú energiu ako svetlo. Svietiace neónové nápisy sú v skutočnosti sklenené trubice naplnené neónovým plynom - keď trubicou prechádza elektrický prúd, spôsobuje to, že sa plyn transformuje na žiarivú plazmu.

Sférická štruktúra slnka je výsledkom dvoch neustále si konkurujúcich síl:gravitáciaz hustej hmoty v strede slnka, ktorá sa snaží vytiahnuť všetku svoju plazmu dovnútra oproti energii z jadrovej fúzie prebiehajúcej v jadre, čo spôsobí expanziu plazmy.

Slnko sa skladá zo siedmich vrstiev: troch vnútorných a štyroch vonkajších. Sú od stredu smerom von:

1. Jadro
2. Radiačná zóna
3. Konvekčná zóna
4. Fotosféra
5. Chromosféra
6. Prechodný región
7. Corona

Hovorili sme o jadrouž veľa; tam dochádza k fúzii. Ako by ste čakali, práve tam nájdete najvyššiu teplotu na slnku: asi 27 000 000 000 stupňov (27 miliónov) stupňov Fahrenheita.

Theradiačná zóna, niekedy nazývaná aj „radiačná“ zóna, je miesto, kde energia z jadra putuje smerom von predovšetkým ako elektromagnetické žiarenie.

The konvekčná zóna, alias „konvekčná“ zóna, je miesto, kde sa energia prenáša predovšetkým prúdmi v plazme vrstvy. Popremýšľajte, ako para z varného kotla prenáša teplo z horáka do vzduchu nad kachľami a budete mať správny nápad.

„Povrch“ slnka, taký, aký je, je fotosféra. Toto vidíme pri pohľade na slnko. Elektromagnetické žiarenie emitované touto vrstvou je viditeľné voľným okom ako svetlo a je také jasné, že zakrýva menej husté vonkajšie vrstvy.

Thechromosféraje horúcejšie ako fotosféra, ale nie je také horúce ako koróna. Jeho teplota spôsobuje, že vodík vyžaruje červenkasté svetlo. Spravidla je to neviditeľné, ale dá sa to vidieť ako červenkastá žiara obklopujúca slnko, keď úplné zatmenie skryje fotosféru.

Theprechodová zónaje tenká vrstva, kde sa teploty dramaticky menia z chromosféry na korónu. Je to viditeľné pre ďalekohľady, ktoré dokážu detekovať ultrafialové (UV) svetlo.

Nakoniec korónaje najvzdialenejšou vrstvou slnka a je mimoriadne horúca - stokrát horšia ako fotosféra - ale voľným okom neviditeľné, okrem úplného zatmenia, keď sa okolo slnka javí ako tenká biela aura. Presne tak prečoje to tak horúce, je trochu záhadou, ale zdá sa, že aspoň jedným z faktorov sú „tepelné bomby“: balíčky extrémne horúci materiál, ktorý vypláva z hĺbky slnka pred výbuchom a uvoľnením energie do koróna.

Ako vám môže povedať ktokoľvek, kto sa kedy spálil, účinky slnka presahujú ďaleko za korónu. V skutočnosti je koróna taká horúca a vzdialená od jadra, že gravitácia slnka nedokáže udržať moc nad prehriatou plazmou - nabité častice prúdia do vesmíru ako konštanta.slnečný vietor​.

Napriek neuveriteľnej veľkosti slnka mu nakoniec dôjde vodík, ktorý potrebuje na udržanie svojho fúzneho jadra. Predpokladaná celková životnosť slnka je okolo 10 miliárd rokov. Narodil sa asi pred 4,6 miliardami rokov, takže ešte chvíľu zostáva, kým vyhorí, ale bude.

Slnko vyžaruje odhadom 3,846 × 10²⁶ J energie každý deň. S týmito vedomosťami môžeme odhadnúť, koľko hmoty musí prevádzať za sekundu. Zatiaľ vám ušetríme viac matematiky; vychádza okolo 4,27 × 10⁹ kgza sekundu. Len za tri sekundy spotrebuje slnko asi toľko hmoty, koľko tvorí Veľká pyramída v Gíze, a to dvakrát.

Keď mu dôjde vodík, začne na fúziu využívať svoje ťažšie prvky - prchavé látky proces, vďaka ktorému sa rozšíri na 100-násobok svojej súčasnej veľkosti, zatiaľ čo veľkú časť svojej hmoty chrlí na priestor. Keď konečne vyčerpá palivo, zanechá po sebe malý, mimoriadne hustý predmet nazývaný abiely trpaslík, o veľkosti našej Zeme, ale mnohonásobne hustejšia.