Kateri plini tvorijo sonce?

Naše sonce je kot vsaka druga zvezda velikanska kroglica žareče plazme. To je samozadostni termonuklearni reaktor, ki zagotavlja svetlobo in toploto, ki jih mora naš planet vzdržujemo življenje, medtem ko njegova gravitacija preprečuje, da bi se mi (in preostali del sončnega sistema) zavrteli v globino vesolja.

Sonce vsebuje več plinov in drugih elementov, ki oddajajo elektromagnetno sevanje, kar omogoča znanstvenikom, da preučujejo sonce, čeprav nimajo dostopa do fizičnih vzorcev.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Najpogostejši masni plini na soncu so: vodik (približno 70 odstotkov, helij (približno 28 odstotkov), ogljik, dušik in kisik (skupaj približno 1,5 odstotka). Preostanek sončne mase (0,5 odstotka) tvori mešanica sledov drugih elementov, vključno z neonom, železom, silicijem, magnezijem in žveplom.

Ogromno sončne snovi po masi sestavljata dva elementa: vodik (približno 70 odstotkov) in helij (približno 28 odstotkov). Če vidite različne številke, se ne vznemirjajte; verjetno vidite ocene glede na skupno število posameznih atomov. Gremo k maši, ker je lažje razmišljati o tem.

Naslednjih 1,5 odstotka mase predstavlja mešanica ogljika, dušika in kisika Končnih 0,5 odstotka je rog izobilja težjih elementov, vključno z neonom, železom, silicijem, magnezijem in žveplom.

Morda se sprašujete, kako točno vemo, kaj sestavlja sonce. Navsezadnje še noben človek ni bil tam in nobena vesoljska ladja ni nikoli vrnila vzorcev sončne snovi. Sonce pa ves čas koplje zemljoelektromagnetno sevanjein delci, ki jih sprosti jedro, ki ga poganja fuzija.

Vsak element absorbira določene valovne dolžine elektromagnetnega sevanja (tj. Svetlobo) in prav tako odda nekatere valovne dolžine pri segrevanju. Leta 1802 je znanstvenik William Hyde Wollaston opazil, da sončna svetloba, ki prehaja skozi prizmo, ustvarja pričakovani mavrični spekter, vendar z opaznimi temnimi črtami, ki so tu in tam razpršene.

Za boljši vpogled v te pojave je optik Joseph von Fraunhofer izumil prvi spektrometer - v bistvu izboljšana prizma - ki še bolj širi različne valovne dolžine sončne svetlobe in jih olajša videti. Prav tako je bilo lažje videti, da Wollastonove temne črte niso trik ali iluzija - zdelo se je, da so značilnost sončne svetlobe.

Znanstveniki so ugotovili, da te temne črte (zdaj imenovane Fraunhoferjeve črte) ustrezajo specifičnim valovnim dolžinam svetlobe, ki jo absorbirajo nekateri elementi, kot so vodik, kalcij in natrij. Zato morajo biti ti elementi prisotni v zunanjih slojih sonca in absorbirajo del svetlobe, ki jo oddaja jedro.

Sčasoma so nam vse bolj izpopolnjene metode odkrivanja omogočile, da količinsko določimo izhod sonca: elektromagnetni sevanje v vseh oblikah (rentgenski žarki, radijski valovi, ultravijolično, infrardeče in tako naprej) in pretok subatomskih delcev, kot so nevtrini. Z merjenjem, kaj sonce sprošča in kaj absorbira, smo od daleč zgradili zelo temeljito razumevanje sestave sonca.

Ste slučajno opazili kakšne vzorce v materialih, ki sestavljajo sonce? Vodik in helij sta prva dva elementa v periodnem sistemu: najpreprostejši in najlažji. Težji in bolj zapleten element je, manj ga najdemo na soncu.

Ta trend zmanjševanja količin, ko prehajamo iz lažjih / enostavnejših na težje / bolj zapletene elemente, odraža, kako se rodijo zvezde in njihovo edinstveno vlogo v našem vesolju.

Takoj po Velikem poku ni bilo vesolje nič drugega kot vroč, gost oblak subatomskih delcev. Skoraj 400.000 let je bilo treba hlajenje in širjenje, da so se ti delci združili v obliki, ki bi jo prepoznali kot prvi atom, vodik.

Dolgo časa so v vesolju prevladovali vodikovi in ​​helijevi atomi, ki so se lahko spontano oblikovali v prvotni subatomski juhi. Ti atomi začnejo počasi tvoriti ohlapne agregacije.

Te združbe so imele večjo težo, zato so nenehno rasle in vlekle več materiala od blizu. Po približno 1,6 milijona let so se nekatere od teh združb tako povečale, da sta bila pritisk in toplota v njihovih središčih dovolj za začetek termonuklearne fuzije in rodile so se prve zvezde.

Tu je ključna stvar jedrske fuzije: čeprav za začetek zahteva ogromno energije, dejansko postopekizpustovenergija.

Razmislite o nastanku helija s fuzijo vodika: Dve vodikovi jedri in dva nevtrona se združita, da tvorita a en sam helijev atom, toda nastali helij ima dejansko 0,7 odstotka manj mase od vhodnih snovi. Kot veste, snovi ni mogoče niti ustvariti niti uničiti, tako da je morala masa nekam iti. Pravzaprav se je po Einsteinovi najbolj znani enačbi preoblikoval v energijo:

V kateri Eje energija v džulih (J),mje masa kilogramov (kg) incje hitrost svetlobe v metrih / sekundo (m / s) - konstanta. Enačbo bi lahko dali v preprosto angleščino kot:

​​energija (džulji) = masa (kilogrami) × hitrost svetlobe (metri / sekundo)²​

Hitrost svetlobe je približno 300.000.000 metrov na sekundo, kar pomenic²ima vrednost približno 90.000.000.000.000.000 - to je devetdesetkvadrilion- metrov²/second². Običajno bi jih pri obravnavi tako velikih števil postavili v znanstvene zapise, da bi prihranili prostor, tukaj pa je koristno videti, koliko ničel imate.

Kot si lahko predstavljate, celo majhno število pomnoženo zdevetdeset kvadriljonovbo na koncu zelo velik. Zdaj pa poglejmo en gram vodika. Da bomo zagotovili, da nam enačba daje odgovor v džulih, bomo to maso izrazili kot 0,001 kilograma - enote so pomembne. Torej, če priključite te vrednosti za maso in hitrost svetlobe:

To je blizu količini energije, ki jo je sprostila jedrska bomba, spuščena na Nagasaki, v enem gramu najmanjšega in najlažjega elementa. Bottom line: Potencial za proizvodnjo energije s pretvorbo mase v energijo s fuzijo je neverjeten.

Zato znanstveniki in inženirji poskušajo najti način, kako ustvariti jedrski fuzijski reaktor tukaj na Zemlji. Vsi naši jedrski reaktorji danes delujejo prek jedrska cepitev, ki atome razdeli na manjše elemente, vendar je veliko manj učinkovit postopek za pretvorbo mase v energijo.

Sonce nima trdne površine, kot je zemeljska skorja - tudi če postavite na stran ekstremne temperature, na soncu ne bi mogli stati. Namesto tega je sonce sestavljeno iz sedmih ločenih plastiplazmi​.

Plazma je četrto, najbolj energično stanje snovi. Segrejte led (trd) in se stopi v vodo (tekočina). Nadaljujte z ogrevanjem in spet se spremeni v vodno paro (plin).

Če boste še naprej ogrevali ta plin, bo postal plazma. Plazma je oblak atomov, podoben plinu, vendar ji je napolnjeno toliko energije, da je bilaionizirano. To pomeni, da so se njegovi atomi električno napolnili, ker so se njihovi elektroni odvrnili od običajnih orbit.

Preoblikovanje iz plina v plazmo spremeni lastnosti snovi in ​​nabiti delci pogosto sproščajo energijo kot svetlobo. Žareče neonske table so pravzaprav steklene cevi, napolnjene z neonskim plinom - ko električni tok prehaja skozi cev, povzroči, da se plin spremeni v žarečo plazmo.

Sončna kroglasta zgradba je rezultat dveh nenehno konkurenčnih sil:gravitacijaiz goste mase v sončnem središču, ki poskuša vso svojo plazmo potegniti navznoter v primerjavi z energijo iz jedrske fuzije, ki poteka v jedru, zaradi česar se plazma razširi.

Sonce je sestavljeno iz sedmih plasti: treh notranjih in štirih zunanjih. So od središča navzven:

1. Jedro
2. Radiacijska cona
3. Konvektivno območje
4. Fotosfera
5. Kromosfera
6. Prehodna regija
7. Corona

Govorili smo o jedrože veliko; tu se zgodi fuzija. Kot bi pričakovali, boste tam našli najvišjo temperaturo na soncu: približno 27.000.000.000 (27 milijonov) stopinj Fahrenheita.

Thesevalno območje, ki se včasih imenuje "območje sevanja", kjer energija iz jedra potuje navzven predvsem kot elektromagnetno sevanje.

The konvektivno območje, imenovano "konvekcijsko" območje, kjer energijo prenašajo predvsem tokovi v plazmi plasti. Pomislite, kako hlapi iz vrele posode prenašajo toploto iz gorilnika v zrak nad pečjo, in imeli boste pravo idejo.

Takšna "površina" sonca je fotosfera. To vidimo ob pogledu na sonce. Elektromagnetno sevanje, ki ga oddaja ta plast, je s prostim očesom vidno kot svetloba in je tako svetlo, da skrije manj goste zunanje plasti pred očmi.

Thekromosferaje bolj vroča od fotosfere, vendar ni tako vroča kot korona. Njegova temperatura povzroči, da vodik oddaja rdečkasto svetlobo. Običajno je neviden, vendar ga lahko vidimo kot rdečkast sij, ki obdaja sonce, ko popolni mrk skrije fotosfero.

Theprehodno območjeje tanek sloj, kjer se temperature močno spremenijo iz kromosfere v korono. Viden je teleskopom, ki lahko zaznajo ultravijolično (UV) svetlobo.

Končno, koronaje najbolj zunanja plast sonca in je zelo vroča - na stotine krat bolj vroča od fotosfere - vendar neviden s prostim očesom, razen med popolnim mrkom, ko je videti kot tanka bela avra okoli sonca. Točno tako zakajtako vroče je malo skrivnost, toda zdi se, da je vsaj en dejavnik "toplotne bombe": paketi izredno vroč material, ki priplava globoko pod soncem, preden eksplodira in sprosti energijo v korona.

Kot vam lahko pove vsak, ki je kdaj imel sončne opekline, učinki sonca segajo daleč dlje od korone. V resnici je korona tako vroča in oddaljena od jedra, da sončna gravitacija ne more zadržati pregrete plazme - nabiti delci se kot konstanta izlivajo v vesoljesončni veter​.

Kljub neverjetni velikosti sonca bo sčasoma zmanjkalo vodika, ki ga potrebuje za vzdrževanje fuzijskega jedra. Sonce ima predvideno skupno življenjsko dobo približno 10 milijard let. Rodil se je pred približno 4,6 milijardami let, zato bo še kar nekaj časa, preden bo izgorelo, vendar bo.

Sonce izžareva približno 3.846 × 10²⁶ J energije vsak dan. S tem znanjem lahko ocenimo, koliko mase mora pretvarjati na sekundo. Za zdaj vam bomo prihranili več matematike; doseže približno 4,27 × 10⁹ kgna sekundo. V samo treh sekundah sonce dvakrat porabi približno toliko mase, kot je Velika piramida v Gizi.

Ko mu zmanjka vodika, bo svoje težje elemente začel uporabljati za fuzijo - hlapne snovi proces, zaradi katerega se bo razširil na 100-kratno sedanjo velikost, medtem ko bo v maso izbljuval velik del svoje mase vesolja. Ko končno izčrpa gorivo, bo za seboj pustil majhen, izredno gost predmet, imenovan abeli škrat, približno velikosti naše Zemlje, vendar veliko, velikokrat bolj gosto.