ก๊าซอะไรประกอบเป็นดวงอาทิตย์?

ดวงอาทิตย์ของเราก็เหมือนกับดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ ที่เป็นลูกบอลพลาสมาที่เรืองแสงขนาดมหึมา เป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียสที่สามารถดำรงชีวิตได้เองซึ่งให้แสงสว่างและความร้อนที่โลกของเราต้องการ ค้ำจุนชีวิต ในขณะที่แรงโน้มถ่วงของมันทำให้เรา (และส่วนที่เหลือของระบบสุริยะอื่น ๆ ) หมุนไปลึก พื้นที่

ดวงอาทิตย์ประกอบด้วยก๊าซหลายชนิดและองค์ประกอบอื่นๆ ที่ปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาดวงอาทิตย์ได้แม้จะไม่สามารถเข้าถึงตัวอย่างทางกายภาพได้

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

ก๊าซที่พบมากที่สุดในดวงอาทิตย์โดยมวล ได้แก่ ไฮโดรเจน (ประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ ฮีเลียม (ประมาณ 28 เปอร์เซ็นต์) คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน (รวมกันประมาณ 1.5 เปอร์เซ็นต์) มวลส่วนที่เหลือของดวงอาทิตย์ (0.5 เปอร์เซ็นต์) ประกอบขึ้นจากส่วนผสมของธาตุอื่นๆ จำนวนเล็กน้อย ซึ่งรวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงนีออน เหล็ก ซิลิกอน แมกนีเซียม และกำมะถัน

องค์ประกอบสองอย่างประกอบกันเป็นสสารส่วนใหญ่ของดวงอาทิตย์โดยมวล: ไฮโดรเจน (ประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์) และฮีเลียม (ประมาณ 28 เปอร์เซ็นต์) หมายเหตุ หากคุณเห็นตัวเลขต่างกัน อย่ากังวลไป คุณอาจเห็นค่าประมาณตามจำนวนอะตอมทั้งหมด เรากำลังดำเนินการเป็นจำนวนมากเพราะง่ายต่อการคิด

มวล 1.5 เปอร์เซ็นต์ถัดไปเป็นส่วนผสมของคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน 0.5 เปอร์เซ็นต์สุดท้ายคือความอุดมสมบูรณ์ของธาตุที่หนักกว่า ซึ่งรวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง นีออน เหล็ก ซิลิคอน แมกนีเซียม และกำมะถัน

คุณอาจสงสัยว่าเรารู้ได้อย่างไรว่าดวงอาทิตย์เกิดจากอะไร ท้ายที่สุด ไม่มีมนุษย์คนใดเคยไปที่นั่น และไม่มียานอวกาศใดที่นำตัวอย่างสสารสุริยะกลับมาได้ อย่างไรก็ตาม ดวงอาทิตย์กำลังอาบดินอย่างต่อเนื่องในรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคที่ปล่อยออกมาจากแกนที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชัน

ทุกองค์ประกอบดูดซับความยาวคลื่นของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น แสง) และปล่อยความยาวคลื่นบางอย่างออกมาเช่นเดียวกันเมื่อถูกความร้อน ในปี 1802 นักวิทยาศาสตร์ William Hyde Wollaston สังเกตว่าแสงแดดที่ส่องผ่านปริซึมทำให้เกิดสเปกตรัมสีรุ้งที่คาดหวัง แต่มีเส้นสีดำที่โดดเด่นกระจัดกระจายอยู่ที่นี่และที่นั่น

เพื่อให้เห็นภาพปรากฏการณ์นี้ได้ดีขึ้น ช่างแว่นตา Joseph von Fraunhofer ได้คิดค้นเครื่องสเปกโตรมิเตอร์เครื่องแรก – โดยพื้นฐานแล้วเป็นปริซึมที่ได้รับการปรับปรุง - ซึ่งกระจายความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของแสงแดดออกไปมากยิ่งขึ้น ทำให้ง่ายขึ้น เพื่อที่จะได้เห็น. นอกจากนี้ยังช่วยให้มองเห็นได้ง่ายขึ้นว่าเส้นสีเข้มของ Wollaston ไม่ใช่กลลวงหรือภาพลวงตา – ดูเหมือนจะเป็นคุณลักษณะของแสงแดด

นักวิทยาศาสตร์พบว่าเส้นสีดำเหล่านั้น (ปัจจุบันเรียกว่าเส้น Fraunhofer) สอดคล้องกับความยาวคลื่นจำเพาะของแสงที่ดูดซับโดยองค์ประกอบบางอย่าง เช่น ไฮโดรเจน แคลเซียม และโซเดียม ดังนั้นองค์ประกอบเหล่านั้นจึงต้องมีอยู่ในชั้นนอกของดวงอาทิตย์ เพื่อดูดซับแสงบางส่วนที่ปล่อยออกมาจากแกนกลาง

เมื่อเวลาผ่านไป วิธีการตรวจจับที่ซับซ้อนมากขึ้นช่วยให้เราสามารถหาปริมาณที่ออกมาจากดวงอาทิตย์ นั่นคือแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีในทุกรูปแบบ (รังสีเอกซ์ คลื่นวิทยุ อัลตราไวโอเลต อินฟราเรด เป็นต้น) และการไหลของอนุภาคย่อย เช่น นิวตริโน ด้วยการวัดปริมาณแสงแดดที่ปล่อยออกมาและสิ่งที่ดวงอาทิตย์ดูดกลืน เราได้สร้างความเข้าใจอย่างถี่ถ้วนเกี่ยวกับองค์ประกอบของดวงอาทิตย์จากระยะไกล

คุณสังเกตเห็นรูปแบบใด ๆ ในวัสดุที่ทำขึ้นจากดวงอาทิตย์หรือไม่? ไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นสององค์ประกอบแรกในตารางธาตุ: ที่ง่ายที่สุดและเบาที่สุด ยิ่งธาตุที่หนักและซับซ้อนมากเท่าไหร่ เราก็ยิ่งพบธาตุนี้น้อยลงในดวงอาทิตย์

แนวโน้มของปริมาณที่ลดลงเมื่อเราเปลี่ยนจากองค์ประกอบที่เบากว่า/เรียบง่ายกว่าไปเป็นองค์ประกอบที่หนักกว่า/ซับซ้อนมากขึ้น สะท้อนให้เห็นว่าดวงดาวถือกำเนิดขึ้นและมีบทบาทเฉพาะในจักรวาล

หลังเกิดบิกแบงทันที เอกภพไม่มีอะไรมากไปกว่าเมฆอนุภาคย่อยที่ร้อนจัดและหนาแน่น ต้องใช้เวลาเกือบ 400,000 ปีในการเย็นตัวและขยายตัวเพื่อให้อนุภาคเหล่านี้มารวมกันในรูปแบบที่เรารู้จักว่าเป็นอะตอมแรก ไฮโดรเจน

เป็นเวลานาน ที่เอกภพถูกครอบงำโดยอะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งสามารถก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติภายในซุปปรมาณูยุคแรกเริ่ม อะตอมเหล่านี้เริ่มรวมตัวกันอย่างช้าๆ

มวลรวมเหล่านี้ใช้แรงโน้มถ่วงมากขึ้น ดังนั้นพวกมันจึงเติบโตต่อไป โดยดึงวัสดุจากบริเวณใกล้เคียงเข้ามามากขึ้น หลังจากผ่านไปประมาณ 1.6 ล้านปี การรวมกลุ่มเหล่านี้บางส่วนมีขนาดใหญ่มากจนความดันและความร้อนในศูนย์กลางของพวกมันก็เพียงพอแล้วที่จะเริ่มต้นการหลอมรวมทางความร้อนด้วยความร้อน และดาวดวงแรกก็ถือกำเนิดขึ้น

สิ่งสำคัญเกี่ยวกับนิวเคลียร์ฟิวชันคือ แม้ว่าจะต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการเริ่มต้น แต่จริงๆ แล้วกระบวนการนี้เผยแพร่พลังงาน.

พิจารณาการสร้างฮีเลียมผ่านการหลอมไฮโดรเจน: นิวเคลียสของไฮโดรเจนสองนิวเคลียสและนิวตรอนสองนิวตรอนรวมกันเป็น อะตอมฮีเลียมเดี่ยว แต่ผลที่ได้จริงแล้วฮีเลียมมีมวลน้อยกว่าวัสดุตั้งต้น 0.7 เปอร์เซ็นต์ อย่างที่คุณทราบ สสารไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ ดังนั้นมวลนั้นจะต้องไปที่ไหนสักแห่ง อันที่จริงมันถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานตามสมการที่โด่งดังที่สุดของ Einstein:

ซึ่งใน อีคือพลังงานในหน่วยจูล (J)มคือ มวล กิโลกรัม (กก.) และคคือความเร็วของแสงเป็นเมตร/วินาที (m/s) – ค่าคงที่ คุณสามารถใส่สมการเป็นภาษาอังกฤษธรรมดาได้ดังนี้:

​​พลังงาน (จูล) = มวล (กิโลกรัม) × ความเร็วแสง (เมตร/วินาที)²​

ความเร็วแสงประมาณ 300,000,000 เมตร/วินาที ซึ่งหมายความว่า whichค²มีมูลค่าประมาณ 90,000,000,000,000 – นั่นคือเก้าสิบสี่ล้านล้าน– เมตร²/second². โดยปกติเมื่อต้องจัดการกับตัวเลขที่มากขนาดนี้ คุณจะต้องใส่ตัวเลขเหล่านี้ในสัญกรณ์วิทยาศาสตร์เพื่อประหยัดพื้นที่ แต่ที่นี่มีประโยชน์ในการดูว่าคุณกำลังจัดการกับศูนย์กี่ตัว

อย่างที่คุณจินตนาการได้ แม้แต่จำนวนน้อยคูณด้วยเก้าสิบล้านล้านกำลังจะจบลงที่ใหญ่มาก ทีนี้ มาดูไฮโดรเจนหนึ่งกรัมกัน เพื่อให้แน่ใจว่าสมการให้คำตอบเป็นจูล เราจะแสดงมวลนี้เป็น 0.001 กิโลกรัม – หน่วยมีความสำคัญ ดังนั้น หากคุณรวมค่ามวลและความเร็วของแสงเหล่านี้เข้าด้วยกัน:

ซึ่งใกล้เคียงกับปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากระเบิดนิวเคลียร์ที่ทิ้งลงบนนางาซากิซึ่งบรรจุอยู่ภายในองค์ประกอบที่เล็กที่สุดและเบาที่สุดเพียงกรัมเดียว บรรทัดด้านล่าง: ศักยภาพในการผลิตพลังงานโดยการแปลงมวลเป็นพลังงานผ่านการหลอมรวมเป็นเรื่องที่เหลือเชื่อ

นี่คือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรพยายามหาวิธีสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันบนโลก เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของเราทั้งหมดทำงานผ่าน นิวเคลียร์ซึ่งแยกอะตอมออกเป็นองค์ประกอบที่เล็กกว่า แต่เป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่ามากในการแปลงมวลเป็นพลังงาน

ดวงอาทิตย์ไม่มีพื้นผิวที่แข็งเหมือนเปลือกโลก แม้จะแยกอุณหภูมิสุดขั้วออกไป คุณก็ไม่สามารถยืนบนดวงอาทิตย์ได้ แต่ดวงอาทิตย์กลับประกอบด้วยชั้นที่แตกต่างกันเจ็ดชั้นของพลาสม่า​.

พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่สี่ มีพลังมากที่สุด อุ่นน้ำแข็ง (ของแข็ง) แล้วละลายเป็นน้ำ (ของเหลว) ให้ความร้อนต่อไปและจะเปลี่ยนเป็นไอน้ำ (แก๊ส) อีกครั้ง

หากคุณยังคงให้ความร้อนกับแก๊สนั้น มันจะกลายเป็นพลาสมา พลาสม่าเป็นเมฆของอะตอม เหมือนกับก๊าซ แต่ได้รับพลังงานมากจนได้รับแตกตัวเป็นไอออน. นั่นคืออะตอมของมันถูกประจุด้วยไฟฟ้าโดยทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรปกติ

การเปลี่ยนแปลงจากก๊าซเป็นพลาสมาจะเปลี่ยนคุณสมบัติของสาร และอนุภาคที่มีประจุมักจะปล่อยพลังงานออกมาเป็นแสง อันที่จริงป้ายไฟนีออนที่เรืองแสงเป็นหลอดแก้วที่บรรจุก๊าซนีออน เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านท่อ จะทำให้ก๊าซกลายเป็นพลาสมาที่เรืองแสงได้

โครงสร้างทรงกลมของดวงอาทิตย์เป็นผลมาจากแรงสองแรงที่แข่งขันกันอย่างต่อเนื่อง:แรงโน้มถ่วงจากมวลหนาแน่นที่ศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ที่พยายามดึงพลาสมาทั้งหมดเข้าด้านใน เทียบกับพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันที่เกิดขึ้นในแกนกลาง ทำให้พลาสมาขยายตัว

ดวงอาทิตย์ประกอบด้วยเจ็ดชั้น: ชั้นในสามชั้นและชั้นนอกสี่ชั้น พวกเขาคือจากศูนย์กลางสู่ภายนอก:

1. แกน
2. เขตรังสี
3. เขตพาความร้อน
4. โฟโตสเฟียร์
5. โครโมสเฟียร์
6. ภูมิภาคการเปลี่ยนผ่าน
7. โคโรนา

เราได้พูดคุยเกี่ยวกับ แกนมากแล้ว; มันเป็นที่ที่เกิดฟิวชั่น อย่างที่คุณคาดไว้ เป็นที่ที่คุณจะพบว่ามีอุณหภูมิสูงสุดบนดวงอาทิตย์: ประมาณ 27,000,000,000 (27 ล้าน) องศาฟาเรนไฮต์

เขตแผ่รังสีซึ่งบางครั้งเรียกว่าโซน "การแผ่รังสี" เป็นที่ที่พลังงานจากแกนกลางเดินทางออกไปด้านนอกส่วนใหญ่เป็นการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

เขตพาความร้อนหรือที่เรียกว่าโซน "พา" เป็นที่ที่พลังงานส่วนใหญ่ไหลผ่านกระแสน้ำภายในพลาสมาของชั้น ลองนึกดูว่าไอน้ำจากหม้อเดือดนำความร้อนจากเตาขึ้นไปในอากาศเหนือเตาได้อย่างไร แล้วคุณจะมีความคิดที่ถูกต้อง

“พื้นผิว” ของดวงอาทิตย์ ที่มันเป็น โฟโตสเฟียร์. นี่คือสิ่งที่เราเห็นเมื่อเรามองไปที่ดวงอาทิตย์ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากชั้นนี้สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเป็นแสง และมันสว่างมากจนซ่อนชั้นนอกที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไว้ไม่ให้มองเห็น

โครโมสเฟียร์ร้อนกว่าโฟโตสเฟียร์ แต่ก็ไม่ร้อนเท่าโคโรนา อุณหภูมิทำให้ไฮโดรเจนปล่อยแสงสีแดง โดยปกติแล้วจะมองไม่เห็นแต่สามารถมองเห็นเป็นแสงสีแดงรอบดวงอาทิตย์เมื่อสุริยุปราคาเต็มดวงซ่อนโฟโตสเฟียร์

เขตเปลี่ยนผ่านเป็นชั้นบางๆ ที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างมากจากโครโมสเฟียร์เป็นโคโรนา กล้องโทรทรรศน์สามารถตรวจจับแสงอัลตราไวโอเลต (UV) ได้

ในที่สุด โคโรนาเป็นชั้นนอกสุดของดวงอาทิตย์และร้อนจัด – ร้อนกว่าโฟโตสเฟียร์หลายร้อยเท่า – แต่ มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ยกเว้นในช่วงสุริยุปราคา เมื่อปรากฏเป็นรัศมีสีขาวบาง ๆ รอบดวงอาทิตย์ เผง ทำไมมันร้อนมากเป็นเรื่องลึกลับ แต่อย่างน้อยหนึ่งปัจจัยที่ดูเหมือนจะเป็น "ระเบิดความร้อน": แพ็คเก็ตของ วัตถุที่ร้อนจัดซึ่งลอยขึ้นมาจากใต้แสงอาทิตย์ก่อนจะระเบิดและปล่อยพลังงานเข้าสู่ โคโรนา

ใครก็ตามที่เคยมีอาการผิวไหม้จากแดดสามารถบอกคุณได้ ผลกระทบของดวงอาทิตย์แผ่ขยายไปไกลกว่าโคโรนา อันที่จริง โคโรนาร้อนมากและอยู่ห่างจากแกนกลางมากจนแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ไม่สามารถจับพลาสมาที่มีความร้อนสูงไว้ได้ - อนุภาคที่มีประจุจะไหลออกสู่อวกาศอย่างคงที่ลมสุริยะ​.

แม้จะมีขนาดที่เหลือเชื่อของดวงอาทิตย์ แต่ในที่สุดไฮโดรเจนก็จะหมดที่จำเป็นเพื่อรักษาแกนฟิวชั่นของมัน ดวงอาทิตย์มีอายุขัยรวมประมาณ 10 พันล้านปี มันถือกำเนิดขึ้นเมื่อประมาณ 4.6 พันล้านปีก่อน ดังนั้นจึงมีเวลาพอสมควรก่อนที่มันจะมอด แต่มันจะเกิด

ดวงอาทิตย์แผ่รังสีประมาณ 3.846 × 10²⁶ เจของพลังงานทุกวัน ด้วยความรู้นั้น เราสามารถประมาณจำนวนมวลที่ต้องแปลงเป็นวินาที เราจะช่วยให้คุณมีวิชาคณิตศาสตร์มากขึ้นในตอนนี้ มันออกมาประมาณ 4.27 × 10⁹ กิโลกรัมต่อวินาที. ในเวลาเพียงสามวินาที ดวงอาทิตย์กินมวลมากเท่ากับที่ประกอบเป็นมหาพีระมิดแห่งกิซ่าถึงสองเท่า

เมื่อไฮโดรเจนหมด มันจะเริ่มใช้องค์ประกอบที่หนักกว่าในการหลอมรวม - ระเหย กระบวนการที่จะทำให้มันขยายเป็น 100 เท่าของขนาดปัจจุบันในขณะที่พ่นมวลของมันออกเป็น พื้นที่ เมื่อมันหมดเชื้อเพลิง มันจะทิ้งวัตถุขนาดเล็กที่มีความหนาแน่นสูงมากที่เรียกว่า aดาวแคระขาวเกี่ยวกับขนาดของโลกของเรา แต่มีความหนาแน่นมากกว่าหลายเท่า