З яких газів складається Сонце?

Наше сонце, як і будь-яка інша зірка, - це гігантська куля світиться плазми. Це самоокупний термоядерний реактор, який забезпечує світло та тепло, необхідне нашій планеті підтримувати життя, тоді як його гравітація заважає нам (і решті Сонячної системи) від закручування вглиб простору.

Сонце містить кілька газів та інших елементів, які віддають електромагнітне випромінювання, що дозволяє вченим вивчати сонце, незважаючи на те, що вони не можуть отримати доступ до фізичних зразків.

TL; ДР (занадто довгий; Не читав)

Найбільш поширеними за масою газами на Сонці є: водень (близько 70 відсотків, гелій (близько 28 відсотків), вуглець, азот і кисень (разом близько 1,5 відсотка). Залишок маси Сонця (0,5 відсотка) складається із суміші мікроелементів інших елементів, включаючи, але не обмежуючись неоном, залізом, кремнієм, магнієм та сіркою.

Два елементи складають переважну більшість речовини Сонця за масою: водень (близько 70 відсотків) і гелій (близько 28 відсотків). Зверніть увагу: якщо ви бачите різні цифри, не турбуйтеся; ви, мабуть, бачите оцінки відповідно до загальної кількості окремих атомів. Ми йдемо масово, бо про це легше думати.

Наступні 1,5 відсотка маси - це суміш вуглецю, азоту та кисню Кінцеві 0,5 відсотка - це рог достатку з важчих елементів, включаючи, але не обмежуючись ними: неон, залізо, кремній, магній та сірку.

Можливо, вам цікаво, як саме ми точно знаємо, з чого складається сонце. Зрештою, жодна людина там ніколи не була, і жоден космічний корабель не повертав зразки сонячної речовини. Однак сонце постійно купає землюелектромагнітне випромінюванняі частинки, що виділяються його серцевиною, що працює на синтезі.

Кожен елемент поглинає певні довжини хвиль електромагнітного випромінювання (тобто світло), а також випромінює певні довжини хвиль при нагріванні. У 1802 р. Вчений Вільям Гайд Волластон помітив, що сонячне світло, що проходить крізь призму, створює очікуваний спектр веселки, але з помітними темними лініями, розсіяними туди-сюди.

Щоб краще розглянути ці явища, оптик Йозеф фон Фраунгофер винайшов перший спектрометр - в основному вдосконалена призма - яка ще більше поширює різні довжини хвиль сонячного світла, роблячи їх простішими бачити. Це також полегшило переконатися, що темні лінії Волластона не були хитрістю чи ілюзією - вони, здавалося, були особливістю сонячного світла.

Вчені з'ясували, що ці темні лінії (нині їх називають лініями Фраунгофера) відповідали конкретній довжині хвилі світла, поглиненого деякими елементами, такими як водень, кальцій і натрій. Отже, ці елементи повинні бути присутніми у зовнішніх шарах Сонця, поглинаючи частину світла, яке випромінює ядро.

З часом все більш досконалі методи виявлення дозволили нам кількісно визначити вихід сонця: електромагнітний випромінювання у всіх його формах (рентген, радіохвилі, ультрафіолет, інфрачервоне світло тощо) та потік субатомних частинок, таких як нейтрино. Вимірюючи те, що виділяє і що поглинає сонце, ми здалеку дуже глибоко зрозуміли склад сонця.

Ви випадково помічали якісь візерунки в матеріалах, з яких складається сонце? Водень і гелій - це перші два елементи періодичної системи: найпростіший і найлегший. Чим важчий і складніший елемент, тим менше його ми знаходимо на сонці.

Ця тенденція зменшення кількості, коли ми переходимо від легших / простіших до важчих / складніших елементів, відображає те, як народжуються зірки, та їх унікальну роль у нашому Всесвіті.

Відразу після Великого вибуху Всесвіт був не що інше, як гаряча, щільна хмара субатомних частинок. Потрібно було майже 400 000 років охолодження та розширення, щоб ці частинки зійшлися у формі, яку ми б визнали першим атомом, воднем.

Тривалий час у Всесвіті панували атоми водню та гелію, які могли спонтанно утворюватися в споконвічному субатомному супі. Повільно ці атоми починають утворювати пухкі агрегації.

Ці агрегати надавали більшої сили тяжіння, тому вони постійно зростали, втягуючи все більше матеріалу неподалік. Приблизно через 1,6 мільйона років деякі з цих агрегатів настільки зросли, що тиску та тепла в їх центрах було достатньо, щоб розпочати термоядерний синтез, і народилися перші зірки.

Ось ключове у ядерному синтезі: хоча для його початку потрібна величезна кількість енергії, насправді процесрелізиенергія.

Розглянемо створення гелію за допомогою синтезу водню: Два ядра водню і два нейтрони об’єднуються, утворюючи а одиничний атом гелію, але отриманий гелій насправді має на 0,7 відсотка менше маси, ніж вихідні речовини. Як відомо, матерію не можна ні створити, ні знищити, тому маса, мабуть, кудись пішла. Насправді він перетворився на енергію, згідно з найвідомішим рівнянням Ейнштейна:

В якій Е- енергія в джоулях (J),м- маса кілограмів (кг) іc- швидкість світла в метрах / секунду (м / с) - постійна. Ви можете передати це рівняння простою англійською мовою як:

​​енергія (джоулі) = маса (кілограми) × швидкість світла (метри / секунда)²​

Швидкість світла становить приблизно 300 000 000 метрів в секунду, що означаєc²має значення приблизно 90 000 000 000 000 000 - це дев'яностоквадрильйон- метрів²/second². Зазвичай, маючи справу з такими великими числами, ви б їх записали в наукові позначення, щоб заощадити простір, але тут корисно побачити, скільки нулів ви маєте справу.

Як ви можете собі уявити, навіть крихітне число, помножене надев'яносто квадрильйонівзакінчується дуже великим. Тепер давайте розглянемо один грам водню. Щоб переконатися, що рівняння дає нам відповідь у джоулях, ми виразимо цю масу як 0,001 кілограма - одиниці важливі. Отже, якщо ви підключите ці значення для маси та швидкості світла:

Це близько до кількості енергії, що виділяється ядерною бомбою, скинутою на Нагасакі, що міститься в межах одного грама найменшого, найлегшого елемента. Підсумок: Потенціал для виробництва енергії шляхом перетворення маси в енергію за допомогою термоядерного синтезу вражає.

Ось чому вчені та інженери намагаються знайти спосіб створення реактора ядерного синтезу тут, на Землі. Усі наші ядерні реактори сьогодні працюють через ділення ядер, який розщеплює атоми на більш дрібні елементи, але є набагато менш ефективним процесом перетворення маси в енергію.

Сонце не має твердої поверхні, як земна кора - навіть відкинувши екстремальні температури, ви не могли б стояти на сонці. Натомість Сонце складається з семи різних шарівплазма​.

Плазма - четвертий, найбільш енергійний, стан речовини. Нагрійте лід (твердий), і він плавиться у воду (рідина). Продовжуйте нагрівати його, і він знову перетворюється на водяну пару (газ).

Якщо ви продовжуєте нагрівати цей газ, він стане плазмою. Плазма - це хмара атомів, подібна газу, але в неї вливається стільки енергії, що вона булаіонізований. Тобто його атоми стали електрично зарядженими, коли їх електрони вибиваються зі своїх звичних орбіт.

Перетворення газу в плазму змінює властивості речовини, і заряджені частинки часто виділяють енергію у вигляді світла. Насправді світяться неонові вивіски - це скляні трубки, наповнені неоновим газом - коли електричний струм проходить через трубку, це призводить до того, що газ перетворюється на плазму, що світиться.

Сферична будова Сонця є результатом двох постійно конкуруючих сил:сила тяжіннявід щільної маси в центрі Сонця, яка намагається витягнути всю свою плазму всередину проти енергії ядерного синтезу, що відбувається в ядрі, змушуючи плазму розширюватися.

Сонце складається з семи шарів: трьох внутрішніх і чотирьох зовнішніх. Вони, від центру назовні:

1. Ядро
2. Радіаційна зона
3. Конвективна зона
4. Фотосфера
5. Хромосфера
6. Перехідний регіон
7. Корона

Ми вже говорили про ядровже багато; саме там відбувається синтез. Як і слід було очікувати, саме там ви знайдете найвищу температуру на сонці: близько 27 000 000 000 (27 мільйонів) градусів за Фаренгейтом.

радіаційна зона, яку іноді називають зоною «випромінювання», - це місце, де енергія ядра рухається назовні, головним чином, як електромагнітне випромінювання.

конвективна зона, також відома як зона «конвекції», де енергія несеться переважно струмами в плазмі шару. Подумайте, як пара з киплячої каструлі несе тепло від пальника вгору в повітря над плитою, і ви матимете правильну ідею.

Така “поверхня” сонця є такою, якою вона є фотосфера. Це те, що ми бачимо, дивлячись на сонце. Електромагнітне випромінювання, яке випромінює цей шар, видно неозброєним оком як світло, і воно настільки яскраве, що приховує від очей менш щільні зовнішні шари.

хромосферигарячіша за фотосферу, але вона не така гаряча, як корона. Його температура змушує водень випромінювати червонувате світло. Зазвичай він невидимий, але його можна побачити як червонувате сяйво, що оточує сонце, коли повне затемнення приховує фотосферу.

перехідна зонаявляє собою тонкий шар, де температури різко переходять від хромосфери до корони. Це видно для телескопів, які можуть виявляти ультрафіолетове (УФ) світло.

Нарешті, коронає самим зовнішнім шаром Сонця і надзвичайно жарким - у сотні разів спекотнішим за фотосферу - але невидимий неозброєним оком, за винятком повного затемнення, коли воно виглядає у вигляді тонкої білої аури навколо сонця. Точно так чомутак спекотно - це трохи загадка, але, принаймні, одним фактором є "теплові бомби": пакети надзвичайно гарячий матеріал, який випливає із глибини сонця перед вибухом і виділенням енергії в корона.

Як може сказати вам кожен, хто коли-небудь мав сонячні опіки, вплив сонця поширюється далеко за межі корони. Насправді корона настільки гаряча і віддалена від ядра, що гравітація Сонця не може утримати перегріту плазму - заряджені частинки витікають у космос як постійнасонячний вітер​.

Незважаючи на неймовірні розміри сонця, воно в кінцевому підсумку закінчиться з воднем, необхідним для підтримки свого ядра термоядерного синтезу. Загальна тривалість життя Сонця становить близько 10 мільярдів років. Він народився приблизно 4,6 мільярда років тому, тож пройде досить багато часу, перш ніж він вигорить, але він все-таки стане.

За оцінками, сонце випромінює 3.846 × 10²⁶ Дж енергії щодня. Маючи ці знання, ми можемо підрахувати, яку масу він повинен перетворювати на секунду. Наразі ми пощадимо для вас більше математики; він виходить приблизно до 4,27 × 10⁹ кгв секунду. Всього за три секунди Сонце споживає приблизно стільки маси, скільки складає Велику піраміду в Гізі, вдвічі більше.

Коли у нього закінчиться водень, він почне використовувати для злиття свої важчі елементи - летючу речовину процес, який змусить його розширитися до 100 разів свого теперішнього розміру, викидаючи значну частину своєї маси в простору. Коли він остаточно вичерпає своє паливо, він залишить за собою невеликий, надзвичайно щільний предмет, який називається абілий карлик, розміром із нашу Землю, але набагато щільніше.