Sadržaj
- TL; DR (Predugo; nisam pročitao)
- Sunčev sastav
- Kako znamo od čega se stvara sunce?
- Početak nuklearne fuzije
- Nuklearna fuzija: pretvaranje mase u energiju
- Plinovi na Suncu? Nije, plazma
- Struktura Sunca
- Slojevi Sunca
- Solarni vjetar
- Sunce će na kraju umrijeti
Naše sunce je, kao i svaka druga zvijezda, gigantska kugla užarene plazme. To je samoodrživ termonuklearni reaktor koji pruža svjetlost i toplinu našem planetu za održavanje života, dok njegova gravitacija čuva nas (i ostatak Sunčevog sustava) od okretanja u duboki svemir.
Sunce sadrži nekoliko plinova i drugih elemenata koji odašilju elektromagnetsko zračenje, omogućujući znanstvenicima da istražuju sunce iako ne mogu pristupiti fizičkim uzorcima.
TL; DR (Predugo; nisam pročitao)
Najčešći plinovi na suncu, po masi, su: vodik (oko 70 posto, helij (oko 28 posto), ugljik, dušik i kisik (zajedno oko 1,5 posto). Ostatak sunčeve mase (0,5 posto)) sastav mješavina ostalih elemenata u tragovima, uključujući neon, željezo, silicij, magnezij i sumpor, ali nisu ograničeni na njih.
Sunčev sastav
Dva elementa čine ogromnu masu sunčeve materije: vodik (oko 70 posto) i helij (oko 28 posto). Napominjemo, ako vidite različite brojeve, nemojte se brinuti; vjerojatno vidite procjene prema ukupnom broju pojedinačnih atoma. Ići ćemo masovno jer je lakše razmišljati.
Sljedećih 1,5 posto mase je mješavina ugljika, dušika i kisika. Konačnih 0,5 posto je kornukopija težih elemenata, uključujući, ali ne ograničavajući se na: neon, željezo, silicij, magnezij i sumpor.
Kako znamo od čega se stvara sunce?
Možda se pitate kako, mi točno znamo što čini sunce. Napokon, niti jedan čovjek nikada nije bio tamo, a niti jedan svemirski brod nije vratio uzorke solarne materije. Sunce, međutim, neprestano kupa zemlju elektromagnetska radijacija i čestice koje je oslobađala njegova jezgra.
Svaki element apsorbira određene valne duljine elektromagnetskog zračenja (tj. Svjetlost), a isto tako prilikom zagrijavanja emitira određene valne duljine. 1802. godine, znanstvenik William Hyde Wollaston primijetio je da sunčevo svjetlo koje prolazi kroz prizmu stvara očekivani spektar duge, ali s uočljivim tamnim linijama raspršenim tu i tamo.
Da bi bolje pogledao ove pojave, optičar Joseph von Fraunhofer izumio je prvi spektrometar - u osnovi poboljšanu prizmu - koji je širio različite valne duljine sunčeve svjetlosti još više i olakšao im vidljivost. Također je bilo lakše vidjeti da tamne crte Wollastonsa nisu trik ili iluzija - činilo se da obilježje sunčeve svjetlosti.
Znanstvenici su zaključili da te tamne linije (koje se danas zovu Fraunhoferove linije) odgovaraju specifičnim valnim duljinama svjetlosti koje apsorbiraju određeni elementi poput vodika, kalcija i natrija. Stoga ti elementi moraju biti prisutni u vanjskim slojevima sunca, upijajući dio svjetlosti koje emitira jezgra.
Tijekom vremena, sve sofisticiranije metode detekcije omogućile su nam kvantificiranje izlaza iz sunca: elektromagnetsko zračenje u svim njegovim oblicima (X-zrake, radio valovi, ultraljubičasto, infracrveno i tako dalje) i protok subatomskih čestica poput neutrina. Mjereći ono što sunce oslobađa i što apsorbira, mi smo izgradili vrlo temeljito razumijevanje sastava sunca iz daleka.
Početak nuklearne fuzije
Jeste li primijetili bilo kakav uzorak na materijalima koji čine sunce? Vodik i helij prva su dva elementa na periodičnoj tablici: najjednostavniji i najlakši. Teži i složeniji element, manje ga nalazimo na suncu.
Ovaj trend smanjivanja količina kako prelazimo iz lakših / jednostavnijih na teže / složenije elemente odražava se na to kako se zvijezde rađaju i njihovu jedinstvenu ulogu u našem svemiru.
Neposredno nakon Velikog praska, svemir nije bio ništa drugo do vrući, gusti oblak subatomskih čestica. Hlađenje i širenje trebalo je gotovo 400 000 godina da se te čestice sastave u obliku koji bismo prepoznali kao prvi atom, vodik.
Dugo su svemirom dominirali atomi vodika i helija koji su se mogli spontano formirati unutar iskonske subatomske juhe. Polako ti atomi počinju formirati labave nakupine.
Ta su združivanja imala veću gravitaciju, tako da su neprestano rasla, povlačeći više materijala iz svoje okoline. Nakon otprilike 1,6 milijuna godina, neke od tih agregacija postale su toliko velike da su pritisak i toplina u njihovim centrima bili dovoljni za pokretanje termonuklearne fuzije i rodile su se prve zvijezde.
Nuklearna fuzija: pretvaranje mase u energiju
Evo ključne stvari o nuklearnoj fuziji: iako je za to potrebna ogromna količina energije, proces zapravo tisak energija.
Razmislite o stvaranju helija fuzijom vodika: Dvije vodikove jezgre i dva neutrona se kombiniraju kako bi formirali jedan atom helija, ali rezultirajući helij zapravo ima 0,7 posto manje mase od polaznih materijala. Kao što znate, materija se ne može stvoriti niti uništiti, tako da je ta masa sigurno negdje otišla. U stvari, transformirana je u energiju, prema Einsteinovoj najpoznatijoj jednadžbi:
E = mc2
U kojem E je energija u džulima (J), m je masa kilograma (kg) i c je brzina svjetlosti u metrima / sekundi (m / s) - konstanta. Jednadžbu možete na običan engleski staviti kao:
energija (joules) = masa (kilogrami) × brzina svjetlosti (metara / sekundi)2
Brzina svjetlosti je otprilike 300 000 000 metara / sekunda, što znači c2 ima vrijednost od oko 90 000 000 000 000 000 - to je devedeset kvadrilion - metara2/drugi2, Kad se bave brojevima koji su tako veliki, obično biste ih stavili u znanstveni zapis kako biste uštedjeli prostor, ali ovdje je korisno da vidite koliko nula imate posla.
Kao što možete zamisliti, čak i maleni broj pomnožen sa devedeset quadrillion završit će vrlo velika. Pogledajmo jedan gram vodika. Da bismo osigurali da nam jednadžba daje odgovor u džulovima, izrazit ćemo ovu masu kao 0,001 kilograma - jedinice su važne. Dakle, ako priključite ove vrijednosti za masu i brzinu svjetlosti:
E = (0,001 kg) (9 × 1016 m2/ s2)
E = 9 × 1013 J
E = 90.000.000.000.000 J
To je blizu količini energije ispuštene nuklearnom bombom bačenom na Nagasaki koja se nalazi unutar jednog grama najmanjeg, najlakšeg elementa. Dno crta: Mogućnost stvaranja energije pretvaranjem mase u energiju fuzijom je nevjerojatna.
Zato znanstvenici i inženjeri pokušavaju smisliti način stvaranja reaktora za nuklearnu fuziju ovdje na Zemlji. Svi naši nuklearni reaktori danas rade putem nuklearna fizija, koji dijeli atome na manje elemente, ali je mnogo manje učinkovit postupak za pretvaranje mase u energiju.
Plinovi na Suncu? Nije, plazma
Sunce nema čvrstu površinu poput zemljine kore - čak i pored ekstremnih temperatura, ne biste mogli ni stajati na suncu. Umjesto toga, sunce se sastoji od sedam različitih slojeva plazma.
Plazma je četvrto, najenergičnije stanje materije. Zagrijava led (kruti), a on se topi u vodi (tekućina). Nastavite grijati, a ona se opet pretvara u vodenu paru (plin).
No ako nastavite grijati taj plin, on će postati plazma. Plazma je oblak atoma, poput plina, ali prožet je toliko energije da je to bilo ionizirani, Odnosno, njegovi atomi postali su električno nabijeni tako što su im elektroni bili izbačeni iz uobičajenih orbita.
Transformacija iz plina u plazmu mijenja svojstva tvari, a nabijene čestice često oslobađaju energiju kao svjetlost. Užareni neonski znakovi, u stvari, su staklene cijevi napunjene neonskim plinom - kada električna struja prođe kroz cijev, ona uzrokuje da se plin pretvara u užarenu plazmu.
Struktura Sunca
Sunčeva sferna struktura rezultat je dviju neprestano konkurentnih sila: gravitacija iz guste mase u središtu sunca koja pokušava povući svu svoju plazmu prema unutra, u odnosu na energiju iz nuklearne fuzije koja se odvija u jezgri, uzrokujući širenje plazme.
Sunce se sastoji od sedam slojeva: tri unutarnja i četiri vanjska. Oni su, od sredine prema van:
Slojevi Sunca
Razgovarali smo o srž već puno; tamo se odvija fuzija. Kao što ste očekivali, tamo ćete naći najvišu temperaturu na suncu: nekih 27 000 000 000 (27 milijuna) stupnjeva Farenhajta.
zračna zona, koja se ponekad naziva i zona „zračenja“, je mjesto gdje energija iz jezgre putuje prema van, prvenstveno kao elektromagnetsko zračenje.
konvektivna zonazvana "konvekcijska" zona, gdje se energija prevozi uglavnom strujama unutar plazme sloja. Zamislite kako para iz kipuće lonca nosi toplinu iz plamenika u zrak iznad peći i imat ćete pravu ideju.
"Površina" sunca, takva kakva jest, je fotosfera, To vidimo kada gledamo sunce. Elektromagnetsko zračenje koje ovaj sloj emitira vidljivo je golim okom kao svjetlost, a toliko je svijetlo da skriva manje guste vanjske slojeve od pogleda.
kromosfera vruća je od fotosfere, ali nije tako vruća kao korona. Njegova temperatura uzrokuje da vodik emitira crvenkastu svjetlost. Obično je nevidljiv, ali se može vidjeti kao crvenkasti sjaj koji okružuje sunce kad totalna pomračenje sakrije fotosferu.
prijelazna zona je tanak sloj gdje se temperature dramatično premještaju iz kromosfere u koronu. Teleskopima je vidljiv koji može otkriti ultraljubičastu (UV) svjetlost.
Napokon korona je najudaljeniji sloj sunca i izuzetno je vruć - stotine puta topliji od fotosfere - ali nevidljiv golim okom, osim za vrijeme potpunog pomračenja, kad se oko sunca pojavljuje kao tanka bijela aura. Točno zašto tako je vruće pomalo je misterija, ali čini se da su barem jedan faktor "toplotne bombe": paketi izuzetno vrućeg materijala koji lebde duboko na suncu prije nego što eksplodiraju i ispuštaju energiju u koronu.
Solarni vjetar
Kao što vam može reći i svatko tko je ikad imao opekotine od sunca, učinci sunca šire se izvan korone. U stvari, korona je toliko vruća i udaljena od jezgre, da sunčeva gravitacija ne može zadržati super zagrijanu plazmu - nabijene čestice struje se u prostor kao konstanta solarni vjetar.
Sunce će na kraju umrijeti
Unatoč nevjerojatnoj veličini sunca, na kraju će mu ponestati vodika koji je potreban za održavanje jezgre fuzije. Ukupni životni vijek sunca je oko 10 milijardi godina. Rođena je prije otprilike 4,6 milijardi godina, tako da ima puno vremena prije nego što će izgorjeti, ali hoće.
Sunce zrači procijenjenih 3.846 × 1026 J energije svaki dan. Pomoću tog znanja možemo procijeniti koliko se mase mora pretvarati po sekundi. Za sada ćemo vam uštedjeti više matematike; izlazi na oko 4,27 × 109 kg po sekundi, U samo tri sekunde sunce troši približno onoliko mase koliko čini Velika piramida u Gizi, dvostruko veća.
Kad mu ponestane vodika, počet će koristiti svoje teže elemente za fuziju - isparljivi proces zbog kojeg će se proširiti na 100 puta veću od svoje trenutne veličine, dok će velik dio svoje mase baciti u svemir. Kad konačno iscrpi gorivo, ostavit će iza sebe mali, izuzetno gust predmet zvan a bijeli patuljak, o veličini naše Zemlje, ali mnogo, mnogo puta gušća.