Τι αέρια δημιουργούν τον ήλιο;

Περιεχόμενο

• TL · DR (Πολύ μακρύ;
• Η Σύνθεση του Ήλιου
• Πώς ξέρουμε τι είναι ο Ήλιος;
• Ξεκίνησε η πυρηνική σύντηξη
• Πυρηνική σύντηξη: Μετατρέποντας τη μάζα σε ενέργεια
• Αέρια στον ήλιο; Όχι, πλάσμα
• Η δομή του ήλιου
• Τα Στρώματα του Ήλιου
• Ηλιακός άνεμος
• Ο Ήλιος θα πεθάνει τελικά

Ο ήλιος μας, όπως και κάθε άλλο αστέρι, είναι μια γιγαντιαία σφαίρα από λαμπερό πλάσμα. Είναι ένας αυτοσυντηρούμενος θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας που παρέχει το φως και τη θερμότητα που χρειάζεται ο πλανήτης μας για να διατηρήσει τη ζωή του, ενώ η βαρύτητά του μας κρατά (και το υπόλοιπο του ηλιακού συστήματος) να απομακρυνθεί σε βαθύ χώρο.

Ο ήλιος περιέχει αρκετά αέρια και άλλα στοιχεία που εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετούν τον ήλιο, παρά το γεγονός ότι δεν έχουν πρόσβαση σε φυσικά δείγματα.

TL · DR (Πολύ μακρύ;

Τα πιο κοινά αέρια στον ήλιο, κατά μάζα, είναι: υδρογόνο (περίπου 70 τοις εκατό, ήλιο (περίπου 28 τοις εκατό), άνθρακας, άζωτο και οξυγόνο (μαζί περίπου 1,5 τοις εκατό). την ανάμιξη μίγματος ιχνοστοιχείων άλλων στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων αλλά χωρίς περιορισμό σε νέον, σίδηρο, πυρίτιο, μαγνήσιο και θείο.

Η Σύνθεση του Ήλιου

Δύο στοιχεία συνθέτουν τη συντριπτική πλειοψηφία της ύλης του ήλιου, μάζα: υδρογόνο (περίπου 70%) και ήλιο (περίπου 28%). Σημειώστε ότι αν βλέπετε διαφορετικούς αριθμούς, μην ανησυχείτε. πιθανώς βλέπετε εκτιμήσεις ανάλογα με τον συνολικό αριθμό των μεμονωμένων ατόμων. Πάμε από μάζα γιατί είναι πιο εύκολο να το σκεφτούμε.

Το επόμενο 1,5 τοις εκατό της μάζας είναι ένα μείγμα άνθρακα, αζώτου και οξυγόνου. Το τελικό 0,5 τοις εκατό είναι μια κέρας της βαρύτητας στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων, αλλά χωρίς περιορισμό: νέον, σίδηρο, πυρίτιο, μαγνήσιο και θείο.

Πώς ξέρουμε τι είναι ο Ήλιος;

Μπορεί να αναρωτιέστε πώς, ακριβώς ξέρουμε τι κάνει τον ήλιο. Μετά από όλα, κανένας άνθρωπος δεν ήταν ποτέ εκεί και κανένα διαστημικό σκάφος δεν έχει φέρει ποτέ δείγματα ηλιακής ύλης. Ο ήλιος, όμως, συνεχώς λούζει τη γη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και τα σωματίδια που απελευθερώνονται από τον πυρήνα που λειτουργεί με σύντηξη.

Κάθε στοιχείο απορροφά συγκεκριμένα μήκη κύματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (δηλαδή φως) και εκπέμπει επίσης ορισμένα μήκη κύματος όταν θερμαίνεται. Το 1802, ο επιστήμονας William Hyde Wollaston παρατήρησε ότι το ηλιακό φως που διέρχεται από ένα πρίσμα παρήγαγε το αναμενόμενο φάσμα του ουράνιου τόξου, αλλά με αξιοσημείωτες σκοτεινές γραμμές διασκορπισμένες εδώ και εκεί.

Για να δούμε καλύτερα αυτό το φαινόμενο, ο οπτικός Joseph von Fraunhofer εφευρέθηκε το πρώτο φασματόμετρο - βασικά ένα βελτιωμένο πρίσμα - που εξάπλωνε ακόμα περισσότερο τα διαφορετικά μήκη κύματος του ηλιακού φωτός, διευκολύνοντάς το να τα βλέπεις. Επίσης, διευκόλυνε να δει ότι οι σκοτεινές γραμμές του Wollastons δεν ήταν ένα τέχνασμα ή ψευδαίσθηση - φαινόταν να είναι ένα χαρακτηριστικό του ηλιακού φωτός.

Οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι αυτές οι σκοτεινές γραμμές (τώρα αποκαλούμενες γραμμές Fraunhofer) αντιστοιχούσαν στα συγκεκριμένα μήκη κύματος του φωτός που απορροφούνταν από ορισμένα στοιχεία όπως το υδρογόνο, το ασβέστιο και το νάτριο. Επομένως, αυτά τα στοιχεία πρέπει να υπάρχουν στα εξωτερικά στρώματα του ήλιου, απορροφώντας μέρος του φωτός που εκπέμπεται από τον πυρήνα.

Με την πάροδο του χρόνου, όλο και πιο εξελιγμένες μέθοδοι ανίχνευσης μας επέτρεψαν να ποσοτικοποιήσουμε την παραγωγή από τον ήλιο: ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε όλες τις μορφές της (ακτίνες Χ, ραδιοκύματα, υπεριώδες, υπέρυθρο κ.λπ.) και ροή υποατομικών σωματιδίων όπως νετρίνα. Μετρώντας το τι απελευθερώνει ο ήλιος και αυτό που απορροφά, έχουμε χτίσει μια πολύ λεπτομερή κατανόηση της σύνθεσης των ήλιων από μακριά.

Ξεκίνησε η πυρηνική σύντηξη

Είδατε τυχόν μοτίβα στα υλικά που συνθέτουν τον ήλιο; Το υδρογόνο και το ήλιο είναι τα πρώτα δύο στοιχεία του περιοδικού πίνακα: το πιο απλό και ελαφρύ. Το βαρύτερο και πιο σύνθετο στοιχείο, το λιγότερο από αυτό που βρίσκουμε στον ήλιο.

Αυτή η τάση μείωσης των ποσών καθώς κινούμαστε από ελαφρύτερα / απλούστερα σε βαρύτερα / πιο σύνθετα στοιχεία αντανακλά τον τρόπο με τον οποίο γεννιούνται τα αστέρια και τον μοναδικό τους ρόλο στο σύμπαν μας.

Αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν δεν ήταν τίποτα περισσότερο από ένα ζεστό, πυκνό σύννεφο από υποατομικά σωματίδια. Χρειάστηκαν περίπου 400.000 χρόνια ψύξης και επέκτασης για να συναντηθούν αυτά τα σωματίδια σε μορφή που θα αναγνωρίζαμε ως το πρώτο άτομο, το υδρογόνο.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, στο σύμπαν κυριαρχούν άτομα υδρογόνου και ηλίου τα οποία ήταν ικανά να σχηματίσουν αυθόρμητα μέσα στην πρωταρχική υποατομική σούπα. Αργά, αυτά τα άτομα αρχίζουν να σχηματίζουν χαλαρά συσσωματώματα.

Αυτές οι συγκεντρώσεις άσκησαν μεγαλύτερη βαρύτητα, έτσι συνέχισαν να αναπτύσσονται, τραβώντας περισσότερο υλικό από το κοντινό. Μετά από περίπου 1,6 εκατομμύρια χρόνια, μερικά από αυτά τα σύνολα έγιναν τόσο μεγάλα που η πίεση και η θερμότητα στα κέντρα τους ήταν αρκετά για να ξεκινήσει η θερμοπυρηνική σύντηξη και γεννήθηκαν τα πρώτα αστέρια.

Πυρηνική σύντηξη: Μετατρέποντας τη μάζα σε ενέργεια

Εδώ είναι το κλειδί για την πυρηνική σύντηξη: παρόλο που απαιτεί μια τεράστια ποσότητα ενέργειας για να ξεκινήσετε, η διαδικασία στην πραγματικότητα κυκλοφορίες ενέργεια.

Εξετάστε τη δημιουργία ηλίου με σύντηξη υδρογόνου: Δύο πυρήνες υδρογόνου και δύο νετρόνια συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα μόνο άτομο ηλίου, αλλά το προκύπτον ήλιο έχει στην πραγματικότητα 0,7% λιγότερη μάζα από τα αρχικά υλικά. Όπως γνωρίζετε, η ύλη δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί, έτσι ώστε η μάζα να έχει πάει κάπου. Στην πραγματικότητα μετασχηματίστηκε σε ενέργεια, σύμφωνα με την πιο γνωστή εξίσωση του Αϊνστάιν:

E = mc²

Στο οποίο μι είναι η ενέργεια σε joules (J), Μ είναι kg και kg ντο είναι η ταχύτητα του φωτός σε μέτρα / δευτερόλεπτο (m / s) - μια σταθερά. Θα μπορούσατε να βάλετε την εξίσωση σε απλά αγγλικά ως:

​ενέργεια (joules) = μάζα (χιλιόγραμμα) × ταχύτητα φωτός (μέτρα / δευτερόλεπτο)²

Η ταχύτητα του φωτός είναι περίπου 300.000.000 μέτρα / δευτερόλεπτο, πράγμα που σημαίνει ντο² έχει αξία περίπου 90.000.000.000.000.000 - δηλαδή ενενήντα τετρακισεκατομμύριον - μέτρα²/δεύτερος². Συνήθως όταν ασχολείσαι με τους αριθμούς αυτό το μεγάλο, θα τους έβαζες σε επιστημονική σημειογραφία για να εξοικονομήσεις χώρο, αλλά είναι χρήσιμο εδώ για να δεις πόσα μηδενικά έχεις να κάνεις.

Όπως μπορείτε να φανταστείτε, ακόμη και ένας μικρός αριθμός πολλαπλασιασμένος με ενενήντα τετρακύλινδρον θα καταλήξει πολύ μεγάλο. Τώρα, ας δούμε ένα γραμμάριο υδρογόνου. Για να βεβαιωθείτε ότι η εξίσωση μας δίνει μια απάντηση σε joules, θα εκφραστεί αυτή η μάζα ως 0,001 κιλά - οι μονάδες είναι σημαντικές. Έτσι, αν συνδέσετε αυτές τις τιμές για τη μάζα και την ταχύτητα του φωτός:

E = (0,001 kg) (9 × 10¹⁶ Μ²/μικρό²)
E = 9 × 10¹³ J
E = 90.000.000.000.000 J

Αυτό είναι κοντά στην ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από την πυρηνική βόμβα που πέφτει στο Ναγκασάκι και περιέχεται σε ένα γραμμάριο του μικρότερου και ελαφρύτερου στοιχείου. Κατώτατη γραμμή: Το δυναμικό για παραγωγή ενέργειας με τη μετατροπή της μάζας σε ενέργεια μέσω σύντηξης είναι καταπληκτικό.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες και οι μηχανικοί προσπαθούν να βρουν έναν τρόπο να δημιουργήσουν έναν πυρηνικό αντιδραστήρα σύντηξης εδώ στη Γη. Όλοι οι πυρηνικοί μας αντιδραστήρες λειτουργούν σήμερα μέσω του πυρηνική διάσπαση, η οποία χωρίζει τα άτομα σε μικρότερα στοιχεία, αλλά είναι μια πολύ λιγότερο αποτελεσματική διαδικασία μετατροπής της μάζας σε ενέργεια.

Αέρια στον ήλιο; Όχι, πλάσμα

Ο ήλιος δεν έχει μια συμπαγή επιφάνεια όπως η γήινη φλούδα - ακόμα και να παραμερίζει τις ακραίες θερμοκρασίες, δεν θα μπορούσε να σταθεί στον ήλιο. Αντ 'αυτού, ο ήλιος αποτελείται από επτά ξεχωριστά στρώματα πλάσμα αίματος.

Το πλάσμα είναι η τέταρτη, πιο ενεργητική κατάσταση της ύλης. Ζεσταίνουμε πάγο (στερεό), και λιώνει σε νερό (υγρό). Συνεχίστε να το θερμαίνετε και αλλάζει πάλι σε υδρατμούς (αέριο).

Εάν διατηρείτε τη θέρμανση του αερίου, όμως, θα γίνει πλάσμα. Το πλάσμα είναι ένα σύννεφο ατόμων, όπως ένα αέριο, αλλά έχει εγχυθεί με τόση ενέργεια που υπήρξε ιονισμένο. Δηλαδή, τα άτομα έχουν γίνει ηλεκτρικά φορτισμένα με το να έχουν τα ηλεκτρόνια τους να χτυπήσουν χαλαρά από τις συνήθεις τροχιές τους.

Ο μετασχηματισμός από το αέριο στο πλάσμα αλλάζει τις ιδιότητες μιας ουσίας και τα φορτισμένα σωματίδια συχνά απελευθερώνουν ενέργεια ως φως. Τα φωτεινά σημάδια νέον, στην πραγματικότητα, είναι υάλινα σωληνάρια γεμάτα με ένα αέριο νέον - όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσω του σωλήνα, προκαλεί το αέριο να μετατραπεί σε ένα λαμπερό πλάσμα.

Η δομή του ήλιου

Η σφαιρική δομή του ήλιου είναι αποτέλεσμα δύο συνεχώς ανταγωνιστικών δυνάμεων: βαρύτητα από την πυκνή μάζα στο κέντρο του ήλιου που προσπαθεί να τραβήξει όλο το πλάσμα προς τα μέσα έναντι της ενέργειας από την πυρηνική σύντηξη που λαμβάνει χώρα στον πυρήνα, προκαλώντας την επέκταση του πλάσματος.

Ο ήλιος αποτελείται από επτά στρώματα: τρία εσωτερικά και τέσσερα εξωτερικά. Είναι, από το κέντρο προς τα έξω:

Τα Στρώματα του Ήλιου

Μιλήσαμε για το πυρήνας πολλά ήδη? όπου συμβαίνει η σύντηξη. Όπως θα περίμενε κανείς, εκεί θα βρεθεί η υψηλότερη θερμοκρασία στον ήλιο: περίπου 27.000.000.000 (27 εκατομμύρια) βαθμούς Φαρενάιτ.

ο ζώνη ακτινοβολίας, που μερικές φορές ονομάζεται ζώνη "ακτινοβολίας", είναι όπου η ενέργεια από τον πυρήνα ταξιδεύει προς τα έξω κυρίως ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

ο συγκολλητική ζώνη, γνωστή ως ζώνη "μεταφοράς", είναι όπου η ενέργεια μεταφέρεται κυρίως από ρεύματα εντός του πλάσματος του στρώματος. Σκεφτείτε πώς ο ατμός από ένα δοχείο βρασμού φέρει τη θερμότητα από τον καυστήρα επάνω στον αέρα πάνω από τη σόμπα και θα έχετε τη σωστή ιδέα.

Η "επιφάνεια" του ήλιου, έτσι που είναι, είναι η φωτόσφαιρα. Αυτό βλέπουμε όταν βλέπουμε τον ήλιο. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από αυτό το στρώμα είναι ορατή με γυμνό μάτι ως φως και είναι τόσο φωτεινή ώστε να κρύβει από την άποψη τα λιγότερο πυκνά εξωτερικά στρώματα.

ο χρωμόσφαιρα είναι θερμότερο από την φωσφαίρια, αλλά δεν είναι τόσο ζεστό όσο η κορώνα. Η θερμοκρασία του προκαλεί το υδρογόνο να εκπέμπει κοκκινωπό φως. Είναι συνήθως αόρατο, αλλά μπορεί να θεωρηθεί ως μια κοκκινωπή λάμψη που περιβάλλει τον ήλιο όταν μια ολική έκλειψη κρύβει τη φωσφαίρα.

ο μεταβατική ζώνη είναι ένα λεπτό στρώμα όπου οι θερμοκρασίες μεταβάλλονται δραματικά από τη χρωμόσφαιρα στην κορώνα. Είναι ορατό σε τηλεσκόπια που μπορούν να ανιχνεύσουν υπεριώδη (UV) φως.

Τέλος, το στέμμα είναι το εξώτατο στρώμα του ήλιου και είναι εξαιρετικά ζεστό - εκατοντάδες φορές θερμότερο από τη φωσφαίρια - αλλά αόρατο με γυμνό μάτι εκτός από την πλήρη έκλειψη, όταν εμφανίζεται ως λεπτή λευκή αύρα γύρω από τον ήλιο. Ακριβώς Γιατί είναι τόσο ζεστό, είναι ένα μυστήριο, αλλά τουλάχιστον ένας παράγοντας φαίνεται να είναι "βόμβες θερμότητας": πακέτα εξαιρετικά καυτού υλικού που επιπλέουν από βαθιά στον ήλιο πριν εκραγούν και απελευθερώσουν ενέργεια στην κορώνα.

Ηλιακός άνεμος

Όπως μπορεί να σας πει ο καθένας που είχε ποτέ ηλιακό έγκαυμα, οι επιδράσεις του ήλιου εκτείνονται πολύ πέρα ​​από το στέμμα. Στην πραγματικότητα, το κορώνα είναι τόσο ζεστό και απομακρυσμένο από τον πυρήνα ότι η βαρύτητα του ήλιου δεν μπορεί να συγκρατήσει τα υπεραγμένα θερμικά φορτισμένα σωματίδια που ρέουν στο διάστημα ως σταθερά ηλιακός άνεμος.

Ο Ήλιος θα πεθάνει τελικά

Παρά το απίστευτο μέγεθος του ήλιου, τελικά θα εξαντληθεί το υδρογόνο που χρειάζεται για να διατηρήσει τον πυρήνα σύντηξης. Ο ήλιος έχει προβλεφθεί συνολική διάρκεια ζωής περίπου 10 δισεκατομμυρίων ετών. Γεννήθηκε πριν από περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, οπότε υπάρχει αρκετός χρόνος πριν το κάψιμο, αλλά θα το κάνει.

Ο ήλιος ακτινοβολεί περίπου 3.846 × 10²⁶ J της ενέργειας κάθε μέρα. Με αυτές τις γνώσεις μπορούμε να υπολογίσουμε πόση μάζα πρέπει να μετατρέψουμε ανά δευτερόλεπτο. Θα σας εξοικονομήσουμε περισσότερα μαθηματικά για τώρα. έρχεται περίπου σε 4,27 × 10⁹ κιλό ανά δευτερόλεπτο. Σε μόλις τρία δευτερόλεπτα, ο ήλιος καταναλώνει περίπου την ίδια μάζα με τη Μεγάλη Πυραμίδα της Γκίζας, δύο φορές πάνω.

Όταν εξαντληθεί το υδρογόνο, θα αρχίσει να χρησιμοποιεί τα βαρύτερα στοιχεία της σύντηξης - μια πτητική διαδικασία που θα την κάνει να επεκταθεί σε 100 φορές το σημερινό της μέγεθος, ενώ θα εκτοξεύσει μεγάλο μέρος της μάζας του στο διάστημα. Όταν εξαντλείται τελικά το καύσιμο, θα αφήσει πίσω του ένα μικρό, εξαιρετικά πυκνό αντικείμενο που ονομάζεται a άσπρος νάνος, για το μέγεθος της γης μας, αλλά πολλές, πολλές φορές πυκνότερες.