Які гази складають сонце?

Зміст

• TL; DR (Занадто довго; Не читав)
• Сонячний склад
• Як ми знаємо, з чого складається сонце?
• Початок роботи ядерного синтезу
• Ядерний синтез: перетворення маси на енергію
• Гази на Сонце? Ні, плазма
• Будова Сонця
• Шари Сонця
• Сонячний вітер
• Сонце згодом помре

Наше сонце, як і будь-яка інша зірка, - це гігантська кулька світиться плазми. Це самостійкий термоядерний реактор, який забезпечує світло і тепло, необхідні нашій планеті для підтримання життя, в той час як її сила тяжіння утримує нас (і решту Сонячної системи) від вивертання в глибокий космос.

Сонце містить кілька газів та інших елементів, які виділяють електромагнітне випромінювання, дозволяючи вченим вивчати сонце, незважаючи на відсутність доступу до фізичних зразків.

TL; DR (Занадто довго; Не читав)

Найпоширенішими газами на сонці за масою є: водень (близько 70 відсотків, гелій (близько 28 відсотків), вуглець, азот і кисень (разом близько 1,5 відсотка). Залишок маси сонця (0,5 відсотка) виробляється до складу суміші мікроелементів інших елементів, включаючи неонові, залізо, кремній, магній та сірку, але не обмежуючись ними.

Сонячний склад

Два елементи складають переважну більшість маси сонця за масою: водень (близько 70 відсотків) та гелій (близько 28 відсотків). Зауважте, якщо ви бачите різні цифри, не біда; ви, мабуть, бачите оцінки відповідно до загальної кількості окремих атомів. Ми йдемо масово, тому що про це легше думати.

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

Як ми знаємо, з чого складається сонце?

Вам може бути цікаво, як саме ми знаємо, з чого складається сонце. Зрештою, жодної людини там ніколи не було, і жоден космічний корабель ніколи не повертав зразків сонячної речовини. Однак сонце постійно купає землю електромагнітне випромінювання і частинки, що виділяються його живленням, що працює на синтезі.

Кожен елемент поглинає певну довжину хвилі електромагнітного випромінювання (тобто світло), а також випромінює певну довжину хвилі при нагріванні. У 1802 р. Вчений Вільям Гайд Волластон зауважив, що сонячне світло, що проходить крізь призму, створює очікуваний спектр веселки, але з помітними темними лініями, розсіяними тут і там.

Щоб краще ознайомитися з цим явищем, оптик Джозеф фон Фраунгофер винайшов перший спектрометр - в основному вдосконалену призму -, який ще більше поширював різні довжини хвиль сонячного світла, полегшуючи їх бачення. Це також полегшило побачити, що темні лінії Волластона не були хитрістю чи ілюзією - вони, здається, були особливістю сонячного світла.

Вчені з'ясували, що ті темні лінії (тепер їх називають лініями Фраунгофера) відповідають певній довжині хвилі світла, поглиненого певними елементами, такими як водень, кальцій та натрій. Тому ці елементи повинні бути присутніми у зовнішніх шарах сонця, поглинаючи частину світла, що випромінюється ядром.

З часом все більш досконалі методи виявлення дозволили нам кількісно оцінити вихід із Сонця: електромагнітне випромінювання у всіх його формах (рентгенівські промені, радіохвилі, ультрафіолетове, інфрачервоне тощо) та потік субатомних частинок, як нейтрино. Виміряючи, що виділяє сонце і що воно поглинає, ми створили дуже глибоке розуміння складу сонця здалеку.

Початок роботи ядерного синтезу

Чи траплялось вам помічати якісь візерунки в матеріалах, що складають сонце? Водень і гелій - це перші два елементи періодичної таблиці: найпростіший і найлегший. Чим важчий і складніший елемент, тим менше його ми знаходимо на сонці.

Ця тенденція зменшення кількості, переходячи від легших / простіших до важчих / складніших елементів, відображає народження зірок та їх унікальну роль у нашому Всесвіті.

Безпосередньо після Великого вибуху всесвіт була 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 визнали б першим атомом водню.

Тривалий час у Всесвіті панували атоми водню та гелію, які змогли утворитися мимовільно всередині первинного субатомного супу. Повільно ці атоми починають утворювати пухкі агрегації.

Ці агрегати проявляли велику вагу, тому вони продовжували рости, тягнучи все більше матеріалу з неподалік. Приблизно через 1,6 мільйона років деякі з цих агрегацій стали настільки великими, що тиску і тепла в їхніх центрах було достатньо, щоб почати термоядерний синтез, і народилися перші зірки.

Ядерний синтез: перетворення маси на енергію

Ось ключова річ щодо ядерного синтезу: хоча для його роботи потрібна величезна кількість енергії, процес фактично випуски енергія.

Розглянемо можливість створення гелію шляхом синтезу водню: два водневих ядра та два нейтрони об'єднуються, утворюючи єдиний атом гелію, але отриманий гелій насправді має 0,7 відсотка менше маси, ніж вихідні матеріали. Як відомо, матерію не можна ні створити, ні знищити, так що маса, мабуть, кудись пішла. Насправді це було перетворено на енергію, згідно з найвідомішим рівнянням Ейнштейна:

E = mc²

В якій Е - енергія в джоулях (J), м - маса кілограмів (кг) і c - швидкість світла в метрах / секунді (м / с) - константа. Ви можете поставити рівняння звичайною англійською мовою як:

​енергія (джоулі) = маса (кілограми) × швидкість світла (метри в секунду)²

Швидкість світла приблизно 300 000 000 метрів в секунду, це означає c² має значення приблизно 90 000 000 000 000 000 - це дев'яносто квадрильйон - метрів²/ секунду². Зазвичай, маючи такі великі числа, ви вводите їх у наукові позначення, щоб заощадити місце, але тут корисно побачити, скільки нулів ви маєте справу.

Як ви можете уявити, навіть крихітне число, помножене на дев'яносто квадрильйонів в кінцевому підсумку дуже великий. Тепер давайте розглянемо один грам водню. Щоб переконатися, що рівняння дає нам відповідь в джоулях, ми виразимо цю масу як 0,001 кілограм - важливі одиниці. Отже, якщо ви підключите ці значення для маси та швидкості світла:

Е = (0,001 кг) (9 × 10¹⁶ м²/ с²)
E = 9 × 10¹³ J
Е = 90 000 000 000 000 Дж

Це близько до кількості енергії, що виділяється ядерною бомбою, викинутою на Нагасакі, що міститься в одному грамі найменшого, найлегшого елемента. Підсумок: Потенціал для вироблення енергії шляхом перетворення маси в енергію за допомогою синтезу є вражаючим.

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

Гази на Сонце? Ні, плазма

Сонце не має твердої поверхні, як земна кора - навіть не відкладаючи екстремальних температур, ви не могли стояти на сонці. Натомість сонце складається з семи чітких шарів плазма.

Плазма - четвертий, найбільш енергійний стан речовини. Нагрівається лід (твердий), і він тане у воді (рідині). Продовжуйте нагрівати його, і він знову перетворюється на водяну пару (газ).

Якщо ви продовжите нагрівати цей газ, він стане плазмою. Плазма - це хмара атомів, подібно до газу, але вона просякнута такою кількістю енергії, що й була іонізований. Тобто, його атоми стали електрично зарядженими, коли їхні електрони вибиті зі звичайних орбіт.

Перетворення від газу до плазми змінює властивості речовини, і заряджені частинки часто вивільняють енергію у вигляді світла. Світяться неонові знаки, насправді - скляні трубки, наповнені неоновим газом - коли електричний струм пропускається через трубку, це змушує газ перетворюватися у світиться плазму.

Будова Сонця

Сферична структура Сонця є результатом двох постійно конкуруючих сил: сила тяжіння від щільної маси в центрі Сонця, що намагається втягнути всю свою плазму всередину та енергію від ядерного синтезу, що відбувається в ядрі, внаслідок чого плазма розширюється.

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

Шари Сонця

Ми говорили про те серцевина вже багато; саме там відбувається злиття. Як і слід було очікувати, саме там ви знайдете найвищу температуру на сонці: приблизно 27 000 000 000 (27 мільйонів) градусів Фаренгейта.

The радіаційна зона, яку іноді називають зоною "випромінювання" - це місце, де енергія з ядра рухається назовні, насамперед, як електромагнітне випромінювання.

The конвективна зонатакож називається зоною "конвекції", де енергія переноситься головним чином струмами всередині плазми шару. Подумайте, як пара з киплячого горщика переносить тепло від пальника вгору над плитою, і ви матимете правильну ідею.

"Поверхня" сонця, така, якою вона є, є фотосфера. Це ми бачимо, коли дивимось на сонце. Електромагнітне випромінювання, що випромінюється цим шаром, видно неозброєним оком як світло, і воно настільки яскраве, що приховує від погляду менш щільні зовнішні шари.

The хромосфери гарячіша за фотосферу, але вона не така гаряча, як корона. Його температура викликає виділення водню червонуватого світла. Зазвичай це непомітно, але його можна побачити як червонувате сяйво, яке оточує сонце, коли повне затемнення приховує фотосферу.

The перехідна зона являє собою тонкий шар, де температури різко зміщуються від хромосфери до корони. Це видно телескопам, які можуть виявляти ультрафіолетове (УФ) світло.

Нарешті, корона є самим зовнішнім шаром сонця і надзвичайно гарячим - у сотні разів спекотнішим, ніж фотосфера, але невидимим неозброєним оком, за винятком повного затемнення, коли воно навколо сонця виглядає як тонка біла аура. Саме так чому так гаряче - це таємниця, але принаймні один фактор, здається, "теплові бомби": пакети надзвичайно гарячого матеріалу, які пливуть з-під глибини сонця, перш ніж вибухнути і випустити енергію в корону.

Сонячний вітер

Як може сказати вам кожен, хто коли-небудь мав сонячний опік, вплив сонця поширюється далеко за межі корони. Насправді корона настільки гаряча і віддалена від ядра, що гравітація Сонця не може утримувати перегріту плазму - заряджені частинки стікають у космос як постійні сонячний вітер.

Сонце згодом помре

Незважаючи на неймовірні розміри Сонця, зрештою у нього вичерпається водень, необхідний для підтримання його ядра синтезу. Загальний тривалість життя сонця - близько 10 мільярдів років. Він народився близько 4,6 мільярда років тому, тож ще досить часу, перш ніж він вигорить, але буде.

Сонце випромінює приблизно 3.846 × 10²⁶ J енергії щодня. За допомогою цих знань ми можемо оцінити, яку масу вона повинна перетворювати за секунду. Ми зараз пощадимо вас більше математики; він виходить приблизно в 4,27 × 10⁹ кг за секунду. Всього за три секунди сонце споживає приблизно стільки ж маси, скільки складає Велику піраміду Гізи, вдвічі більше.

Коли йому не вистачає водню, він почне використовувати свої більш важкі елементи для синтезу - летючий процес, який змусить його розширитися до 100 разів більше, ніж поточний розмір, одночасно виводячи значну частину його маси в космос. Коли він остаточно вичерпає пальне, він залишить після себе невеликий надзвичайно щільний предмет, який називається a білий карлик, про розмір нашої Землі, але багато, багато разів більш щільна.