Mitkä kaasut muodostavat auringon?

Sisältö

• TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
• Auringon koostumus
• Kuinka tiedämme mistä aurinko on valmistettu?
• Ydinfuusion aloittaminen
• Ydinfuusio: Massan muuttaminen energiaksi
• Kaasut auringossa? Ei, plasma
• Auringon rakenne
• Auringon kerrokset
• Aurinkotuuli
• Aurinko kuolee lopulta

Aurinkomme, kuten kaikki muutkin tähdet, on jättimäinen plasma hehkuva plasma. Se on itsensä ylläpitävä lämpöydinreaktori, joka tarjoaa valon ja lämmön, jota planeettamme tarvitsee elämän ylläpitämiseksi, kun taas sen painovoima estää meitä (ja muuta aurinkokuntaa) pyörimästä syvään avaruuteen.

Aurinko sisältää useita kaasuja ja muita elementtejä, jotka lähettävät sähkömagneettista säteilyä, jolloin tutkijat voivat tutkia aurinkoa huolimatta siitä, että he eivät pääse fyysisiin näytteisiin.

TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)

Auringon yleisimmät kaasut massan mukaan ovat: vety (noin 70 prosenttia, helium (noin 28 prosenttia), hiili, typpi ja happi (yhdessä noin 1,5 prosenttia). Loppuosa auringon massasta (0,5 prosenttia) valmistetaan koostuu hienojen määrien seoksesta muita alkuaineita, mukaan lukien, näihin kuitenkaan rajoittumatta, neoni, rauta, pii, magnesium ja rikki.

Auringon koostumus

Kaksi elementtiä muodostavat valtaosan auringon aineesta massan mukaan: vety (noin 70 prosenttia) ja helium (noin 28 prosenttia). Huomaa, että jos näet erilaisia ​​numeroita, älä raivo; näet todennäköisesti arviot yksittäisten atomien kokonaismäärän perusteella. Mennään joukolla, koska siitä on helpompi ajatella.

Seuraava 1,5 prosenttia massasta on hiilen, typen ja hapen seosta. Viimeinen 0,5 prosenttia on raskaampia alkuaineita sisältävä runsaudensarvi, mukaan lukien, näihin kuitenkaan rajoittumatta: neoni, rauta, pii, magnesium ja rikki.

Kuinka tiedämme mistä aurinko on valmistettu?

Saatat ihmetellä, kuinka tiedämme tarkalleen mitä aurinko muodostaa. Loppujen lopuksi kukaan ihminen ei ole koskaan ollut siellä eikä mikään avaruusalusta ole koskaan tuonut takaisin näytteitä aurinkoaineista. Aurinko kylpee kuitenkin maata jatkuvasti elektromagneettinen säteily ja hiukkaset, jotka vapautuvat sen fuusiokäyttöisestä ytimestä.

Jokainen elementti absorboi tietyt sähkömagneettisen säteilyn (ts. Valon) aallonpituudet ja emittoi samoin tiettyjä aallonpituuksia kuumennettaessa. Vuonna 1802 tutkija William Hyde Wollaston huomasi, että prisman läpi kulkeva auringonvalo tuotti odotetun sateenkaarispektrin, mutta huomattavat tummat viivat hajaantuivat tänne ja sinne.

Saadaksesi paremman kuvan näistä ilmiöistä, optikko Joseph von Fraunhofer keksi ensimmäisen spektrometrin - pohjimmiltaan parannetun prisman -, joka levittää auringonvalon eri aallonpituuksia entistä enemmän, mikä tekee niistä helpommin havaittavissa. Sen avulla oli myös helpompaa nähdä, että Wollastonsin tummilla viivoilla oli temppu tai illuusio - ne näyttivät olevan auringonvalon ominaisuus.

Tutkijat selvittivät, että nuo tummat viivat (joita nyt kutsutaan Fraunhofer-viivoiksi) vastasivat tiettyjen elementtien, kuten vedyn, kalsiumin ja natriumin, absorboimaa valon erityistä aallonpituutta. Siksi näiden elementtien on oltava läsnä auringon ulkokerroksissa, ne absorboivat osan ytimen lähettämästä valosta.

Ajan myötä yhä kehittyneemmät havaintomenetelmät ovat antaneet meille mahdollisuuden mitata auringon säteily: kaikessa muodossaan oleva sähkömagneettinen säteily (röntgensäteet, radioaallot, ultravioletti, infrapuna ja niin edelleen) ja subatomisten hiukkasten, kuten neutriinojen, virtaus. Mittaamalla mitä aurinko vapauttaa ja mitä se imee, olemme rakentaneet hyvin perusteellisen käsityksen aurinkojen koostumuksesta kaukaa.

Ydinfuusion aloittaminen

Huomasitko jotain kuvioita auringon muodostavissa materiaaleissa? Vety ja helium ovat kausittaisen taulukon kaksi ensimmäistä elementtiä: yksinkertaisin ja kevyin. Mitä raskaampi ja monimutkaisempi elementti, sitä vähemmän sitä löydämme auringossa.

Tämä suuntaus vähentyvistä määristä siirryttäessä kevyemmistä / yksinkertaisista raskaampiin / monimutkaisempiin elementteihin heijastaa kuinka tähdet syntyvät ja niiden ainutlaatuista roolia universumissamme.

Ison räjähdyksen välittömässä seurauksessa maailmankaikkeus ei ollut muuta kuin kuuma, tiheä alaatomien hiukkasten pilvi. Kesti melkein 400 000 vuotta jäähdytystä ja laajentumista, jotta nämä hiukkaset saapuivat muotoon, jonka tunnustamme ensimmäiseksi atomiksi, vety.

Kauan aikaa maailmankaikkeutta hallitsivat vety- ja heliumiatomit, jotka pystyivät muodostumaan spontaanisti alkukykyisen subatomisen keiton sisällä. Hitaasti nämä atomit alkavat muodostaa löysät aggregaatiot.

Nämä aggregaatiot käyttivät suurempaa painovoimaa, joten ne jatkoivat kasvuaan vetämällä enemmän materiaalia lähistöltä. Noin 1,6 miljoonan vuoden kuluttua jotkut näistä aggregaatioista saivat niin suuria, että paine ja lämpö niiden keskuksissa olivat tarpeeksi käynnistämään ydinfuusio, ja ensimmäiset tähdet syntyivät.

Ydinfuusio: Massan muuttaminen energiaksi

Tässä on ydinfuusion keskeinen asia: vaikka se vaatii valtavan määrän energiaa aloittaakseen, prosessi todella tiedotteet energiaa.

Harkitse heliumin luomista vetyfuusion avulla: Kaksi vetyydintä ja kaksi neutronia muodostavat yhden heeliumatomin, mutta tuloksena olevan heliumin massa on tosiasiallisesti 0,7 prosenttia pienempi kuin lähtöaineiden. Kuten tiedät, ainetta ei voida luoda eikä tuhota, joten massan on täytynyt mennä jonnekin. Itse asiassa se muutettiin energiaksi, Einsteinin kuuluisimman yhtälön mukaan:

E = mc²

Jossa E on energia jouleina (J), m on massa kilogrammoina (kg) ja C on valon nopeus metreissä / sekunti (m / s) - vakio. Voit laittaa yhtälön suomenkieliseen muotoon seuraavasti:

​energia (jouleina) = massa (kilogrammat) × valon nopeus (metreinä / sekunti)²

Valon nopeus on noin 300 000 000 metriä sekunnissa, mikä tarkoittaa C² arvo on noin 90 000 000 000 000 000 - se on yhdeksänkymmentä Kvadriljoona - metriä²/toinen². Yleensä käsitellessään näitä suuria numeroita, laitat ne tieteellisiin merkintöihin tilan säästämiseksi, mutta tässä on hyödyllistä nähdä, kuinka monta nollaa käsittelet.

Kuten voitte kuvitella, jopa pieni luku kerrottuna yhdeksänkymmentä neljämiljoonaa on lopulta erittäin suuri. Katsotaanpa nyt yhtä grammaa vetyä. Jotta varmistetaan, että yhtälö antaa meille vastauksen jouleina, ilmaistaan ​​tämä massa 0,001 kiloa - yksiköt ovat tärkeitä. Joten, jos kytket nämä valon massan ja nopeuden arvot:

E = (0,001 kg) (9 x 10¹⁶ m²/ s²)
E = 9 x 10¹³ J
E = 90 000 000 000 000 J

Se on lähellä Nagasakiin pudotetun ydinpommin vapauttaman energian määrää, joka sisältyy yhden gramman pienimmästä, kevyimmästä elementistä. Pohjaviiva: Energiantuotantomahdollisuudet muuttamalla massa energiaksi fuusion avulla on mielenkiintoista.

Siksi tutkijat ja insinöörit ovat yrittäneet keksiä tavan luoda ydinfuusioreaktori tänne maan päälle. Kaikki nykyiset ydinreaktorimme toimivat kautta ydinfissio, joka jakaa atomit pienempiin elementteihin, mutta on paljon vähemmän tehokas prosessi massan muuntamiseksi energiaksi.

Kaasut auringossa? Ei, plasma

Auringolla ei ole kiinteää pintaa, kuten maankuoressa - edes syrjäyttämällä äärimmäiset lämpötilat, et voinut seistä auringossa. Sen sijaan aurinko koostuu seitsemästä erillisestä kerroksesta plasma.

Plasma on materiaalin neljäs, energinen. Kuumenna jää (kiinteä), ja se sulaa veteen (neste). Kuumenna sitä edelleen, ja se muuttuu jälleen vesihöyryksi (kaasuksi).

Jos jatkat kuitenkin kaasun lämmitystä, siitä tulee plasma. Plasma on atomipilvi, kuten kaasu, mutta siihen on syötetty niin paljon energiaa, että se on ollut ionisoitu. Toisin sanoen sen atomit ovat sähköisesti varautuneita saattamalla elektroneja tippumaan irti normaalista kiertoradaltaan.

Muutos kaasusta plasmaan muuttaa aineen ominaisuuksia ja varautuneet hiukkaset vapauttavat energiaa usein valona. Hehkuvat neonmerkit ovat itse asiassa neonkaasulla täytettyjä lasiputkia - kun sähkövirta kulkee putken läpi, se aiheuttaa kaasun muuttumisen hehkuvaan plasmaan.

Auringon rakenne

Auringon pallomainen rakenne on seurausta kahdesta jatkuvasti kilpailevasta voimasta: painovoima tiheästä massasta auringon keskuksessa, joka yrittää vetää kaiken plasmansa sisäänpäin verrattuna energiaan ytimessä tapahtuvasta ydinfuusiosta, aiheuttaen plasman laajentumisen.

Aurinko koostuu seitsemästä kerroksesta: kolme sisäistä ja neljä ulompaa. Ne ovat keskustasta ulospäin:

Auringon kerrokset

Olemme puhuneet aiheesta ydin paljon jo; siellä fuusio tapahtuu. Kuten odotit, sieltä löydät korkeimman lämpötilan auringossa: noin 27 000 000 000 (27 miljoonaa) astetta Fahrenheit.

säteilevä alue, jota kutsutaan joskus ”säteilyalueeksi”, on siellä, missä ydinenergia kulkee ulospäin pääasiassa sähkömagneettisena säteilynä.

konvektiivinen alue, alias, nimeltään “konvektio- vyöhyke”, on energia, jossa energiaa kuljettavat pääasiassa kerroksen plasmassa olevat virrat. Ajattele, kuinka kiehuvan potin höyry kuljettaa lämpöä polttimesta ilmaan kiukaan yläpuolella, ja sinulla on oikea idea.

Auringon "pinta" on sellainen, että se on photosphere. Tämä on mitä näemme kun katsomme aurinkoa. Tämän kerroksen lähettämä sähkömagneettinen säteily näkyy paljaalla silmällä valona ja se on niin kirkas, että se piilottaa vähemmän tiheät ulkokerrokset näkymästä.

Kromosfäärin on kuumempaa kuin valokuvasfääri, mutta se ei ole niin kuuma kuin korona. Sen lämpötila saa vetyä punertavasta valosta. Se on yleensä näkymätön, mutta voidaan nähdä punertavana hehkua aurinkoa ympäröivänä, kun totaalinen pimennys piilottaa valokehän.

siirtymävyöhyke on ohut kerros, jossa lämpötilat muuttuvat dramaattisesti kromosfääristä koronaan. Se on näkyvissä teleskoopeille, jotka voivat havaita ultraviolettivalon (UV).

Lopuksi korona on auringon uloin kerros ja on erittäin kuuma - satoja kertoja kuumempi kuin valokehä -, mutta paljaalle silmälle näkymätön, paitsi täydellisen pimennyksen aikana, kun se näkyy ohuena valkoisena aurana auringon ympärillä. Tarkalleen miksi niin kuuma on vähän mysteeri, mutta ainakin yksi tekijä näyttää olevan ”lämpöpommit”: erittäin kuumasta materiaalista koostuvat pakkaukset, jotka kelluvat syvältä auringosta ennen räjähtää ja vapauttaa energiaa koronaan.

Aurinkotuuli

Kuten kuka tahansa, jolla on koskaan ollut auringonpolttama, voi kertoa sinulle, auringon vaikutukset ulottuvat kaukana koronasta. Itse asiassa korona on niin kuuma ja etäällä ytimestä, että auringon painovoima ei voi pitää kiinni ylikuumennetusta plasmasta - varautuneet hiukkaset virtaavat avaruuteen vakiona aurinkotuuli.

Aurinko kuolee lopulta

Huolimatta auringon uskomattomasta koosta, se lopulta loppuu vedystä, jota se tarvitsee ylläpitääkseen fuusioydinsä. Auringon arvioidun elinkaaren ennustetaan olevan noin 10 miljardia vuotta. Se syntyi noin 4,6 miljardia vuotta sitten, joten on paljon aikaa ennen kuin se palaa, mutta tulee.

Aurinko säteilee arviolta 3,846 × 10²⁶ J energiaa joka päivä. Tällä tiedolla voimme arvioida, kuinka paljon massaa sen on muunnettava sekunnissa. Säästämme nyt enemmän matematiikkaa; se tulee ulos noin 4,27 × 10⁹ kg sekunnissa. Vain kolmessa sekunnissa aurinko kuluttaa noin yhtä paljon massaa kuin kaksinkertainen Gisan suuri pyramidi.

Kun vety loppuu, se alkaa käyttää raskaampia elementtejään fuusioon - haihtuva prosessi, joka saa sen laajentumaan 100-kertaiseksi nykyiseen kokoonsa viettäen samalla suuren osan massastaan ​​avaruuteen. Kun se lopulta käyttää polttoainetta, se jättää taakse pienen, erittäin tiheän esineen, nimeltään a valkoinen kääpiö, noin koko maapallomme, mutta monta, monta kertaa tiheämpää.