Hvilke gasser utgjør solen?

Innhold

• TL; DR (for lang; ikke lest)
• Solens sammensetning
• Hvordan vet vi hva solen er laget av?
• Komme i gang kjernefusjon
• Nuclear Fusion: Turning Masso To Energy
• Gasser på solen? Nope, plasma
• Solens struktur
• Solens lag
• Sol-vind
• Sola vil til slutt dø

Solen vår, som alle andre stjerner, er en gigantisk ball med glødende plasma. Det er en selvopprettholdende termonukleær reaktor som gir lyset og varmen som planeten vår trenger for å opprettholde liv, mens dens tyngdekraft holder oss (og resten av solsystemet) fra å snurre inn i det dype rommet.

Solen inneholder flere gasser og andre elementer som avgir elektromagnetisk stråling, slik at forskere kan studere solen til tross for at de ikke har tilgang til fysiske prøver.

TL; DR (for lang; ikke lest)

De vanligste gassene i solen, etter masse, er: hydrogen (ca. 70 prosent, helium (ca. 28 prosent), karbon, nitrogen og oksygen (til sammen ca. 1,5 prosent). Resten av solens masse (0,5 prosent) er laget opp av en blanding av spormengder av andre elementer, inkludert men ikke begrenset til neon, jern, silisium, magnesium og svovel.

Solens sammensetning

To elementer utgjør det overveldende flertallet av solens materie, etter masse: hydrogen (ca. 70 prosent) og helium (ca. 28 prosent). Merk at hvis du ser forskjellige tall, ikke kjør deg; vil du sannsynligvis se estimater i henhold til det totale antallet individuelle atomer. Vi går masse fordi det er lettere å tenke på.

De neste 1,5 prosent av massen er en blanding av karbon, nitrogen og oksygen. De siste 0,5 prosent er et overflødighetshorn av tyngre elementer, inkludert, men ikke begrenset til: neon, jern, silisium, magnesium og svovel.

Hvordan vet vi hva solen er laget av?

Du lurer kanskje på hvordan vi vet nøyaktig hva som utgjør solen. Tross alt har ingen mennesker noen gang vært der, og ingen romskip har noen gang brakt tilbake prøver av solstoff. Sola bader imidlertid stadig jorden i elektromagnetisk stråling og partikler frigjort av dens fusjonsdrevne kjerne.

Hvert element absorberer visse bølgelengder av elektromagnetisk stråling (dvs. lys), og avgir på samme måte visse bølgelengder når de varmes opp. I 1802 la forskeren William Hyde Wollaston merke til at sollys som passerte gjennom et prisme produserte det forventede regnbuespekteret, men med bemerkelsesverdige mørke linjer spredt her og der.

For å få et bedre blikk på dette fenomenet, oppfant optikeren Joseph von Fraunhofer det første spektrometeret - i utgangspunktet et forbedret prisme - som spredte de forskjellige bølgelengdene til sollys enda mer, og gjorde dem lettere å se. Det gjorde det også lettere å se at Wollastons mørke linjer ikke var et triks eller en illusjon - de så ut til å være et trekk ved sollys.

Forskere fant ut at de mørke linjene (nå kalt Fraunhofer-linjer) tilsvarte de spesifikke bølgelengdene til lys absorbert av visse elementer som hydrogen, kalsium og natrium. Derfor må disse elementene være til stede i de ytre lagene av solen, og absorbere noe av lyset som blir avgitt av kjernen.

Over tid har stadig mer sofistikerte deteksjonsmetoder gjort det mulig for oss å kvantifisere utgangen fra solen: elektromagnetisk stråling i alle dens former (røntgenstråler, radiobølger, ultrafiolett, infrarød og så videre) og strømmen av subatomære partikler som nøytrinoer. Ved å måle hva solen slipper ut og hva den tar opp, har vi bygget en veldig grundig forståelse av solens sammensetning på lang avstand.

Komme i gang kjernefusjon

Har du tilfeldigvis lagt merke til noen mønstre i materialene som utgjør solen? Hydrogen og helium er de to første elementene på det periodiske systemet: det enkleste og letteste. Jo tyngre og mer sammensatt element, jo mindre av det finner vi i solen.

Denne trenden med synkende mengder når vi beveger oss fra lettere / enklere til tyngre / mer komplekse elementer gjenspeiler hvordan stjerner blir født og deres unike rolle i vårt univers.

I umiddelbar kjølvannet av Big Bang var universet ikke annet enn en varm, tett sky av subatomære partikler. Det tok nesten 400 000 år med avkjøling og utvidelse for disse partiklene å komme sammen i en form vi ville kjenne igjen som det første atomet, hydrogen.

I lang tid ble universet dominert av hydrogen og heliumatomer som var i stand til å danne seg spontant innenfor den primordiale subatomære suppen. Sakte begynner disse atomene å danne løse aggregeringer.

Disse aggregasjonene utøvde større tyngdekraft, så de fortsatte å vokse og hente inn mer materiale fra nærheten. Etter omtrent 1,6 millioner år ble noen av disse aggregasjonene så store at trykket og varmen i deres senter var var nok til å avsparke termonukleær fusjon, og de første stjernene ble født.

Nuclear Fusion: Turning Masso To Energy

Her er nøkkelen med kjernefusjon: selv om det krever en enorm mengde energi for å komme i gang, er prosessen faktisk utgivelser energi.

Vurder skapelsen av helium via hydrogensmelting: To hydrogenkjerner og to nøytroner kombineres for å danne et enkelt heliumatom, men det resulterende helium har faktisk 0,7 prosent mindre masse enn utgangsmaterialene. Som kjent kan materie verken skapes eller ødelegges, slik at masse må ha gått et sted. Faktisk ble den transformert til energi, ifølge Einsteins mest berømte ligning:

E = mc²

I hvilken E er energi i joules (J), m er masse kilogram (kg) og c er lysets hastighet i meter / sekund (m / s) - en konstant. Du kan sette ligningen på vanlig engelsk som:

​energi (joules) = masse (kilogram) × lysets hastighet (meter / sekund)²

Lysets hastighet er omtrent 300.000.000 meter / sekund, noe som betyr c² har en verdi på omtrent 90 000 000 000 000 000 000 - det er nitti quadrillion - meter²/sekund². Normalt når du arbeider med så store tall, vil du sette dem i vitenskapelig notasjon for å spare plass, men det er nyttig her å se hvor mange nuller du har å gjøre med.

Som du kan forestille deg, til og med et bittelitt tall multiplisert med nitti firemillioner kommer til å ende opp veldig stort. La oss se på ett gram hydrogen. For å sikre at ligningen gir oss et svar i joules, uttrykker vi denne massen som 0,001 kg - enheter er viktige. Så hvis du kobler til disse verdiene for masse og lyshastighet:

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

Det er nær mengden energi frigitt av atombomben som ble sluppet på Nagasaki, inneholdt i et gram av det minste, letteste elementet. Poenglinjen: Potensialet for energiproduksjon ved å konvertere masse til energi via fusjon er ufattelig.

Dette er grunnen til at forskere og ingeniører har prøvd å finne ut en måte å lage en atomfusjonsreaktor her på jorden. Alle atomreaktorene våre fungerer i dag atomfisjon, som deler atomer opp i mindre elementer, men er en mye mindre effektiv prosess for å konvertere masse til energi.

Gasser på solen? Nope, plasma

Solen har ikke en solid overflate som jordskorpen - selv hvis du setter de ekstreme temperaturene til side, kunne du ikke stå på solen. I stedet består solen av syv forskjellige lag med plasma.

Plasma er den fjerde, mest energiske sakstilstanden. Varm opp is (fast stoff), og den smelter til vann (væske). Fortsett å varme den opp, og den endres igjen til vanndamp (gass).

Hvis du fortsetter å varme opp den gassen, blir den imidlertid plasma. Plasma er en sky av atomer, som en gass, men det har blitt tilført så mye energi at det har vært ionisert. Det vil si at atomene har blitt elektrisk ladet ved å få elektronene sine slått løs fra sine vanlige baner.

Transformasjonen fra gass til plasma endrer et stoffs egenskaper, og de ladede partiklene frigjør ofte energi som lys. Glødende neonskilt er faktisk glassrør fylt med en neongass - når en elektrisk strøm føres gjennom røret, får den gassen til å bli en glødende plasma.

Solens struktur

Solens sfæriske struktur er et resultat av to konstant konkurrerende krefter: tyngde fra den tette massen i solens sentrum og prøver å trekke all sin plasma innover mot energi fra kjernefusjonen som foregår i kjernen, og får plasmaet til å utvide seg.

Solen består av syv lag: tre indre og fire ytre. De er fra sentrum utover:

Solens lag

Vi har snakket om kjerne mye allerede; det er der fusjon finner sted. Som du kan forvente, er det her du finner den høyeste temperaturen på solen: rundt 27.000.000.000 (27 millioner) grader Fahrenheit.

De strålingssone, noen ganger kalt "stråling" -sone, er det der energi fra kjernen reiser utover primært som elektromagnetisk stråling.

De konvektiv sone, også kjent som "konveksjon" sone, er der energien føres primært av strømmer i lagets plasma. Tenk på hvordan damp fra en kokende gryte fører varme fra brenneren opp i luften over komfyren, og du har den rette ideen.

Solens "overflate", slik at den er, er den foto. Dette er hva vi ser når vi ser på solen. Den elektromagnetiske strålingen som dette laget avgir, er synlig for det blotte øye som lys, og den er så lys at den skjuler de mindre tette ytre lagene for synet.

De kromosfæren er varmere enn fotosfæren, men den er ikke så varm som koronaen. Temperaturen fører til at hydrogen avgir rødlig lys. Det er vanligvis usynlig, men kan sees på som en rødlig glød som omgir solen når en total formørkelse skjuler fotosfæren.

De overgangssone er et tynt lag der temperaturene skifter dramatisk fra kromosfæren til koronaen. Det er synlig for teleskoper som kan oppdage ultrafiolett (UV) lys.

Endelig corona er det ytterste laget av solen og er ekstremt varmt - hundrevis av ganger varmere enn fotosfæren - men usynlig for det blotte øye bortsett fra under en total formørkelse, når den fremstår som en tynn hvit aura rundt solen. Nøyaktig Hvorfor det er så varmt er litt av et mysterium, men minst en faktor ser ut til å være "varmebomber": pakker med ekstremt varmt materiale som flyter opp fra dypt i solen før de eksploderer og slipper energi ut i koronaen.

Sol-vind

Som alle som noen gang har hatt en solbrenthet kan fortelle deg, strekker effekten av solen seg langt utover koronaen. Faktisk er koronaen så varm og fjern fra kjernen at solens tyngdekraft ikke kan holde tak i det superoppvarmede plasmaet - ladede partikler strømmer ut i verdensrommet som en konstant sol-vind.

Sola vil til slutt dø

Til tross for solens utrolige størrelse, vil den til slutt gå tom for hydrogenet den trenger for å opprettholde fusjonens kjerne. Solen har en forventet total levetid på rundt 10 milliarder år. Den ble født for rundt 4,6 milliarder år siden, så det er en god stund før det vil brenne ut, men det vil det.

Solen stråler anslagsvis 3.846 × 10²⁶ J med energi hver dag. Med den kunnskapen kan vi estimere hvor mye masse det må konverteres per sekund. Vi sparer deg for mer matte for nå; den kommer ut på rundt 4,27 × 10⁹ kg per sekund. På bare tre sekunder bruker solen omtrent like mye masse som utgjør den store pyramiden i Giza, to ganger over.

Når det går tom for hydrogen, vil det begynne å bruke de tyngre elementene til fusjon - en flyktig prosess som får den til å utvide seg til 100 ganger sin nåværende størrelse, mens den spruter mye av massen ut i verdensrommet. Når den til slutt tømmer drivstoffet sitt, vil det etterlate seg en liten, ekstremt tett gjenstand som kalles a hvit dverg, omtrent på størrelse med jorden vår, men mange, mange ganger mer tette.