Tartalom
- TL; DR (túl hosszú; nem olvastam)
- A Nap összetétele
- Honnan tudjuk, miből készül a nap?
- Megkezdődött a nukleáris fúzió
- Nukleáris fúzió: a tömeg energiává tétele
- Gázok a napon? Nem, plazma
- A nap szerkezete
- A nap rétegei
- Napszél
- A Nap végül meghal
Napunk, mint minden más csillag, egy izzó plazma hatalmas gömbje. Ez egy önfenntartó termonukleáris reaktor, amely biztosítja a bolygónk számára az élet fenntartásához szükséges fényt és hőt, miközben gravitációja megakadályoz minket (és a Naprendszer többi részét) attól, hogy a mély űrbe visszapattanjon.
A nap számos gázt és más elemet tartalmaz, amelyek elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, lehetővé téve a tudósok számára, hogy a napot tanulmányozzák annak ellenére, hogy nem férnek hozzá a fizikai mintákhoz.
TL; DR (túl hosszú; nem olvastam)
A napban a leggyakoribb gázok a következők: hidrogén (kb. 70%, hélium (kb. 28%), szén, nitrogén és oxigén (összesen körülbelül 1,5%). A nap többi részének (0,5%) más elemek nyomnyi mennyiségű keverékéből, beleértve, de nem kizárólag a neont, a vasat, a szilíciumot, a magnéziumot és a ként.
A Nap összetétele
Két elem alkotja a nap anyagának túlnyomó részét tömeg szerint: hidrogén (kb. 70%) és hélium (kb. 28%). Vegye figyelembe, hogy ha eltérő számokat lát, ne aggódjon; valószínűleg látni fogja az egyes atomok teljes száma szerinti becsléseket. Mi tömegben megyünk, mert könnyebb gondolkodni.
A következő 1,5% tömeg a szén, a nitrogén és az oxigén keveréke. A végső 0,5% a nehezebb elemek kukoricopópiája, ideértve, de nem kizárólag: neont, vasat, szilíciumot, magnéziumot és ként.
Honnan tudjuk, miből készül a nap?
Kíváncsi lehet, hogyan tudjuk pontosan tudni, hogy mi képezi a napot. Végül is soha nem volt ott ember, és egyetlen űrhajó sem hozott vissza napelemes mintákat. A nap azonban folyamatosan füröli a földet elektromágneses sugárzás és a fúziós hajtású magja által kibocsátott részecskék.
Minden elem elnyeli az elektromágneses sugárzás bizonyos hullámhosszait (azaz a fényt), és hevítéskor hasonló hullámhosszokat bocsát ki. 1802-ben William Hyde Wollaston tudós észrevette, hogy a prizmán áthaladó napfény a várt szivárvány spektrumot hozza létre, ám itt-ott szétszórt sötét vonalak vannak.
Ennek a jelenségnek a jobb megismerése érdekében Joseph von Fraunhofer optikus találta ki az első spektrométert - alapvetően egy javított prizmát -, amely még jobban eloszlatja a napfény különböző hullámhosszait, könnyebben láthatóvá. Ezenkívül megkönnyítette annak észlelését, hogy a Wollastons sötét vonalai trükköt vagy illúziót tartalmaznak - úgy tűnt, hogy a napfény jellemzője.
A tudósok kitalálták, hogy ezek a sötét vonalak (ma Fraunhofer vonalaknak nevezik) megfelelnek bizonyos elemek, például a hidrogén, a kalcium és a nátrium által elnyelt fény specifikus hullámhosszának. Ezért ezeknek az elemeknek jelen kell lenniük a nap külső rétegeiben, elnyelve a mag által kibocsátott fény egy részét.
Az idő múlásával az egyre kifinomultabb detektálási módszerek lehetővé tették számunkra, hogy mennyiségileg meghatározzuk a Nap által kibocsátott energiát: az elektromágneses sugárzást annak minden formájában (röntgen, rádióhullámok, ultraibolya, infravörös és így tovább), valamint az olyan szubatomos részecskék áramlását, mint a neutrinók. Annak megmérésével, hogy a nap mit bocsát ki és mit szív fel, messziről megértettük a napok összetételét messziről.
Megkezdődött a nukleáris fúzió
Volt valami olyan mintázat az anyagban, amelyek a napot alkotják? A hidrogén és a hélium az első két elem a periódusos rendszerben: a legegyszerűbb és a legkönnyebb. Minél nehezebb és összetettebb elem, annál kevesebbet találunk a napban.
A könnyebb / egyszerűbbről a nehezebbre / komplexebb elemekre való átálláskor ez a csökkenő tendencia tükrözi a csillagok megszületésének módját és az univerzumunkban játszott egyedi szerepüket.
A nagy robbanás közvetlen következményeiben az univerzum nem más volt, mint egy szubatómiai részecskék forró, sűrű felhője. Közel 400 000 év hűtése és terjeszkedése telt el, hogy ezek a részecskék olyan formában összejussanak, amelyet az első atomként felismerünk, a hidrogént.
Hosszú ideig az univerzumban hidrogén- és héliumatomok uralkodtak, amelyek spontán képesek voltak képezni az ősi szubatomi levesben. Lassan ezek az atomok laza aggregációkat képeznek.
Ezek az aggregációk nagyobb gravitációt gyakoroltak, így tovább növekedtek, és több anyagot vontak be a közelben. Körülbelül 1,6 millió év elteltével ezeknek az aggregációknak egy része olyan nagyra vált, hogy a közepükben a nyomás és a hő elegendő volt a termo-magfúzió elindításához, és megszülettek az első csillagok.
Nukleáris fúzió: a tömeg energiává tétele
Itt van a kulcsfontosságú dolog az atomfúzió területén: bár az induláshoz óriási energiát igényel, a folyamat valójában kibocsátások energia.
Fontolja meg a hélium hidrogén-fúzió útján történő létrehozását: Két hidrogénmag és két neutron egyesül, és egyetlen héliumot képeznek, de a kapott hélium ténylegesen 0,7 százalékkal kevesebb tömegű, mint a kiindulási anyagok. Mint tudod, az anyagot nem lehet sem létrehozni, sem pusztítani, tehát a tömegnek valahova el kellett mennie. Valójában Einstein leghíresebb egyenlete szerint energiává alakult:
E = mc2
Amiben E energia džaulokban (J), m tömeg kilogrammban (kg) és c a fénysebesség méterben / másodpercben (m / s) - állandó. Az egyenletet egyszerű angol nyelvre teheti:
energia (džaulokban) = tömeg (kg) × fénysebesség (méter / másodperc)2
A fénysebesség körülbelül 300 000 000 méter / másodperc, ami azt jelenti c2 értéke körülbelül 90 000 000 000 000 000 - ez kilencven kvadrillió - méter2/második2. Általában, ha olyan nagy számokkal foglalkozik, akkor helyet takaríthat meg tudományos jelölésekbe, de itt hasznos látni, hogy hány nullával foglalkozik.
Mint el tudod képzelni, még egy apró számot is megszorozva kilencvenmilliárd nagyon nagy lesz. Nézzük csak egy gramm hidrogént. Annak biztosítása érdekében, hogy az egyenlet dózisban adjon választ, ezt a tömeget 0,001 kilogrammban fejezzük ki - az egységek fontosak. Tehát, ha ezeket az értékeket a fény tömegére és sebességére csatlakoztatja:
E = (0,001 kg) (9 × 1016 m2/ s2)
E = 9 × 1013 J
E = 90 000 000 000 000 J
Ez megközelíti a Nagasakira dobott atombomba által kibocsátott energiamennyiséget, amely a legkisebb, legkönnyebb elem egyetlen grammjában található. Lényeg: Az energiatermelés lehetősége a tömeg fúzión keresztül energiává történő átalakításával szem előtt tartva.
Ezért tudósok és mérnökök próbálták kitalálni a nukleáris fúziós reaktor létrehozásának módját itt, a Földön. Ma minden atomreaktorunk keresztül működik nukleáris maghasadás, amely az atomokat kisebb elemekre bontja, de sokkal kevésbé hatékony folyamat a tömeg energiává alakításához.
Gázok a napon? Nem, plazma
A Napnak nincs olyan szilárd felülete, mint a földkéreg - még a szélsőséges hőmérsékletektől eltekintve sem tudnál állni a napon. Ehelyett a nap hét különálló rétegből áll vérplazma.
A plazma az anyag negyedik, legintenzívebb állapota. A jeget felmelegítjük (szilárd), és ez vízré válik (folyékony). Folytassa a melegítést, és ez ismét vízgőzzé (gázzá) alakul.
Ha azonban tovább melegíti ezt a gázt, az plazmává válik. A plazma atomfelhő, mint egy gáz, de annyi energiával töltötték be, hogy volt ionizált. Vagyis atomjai elektromosan töltöttek azáltal, hogy elektronjaikat megszabadítják a szokásos pályáktól.
A gázból plazmá történő átalakulás megváltoztatja az anyag tulajdonságait, és a töltött részecskék gyakran energiát bocsátanak fényként. Izzó neonjelek valójában neongázzal töltött üvegcsövek - amikor egy elektromos áram áthalad a csövön, a gáz átalakul izzó plazmává.
A nap szerkezete
A nap gömb alakú szerkezete két folyamatosan versengő erő eredménye: súly a sűrű tömegből a napközpontban, és megpróbálja az összes plazmáját befelé húzni, szemben az energiával, a magban zajló nukleáris fúzióval, ami a plazma tágulásához vezet.
A nap hét rétegből áll: három belső és négy külső. Középre kifelé:
A nap rétegei
Beszéltünk a mag már sokat; itt történik a fúzió. Ahogy vártad, itt található a legmagasabb hőmérséklet a napon: körülbelül 27 000 000 000 (27 millió) fok Fahrenheit.
A sugárzó zóna, amelyet néha „sugárzási” zónának neveznek, az a hely, ahol a mag energiája kifelé halad, elsősorban elektromágneses sugárzásként.
A konvektív zóna, más néven „konvekciós” zóna, ahol az energiát elsősorban a réteg plazmájában lévő áramok továbbítják. Gondolj arra, hogy egy forró edényből származó gőz hogyan továbbítja az égőből a hőt a kályha feletti levegőbe, és a helyes ötleted lesz.
A nap „felszíne” az, amelyik van fotoszféra. Ezt látjuk, amikor a napot nézzük. Az e réteg által kibocsátott elektromágneses sugárzás szabad szemmel látható fényként, és olyan fényes, hogy elrejti a kevésbé sűrű külső rétegeket.
A kromoszféra forróbb, mint a fotoszféra, de nem olyan meleg, mint a korona. Hőmérséklete miatt a hidrogén vöröses fényt bocsát ki. Általában láthatatlan, de vöröses ragyogásnak tekinthető a nap körül, amikor a teljes napfogyatkozás elrejti a fényképet.
A átmeneti zóna egy vékony réteg, ahol a hőmérséklet drámai mértékben eltolódik a kromoszférából a koronába. Ez látható az ultraibolya (UV) fényt érzékelő távcsövekkel.
Végül a korona a nap legkülső rétege, és rendkívül forró - százszor melegebb, mint a fotoszféra -, de szabad szemmel láthatatlan, kivéve a teljes napfogyatkozást, amikor vékony fehér aurora jelenik meg a nap körül. Pontosan miért olyan meleg, hogy kissé rejtély, de úgy tűnik, hogy legalább egy tényező „hőbombák”: rendkívül forró anyagból készült csomagok, amelyek a nap mélyéből felszállnak, mielőtt felrobbannának és energiát engednének a koronába.
Napszél
Mint bárki elmondhatja neked, akinek valaha volt a napégése, a nap hatása messze túlmutat a koronán. Valójában a korona annyira forró és távol van a magtól, hogy a nap gravitációja nem képes tartani a ravaszt a túlhevített plazmában - a töltött részecskék állandóan áramlanak az űrbe napszél.
A Nap végül meghal
A nap hihetetlen mérete ellenére elfogy a hidrogén, amelyre szüksége van a fúziós mag fenntartásához. A Nap várható teljes élettartama körülbelül 10 milliárd év. Körülbelül 4,6 milliárd évvel ezelőtt született, tehát jó ideje van, hogy kiégjen, de mégis.
A nap körülbelül 3,846 × 10 sugárzik26 J energia minden nap. Ezzel a tudással megbecsülhetjük, hogy mekkora tömegnek kell másodpercenként átalakulnia. Most még több matematikát takaríthatunk meg; kijön kb. 4,27 × 10-ig9 kg másodpercenként. Mindössze három másodperc alatt a nap megközelítőleg annyi tömeget fogyaszt, mint kétszer a Giza Nagy Piramis.
Amikor kifogy a hidrogén, a nehezebb elemeit fúzióhoz fogja használni - egy illékony folyamat, amely a jelenlegi méretének 100-szorosára növekszik, miközben tömegének nagy részét az űrbe juttatja. Amikor végül elfogyasztja az üzemanyagot, egy kicsi, rendkívül sűrű tárgyat hagy maga után, az úgynevezett a fehér törpe, körülbelül Földünk méretét, de sok-sok-sokkal sűrűbb.