المحتوى
- TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم يقرأ)
- تكوين الشمس
- كيف نعرف ما هي الشمس؟
- بدء الانصهار النووي
- الانصهار النووي: تحويل الكتلة إلى طاقة
- غازات على الشمس؟ كلا ، البلازما
- هيكل الشمس
- طبقات الشمس
- الرياح الشمسية
- سوف تموت الشمس في النهاية
إن شمسنا ، مثلها مثل كل النجوم الأخرى ، هي كرة ضخمة من البلازما المتوهجة. إنه مفاعل نووي حراري مكتفٍ ذاتيًا يوفر الضوء والحرارة الذي يحتاجه كوكبنا للحفاظ على الحياة ، بينما تمنعنا جاذبيته (وبقية النظام الشمسي) من الدوران إلى الفضاء السحيق.
تحتوي الشمس على عدة غازات وعناصر أخرى تسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي ، مما يسمح للعلماء بدراسة الشمس على الرغم من عدم تمكنهم من الوصول إلى العينات الفيزيائية.
TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم يقرأ)
الغازات الأكثر شيوعًا في الشمس ، من حيث الكتلة ، هي: الهيدروجين (حوالي 70 بالمائة ، الهيليوم (حوالي 28 بالمائة) ، الكربون ، النيتروجين والأكسجين (معًا حوالي 1.5 بالمائة) ، ويتم تصنيع الجزء المتبقي من كتلة الشمس (0.5 بالمائة) ما يصل إلى مزيج من كميات ضئيلة من العناصر الأخرى ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر النيون والحديد والسيليكون والمغنيسيوم والكبريت.
تكوين الشمس
يشكل عنصرين الغالبية العظمى من مادة الشمس ، بالكتلة: الهيدروجين (حوالي 70 في المائة) والهيليوم (حوالي 28 في المائة). لاحظ ، إذا رأيت أرقامًا مختلفة ، فلا تقلق ؛ ربما تشاهد تقديرات وفقًا لإجمالي عدد الذرات الفردية. نحن نذهب جماعيًا لأنه من الأسهل التفكير فيه.
1.5 في المئة القادمة من الكتلة هي مزيج من الكربون والنيتروجين والأكسجين. 0.5 في المئة النهائي هو وفرة من العناصر أثقل ، بما في ذلك سبيل المثال لا الحصر: النيون والحديد والسيليكون والمغنيسيوم والكبريت.
كيف نعرف ما هي الشمس؟
قد تتساءل كيف نعرف بالضبط ما الذي يشكل الشمس. بعد كل شيء ، لم يكن هناك أي إنسان على الإطلاق ، ولم تقم أي مركبة فضائية بإعادة عينات من المواد الشمسية. ومع ذلك ، فإن الشمس تغمر الأرض باستمرار الاشعاع الكهرومغناطيسي والجزيئات الصادرة عن جوهرها الانصهار بالطاقة.
يمتص كل عنصر موجات معينة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (أي الضوء) ، وينبعث بالمثل أطوال موجية معينة عند تسخينه. في عام 1802 ، لاحظ العالم ويليام هايد ولاستون أن أشعة الشمس التي تمر عبر المنشور أنتجت طيف قوس قزح المتوقع ، ولكن بخطوط داكنة ملحوظة منتشرة هنا وهناك.
لإلقاء نظرة أفضل على هذه الظواهر ، ابتكر أخصائي العيون جوزيف فون فراونهوفر أول مطياف - وهو في الأساس منظور محسّن - ينشر أطوال موجات مختلفة من أشعة الشمس بشكل أكبر ، مما يسهل رؤيته. كما جعل الأمر أسهل في رؤية أن خطوط Wollastons المظلمة كانت خدعة أو وهمًا - يبدو أنها كانت ميزة من أشعة الشمس.
اكتشف العلماء أن تلك الخطوط المظلمة (التي تسمى الآن خطوط فراونهوفر) تقابل أطوال موجية محددة من الضوء تمتصه عناصر معينة مثل الهيدروجين والكالسيوم والصوديوم. لذلك ، يجب أن تكون هذه العناصر موجودة في الطبقات الخارجية للشمس ، وتمتص بعض الضوء المنبعث من القلب.
بمرور الوقت ، سمحت لنا طرق الكشف المتطورة بشكل متزايد بتحديد كمية الخرج من الشمس: الإشعاع الكهرومغناطيسي بجميع أشكاله (الأشعة السينية ، الموجات الراديوية ، الأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة تحت الحمراء وما إلى ذلك) وتدفق الجسيمات دون الذرية مثل النيوتريونات. بقياس ما تطلقه الشمس وما تمتصه ، قمنا ببناء فهم دقيق للغاية لتكوين الشمس من بعيد.
بدء الانصهار النووي
هل لاحظت وجود أي أنماط في المواد التي تشكل الشمس؟ الهيدروجين والهيليوم هما أول عنصرين في الجدول الدوري: أبسط وأخف. كلما كان العنصر أثقل وأكثر تعقيدًا ، قل عدد العناصر التي نجدها في الشمس.
يعكس هذا الاتجاه المتمثل في تناقص الكميات مع انتقالنا من عناصر أفتح / أبسط إلى عناصر أثقل / أكثر تعقيدًا كيف يولد النجوم ودورهم الفريد في عالمنا.
في أعقاب الانفجار العظيم ، لم يكن الكون أكثر من سحابة حارة وكثيفة من الجسيمات دون الذرية. استغرق الأمر ما يقرب من 400000 عام من التبريد والتوسع حتى تتجمع هذه الجسيمات في شكل عرفنا بأنه أول ذرة ، هيدروجين.
لفترة طويلة ، سيطر على الكون ذرات الهيدروجين والهيليوم التي كانت قادرة على التكوّن تلقائيًا داخل الحساء البدائي دون الذري. ببطء ، تبدأ هذه الذرات في تكوين تجمعات فضفاضة.
هذه التجمعات تمارس قدرا أكبر من الجاذبية ، لذلك استمروا في النمو ، وسحبوا المزيد من المواد من مكان قريب. بعد حوالي 1.6 مليون سنة ، أصبحت بعض هذه التجمعات كبيرة لدرجة أن الضغط والحرارة في مراكزها كانا كافيين لبدء الانصهار النووي الحراري ، ولدت النجوم الأولى.
الانصهار النووي: تحويل الكتلة إلى طاقة
إليكم الشيء الرئيسي حول الانصهار النووي: على الرغم من أنه يتطلب قدرا هائلا من الطاقة للبدء ، فإن العملية في الواقع إطلاق الطاقة.
فكر في إنشاء الهيليوم عبر اندماج الهيدروجين: تتحد نويتان من الهيدروجين ونيوترون لتكوين ذرة واحدة من الهيليوم ، لكن الهيليوم الناتج يكون في الواقع كتلة أقل بنسبة 0.7 في المئة من المواد الأولية. كما تعلمون ، لا يمكن إنشاء المادة أو تدميرها ، لذلك يجب أن تكون تلك الكتلة قد ذهبت إلى مكان ما. في الواقع ، تم تحويلها إلى طاقة ، وفقًا لمعادلة أينشتاين الأكثر شهرة:
E = مولودية2
بحيث E هي الطاقة في جول (J) ، م هو كجم كجم (كجم) و ج هي سرعة الضوء بالأمتار / ثانية (م / ث) - ثابت. يمكنك وضع المعادلة في اللغة الإنجليزية العادية على النحو التالي:
الطاقة (جول) = الكتلة (كجم) × سرعة الضوء (متر / ثانية)2
سرعة الضوء ما يقرب من 300،000،000 متر / ثانية ، وهذا يعني ج2 تبلغ قيمتها حوالي 90.000.000.000.000.000 - هذا تسعين الكدريليون رقم - متر2/ثانيا2. عادةً عند التعامل مع الأرقام بهذا الحجم الكبير ، فإنك تضعها في ترميز علمي لتوفير المساحة ، لكن من المفيد هنا معرفة عدد الأصفار التي تتعامل معها.
كما يمكنك أن تتخيل ، حتى عدد ضئيل مضروب في تسعين كوادريليون سوف ينتهي كبير جدا. الآن ، دعونا ننظر إلى غرام واحد من الهيدروجين. للتأكد من أن المعادلة تعطينا إجابة في جول ، سنعبر عن هذه الكتلة على أنها 0.001 كيلوغرام - الوحدات مهمة. لذلك ، إذا قمت بتوصيل هذه القيم للكتلة وسرعة الضوء:
E = (0.001 كجم) (9 × 1016 م2/س2)
E = 9 × 1013 J
E = 90،000،000،000،000 J
هذا قريب من كمية الطاقة التي أطلقتها القنبلة النووية التي أُسقطت على ناغازاكي الموجودة في غرام واحد من أصغر وأخف عنصر. خلاصة القول: إن القدرة على توليد الطاقة عن طريق تحويل الكتلة إلى طاقة عن طريق الاندماج أمر محير للعقل.
ولهذا السبب يحاول العلماء والمهندسون اكتشاف طريقة لإنشاء مفاعل اندماج نووي هنا على الأرض. كل مفاعلاتنا النووية تعمل اليوم عبر الانشطار النوويالذي يقسم الذرات إلى عناصر أصغر ، ولكنه عملية أقل كفاءة لتحويل الكتلة إلى طاقة.
غازات على الشمس؟ كلا ، البلازما
ليس للشمس سطح صلب مثل قشرة الأرض - حتى لو وضعنا جانباً درجات الحرارة القصوى ، لا يمكنك الوقوف على الشمس. بدلا من ذلك ، تتكون الشمس من سبع طبقات مميزة من بلازما.
البلازما هي الحالة الرابعة والأكثر حيوية. تسخين الجليد (الصلبة) ، ويذوب في الماء (السائل). استمر في تسخينه ، ثم يتحول مرة أخرى إلى بخار ماء (غاز).
إذا واصلت تسخين هذا الغاز ، فسيصبح بلازما. البلازما عبارة عن سحابة من الذرات ، مثل الغاز ، لكنها غمرت بالكثير من الطاقة التي كانت عليها المؤينة. أي أن ذراتها أصبحت مشحونة كهربائيًا عن طريق جعل إلكتروناتها مفكوكة عن مداراتها المعتادة.
إن التحول من الغاز إلى البلازما يغير خواص المادة ، وغالباً ما تطلق الجسيمات المشحونة الطاقة كضوء. علامات النيون المتوهجة ، في الواقع ، عبارة عن أنابيب زجاجية مملوءة بغاز النيون - عندما يمر التيار الكهربائي عبر الأنبوب ، فإنه يتسبب في تحول الغاز إلى بلازما متوهجة.
هيكل الشمس
الهيكل الكروي للشمس هو نتيجة لقوتين متنافستين باستمرار: الجاذبية من الكتلة الكثيفة في مركز الشمس في محاولة لسحب جميع البلازما إلى الداخل مقابل الطاقة من الانصهار النووي الذي يحدث في القلب ، مما تسبب في تمدد البلازما.
تتكون الشمس من سبع طبقات: ثلاثة داخلية وأربع خارجية. هم من الوسط إلى الخارج:
طبقات الشمس
تحدثنا عن النواة الكثير بالفعل إنه المكان الذي يحدث فيه الانصهار. كما تتوقع ، ستجد أعلى درجة حرارة للشمس: حوالي 27،000،000،000 (27 مليون) درجة فهرنهايت.
ال منطقة إشعاعية، التي تسمى أحيانًا منطقة "الإشعاع" ، حيث تنتقل الطاقة من القلب إلى الخارج بشكل أساسي كإشعاع كهرومغناطيسي.
ال منطقة الحمل الحراري، التي تعرف أيضًا باسم منطقة "الحمل الحراري" ، حيث يتم نقل الطاقة بشكل أساسي عن طريق التيارات داخل بلازما الطبقة. فكر في الطريقة التي يحمل بها البخار من وعاء الغليان الحرارة من الموقد في الهواء فوق الموقد ، وستكون لديك الفكرة الصحيحة.
"سطح" الشمس ، هكذا ، هو كرة ضوئية. هذا ما نراه عندما ننظر إلى الشمس. يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من هذه الطبقة مرئيًا بالعين المجردة كضوء ، وهو ساطع لدرجة أنه يخفي الطبقات الخارجية الأقل كثافة عن الأنظار.
ال جو الشمس أكثر سخونة من الفوتوسفير ، لكنها ليست ساخنة مثل الإكليل. درجة حرارته تسبب انبعاث الهيدروجين للضوء المحمر. عادة ما تكون غير مرئية ولكن يمكن اعتبارها توهجًا محمرًا يحيط بالشمس عندما يخفي كسوف كلي مساحة الصورة.
ال منطقة انتقالية هي طبقة رقيقة حيث تتحول درجات الحرارة بشكل كبير من الكروموسفير إلى الهالة. يكون مرئيًا للتلسكوبات التي يمكنها اكتشاف ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
وأخيرا، فإن هالة هي الطبقة الخارجية للشمس وهي شديدة الحرارة - مئات المرات أكثر سخونة من الغلاف الضوئي - لكنها غير مرئية للعين المجردة إلا أثناء الكسوف الكلي ، عندما تظهر كأنها هالة بيضاء رقيقة حول الشمس. بالضبط لماذا ا يكون الجو حارًا جدًا إلى حد ما ، ولكن يبدو أن هناك عاملاً واحدًا على الأقل "القنابل الحرارية": عبوات المواد شديدة الحرارة التي تطفو من أعماق الشمس قبل أن تنفجر وتطلق الطاقة إلى الإكليل.
الرياح الشمسية
كما يمكن لأي شخص تعرض لحروق شمس أن يخبرك ، فإن آثار الشمس تمتد إلى ما وراء الهالة. في الواقع ، فإن الهالة حار جدًا وبعيد عن النواة لدرجة أن جاذبية الشمس لا يمكن أن تمسك بالبلازما فائقة الحرارة - تتدفق الجسيمات المشحونة إلى الفضاء كثابت الرياح الشمسية.
سوف تموت الشمس في النهاية
على الرغم من حجم الشمس المذهل ، إلا أنه في النهاية سوف ينفد من الهيدروجين الذي يحتاجه للحفاظ على جوهر الانصهار. الشمس لها عمر افتراضي متوقع يبلغ حوالي 10 مليارات سنة. لقد ولدت قبل حوالي 4.6 مليار سنة ، لذلك كان هناك بعض الوقت قبل أن تنفجر ، لكنها ستنجح.
تشع الشمس ما يقدر بـ 3.846 × 1026 ي الطاقة كل يوم. مع هذه المعرفة ، يمكننا تقدير مقدار الكتلة التي يجب تحويلها في الثانية. سنوفر لك المزيد من الرياضيات في الوقت الحالي ؛ يصل إلى حوالي 4.27 × 109 كلغ في الثانية. في ثلاث ثوان فقط ، تستهلك الشمس ما يقرب من كتلة من الهرم الأكبر من الجيزة ، مرتين.
عندما ينفد الهيدروجين ، سيبدأ في استخدام عناصره الأثقل للاندماج - وهي عملية متقلبة تجعلها تتوسع إلى مائة ضعف حجمها الحالي مع دفع جزء كبير من كتلته إلى الفضاء. عندما يستنفد الوقود أخيرًا ، سيترك وراءه جسمًا صغيرًا شديد الكثافة يسمى أ قزم ابيض، حول حجم كوكبنا ولكن مرات عديدة أكثر كثافة.