Inhoud
- TL; DR (te lang; niet gelezen)
- De samenstelling van de zon
- Hoe weten we waar de zon van is gemaakt?
- Aan de slag met nucleaire fusie
- Nucleaire fusie: massa veranderen in energie
- Gassen op de zon? Nee, plasma
- De structuur van de zon
- De lagen van de zon
- Zonnewind
- De zon zal uiteindelijk sterven
Onze zon is, net als elke andere ster, een gigantische bal van gloeiend plasma. Het is een zelfvoorzienende thermonucleaire reactor die zorgt voor het licht en de warmte die onze planeet nodig heeft om in leven te blijven, terwijl de zwaartekracht ervoor zorgt dat wij (en de rest van het zonnestelsel) niet in de diepe ruimte komen.
De zon bevat verschillende gassen en andere elementen die elektromagnetische straling afgeven, waardoor wetenschappers de zon kunnen bestuderen ondanks dat ze geen toegang hebben tot fysieke monsters.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
De meest voorkomende gassen in de zon, per massa, zijn: waterstof (ongeveer 70 procent, helium (ongeveer 28 procent), koolstof, stikstof en zuurstof (samen ongeveer 1,5 procent). De rest van de zonmassa (0,5 procent) wordt gemaakt uit een mengsel van sporenhoeveelheden van andere elementen, waaronder maar niet beperkt tot neon, ijzer, silicium, magnesium en zwavel.
De samenstelling van de zon
Twee elementen vormen de overgrote meerderheid van de materie van de zon, in massa: waterstof (ongeveer 70 procent) en helium (ongeveer 28 procent). Let op, als je verschillende nummers ziet, maak je geen zorgen; u ziet waarschijnlijk schattingen op basis van het totale aantal afzonderlijke atomen. We gaan massaal omdat het gemakkelijker is om over na te denken.
De volgende 1,5 procent van de massa is een mengsel van koolstof, stikstof en zuurstof. De laatste 0,5 procent is een hoorn des overvloeds van zwaardere elementen, waaronder maar niet beperkt tot: neon, ijzer, silicium, magnesium en zwavel.
Hoe weten we waar de zon van is gemaakt?
Je vraagt je misschien af hoe, precies we weten wat de zon vormt. Er is immers nooit een mens geweest en geen ruimtevaartuig heeft ooit monsters van zonnestof teruggebracht. De zon baadt echter constant de aarde in electromagnetische straling en deeltjes die vrijkomen door de kern van kernfusie.
Elk element absorbeert bepaalde golflengten van elektromagnetische straling (d.w.z. licht) en zendt ook bepaalde golflengten uit bij verhitting. In 1802 merkte wetenschapper William Hyde Wollaston op dat zonlicht door een prisma het verwachte regenboogspectrum produceerde, maar met opvallende donkere lijnen die hier en daar verspreid waren.
Om dit fenomeen beter te kunnen bekijken, vond opticien Joseph von Fraunhofer de eerste spectrometer uit - eigenlijk een verbeterd prisma - die de verschillende golflengtes van zonlicht nog meer spreidde, waardoor ze beter zichtbaar waren. Het maakte het ook gemakkelijker om te zien dat de donkere lijnen van Wollastons geen trucje of illusie waren - ze leken een kenmerk van zonlicht te zijn.
Wetenschappers kwamen erachter dat die donkere lijnen (nu Fraunhofer-lijnen genoemd) overeenkwamen met de specifieke golflengten van licht geabsorbeerd door bepaalde elementen zoals waterstof, calcium en natrium. Daarom moeten die elementen aanwezig zijn in de buitenste lagen van de zon en een deel van het licht absorberen dat door de kern wordt uitgezonden.
In de loop van de tijd hebben de steeds geavanceerdere detectiemethoden ons in staat gesteld om de output van de zon te kwantificeren: elektromagnetische straling in al zijn vormen (röntgenstralen, radiogolven, ultraviolet, infrarood enzovoort) en de stroom van subatomaire deeltjes zoals neutrino's. Door te meten wat de zon loslaat en wat het absorbeert, hebben we een zeer grondig begrip van de samenstelling van de zon van ver ontwikkeld.
Aan de slag met nucleaire fusie
Heb je toevallig patronen opgemerkt in de materialen waaruit de zon bestaat? Waterstof en helium zijn de eerste twee elementen op het periodiek systeem: de eenvoudigste en lichtste. Hoe zwaarder en complexer een element, hoe minder we ervan in de zon vinden.
Deze trend van afnemende hoeveelheden naarmate we van lichtere / eenvoudiger naar zwaardere / complexere elementen gaan, weerspiegelt hoe sterren worden geboren en hun unieke rol in ons universum.
In de onmiddellijke nasleep van de oerknal was het universum niets meer dan een hete, dichte wolk van subatomaire deeltjes. Het kostte bijna 400.000 jaar afkoelen en uitbreiden voordat deze deeltjes samenkwamen in een vorm die we zouden herkennen als het eerste atoom, waterstof.
Lange tijd werd het universum gedomineerd door waterstof- en heliumatomen die zich spontaan konden vormen in de oersubatomaire soep. Langzaam beginnen deze atomen losse aggregaties te vormen.
Deze aggregaties hadden een grotere zwaartekracht, dus ze bleven groeien en haalden meer materiaal van dichtbij naar binnen. Na ongeveer 1,6 miljoen jaar werden sommige van deze aggregaties zo groot dat de druk en hitte in hun centra voldoende waren om de thermonucleaire fusie op gang te brengen, en de eerste sterren werden geboren.
Nucleaire fusie: massa veranderen in energie
Dit is het belangrijkste van kernfusie: hoewel het een enorme hoeveelheid energie vereist om te beginnen, het proces eigenlijk releases energie.
Overweeg de vorming van helium via waterstoffusie: twee waterstofkernen en twee neutronen vormen samen een enkel heliumatoom, maar het resulterende helium heeft eigenlijk 0,7 procent minder massa dan de uitgangsmaterialen. Zoals u weet, kan materie niet worden gecreëerd of vernietigd, zodat de massa ergens naartoe moet zijn gegaan. In feite werd het omgezet in energie, volgens de beroemdste vergelijking van Einstein:
E = mc2
Waarin E is energie in joules (J), m is massa kilogram (kg) en c is de snelheid van het licht in meters / seconde (m / s) - een constante. Je zou de vergelijking in gewoon Engels kunnen zetten als:
energie (joules) = massa (kilogram) × snelheid van het licht (meter / seconde)2
De snelheid van het licht is ongeveer 300.000.000 meter / seconde, wat betekent c2 heeft een waarde van ongeveer 90.000.000.000.000.000 - dat is negentig quadriljoen - meters2/tweede2. Normaal gesproken zou je bij het omgaan met zulke grote cijfers ze in wetenschappelijke notatie moeten plaatsen om ruimte te besparen, maar het is hier handig om te zien met hoeveel nullen je te maken hebt.
Zoals je je kunt voorstellen, zelfs een klein aantal vermenigvuldigd met negentig kwadriljoen gaat heel groot worden. Laten we nu eens kijken naar één gram waterstof. Om ervoor te zorgen dat de vergelijking ons een antwoord geeft in joules, zullen we deze massa uitdrukken als 0,001 kilogram - eenheden zijn belangrijk. Dus als u deze waarden aansluit voor massa en lichtsnelheid:
E = (0,001 kg) (9 × 1016 m2/ s2)
E = 9 × 1013 J
E = 90.000.000.000.000 J
Dat komt in de buurt van de hoeveelheid energie die vrijkomt door de nucleaire bom die op Nagasaki is gevallen en die in een gram van het kleinste, lichtste element zit. Kortom: het potentieel voor energieopwekking door massa via fusie in energie om te zetten, is verbijsterend.
Dit is de reden waarom wetenschappers en ingenieurs hebben geprobeerd een manier te vinden om een kernfusiereactor hier op aarde te creëren. Al onze kernreactoren werken tegenwoordig via kernsplijting, die atomen in kleinere elementen splitst, maar een veel minder efficiënt proces is om massa in energie om te zetten.
Gassen op de zon? Nee, plasma
De zon heeft geen solide oppervlak zoals de aardkorst - zelfs als je de extreme temperaturen buiten beschouwing laat, kun je niet op de zon staan. In plaats daarvan bestaat de zon uit zeven verschillende lagen van plasma.
Plasma is de vierde, meest energieke, toestand van materie. Verwarm ijs (vast) en het smelt in water (vloeistof). Blijf het verwarmen en het verandert weer in waterdamp (gas).
Als je dat gas echter blijft verwarmen, wordt het plasma. Plasma is een wolk van atomen, zoals een gas, maar het is doordrenkt met zoveel energie dat het is geweest geïoniseerde. Dat wil zeggen, zijn atomen zijn elektrisch geladen door hun elektronen los te laten slaan uit hun gebruikelijke banen.
De transformatie van gas naar plasma verandert de eigenschappen van een stof en de geladen deeltjes geven vaak energie af als licht. Gloeiende neonreclames zijn in feite glazen buizen gevuld met een neongas - wanneer een elektrische stroom door de buis wordt geleid, zorgt dit ervoor dat het gas verandert in een gloeiend plasma.
De structuur van de zon
De sferische structuur van de zon is het resultaat van twee constant concurrerende krachten: zwaartekracht van de dichte massa in het centrum van de zon die probeert al zijn plasma naar binnen te trekken versus energie van de kernfusie die plaatsvindt in de kern, waardoor het plasma uitzet.
De zon bestaat uit zeven lagen: drie binnenste en vier buitenste. Ze zijn vanuit het midden naar buiten:
De lagen van de zon
We hebben het gehad over de kern al veel; het is waar fusie plaatsvindt. Zoals je zou verwachten, vind je hier de hoogste temperatuur in de zon: ongeveer 27.000.000.000 (27 miljoen) graden Fahrenheit.
De stralingszone, soms de "stralingszone" genoemd, is waar energie vanuit de kern voornamelijk naar buiten reist als elektromagnetische straling.
De convectieve zone, ook bekend als "convectie" zone, is waar de energie voornamelijk wordt gedragen door stromingen in het plasma van de laag. Bedenk hoe damp uit een kokende pot warmte van de brander naar de lucht boven de kachel transporteert, en je hebt het juiste idee.
Het 'oppervlak' van de zon, zodanig dat het is, is het fotosfeer. Dit is wat we zien als we naar de zon kijken. De elektromagnetische straling die door deze laag wordt uitgezonden, is met het blote oog zichtbaar als licht en het is zo helder dat het de minder dichte buitenlagen aan het zicht onttrekt.
De chromosfeer is heter dan de fotosfeer, maar het is niet zo heet als de corona. De temperatuur zorgt ervoor dat waterstof roodachtig licht uitzendt. Het is meestal onzichtbaar, maar kan worden gezien als een roodachtige gloed rond de zon wanneer een totale zonsverduistering de fotosfeer verbergt.
De overgangszone is een dunne laag waar de temperatuur drastisch verschuift van de chromosfeer naar de corona. Het is zichtbaar voor telescopen die ultraviolet (UV) licht kunnen detecteren.
eindelijk, de corona is de buitenste laag van de zon en is extreem heet - honderden keren heter dan de fotosfeer - maar onzichtbaar voor het blote oog behalve tijdens een totale zonsverduistering, wanneer het verschijnt als een dunne witte aura rond de zon. Precies waarom het is zo heet is een beetje een mysterie, maar ten minste één factor lijkt "warmtebommen" te zijn: pakketten van extreem heet materiaal die omhoog diep in de zon drijven voordat ze exploderen en energie in de corona afgeven.
Zonnewind
Zoals iedereen die ooit zonnebrand heeft gehad, je kan vertellen, reiken de effecten van de zon veel verder dan de corona. De corona is zelfs zo heet en ver van de kern dat de zwaartekracht van de zon het superverwarmde plasma niet kan vasthouden - geladen deeltjes stromen als een constante de ruimte in zonnewind.
De zon zal uiteindelijk sterven
Ondanks de ongelooflijke grootte van de zon, zal het uiteindelijk opraken met de waterstof die het nodig heeft om zijn fusiekern in stand te houden. De zon heeft een voorspelde totale levensduur van ongeveer 10 miljard jaar. Het werd ongeveer 4,6 miljard jaar geleden geboren, dus het duurt nog een hele tijd voordat het zal opbranden, maar het zal gebeuren.
De zon straalt naar schatting 3.846 × 10 uit26 J energie elke dag. Met die kennis kunnen we schatten hoeveel massa het per seconde moet converteren. We zullen u nu meer wiskunde besparen; het komt uit op ongeveer 4,27 × 109 kg per seconde. In slechts drie seconden verbruikt de zon ongeveer evenveel massa als twee keer de Grote Piramide van Gizeh.
Als er geen waterstof meer is, begint het zijn zwaardere elementen te gebruiken voor fusie - een vluchtig proces waardoor het uitzet tot 100 keer zijn huidige grootte terwijl veel van zijn massa in de ruimte wordt gespoten. Wanneer het eindelijk zijn brandstof heeft uitgeput, zal het een klein, extreem dicht voorwerp achterlaten genaamd a witte dwerg, ongeveer de grootte van onze aarde, maar vele, vele malen dichter.