Gas Apa Yang Membuat Matahari?

Isi

• TL; DR (Terlalu Panjang; Tidak Dibaca)
• Komposisi Matahari
• Bagaimana Kita Tahu Dari Matahari Terbuat Dari Apa?
• Memulai Nuklir Memulai
• Nuclear Fusion: Mengubah Massa Menjadi Energi
• Gas di Matahari? Tidak, Plasma
• Struktur Matahari
• The Layers of the Sun
• Angin Matahari
• Matahari Akhirnya Akan Mati

Matahari kita, seperti setiap bintang lainnya, adalah bola raksasa plasma bercahaya. Ini adalah reaktor termonuklir mandiri yang menyediakan cahaya dan panas yang dibutuhkan planet kita untuk menopang kehidupan, sementara gravitasinya membuat kita (dan seluruh tata surya) tidak terpelintir ke luar angkasa.

Matahari mengandung beberapa gas dan elemen lain yang mengeluarkan radiasi elektromagnetik, yang memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari matahari meskipun tidak dapat mengakses sampel fisik.

TL; DR (Terlalu Panjang; Tidak Dibaca)

Gas-gas yang paling umum di matahari, berdasarkan massa, adalah: hidrogen (sekitar 70 persen, helium (sekitar 28 persen), karbon, nitrogen, dan oksigen (bersama-sama sekitar 1,5 persen) .Sisa dari massa matahari (0,5 persen) dibuat dari campuran jumlah jejak elemen lain, termasuk tetapi tidak terbatas pada neon, besi, silikon, magnesium dan belerang.

Komposisi Matahari

Dua elemen membentuk mayoritas materi matahari, berdasarkan massa: hidrogen (sekitar 70 persen) dan helium (sekitar 28 persen). Catatan, jika Anda melihat nomor yang berbeda, jangan khawatir; Anda mungkin melihat perkiraan berdasarkan jumlah total atom individu. Kami pergi secara massal karena lebih mudah untuk dipikirkan.

Massa 1,5 persen berikutnya adalah campuran karbon, nitrogen, dan oksigen. 0,5 persen terakhir adalah jumlah besar unsur yang lebih berat, termasuk tetapi tidak terbatas pada: neon, besi, silikon, magnesium, dan belerang.

Bagaimana Kita Tahu Dari Matahari Terbuat Dari Apa?

Anda mungkin bertanya-tanya bagaimana, sebenarnya kita tahu apa yang membentuk matahari. Lagi pula, tidak ada manusia yang pernah ada di sana dan tidak ada pesawat ruang angkasa yang pernah membawa kembali sampel materi matahari. Matahari, bagaimanapun, terus-menerus memandikan bumi radiasi elektromagnetik dan partikel yang dilepaskan oleh intinya yang bertenaga fusi.

Setiap elemen menyerap panjang gelombang tertentu dari radiasi elektromagnetik (mis., Cahaya), dan juga memancarkan panjang gelombang tertentu ketika dipanaskan. Pada 1802, ilmuwan William Hyde Wollaston memperhatikan bahwa sinar matahari yang melewati sebuah prisma menghasilkan spektrum pelangi yang diharapkan, tetapi dengan garis-garis gelap terkenal tersebar di sana-sini.

Untuk melihat fenomena ini dengan lebih baik, ahli kacamata Joseph von Fraunhofer, menciptakan spektrometer pertama - pada dasarnya prisma yang lebih baik - yang menyebarkan lebih banyak panjang gelombang sinar matahari yang berbeda, membuatnya lebih mudah dilihat. Itu juga membuatnya lebih mudah untuk melihat bahwa garis-garis gelap Wollastons bukan tipuan atau ilusi - mereka tampaknya merupakan fitur sinar matahari.

Para ilmuwan menemukan bahwa garis-garis gelap (sekarang disebut garis Fraunhofer) sesuai dengan panjang gelombang cahaya tertentu yang diserap oleh unsur-unsur tertentu seperti hidrogen, kalsium dan natrium. Karena itu, elemen-elemen itu harus ada di lapisan terluar matahari, menyerap sebagian cahaya yang dipancarkan oleh inti.

Seiring waktu, metode deteksi yang semakin canggih telah memungkinkan kami untuk mengukur output dari matahari: radiasi elektromagnetik dalam semua bentuknya (sinar-X, gelombang radio, ultraviolet, inframerah dan sebagainya) dan aliran partikel subatomik seperti neutrino. Dengan mengukur apa yang dilepaskan matahari dan apa yang diserapnya, kami telah membangun pemahaman yang sangat menyeluruh tentang komposisi matahari dari jauh.

Memulai Nuklir Memulai

Apakah Anda memperhatikan adanya pola pada bahan yang membentuk matahari? Hidrogen dan helium adalah dua elemen pertama pada tabel periodik: yang paling sederhana dan paling ringan. Semakin berat dan kompleks suatu unsur, semakin sedikit yang kita temukan di bawah sinar matahari.

Tren penurunan jumlah ini ketika kita bergerak dari elemen yang lebih ringan / sederhana ke yang lebih berat / lebih kompleks mencerminkan bagaimana bintang dilahirkan dan peran mereka yang unik di alam semesta kita.

Segera setelah Big Bang, alam semesta tidak lebih dari awan panas dan padat partikel-partikel subatomik. Butuh hampir 400.000 tahun pendinginan dan ekspansi untuk partikel-partikel ini untuk bergabung bersama dalam bentuk yang kita kenal sebagai atom pertama, hidrogen.

Untuk waktu yang lama, alam semesta didominasi oleh atom hidrogen dan helium yang mampu terbentuk secara spontan di dalam sup subatomik purba. Perlahan, atom-atom ini mulai membentuk agregasi longgar.

Agregasi ini memberikan gravitasi yang lebih besar, sehingga mereka terus tumbuh, menarik lebih banyak material dari dekat. Setelah sekitar 1,6 juta tahun, beberapa agregasi ini menjadi sangat besar sehingga tekanan dan panas di pusat-pusat mereka cukup untuk memulai fusi termonuklir, dan bintang-bintang pertama lahir.

Nuclear Fusion: Mengubah Massa Menjadi Energi

Inilah hal utama tentang fusi nuklir: meskipun membutuhkan sejumlah besar energi untuk memulai, prosesnya sebenarnya rilis energi.

Pertimbangkan pembuatan helium melalui fusi hidrogen: Dua nuklei hidrogen dan dua neutron bergabung untuk membentuk atom helium tunggal, tetapi helium yang dihasilkan sebenarnya memiliki massa 0,7 persen lebih sedikit daripada bahan awal. Seperti yang Anda tahu, materi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan, sehingga massa pasti telah pergi ke suatu tempat. Bahkan, itu diubah menjadi energi, menurut persamaan Einstein yang paling terkenal:

E = mc²

Di mana E adalah energi dalam joule (J), m adalah massa kilogram (kg) dan c adalah kecepatan cahaya dalam meter / detik (m / s) - sebuah konstanta. Anda bisa memasukkan persamaan ke dalam Bahasa Inggris sebagai:

​energi (joule) = massa (kilogram) × kecepatan cahaya (meter / detik)²

Kecepatan cahaya sekitar 300.000.000 meter / detik, yang berarti c² memiliki nilai sekitar 90.000.000.000.000.000 - itu sembilan puluh milion lipat empat - meter²/kedua². Biasanya ketika berhadapan dengan angka sebesar ini, Anda memasukkannya ke dalam notasi ilmiah untuk menghemat ruang, tetapi berguna di sini untuk melihat berapa banyak angka nol yang Anda hadapi.

Seperti yang dapat Anda bayangkan, bahkan sejumlah kecil dikalikan dengan sembilan puluh kuadriliun akan berakhir sangat besar. Sekarang, mari kita lihat satu gram hidrogen. Untuk memastikan persamaan memberi kami jawaban dalam joule, kami akan menyatakan massa ini sebagai 0,001 kilogram - unit adalah penting. Jadi, jika Anda memasukkan nilai-nilai ini untuk massa dan kecepatan cahaya:

E = (0,001 kg) (9 × 10¹⁶ m²/ s²)
E = 9 × 10¹³ J
E = 90.000.000.000.000 J

Itu mendekati jumlah energi yang dilepaskan oleh bom nuklir yang dijatuhkan di Nagasaki yang terkandung dalam satu gram unsur terkecil, teringan. Intinya: Potensi untuk menghasilkan energi dengan mengubah massa menjadi energi melalui fusi sangat membingungkan.

Inilah sebabnya mengapa para ilmuwan dan insinyur telah berusaha mencari cara untuk membuat reaktor fusi nuklir di Bumi. Semua reaktor nuklir kita hari ini bekerja melalui fisi nuklir, yang membelah atom menjadi elemen yang lebih kecil, tetapi merupakan proses yang jauh lebih efisien untuk mengubah massa menjadi energi.

Gas di Matahari? Tidak, Plasma

Matahari tidak memiliki permukaan yang padat seperti kerak bumi - bahkan menyisihkan suhu ekstrem, Anda tidak bisa berdiri di atas matahari. Sebaliknya, matahari terdiri dari tujuh lapisan berbeda plasma.

Plasma adalah keadaan materi ke empat yang paling energetik. Panaskan es (padat), dan meleleh menjadi air (cair). Terus memanaskannya, dan itu berubah lagi menjadi uap air (gas).

Jika Anda terus memanaskan gas itu, itu akan menjadi plasma. Plasma adalah awan atom, seperti gas, tetapi telah diresapi dengan begitu banyak energi terionisasi. Yaitu, atom-atomnya menjadi bermuatan listrik karena elektronnya terlepas dari orbitnya yang biasa.

Transformasi dari gas ke plasma mengubah sifat suatu zat, dan partikel bermuatan sering melepaskan energi sebagai cahaya. Tanda-tanda neon berpendar, pada kenyataannya, adalah tabung gelas yang diisi dengan gas neon - ketika arus listrik dilewatkan melalui tabung, itu menyebabkan gas untuk berubah menjadi plasma berpendar.

Struktur Matahari

Struktur bola matahari adalah hasil dari dua kekuatan yang saling bersaing: gravitasi dari massa padat di pusat matahari yang mencoba menarik semua plasma ke dalam versus energi dari fusi nuklir yang terjadi di inti, menyebabkan plasma mengembang.

Matahari terdiri dari tujuh lapisan: tiga bagian dalam dan empat bagian luar. Mereka, dari pusat ke luar:

The Layers of the Sun

Kami sudah bicara tentang inti sudah banyak; itu adalah tempat fusi terjadi. Seperti yang Anda harapkan, di sinilah Anda akan menemukan suhu tertinggi di matahari: sekitar 27.000.000.000 (27 juta) derajat Fahrenheit.

Itu zona radiasi, kadang-kadang disebut zona "radiasi", adalah tempat energi dari inti bergerak keluar terutama sebagai radiasi elektromagnetik.

Itu zona konvektif, alias zona "konveksi", adalah tempat energi dibawa terutama oleh arus dalam plasma lapisan. Pikirkan bagaimana uap dari panci mendidih membawa panas dari kompor ke udara di atas kompor, dan Anda akan memiliki ide yang tepat.

"Permukaan" matahari, sedemikian rupa, adalah photosphere. Inilah yang kita lihat ketika kita melihat matahari. Radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh lapisan ini terlihat oleh mata telanjang sebagai cahaya, dan sangat terang sehingga menyembunyikan lapisan luar yang kurang padat dari pandangan.

Itu kromosfer lebih panas dari photosphere, tetapi tidak sepanas korona. Temperaturnya menyebabkan hidrogen memancarkan cahaya kemerahan. Ini biasanya tidak terlihat tetapi dapat dilihat sebagai cahaya kemerahan yang mengelilingi matahari ketika gerhana total menyembunyikan photosphere.

Itu zona transisi adalah lapisan tipis di mana suhu bergeser secara dramatis dari kromosfer ke korona. Itu terlihat oleh teleskop yang dapat mendeteksi sinar ultraviolet (UV).

Akhirnya, korona adalah lapisan terluar matahari dan sangat panas - ratusan kali lebih panas daripada photosphere - tetapi tidak terlihat oleh mata telanjang kecuali selama gerhana total, ketika itu muncul sebagai aura putih tipis di sekitar matahari. Persis Mengapa panasnya adalah sedikit misteri, tetapi setidaknya satu faktor tampaknya menjadi "bom panas": paket-paket bahan yang sangat panas yang melayang dari jauh di bawah sinar matahari sebelum meledak dan melepaskan energi ke dalam korona.

Angin Matahari

Seperti yang bisa dikatakan siapa pun yang pernah mengalami sengatan matahari, efek matahari jauh melampaui korona. Faktanya, korona itu begitu panas dan jauh dari inti sehingga gravitasi matahari tidak dapat menahan plasma super-dipanaskan - partikel bermuatan mengalir ke luar angkasa sebagai konstanta angin matahari.

Matahari Akhirnya Akan Mati

Meskipun ukuran matahari luar biasa, pada akhirnya akan kehabisan hidrogen yang dibutuhkan untuk mempertahankan inti fusi. Matahari diperkirakan memiliki umur total sekitar 10 miliar tahun. Ia lahir sekitar 4,6 miliar tahun yang lalu, jadi ada beberapa saat sebelum akan habis, tetapi itu akan terjadi.

Matahari diperkirakan memancarkan 3,846 × 10²⁶ J energi setiap hari. Dengan pengetahuan itu, kita dapat memperkirakan berapa banyak massa yang harus dikonversi berdasarkan per detik. Kami akan memberi Anda lebih banyak matematika untuk saat ini; keluar menjadi sekitar 4,27 × 10⁹ kg per detik. Hanya dalam tiga detik, matahari menghabiskan massa sebanyak yang membentuk Piramida Agung Giza, dua kali lipat.

Ketika kehabisan hidrogen, ia akan mulai menggunakan unsur-unsur yang lebih berat untuk fusi - sebuah proses yang mudah menguap yang akan membuatnya berkembang menjadi 100 kali ukurannya saat ini sementara memuntahkan sebagian besar massanya ke ruang angkasa. Ketika akhirnya menghabiskan bahan bakarnya, ia akan meninggalkan benda kecil yang sangat padat yang disebut a katai putih, seukuran Bumi kita tetapi banyak, berkali-kali lebih padat.