16.3: التصميم الداخلي الشمسي - النظرية
- Page ID
- 197066
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف حالة توازن الشمس
- فهم توازن الطاقة في الشمس
- شرح كيفية انتقال الطاقة إلى الخارج من خلال الشمس
- وصف هيكل الجزء الداخلي من الطاقة الشمسية
يمكن أن يحدث اندماج البروتونات في مركز الشمس فقط إذا تجاوزت درجة الحرارة 12 مليون كلفن. كيف نعرف أن الشمس في الواقع بهذه الحرارة؟ لتحديد الشكل الداخلي للشمس، من الضروري اللجوء إلى الحسابات المعقدة. نظرًا لأننا لا نستطيع رؤية الجزء الداخلي من الشمس، يتعين علينا استخدام فهمنا للفيزياء، جنبًا إلى جنب مع ما نراه على السطح، لبناء نموذج رياضي لما يجب أن يحدث في الداخل. يستخدم علماء الفلك الملاحظات لبناء برنامج كمبيوتر يحتوي على كل ما يعتقدون أنهم يعرفونه عن العمليات الفيزيائية التي تحدث في داخل الشمس. يقوم الكمبيوتر بعد ذلك بحساب درجة الحرارة والضغط في كل نقطة داخل الشمس ويحدد التفاعلات النووية، إن وجدت، التي تحدث. بالنسبة لبعض العمليات الحسابية، يمكننا استخدام الملاحظات لتحديد ما إذا كان برنامج الكمبيوتر ينتج نتائج تطابق ما نراه. بهذه الطريقة، يتطور البرنامج بملاحظات تتحسن باستمرار.
يمكن لبرنامج الكمبيوتر أيضًا حساب كيفية تغير الشمس بمرور الوقت. بعد كل شيء، يجب أن تتغير الشمس. في وسطها، تستنفد الشمس ببطء إمداداتها من الهيدروجين وتنتج الهيليوم بدلاً من ذلك. هل ستصبح الشمس أكثر سخونة؟ مبرد؟ أكبر؟ أصغر؟ أكثر إشراقًا؟ فاينتر؟ في نهاية المطاف، قد تكون التغييرات في المركز كارثية، حيث سيتم في النهاية استنفاد كل وقود الهيدروجين الساخن بما يكفي للاندماج. إما أن يتم العثور على مصدر جديد للطاقة، أو ستتوقف الشمس عن التألق. سنصف المصير النهائي للشمس في فصول لاحقة. في الوقت الحالي، دعونا نلقي نظرة على بعض الأشياء التي يجب أن نعلمها للكمبيوتر عن الشمس من أجل إجراء مثل هذه الحسابات.
الشمس هي بلازما
الشمس شديدة الحرارة لدرجة أن جميع المواد الموجودة فيها تكون في شكل غاز مؤين يسمى البلازما. تعمل البلازما كثيرًا مثل الغاز الساخن، والذي يسهل وصفه رياضيًا مقارنة بالسوائل أو المواد الصلبة. تتحرك الجسيمات التي يتكون منها الغاز بسرعة، وكثيراً ما تصطدم ببعضها البعض. هذا القصف المستمر هو ضغط الغاز (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
ينتج المزيد من الجسيمات داخل حجم معين من الغاز مزيدًا من الضغط لأن التأثير المشترك للجسيمات المتحركة يزداد مع زيادة عددها. يزداد الضغط أيضًا عندما تتحرك الجزيئات أو الذرات بشكل أسرع. نظرًا لأن الجزيئات تتحرك بشكل أسرع عندما تكون درجة الحرارة أكثر سخونة، فإن درجات الحرارة المرتفعة تنتج ضغطًا أعلى.
الشمس مستقرة
الشمس، مثل غالبية النجوم الأخرى، مستقرة؛ فهي لا تتوسع ولا تتقلص. ويقال أن هذا النجم في حالة توازن. تتوازن جميع القوى الموجودة بداخله، بحيث يتم الحفاظ على درجة الحرارة والضغط والكثافة وما إلى ذلك عند كل نقطة داخل النجم عند قيم ثابتة. سنرى في الفصول اللاحقة أنه حتى هذه النجوم المستقرة، بما في ذلك الشمس، تتغير مع تطورها، لكن مثل هذه التغييرات التطورية تدريجية جدًا لدرجة أن النجوم، لجميع المقاصد والأغراض، لا تزال في حالة توازن في أي وقت.
ينتج عن الجاذبية المتبادلة بين كتل المناطق المختلفة داخل الشمس قوى هائلة تميل إلى انهيار الشمس باتجاه مركزها. ومع ذلك، نعلم من تاريخ الأرض أن الشمس تصدر تقريبًا نفس الكمية من الطاقة لمليارات السنين، لذلك من الواضح أنها تمكنت من مقاومة الانهيار لفترة طويلة جدًا. لذلك يجب موازنة قوى الجاذبية ببعض القوى الأخرى. هذه القوة ناتجة عن ضغط الغازات داخل الشمس (الشكل\(\PageIndex{2}\)). تشير الحسابات إلى أنه من أجل ممارسة ضغط كافٍ لمنع الشمس من الانهيار بسبب قوة الجاذبية، يجب الحفاظ على الغازات في مركزها عند درجة حرارة 15 مليون ك. فكر فيما يخبرنا به هذا. فقط من حقيقة أن الشمس لا تنقبض، يمكننا أن نستنتج أن درجة حرارتها يجب أن تكون بالفعل عالية بما يكفي في المركز حتى تخضع البروتونات للاندماج.
تحافظ الشمس على استقرارها بالطريقة التالية. إذا لم يكن الضغط الداخلي في مثل هذا النجم كبيرًا بما يكفي لموازنة وزن أجزائه الخارجية، فسوف ينهار النجم إلى حد ما، ويتقلص ويزيد الضغط بداخله. من ناحية أخرى، إذا كان الضغط أكبر من وزن الطبقات المغطية، فسوف يتمدد النجم، وبالتالي يقلل الضغط الداخلي. سيتوقف التوسع، وسيتم الوصول إلى التوازن مرة أخرى عندما يساوي الضغط في كل نقطة داخلية وزن الطبقات النجمية فوق تلك النقطة. التشابه هو البالون المتضخم، الذي سيتمدد أو ينقبض حتى يتم الوصول إلى توازن بين ضغط الهواء من الداخل والخارج. المصطلح الفني لهذه الحالة هو التوازن الهيدروستاتيكي. جميع النجوم المستقرة في حالة توازن هيدروستاتيكي؛ وكذلك محيطات الأرض وكذلك الغلاف الجوي للأرض. إن ضغط الهواء نفسه يمنعه من السقوط على الأرض.
الشمس لا تهدأ
كما يعلم كل من ترك نافذة مفتوحة في ليلة شتوية باردة، تتدفق الحرارة دائمًا من المناطق الأكثر حرارة إلى المناطق الأكثر برودة. عندما تتسرب الطاقة للخارج نحو سطح النجم، يجب أن تتدفق من المناطق الداخلية الأكثر سخونة. لا يمكن أن تصبح درجة الحرارة عادةً أكثر برودة عندما ندخل نجمًا، أو ستتدفق الطاقة إلى تلك المناطق وتسخنها حتى تصبح على الأقل ساخنة مثل المناطق الخارجية. يستنتج العلماء أن درجة الحرارة هي الأعلى في مركز النجم، وتنخفض إلى القيم الأدنى والأدنى باتجاه السطح النجمي. (لذلك قد يبدو ارتفاع درجة حرارة كروموسفير الشمس والإكليل بمثابة مفارقة. ولكن تذكر من The Sun: A Garden-Variety Star أن درجات الحرارة المرتفعة هذه يتم الحفاظ عليها من خلال التأثيرات المغناطيسية التي تحدث في الغلاف الجوي للشمس.)
يؤدي التدفق الخارجي للطاقة عبر النجم إلى حرمانه من حرارته الداخلية، وسوف يبرد النجم إذا لم يتم استبدال هذه الطاقة. وبالمثل، تبدأ المكواة الساخنة في التبريد بمجرد فصلها عن مصدر الطاقة الكهربائية. لذلك، يجب أن يوجد مصدر للطاقة الطازجة داخل كل نجم. في حالة الشمس، رأينا أن مصدر الطاقة هذا هو الاندماج المستمر للهيدروجين لتكوين الهيليوم.
انتقال الحرارة في نجمة
نظرًا لأن التفاعلات النووية التي تولد طاقة الشمس تحدث في أعماق الشمس، يجب نقل الطاقة من مركز الشمس إلى سطحها - حيث نراها في شكل حرارة وضوء. هناك ثلاث طرق يمكن من خلالها نقل الطاقة من مكان إلى آخر. في التوصيل، تمر الذرات أو الجزيئات طاقتها عن طريق الاصطدام بالآخرين القريبين. يحدث هذا، على سبيل المثال، عندما يسخن مقبض الملعقة المعدنية أثناء تقليب فنجان من القهوة الساخنة. في الحمل الحراري، ترتفع تيارات المواد الدافئة، حاملة طاقتها معها إلى طبقات أكثر برودة. وخير مثال على ذلك هو الهواء الساخن الذي يرتفع من الموقد. في الإشعاع، تبتعد الفوتونات النشطة عن المواد الساخنة ويتم امتصاصها بواسطة بعض المواد التي تنقل إليها بعض أو كل طاقتها. يمكنك الشعور بذلك عندما تضع يدك بالقرب من لفائف السخان الكهربائي، مما يسمح لفوتونات الأشعة تحت الحمراء بتسخين يدك. يعتبر كل من التوصيل والحمل الحراري مهمين في الأجزاء الداخلية للكواكب. في النجوم، التي تكون أكثر شفافية، يكون الإشعاع والحمل الحراري مهمين، بينما يمكن عادةً تجاهل التوصيل.
بالإضافة إلى ذلك، تلعب الموجات الصوتية دورًا في نقل الطاقة في النجوم. تنتقل الموجات الصوتية عبر الجزء الداخلي من الشمس [مما يجعل من الممكن رؤية البقع الشمسية على الجانب البعيد من الشمس]، ولكنها لا تتولد في القلب. خلافًا للاعتقاد الشائع، فإن الجوهر هو مكان هادئ وهادئ للغاية. غالبًا ما يقول الناس أن ملايين القنابل الذرية تنفجر في القلب. هذا خطأ. الطاقة المولدة في النواة «عنيفة» مثل تلك التي تحدث في كومة سماد الحديقة العادية. يتم نقل الطاقة عن طريق الإشعاع [مثل الجلوس أمام نار المخيم] والمادة مستقرة وطبقية، أي لا «تنقلب» مثل الماء المغلي [بالحمل الحراري]. يمكنك سماع غليان الماء، ولكن لا يمكنك سماع الإشعاع، لذلك، لا: لا يوجد مكون صوتي في القلب. من ناحية أخرى، في حوالي 3/4 من الطريق إلى السطح، يكون نقل الطاقة أكثر كفاءة إذا كانت المادة «تغلي» و «تدور» لذلك هناك موجات صوتية ناتجة عن ذلك، ربما مثل الطنين المستمر ولكنها تغمرها الأصوات الصادرة على السطح. الطاقة السطحية عبارة عن مزيج من الحرارة والضوء والطاقة الصوتية.
يحدث الحمل الحراري النجمي عندما تتدفق تيارات الغاز الساخن لأعلى ولأسفل عبر النجم (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تنتقل هذه التيارات بسرعات معتدلة ولا تخل بالاستقرار العام للنجم. فهي لا تؤدي حتى إلى نقل صافي للكتلة سواء إلى الداخل أو الخارج لأنه مع ارتفاع المواد الساخنة تسقط المادة الباردة وتحل محلها. ينتج عن هذا دوران الحمل الحراري للخلايا الصاعدة والهابطة كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{3}\). وبنفس الطريقة، يمكن للحرارة الصادرة من الموقد أن تثير التيارات الهوائية في الغرفة، بعضها يرتفع والبعض الآخر يسقط، دون دفع أي هواء إلى داخل الغرفة أو خارجها. تنقل التيارات الحرارية الحرارة بكفاءة عالية إلى الخارج من خلال النجم. في الشمس، تبين أن الحمل الحراري مهم في المناطق الوسطى وبالقرب من السطح.
ما لم يحدث الحمل الحراري، فإن الطريقة المهمة الوحيدة لنقل الطاقة عبر النجم هي عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي. الإشعاع ليس وسيلة فعالة لنقل الطاقة في النجوم لأن الغازات في الأجزاء الداخلية النجمية معتمة للغاية، أي أن الفوتون لا يذهب بعيدًا (في الشمس، عادة حوالي 0.01 متر) قبل امتصاصه. (تمت مناقشة العمليات التي يمكن للذرات والأيونات من خلالها مقاطعة التدفق الخارجي للفوتونات - مثل التأين - في القسم الخاص بتكوين الخطوط الطيفية.) يتم دائمًا إعادة انبعاث الطاقة الممتصة، ولكن يمكن إعادة إطلاقها في أي اتجاه. يتمتع الفوتون الذي يتم امتصاصه عند الانتقال إلى الخارج في نجم بفرصة جيدة تقريبًا للإشعاع مرة أخرى نحو مركز النجم كما هو الحال تجاه سطحه.
لذلك، تتعرج كمية معينة من الطاقة بطريقة عشوائية تقريبًا وتستغرق وقتًا طويلاً لتشق طريقها من مركز النجم إلى سطحه (الشكل\(\PageIndex{4}\)). التقديرات غير مؤكدة إلى حد ما، ولكن في الشمس، كما رأينا، من المحتمل أن يتراوح الوقت المطلوب بين 100000 و 1،000،000 سنة. إذا لم يتم امتصاص الفوتونات وإعادة انبعاثها على طول الطريق، فسوف تنتقل بسرعة الضوء ويمكن أن تصل إلى السطح في ما يزيد قليلاً عن ثانيتين، تمامًا كما تفعل النيوترينوات (الشكل\(\PageIndex{5}\)).
نقل الحرارة والطهي
تُستخدم جميع الطرق الثلاث التي تنتقل بها الطاقة الحرارية من المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة إلى المناطق الأكثر برودة في الطهي، وهذا مهم لنا جميعًا الذين يستمتعون بصنع الطعام أو تناوله.
التوصيل هو انتقال الحرارة عن طريق الاتصال الجسدي الذي تنتشر خلاله الحركة النشطة للجسيمات في منطقة واحدة إلى مناطق أخرى وحتى إلى الأجسام المجاورة في اتصال وثيق. ومن الأمثلة اللذيذة على ذلك طهي شريحة لحم على مقلاة حديدية ساخنة. عندما يجعل اللهب قاع المقلاة ساخنًا، تهتز الجسيمات الموجودة فيه بنشاط وتتصادم مع الجسيمات المجاورة، مما ينشر الطاقة الحرارية في جميع أنحاء المقلاة (تعد القدرة على نشر الحرارة بشكل موحد معيارًا رئيسيًا لاختيار المواد المستخدمة في أواني الطهي). تلتقط شريحة اللحم الموجودة على سطح المقلاة الطاقة الحرارية من الجسيمات الموجودة على سطح المقلاة التي تصطدم بالجسيمات الموجودة على سطح شريحة اللحم. سيضع العديد من الطهاة القليل من الزيت على المقلاة، وهذه الطبقة من الزيت، إلى جانب منع الالتصاق، تزيد من انتقال الحرارة عن طريق ملء الفجوات وزيادة مساحة سطح التلامس.
الحمل الحراري هو انتقال الحرارة بحركة المادة التي ترتفع لأنها ساخنة وأقل كثافة. تسخين السائل يجعله يتوسع، مما يجعله أقل كثافة، لذلك يرتفع. يعتبر الفرن مثالًا رائعًا على ذلك: النار في قاع الفرن وتسخن الهواء هناك، مما يؤدي إلى توسعه (ليصبح أقل كثافة)، وبالتالي يرتفع إلى مكان الطعام. ينقل الهواء الساخن المتصاعد الحرارة من النار إلى الطعام عن طريق الحمل الحراري. هذه هي الطريقة التي تعمل بها الأفران التقليدية. قد تكون أيضًا على دراية بالأفران الحرارية التي تستخدم مروحة لتدوير الهواء الساخن لمزيد من الطهي المتساوي. قد يعترض أحد العلماء على هذا الاسم لأن الأفران العادية التي لا تحتوي على مروحة والتي تعتمد على ارتفاع الهواء الساخن لتدوير الحرارة هي أفران حرارية؛ ومن الناحية الفنية، فإن الأفران التي تستخدم المراوح للمساعدة في نقل الحرارة هي أفران «تأقلم». (ربما لم تسمع عن هذا لأن العلماء الذين يشتكون بصوت عالٍ من إساءة استخدام مصطلحي الحمل الحراري والتأقلم لا يخرجون كثيرًا.)
الإشعاع هو نقل الطاقة الحرارية بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي. على الرغم من أن أفران الميكروويف هي مثال واضح على استخدام الإشعاع لتسخين الطعام، إلا أن المثال الأبسط هو فرن الألعاب. يتم تشغيل أفران الألعاب بواسطة مصباح كهربائي ساطع جدًا. يقوم الطهاة الأطفال بإعداد مزيج من البراونيز أو البسكويت، ووضعه في صينية، ووضعه في فرن الألعاب تحت المصباح الكهربائي الساطع. يصطدم الضوء والحرارة المنبعثة من المصباح بمزيج البراوني ويطهوه. إذا سبق لك أن وضعت يدك بالقرب من ضوء ساطع، فقد لاحظت بلا شك أن يدك تزداد دفئًا بسبب الضوء.
موديل ستارز
يستخدم العلماء المبادئ التي وصفناها للتو لحساب شكل الجزء الداخلي للشمس. يتم التعبير عن هذه الأفكار الفيزيائية كمعادلات رياضية يتم حلها لتحديد قيم درجة الحرارة والضغط والكثافة وكفاءة امتصاص الفوتونات والكميات الفيزيائية الأخرى في جميع أنحاء الشمس. توفر الحلول التي تم الحصول عليها، بناءً على مجموعة محددة من الافتراضات المادية، نموذجًا نظريًا لداخل الشمس.
يوضح الشكل\(\PageIndex{6}\) بشكل تخطيطي تنبؤات النموذج النظري لداخل الشمس. تتولد الطاقة من خلال الاندماج في قلب الشمس، الذي يمتد فقط حوالي ربع الطريق إلى السطح ولكنه يحتوي على حوالي ثلث الكتلة الكلية للشمس. في المركز، تصل درجة الحرارة إلى 15 مليون كلفن كحد أقصى، وتبلغ الكثافة حوالي 150 مرة من كثافة الماء. يتم نقل الطاقة المولدة في النواة نحو السطح عن طريق الإشعاع حتى تصل إلى نقطة حوالي 70٪ من المسافة من المركز إلى السطح. عند هذه النقطة، يبدأ الحمل الحراري، ويتم نقل الطاقة لبقية الطريق، في المقام الأول عن طريق أعمدة صاعدة من الغاز الساخن.
\(\PageIndex{7}\)يوضح الشكل كيف تختلف درجة الحرارة والكثافة ومعدل توليد الطاقة والتركيب من مركز الشمس إلى سطحها.
المفاهيم الأساسية والملخص
على الرغم من أننا لا نستطيع الرؤية داخل الشمس، فمن الممكن حساب الشكل الذي يجب أن يكون عليه الجزء الداخلي. كمدخل لهذه الحسابات، نستخدم ما نعرفه عن الشمس. إنه مصنوع بالكامل من الغاز الساخن. بصرف النظر عن بعض التغييرات الصغيرة جدًا، لا تتمدد الشمس ولا تتقلص (إنها في حالة توازن هيدروستاتيكي) وتنتج الطاقة بمعدل ثابت. يحدث اندماج الهيدروجين في مركز الشمس، ويتم نقل الطاقة المولدة إلى السطح عن طريق الإشعاع ثم الحمل الحراري. يصف النموذج الشمسي بنية الجزء الداخلي للشمس. على وجه التحديد، يصف كيف يعتمد الضغط ودرجة الحرارة والكتلة واللمعان على المسافة من مركز الشمس.
مسرد المصطلحات
- التوصيل
- عملية تنتقل من خلالها الحرارة مباشرة من خلال مادة عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة بين المناطق المجاورة بسبب التصادمات الذرية أو الجزيئية
- الحمل الحراري
- الحركة التي تحدث داخل الغاز أو السائل بسبب ميل المواد الأكثر سخونة، وبالتالي الأقل كثافة، إلى الارتفاع وغرق المواد الأكثر برودة وكثافة تحت تأثير الجاذبية، مما يؤدي بالتالي إلى انتقال الحرارة
- توازن هيدروستاتيكي
- التوازن بين أوزان الطبقات المختلفة، كما هو الحال في الغلاف الجوي للنجم أو الأرض، والضغوط التي تدعمها
- إشعاع
- انبعاث الطاقة كموجات كهرومغناطيسية أو فوتونات، وكذلك الطاقة المرسلة نفسها؛