16.3: Mambo ya Ndani ya jua - Nadharia

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza hali ya usawa wa Jua
• Kuelewa usawa wa nishati ya Jua
• Eleza jinsi nishati inavyoondoka nje kupitia Jua
• Eleza muundo wa mambo ya ndani ya jua

Fusion ya protoni inaweza kutokea katikati ya Jua tu ikiwa joto linazidi milioni 12 K. tunajuaje kwamba Jua ni kweli moto huu? Kuamua nini mambo ya ndani ya Jua yanaweza kuwa kama, ni muhimu kupumzika kwa mahesabu magumu. Kwa kuwa hatuwezi kuona mambo ya ndani ya Jua, tunatakiwa kutumia ufahamu wetu wa fizikia, pamoja na kile tunachokiona kwenye uso, ili kujenga mfano wa hisabati wa kile kinachopaswa kutokea ndani ya mambo ya ndani. Wanaastronomia hutumia uchunguzi wa kujenga programu ya kompyuta iliyo na kila kitu wanachofikiri wanachojua kuhusu michakato ya kimwili inayoendelea katika mambo ya ndani ya Jua. Tarakilishi kisha huhesabu halijoto na shinikizo katika kila hatua ndani ya Jua na huamua nini athari za nyuklia, ikiwa zipo, zinafanyika. Kwa mahesabu fulani, tunaweza kutumia uchunguzi ili kujua kama programu ya kompyuta inazalisha matokeo yanayofanana na kile tunachokiona. Kwa njia hii, mpango unaendelea na uchunguzi wa milele.

Programu ya kompyuta inaweza pia kuhesabu jinsi Sun itabadilika kwa wakati. Baada ya yote, Jua linapaswa kubadilika. Katikati yake Jua linapunguza polepole ugavi wake wa hidrojeni na kutengeneza heliamu badala yake. Je! Jua litapata moto zaidi? Baridi? Kubwa? Ndogo? Brighter? Kuzimia? Hatimaye, mabadiliko katika kituo hicho yanaweza kuwa mabaya, kwani hatimaye mafuta yote ya hidrojeni ya moto ya kutosha kwa fusion yatachoka. Aidha chanzo kipya cha nishati kinapaswa kupatikana, au Jua litaacha kuangaza. Tutaelezea hatima ya mwisho ya Jua katika sura za baadaye. Kwa sasa, hebu tuangalie baadhi ya mambo ambayo tunapaswa kufundisha kompyuta kuhusu Jua ili kutekeleza mahesabu hayo.

Jua ni Plasma

Jua ni moto sana kwamba nyenzo zote ndani yake ni kwa njia ya gesi ionized, inayoitwa plasma. Plasma hufanya sana kama gesi ya moto, ambayo ni rahisi kuelezea hesabu kuliko aidha majimaji au yabisi. Chembe zinazounda gesi ziko katika mwendo wa haraka, mara nyingi hugongana. Bombardment hii mara kwa mara ni shinikizo la gesi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Shinikizo la gesi. Chembe katika gesi ziko katika mwendo wa haraka na huzalisha shinikizo kupitia migongano na nyenzo zinazozunguka. Hapa, chembe zinaonyeshwa bombarding pande za chombo cha kufikiri.

Chembe zaidi ndani ya kiasi fulani cha gesi huzalisha shinikizo zaidi kwa sababu athari ya pamoja ya chembe zinazohamia huongezeka kwa idadi yao. Shinikizo pia ni kubwa zaidi wakati molekuli au atomi zinahamia kwa kasi zaidi. Kwa kuwa molekuli huhamia kwa kasi wakati joto linapokuwa moto, joto la juu huzalisha shinikizo la juu.

Jua ni imara

Jua, kama nyota nyingi zingine, ni imara; halipanuzi wala kuambukizwa. Nyota hiyo inasemekana kuwa katika hali ya usawa. Majeshi yote ndani yake ni ya usawa, ili kila wakati ndani ya nyota, joto, shinikizo, wiani, na kadhalika huhifadhiwa kwa maadili ya mara kwa mara. Tutaona katika sura za baadaye kwamba hata nyota hizi imara, ikiwa ni pamoja na Jua, zinabadilika kadiri zinabadilika, lakini mabadiliko hayo ya mabadiliko ni ya taratibu kiasi kwamba, kwa madhumuni na madhumuni yote, nyota bado ziko katika hali ya usawa wakati wowote.

Mvuto wa mvuto wa pamoja kati ya raia wa mikoa mbalimbali ndani ya Jua hutoa nguvu kubwa ambazo huwa na kuanguka Jua kuelekea katikati yake. Hata hivyo tunajua kutokana na historia ya Dunia kwamba Jua limekuwa likitoa takribani kiasi sawa cha nishati kwa mabilioni ya miaka, hivyo wazi imeweza kupinga kuanguka kwa muda mrefu sana. Vikosi vya mvuto lazima iwe sawa na nguvu nyingine. Nguvu hiyo ni kutokana na shinikizo la gesi ndani ya Jua (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Mahesabu yanaonyesha kwamba, ili kutumia shinikizo la kutosha ili kuzuia Sun kuanguka kutokana na nguvu ya mvuto, gesi katika kituo chake lazima ihifadhiwe kwa joto la milioni 15 K Fikiria juu ya kile kinachotuambia. Tu kutokana na ukweli kwamba Jua haliwezi kuambukizwa, tunaweza kuhitimisha kwamba joto lake lazima liwe juu ya kutosha katikati ya protons kufanyiwa fusion.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Hydrostatic Msawazo Katika mambo ya ndani ya nyota, nguvu ya ndani ya mvuto ni sawa kabisa katika kila hatua na nguvu ya nje ya shinikizo la gesi.

Jua linaendelea utulivu wake kwa njia ifuatayo. Kama shinikizo la ndani katika nyota hiyo halikuwa kubwa ya kutosha kusawazisha uzito wa sehemu zake za nje, nyota ingeanguka kiasi fulani, ikaambukizwa na kujenga shinikizo ndani. Kwa upande mwingine, kama shinikizo lingekuwa kubwa kuliko uzito wa tabaka za juu, nyota ingeenea, hivyo kupunguza shinikizo la ndani. Upanuzi utaacha, na usawa ungefikiwa tena wakati shinikizo katika kila hatua ya ndani ililingana na uzito wa tabaka za stellar juu ya hatua hiyo. Mfano ni puto iliyochangiwa, ambayo itapanua au mkataba mpaka usawa ufikiwe kati ya shinikizo la hewa ndani na nje. Neno la kiufundi kwa hali hii ni usawa wa hydrostatic. Nyota imara zote ziko katika usawa wa hydrostatic; hivyo ni bahari za Dunia pamoja na angahewa ya Dunia. Shinikizo la hewa linalinda kuanguka chini.

Sun si baridi chini

Kama kila mtu aliyewahi kushoto dirisha kufunguliwa usiku wa baridi baridi anajua, joto daima linatoka kwenye mikoa ya moto hadi baridi. Kama filters nishati nje kuelekea uso wa nyota, ni lazima inapita kutoka ndani, mikoa ya moto. Hali ya joto haiwezi kupata baridi tunapoingia ndani ndani ya nyota, au nishati ingeingia ndani na kuwaka mikoa hiyo mpaka ingekuwa angalau moto kama ile ya nje. Wanasayansi wanahitimisha kuwa joto ni kubwa zaidi katikati ya nyota, na kuacha maadili ya chini na ya chini kuelekea uso wa stellar. (Joto la juu la kromosphere ya Jua na corona inaweza kuonekana kuwa kitendawili. Lakini kumbuka kutoka Jua: Nyota ya Bustani-Variety kwamba joto hizi za juu huhifadhiwa na athari za magnetic, ambazo hutokea katika anga ya Jua.)

Mzunguko wa nje wa nishati kupitia nyota huiiba joto lake la ndani, na nyota ingekuwa baridi kama nishati hiyo haikubadilishwa. Vile vile, chuma cha moto huanza kupendeza mara tu kinapoondolewa kutoka chanzo chake cha nishati ya umeme. Kwa hiyo, chanzo cha nishati safi lazima kiwepo ndani ya kila nyota. Katika kesi ya Jua, tumeona kwamba chanzo hiki cha nishati ni fusion inayoendelea ya hidrojeni kuunda heliamu.

Uhamisho wa joto katika Nyota

Kwa kuwa athari za nyuklia zinazozalisha nishati ya Jua hutokea ndani yake, nishati lazima ipelekwe kutoka katikati ya Jua hadi kwenye uso wake—ambapo tunaiona kwa umbo la joto na nuru zote mbili. Kuna njia tatu ambazo nishati inaweza kuhamishwa kutoka sehemu moja hadi nyingine. Katika upitishaji atomi au molekuli hupitia nishati zao kwa kugongana na wengine walio karibu. Hii hutokea, kwa mfano, wakati kushughulikia kijiko cha chuma kinapunguza unapokwisha kikombe cha kahawa ya moto. Katika convection, mikondo ya kupanda kwa nyenzo za joto, kubeba nishati zao pamoja nao kwa tabaka za baridi. Mfano mzuri ni hewa ya moto inayoinuka kutoka mahali pa moto. Katika mionzi, photons za juhudi huondoka kwenye nyenzo za moto na zinachukuliwa na nyenzo fulani ambazo zinaonyesha baadhi au nguvu zao zote. Unaweza kujisikia hili wakati unapoweka mkono wako karibu na coils ya heater umeme, kuruhusu photons infrared joto juu ya mkono wako. Uendeshaji na convection ni muhimu katika mambo ya ndani ya sayari. Katika nyota, ambazo ni wazi zaidi, mionzi na convection ni muhimu, wakati conduction kawaida inaweza kupuuzwa.

Kumbuka imeongezwa kwenye toleo la LibreTexts

Aidha, mawimbi ya acoustic hushiriki katika uhamisho wa nishati katika nyota. Mawimbi ya sauti yanasafiri kupitia mambo ya ndani ya jua [kuifanya iwezekanavyo kuona madoa ya jua upande wa mbali wa jua], lakini hayakuzalishwa katika msingi. Kinyume na imani ya kawaida, msingi ni mahali pa utulivu na utulivu. Watu mara nyingi wanasema kwamba mamilioni ya bomu ya atomiki hutoka katika msingi. Hii ni sahihi. Nishati inayozalishwa katika msingi ni kama 'vurugu' kama kwamba kinachoendelea katika rundo la kawaida la mbolea la bustani. Nishati husafirishwa kwa mionzi [kama kwamba unapata kukaa mbele ya moto wa kambi] na jambo hilo ni imara na lenye stratified, k.m. haligeuzi' kama maji ya moto yanavyofanya [kwa convection]. Unaweza kusikia maji ya moto, lakini huwezi kusikia mionzi, kwa hiyo, hapana: hakuna sehemu ya acoustic katika msingi. Kwa upande mwingine, takriban 3/4 ya njia ya kuelekea uso, usafiri wa nishati ni ufanisi zaidi kama jambo hilo ni 'kuchemsha' na 'roiling'hivyo kuna mawimbi ya sauti yanayotokana na hayo, labda kama hum ya mara kwa mara lakini inazidiwa na sauti inayozalishwa kwenye uso. Katika nishati ya uso ni mchanganyiko wa nishati ya joto, mwanga na acoustic.

Convection ya stellar hutokea kama mikondo ya gesi ya moto inapita juu na chini kupitia nyota (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Maji hayo yanasafiri kwa kasi ya wastani na usisumbue utulivu wa nyota. Hawana hata kusababisha uhamisho wa wavu wa molekuli ama ndani au nje kwa sababu, kama nyenzo za moto zinaongezeka, nyenzo za baridi huanguka na kuzibadilisha. Hii matokeo katika mzunguko convective ya seli kupanda na kuanguka kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Kwa njia hiyo hiyo, joto kutoka mahali pa moto linaweza kuchochea mikondo ya hewa katika chumba, baadhi ya kupanda na kuanguka, bila kuendesha hewa yoyote ndani au nje ya chumba. Maji ya convection hubeba joto kwa ufanisi sana kwa njia ya nyota. Katika Jua, convection inakuwa muhimu katika mikoa ya kati na karibu na uso.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Convection. Kupanda kwa mikondo ya convection hubeba joto kutoka mambo ya ndani ya jua hadi kwenye uso wake, wakati nyenzo za baridi huzama chini. Bila shaka, hakuna kitu katika nyota halisi ni rahisi kama michoro katika vitabu vya vitabu vinavyoonyesha.

Isipokuwa convection hutokea, njia muhimu pekee ya usafiri wa nishati kupitia nyota ni kwa mionzi ya umeme. Mionzi sio njia bora ya usafiri wa nishati katika nyota kwa sababu gesi katika mambo ya ndani ya stellar ni opaque sana, yaani, photon haina kwenda mbali (katika Jua, kwa kawaida kuhusu mita 0.01) kabla ya kufyonzwa. (Michakato ambayo atomi na ions zinaweza kupinga mtiririko wa nje wa photons-kama vile kuwa ionized-zilijadiliwa katika sehemu juu ya Uundaji wa mistari ya Spectral.) Nishati iliyosababishwa daima hutolewa, lakini inaweza kutolewa kwa mwelekeo wowote. Fotoni iliyofyonzwa wakati wa kusafiri nje katika nyota ina karibu nafasi nzuri ya kung'ara nyuma kuelekea katikati ya nyota kama kuelekea uso wake.

Kiasi fulani cha nishati, kwa hiyo, zigzags kuzunguka kwa njia ya karibu na inachukua muda mrefu kufanya kazi yake kutoka katikati ya nyota hadi kwenye uso wake (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Makadirio hayana uhakika, lakini katika Jua, kama tulivyoona, muda unaotakiwa pengine ni kati ya miaka 100,000 na 1,000,000. Kama photons walikuwa si kufyonzwa na reemitted njiani, wangeweza kusafiri kwa kasi ya mwanga na inaweza kufikia uso katika kidogo zaidi ya sekunde 2, kama neutrinos kufanya (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Photons Deep katika Sun. Fotoni inayohamia kupitia gesi zenye mnene katika mambo ya ndani ya jua husafiri umbali mfupi tu kabla ya kuingiliana na moja ya atomi zinazozunguka. Photon kawaida ina nishati ya chini baada ya kila mwingiliano na inaweza kisha kusafiri katika mwelekeo wowote wa random.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Photon na Neutrino Njia katika Jua. (a) Kwa sababu fotoni zinazozalishwa na athari za fusion katika mambo ya ndani ya jua zinasafiri umbali mfupi tu kabla ya kufyonzwa au kutawanyika na atomi na kutumwa mbali katika maelekezo ya random, makadirio ni kwamba inachukua kati ya miaka 100,000 na 1,000,000 kwa nishati ili kufanya njia yake kutoka katikati ya Jua hadi uso wake. (b) Kinyume chake, neutrino haziingiliani na jambo bali hupitia moja kwa moja kupitia Jua kwa kasi ya nuru, na kufikia uso kwa sekunde kidogo zaidi ya 2 tu.

UHAMISHO WA JOTO NA KUPIKIA

Njia tatu ambazo nishati ya joto huenda kutoka mikoa ya joto ya juu hadi mikoa ya baridi zote hutumiwa katika kupikia, na hii ni muhimu kwa sisi sote tunaofurahia kufanya au kula chakula.

Uendeshaji ni uhamisho wa joto kwa kuwasiliana kimwili wakati ambapo mwendo wa juhudi wa chembe katika kanda moja huenea kwa mikoa mingine na hata kwa vitu vilivyo karibu. Mfano wa kitamu wa hii ni kupikia steak kwenye skillet ya moto ya chuma. Wakati moto hufanya chini ya skillet moto, chembe ndani yake hutetemeka kikamilifu na kugongana na chembe za jirani, kueneza nishati ya joto katika skillet (uwezo wa kuenea joto kwa usawa ni kigezo muhimu cha kuchagua vifaa vya cookware). Steak ameketi juu ya uso wa skillet inachukua nishati ya joto na chembe katika uso wa skillet kugongana na chembe juu ya uso wa steak. Wapishi wengi wataweka mafuta kidogo kwenye sufuria, na safu hii ya mafuta, badala ya kuzuia kushikamana, huongeza uhamisho wa joto kwa kujaza mapungufu na kuongeza eneo la kuwasiliana.

Convection ni uhamisho wa joto kwa mwendo wa suala linaloongezeka kwa sababu ni moto na chini mnene. Inapokanzwa maji hufanya kupanua, ambayo inafanya kuwa chini sana, hivyo inaongezeka. Tanuri ni mfano mzuri wa hili: moto ni chini ya tanuri na hupunguza hewa chini pale, na kusababisha kupanua (kuwa chini mnene), hivyo huinuka hadi mahali ambapo chakula ni. Kupanda hewa ya moto hubeba joto kutoka kwa moto hadi chakula kwa convection. Hii ndio jinsi sehemu zote za kawaida zinavyofanya kazi. Unaweza pia kuwa ukoo na sehemu zote za convection zinazotumia shabiki kuzunguka hewa ya moto kwa zaidi hata kupika. Mwanasayansi angepinga jina hilo kwa sababu sehemu za kawaida zisizo za shabiki zinazotegemea hewa ya moto inayoongezeka ili kuenea joto ni sehemu zote za convection; kitaalam, sehemu zote zinazotumia mashabiki kusaidia kusonga joto ni sehemu zote za “advection”. (Huenda usijisikia kuhusu hili kwa sababu wanasayansi wanaolalamika kwa sauti kubwa juu ya kutumia vibaya maneno ya convection na advection hawatoke sana.)

Mionzi ni uhamisho wa nishati ya joto na mionzi ya umeme. Ingawa sehemu za microwave ni mfano dhahiri wa kutumia mionzi kwa joto la chakula, mfano rahisi ni tanuri ya toy. Sehemu zote za toy zinatumiwa na bomba la mwanga mkali sana. Wafanyabiashara wa watoto huandaa mchanganyiko wa brownies au biskuti, kuiweka kwenye tray, na kuiweka kwenye tanuri ya toy chini ya bomba la mwanga mkali. Mwanga na joto kutoka kwa wingi hupiga mchanganyiko wa brownie na kupika. Ikiwa umewahi kuweka mkono wako karibu na nuru mkali, bila shaka umeona mkono wako unapokanzwa na mwanga.

Model Stars

Wanasayansi hutumia kanuni ambazo tumeelezea tu kuhesabu kile mambo ya ndani ya Jua ni kama. Mawazo haya ya kimwili yanaonyeshwa kama equations ya hisabati ambayo hutatuliwa ili kuamua maadili ya joto, shinikizo, wiani, ufanisi ambao photoni hufanywa, na kiasi kingine cha kimwili kote Jua. Ufumbuzi uliopatikana, kulingana na seti maalum ya mawazo ya kimwili, hutoa mfano wa kinadharia kwa mambo ya ndani ya Jua.

\(\PageIndex{6}\)Kielelezo kinaelezea utabiri wa mfano wa kinadharia kwa mambo ya ndani ya Jua. Nishati huzalishwa kwa njia ya fusion katika msingi wa Jua, ambayo inaenea tu juu ya robo moja ya njia ya uso lakini ina karibu theluthi moja ya jumla ya molekuli ya Jua. Katikati, halijoto hufikia kiwango cha juu cha takriban milioni 15 K, na wiani ni karibu mara 150 ule wa maji. Nishati inayozalishwa katika msingi ni kusafirishwa kuelekea uso na mionzi mpaka kufikia uhakika kuhusu 70% ya umbali kutoka katikati hadi uso. Kwa hatua hii, convection huanza, na nishati husafirishwa njia yote, hasa kwa kupanda kwa nguzo za gesi ya moto.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Muundo wa Mambo ya Ndani ya Jua. Nishati huzalishwa katika msingi na fusion ya hidrojeni kuunda heliamu. Nishati hii huambukizwa nje kwa mionzi—yaani, kwa kunyonya na uondoaji wa photoni. Katika tabaka za nje, nishati husafirishwa hasa kwa convection.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\) kinaonyesha jinsi joto, wiani, kiwango cha kizazi cha nishati, na muundo hutofautiana kutoka katikati ya Jua hadi kwenye uso wake.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Mambo ya Ndani ya Jua. Michoro inayoonyesha jinsi halijoto, wiani, kiwango cha kizazi cha nishati, na asilimia (kwa wingi) wingi wa hidrojeni hutofautiana ndani ya Jua. Kiwango cha usawa kinaonyesha sehemu ya radius ya Jua: makali ya kushoto ni katikati sana, na makali ya kulia ni uso unaoonekana wa Jua, inayoitwa photosphere.

Dhana muhimu na Muhtasari

Japokuwa hatuwezi kuona ndani ya Jua, inawezekana kuhesabu mambo ya ndani yake yanapaswa kuwa kama. Kama pembejeo kwa mahesabu haya, tunatumia kile tunachokijua kuhusu Jua. Inafanywa kabisa na gesi ya moto. Mbali na baadhi ya mabadiliko madogo sana, Jua haina kupanua wala kuambukizwa (ni katika usawa hydrostatic) na huweka nje nishati kwa kiwango cha mara kwa mara. Fusion ya hidrojeni hutokea katikati ya Jua, na nishati inayozalishwa hutolewa kwenye uso na mionzi na kisha convection. Mfano wa jua unaelezea muundo wa mambo ya ndani ya jua. Hasa, inaelezea jinsi shinikizo, joto, wingi, na mwanga hutegemea umbali kutoka katikati ya Jua.

faharasa

upitishaji

mchakato ambao joto hupitishwa moja kwa moja kupitia dutu wakati kuna tofauti ya joto kati ya mikoa inayojumuisha inayosababishwa na migongano ya atomiki au Masi

myuko

harakati unasababishwa ndani ya gesi au kioevu na tabia ya moto, na hivyo chini mnene nyenzo, kupanda na baridi, denser nyenzo kuzama chini ya ushawishi wa mvuto, ambayo kwa hiyo matokeo katika uhamisho wa joto

usawa wa hydrostatic

usawa kati ya uzito wa tabaka mbalimbali, kama katika nyota au anga ya Dunia, na shinikizo zinazowasaidia

mionzi

chafu ya nishati kama mawimbi sumakuumeme au photons pia nishati kuambukizwa yenyewe