science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe de zon werkt

Galerij met afbeeldingen van zonnevlekken De zon verwarmt onze planeet, geeft ons licht en is cruciaal voor al het leven op aarde. Zie meer foto's van zonnevlekken. Foto met dank aan NASA

Wanneer was de laatste keer dat je naar boven keek en je verwonderde over het mysterieuze, levengevende kracht die de zon is?

Als je het hele staren-naar-de-zon-maakt-je-blind-gedoe gelooft (wat eigenlijk waar is), je bent waarschijnlijk niet veel aan het zonnekijken. Maar het is een echt wonder:de zon verwarmt onze planeet elke dag, geeft het licht waarmee we zien en is nodig voor het leven op aarde. Het kan ook celdood veroorzaken en ons blind maken. Het zou 1,3 miljoen aardes in zijn bol kunnen passen [bron:SpaceDaily]. Het produceert gedichtwaardige zonsondergangen en evenveel energie als 1 biljoen megaton-bommen per seconde [bron:Boston Globe].

Alles van dit, en onze zon is gewoon een doodgewone ster, volgens universele normen. Het is eigenlijk gewoon de nabijheid die het zo speciaal maakt voor de aarde. We zouden hier niet zijn als de zon niet zo dichtbij was.

Dus, hoe dichtbij is de zon? En hoeveel ruimte kost het om 1,3 miljoen aardes te bevatten? En nu we toch bezig zijn:

  • Als de zon in het vacuüm van de ruimte staat, hoe brandt het?
  • Wat zorgt ervoor dat al dat gas niet de ruimte in lekt?
  • Waarom zendt de zon zonnevlammen uit?
  • Zal de zon ooit stoppen met branden? (En als het zo is, wanneer? En wat gebeurt er met de aarde en haar bewoners?)

In dit artikel, we zullen de fascinerende wereld van onze dichtstbijzijnde ster onderzoeken. We zullen kijken naar de delen van de zon, ontdek hoe het licht en warmte maakt, en verken de belangrijkste functies ervan.

De zon "brandt" al meer dan 4,5 miljard jaar. Het is een enorme verzameling gas, meestal waterstof en helium. Omdat het zo groot is, het heeft een enorme zwaartekracht, genoeg zwaartekracht om al die waterstof en helium bij elkaar te houden (en om alle planeten in hun banen rond de zon te houden).

We zeggen dat de zon brandt, maar het brandt niet zoals houtbranden. In plaats daarvan, de zon is een gigantische kernreactor.

Inhoud
  1. De delen van de zon
  2. Het binnenste van de zon:kern
  3. Het binnenste van de zon:stralings- en convectieve zones
  4. De atmosfeer van de zon
  5. Eigenschappen van de zon:zonnevlekken, Zonneprotuberansen en zonnevlammen
  6. Het lot van de zon

De delen van de zon

Figuur 1. Basisoverzicht van de delen van de zon. de gloed, zonnevlekken en de prominentie zijn allemaal geknipt uit echte SOHO-afbeeldingen. Foto met dank aan SOHO-consortium.

De zon is een ster, net als de andere sterren die we 's nachts zien. Het verschil is de afstand -- de andere sterren die we zien zijn lichtjaren verwijderd, terwijl onze zon slechts ongeveer 8 lichtminuten verwijderd is -- vele duizenden keren dichterbij.

officieel, de zon is geclassificeerd als een ster van het type G2, op basis van de temperatuur en de golflengten of spectrum van het licht dat het uitstraalt. Er zijn veel G2's, en de zon van de aarde is slechts een van de miljarden sterren die om het centrum van onze melkweg draaien, samengesteld uit dezelfde stof en componenten.

De zon bestaat uit gas. Het heeft geen vast oppervlak. Echter, het heeft nog steeds een gedefinieerde structuur. De drie belangrijkste structurele gebieden van de zon worden getoond in de bovenste helft van Figuur 1 . Ze bevatten:

  • Kern -- Het centrum van de zon, bestaande uit 25 procent van de straal.
  • stralingszone --De sectie direct rond de kern, bestaande uit 45 procent van de straal.
  • convectieve zone -- De buitenste ring van de zon, omvattende de 30 procent van zijn straal.

Boven het oppervlak van de zon bevindt zich zijn atmosfeer, die uit drie delen bestaat, weergegeven in de onderste helft van Figuur 1 :

  • Fotosfeer -- Het binnenste deel van de atmosfeer van de zon en het enige deel dat we kunnen zien.
  • chromosfeer -- Het gebied tussen de fotosfeer en de corona; heter dan de fotosfeer.
  • Corona -- De extreem hete buitenste laag, die zich enkele miljoenen mijlen van de chromosfeer uitstrekken.

Alle belangrijke kenmerken van de zon kunnen worden verklaard door de kernreacties die haar energie produceren, door de magnetische velden die het gevolg zijn van de bewegingen van het gas en door zijn immense zwaartekracht.

Het begint bij de kern.

Het binnenste van de zon:kern

Op 28 oktober barstte een krachtige zonnevlam los vanaf zonnevlek 486, 2003. De uitbarsting stuurde röntgenstralen met de snelheid van het licht naar de aarde, veroorzaakt een radiostorm in de ionosfeer. NASA/WireImage/Getty Images

De kern begint vanuit het centrum en strekt zich naar buiten uit om 25 procent van de straal van de zon te omvatten. De temperatuur is hoger dan 15 miljoen graden Kelvin [bron:Montana]. In de kern, zwaartekracht trekt alle massa naar binnen en creëert een intense druk. De druk is hoog genoeg om waterstofatomen te dwingen samen te komen in kernfusiereacties - iets wat we hier op aarde proberen na te streven. Twee waterstofatomen worden in verschillende stappen gecombineerd om helium-4 en energie te creëren:

  1. Twee protonen vormen samen een deuteriumatoom (waterstofatoom met één neutron en één proton), een positron (vergelijkbaar met elektron, maar met een positieve lading) en een neutrino.
  2. Een proton en een deuteriumatoom vormen samen een helium-3-atoom (twee protonen met één neutron) en een gammastraal.
  3. Twee helium-3-atomen vormen samen een helium-4-atoom (twee protonen en twee neutronen) en twee protonen.

Deze reacties zijn goed voor 85 procent van de energie van de zon. De overige 15 procent komt van de volgende reacties:

  1. Een helium-3-atoom en een helium-4-atoom vormen samen een beryllium-7 (vier protonen en drie neutronen) en een gammastraal.
  2. Een beryllium-7-atoom vangt een elektron op en wordt een lithium-7-atoom (drie protonen en vier neutronen) en een neutrino.
  3. De lithium-7 combineert met een proton om twee helium-4-atomen te vormen.

De helium-4-atomen zijn minder massief dan de twee waterstofatomen die het proces begonnen, dus het verschil in massa wordt omgezet in energie zoals beschreven door de relativiteitstheorie van Einstein (E=mc²). De energie wordt uitgestraald in verschillende vormen van licht:ultraviolet licht, Röntgenstralen, zichtbaar licht, infrarood, microgolven en radiogolven.

De zon zendt ook energierijke deeltjes uit (neutrino's, protonen) die deel uitmaken van de zonnewind . Deze energie treft de aarde, waar het de planeet verwarmt, drijft ons weer en levert energie voor het leven. We worden niet geschaad door de meeste straling of zonnewind omdat de atmosfeer van de aarde ons beschermt.

Het binnenste van de zon:stralings- en convectieve zones

Na het afdekken van de kern, het is tijd om zich naar buiten uit te breiden in de structuur van de zon. De volgende zijn de stralings- en convectieve zones.

De stralingszone strekt zich naar buiten uit vanaf de kern, goed voor 45 procent van de straal van de zon. In deze zone, de energie van de kern wordt naar buiten gedragen door fotonen, of lichtunits. Als één foton wordt gemaakt, het reist ongeveer 1 micron (1 miljoenste van een meter) voordat het wordt geabsorbeerd door een gasmolecuul. Bij absorptie, het gasmolecuul wordt verwarmd en zendt een ander foton van dezelfde golflengte opnieuw uit. Het opnieuw uitgezonden foton reist nog een micron af voordat het wordt geabsorbeerd door een ander gasmolecuul en de cyclus herhaalt zich; elke interactie tussen foton en gasmolecuul kost tijd. Ongeveer 10 25 in deze zone vinden absorpties en heremissies plaats voordat een foton het oppervlak bereikt, er is dus een aanzienlijke tijdsvertraging tussen een foton dat in de kern wordt gemaakt en een foton dat het oppervlak bereikt.

De convectieve zone , dat is de laatste 30 procent van de straal van de zon, wordt gedomineerd door convectiestromen die de energie naar de oppervlakte dragen. Deze convectiestromen zijn stijgende bewegingen van heet gas naast dalende bewegingen van koel gas, en het ziet eruit als glitter in een sudderende pan met water. De convectiestromen voeren fotonen sneller naar buiten naar het oppervlak dan de stralingsoverdracht die plaatsvindt in de kern en de stralingszone. Met zoveel interacties tussen fotonen en gasmoleculen in de stralings- en convectiezones, er is een foton nodig van ongeveer 100, 000 tot 200, 000 jaar om de oppervlakte te bereiken.

Feiten over de zon

  • Gemiddelde afstand tot de aarde :93 miljoen mijl (150 miljoen kilometer)
  • Straal :418, 000 mijl (696, 000 kilometer)
  • Massa :1.99 x 10 30 kilogram (330, 000 aardmassa's)
  • Make-up (per massa) :74 procent waterstof, 25 procent helium, 1 procent andere elementen
  • Gemiddelde temperatuur :5, 800 graden Kelvin (oppervlak), 15,5 miljoen graden Kelvin (kern)
  • Gemiddelde dichtheid :1,41 gram per cm 3
  • Volume :1,4 x 10 27 Kubieke meters
  • Rotatieperiode :25 dagen (midden) tot 35 dagen (polen)
  • Afstand vanaf het centrum van de Melkweg :25, 000 lichtjaar
  • Orbitale snelheid/periode :138 mijl per seconde/200 miljoen jaar
Lees verder

De atmosfeer van de zon

We hebben eindelijk onze weg naar de oppervlakte gevonden. Laten we hierna de atmosfeer doornemen. Net als de aarde, de zon heeft een atmosfeer. Echter, de zon is samengesteld uit de fotosfeer, de chromosfeer en de corona .

De fotosfeer is het laagste gebied van de atmosfeer van de zon en is het gebied dat we kunnen zien. "Het oppervlak van de zon" verwijst meestal naar de fotosfeer, althans in lekentermen. Het is 180-240 mijl (300-400 kilometer breed) en heeft een gemiddelde temperatuur van 5, 800 graden Kelvin. Het lijkt korrelig of bruisend, net als het oppervlak van een sudderende pot water. De hobbels zijn de bovenoppervlakken van de convectiestroomcellen eronder; elke granulatie kan 600 mijl (1, 000 kilometer) breed. Als we door de fotosfeer gaan, de temperatuur daalt en de gassen, omdat ze koeler zijn, straal niet zoveel lichtenergie uit. Hierdoor zijn ze minder ondoorzichtig voor het menselijk oog. Daarom, de buitenrand van de fotosfeer ziet er donker uit, een effect genaamd ledemaat donker worden dat verklaart de heldere scherpe rand van het oppervlak van de zon.

De chromosfeer strekt zich uit boven de fotosfeer tot ongeveer 1, 200 mijl (2, 000 kilometer). De temperatuur stijgt over de chromosfeer van 4, 500 graden Kelvin tot ongeveer 10, 000 graden Kelvin. Men denkt dat de chromosfeer wordt verwarmd door convectie in de onderliggende fotosfeer. Terwijl gassen in de fotosfeer karnen, ze produceren schokgolven die het omringende gas verwarmen en het door de chromosfeer laten doordringen in miljoenen kleine pieken heet gas genaamd kruiden . Elke spicule stijgt tot ongeveer 3, 000 mijl (5, 000 kilometer) boven de fotosfeer en duurt slechts enkele minuten. Spicules kunnen ook langs magnetische veldlijnen van de zon volgen, die worden gemaakt door de bewegingen van gassen in de zon.

De corona is de laatste laag van de zon en strekt zich enkele miljoenen mijlen of kilometers naar buiten uit vanaf de andere sferen. Het is het beste te zien tijdens een zonsverduistering en in röntgenfoto's van de zon. De temperatuur van de corona is gemiddeld 2 miljoen graden Kelvin. Hoewel niemand zeker weet waarom de corona zo heet is, men denkt dat het wordt veroorzaakt door het magnetisme van de zon. De corona heeft lichte gebieden (hete) en donkere gebieden genaamd coronale gaten . Coronale gaten zijn relatief koel en men denkt dat het gebieden zijn waar deeltjes van de zonnewind ontsnappen.

Door telescoopbeelden kunnen we verschillende interessante kenmerken op de zon zien die hier op aarde effecten kunnen hebben. Laten we er drie bekijken:zonnevlekken, zonneprotuberansen en zonnevlammen.

Eigenschappen van de zon:zonnevlekken, Zonneprotuberansen en zonnevlammen

Na vele weken van een lege zon zonder zonnevlekken, een kleine nieuwe zonnevlek verscheen op 23 september, 2008, markeert een nieuwe zonnecyclus. Foto met dank aan NASA

Natuurlijk, de bollen zijn gesierd met interessante functies en activiteit. We zullen ze hier bekijken.

Donker, koele gebieden genaamd zonnevlekken verschijnen op de fotosfeer. Zonnevlekken verschijnen altijd in paren en zijn intense magnetische velden (ongeveer 5, 000 keer groter dan het magnetisch veld van de aarde) die door het oppervlak breken. Veldlijnen vertrekken door de ene zonnevlek en komen weer binnen via de andere. Het magnetische veld wordt veroorzaakt door bewegingen van gassen in het binnenste van de zon.

Zonnevlekactiviteit vindt plaats als onderdeel van een 11-jarige cyclus die de zonnecyclus wordt genoemd, waarbij er perioden zijn van maximale en minimale activiteit.

Het is niet bekend wat de oorzaak is van deze 11-jarige cyclus, maar er zijn twee hypothesen voorgesteld:

  • Ongelijkmatige rotatie van de zon vervormt en verdraait magnetische veldlijnen in het interieur. De gedraaide veldlijnen breken door het oppervlak en vormen paren van zonnevlekken. Eventueel, de veldlijnen breken uit elkaar en de zonnevlekactiviteit neemt af. De cyclus begint opnieuw.
  • Enorme gasbuizen omcirkelen het binnenste van de zon op hoge breedtegraden en beginnen naar de evenaar te bewegen. Als ze tegen elkaar aan rollen, ze vormen vlekken. Als ze de evenaar bereiken, ze breken en zonnevlekken afnemen.

Af en toe, wolken van gassen uit de chromosfeer zullen opstijgen en zich oriënteren langs de magnetische lijnen van paren zonnevlekken. Deze bogen van gas heten zonne- uitsteeksels .

Protuberansen kunnen twee tot drie maanden duren en kunnen 30, 000 mijl (50, 000 kilometer) of meer boven het oppervlak van de zon. Bij het bereiken van deze hoogte, ze kunnen enkele minuten tot uren uitbarsten en grote hoeveelheden materiaal door de corona de ruimte in sturen met een snelheid van 600 mijl per seconde (1, 000 kilometer per seconde); deze uitbarstingen heten coronale massa-ejecties .

Soms in complexe zonnevlekkengroepen, abrupt, gewelddadige explosies van de zon optreden. Deze heten zonnevlammen .

Men denkt dat zonnevlammen worden veroorzaakt door plotselinge veranderingen in het magnetische veld in gebieden waar het magnetische veld van de zon is geconcentreerd. Ze gaan gepaard met het vrijkomen van gas, elektronen, zichtbaar licht, ultraviolet licht en röntgenstraling. Wanneer deze straling en deze deeltjes het aardmagnetisch veld bereiken, ze interageren ermee aan de polen om de aurora's (borealis en australis). Zonnevlammen kunnen ook de communicatie verstoren, satellieten, navigatiesystemen en zelfs elektriciteitsnetten. De straling en deeltjes ioniseren de atmosfeer en voorkomen de beweging van radiogolven tussen satellieten en de grond of tussen de grond en de grond. De geïoniseerde deeltjes in de atmosfeer kunnen elektrische stromen in hoogspanningslijnen induceren en stroompieken veroorzaken. Deze stroompieken kunnen een elektriciteitsnet overbelasten en stroomuitval veroorzaken. U kunt meer leren over zonnevlammen door te lezen Kan een extreem krachtige zonnevlam alle elektronica op aarde vernietigen?

Al deze activiteiten vereisen energie, die beperkt leverbaar is. Eventueel, de zon zal zonder brandstof komen te zitten.

Het lot van de zon

Wanneer onze zon een rode reus wordt, zijn straal zal ongeveer 100 keer zijn wat het nu is. Planetaire nevels zijn de overblijfselen van zonachtige sterren die het einde van hun rode reuzenstadium hebben bereikt. Foto met dank aan NASA Sun-Earth Day 2010

De zon schijnt al ongeveer 4,5 miljard jaar [bron:Berkeley]. De grootte van de zon is een balans tussen de uitwaartse druk die wordt veroorzaakt door het vrijkomen van energie uit kernfusie en de aantrekkingskracht van de zwaartekracht naar binnen. Gedurende zijn 4,5 miljard jaar van leven, de straal van de zon is ongeveer 6 procent groter geworden [bron:Berkeley]. Het heeft genoeg waterstofbrandstof om ongeveer 10 miljard jaar te "verbranden", wat betekent dat het nog iets meer dan 5 miljard jaar te gaan heeft, en gedurende deze tijd zal het in hetzelfde tempo blijven groeien [bron:Berkeley].

Wanneer de kern geen waterstof meer heeft, het zal samentrekken onder het gewicht van de zwaartekracht; echter, in de bovenste lagen zal enige waterstoffusie plaatsvinden. Zoals de kerncontracten, het warmt op en dit verwarmt de bovenste lagen waardoor ze uitzetten. Naarmate de buitenste lagen uitzetten, de straal van de zon wordt groter en wordt a rode reus , een bejaarde ster.

De straal van de rode reuzenzon zal 100 keer zo groot zijn als nu, net buiten de baan van de aarde liggen, dus de aarde zal in de kern van de rode gigantische zon duiken en worden verdampt [bron:NASA]. Op een gegeven moment daarna de kern zal heet genoeg worden om het helium te laten samensmelten tot koolstof.

Als de heliumbrandstof op is, de kern zal uitzetten en afkoelen. De bovenste lagen zullen uitzetten en materiaal uitwerpen.

Eindelijk, de kern zal afkoelen tot a witte dwerg.

Eventueel, het zal verder afkoelen tot een bijna onzichtbare zwarte dwerg . Dit hele proces duurt een paar miljard jaar.

Dus voor de komende miljarden jaren, de mensheid is veilig -- in termen van het bestaan ​​van de zon, minstens. Andere debacles zijn een gok.

Voor meer informatie over de zon en aanverwante onderwerpen, bekijk de links op de volgende pagina.

Veelgestelde vragen over zon

Hoe oud is de zon?
De zon "brandt" al meer dan 4,5 miljard jaar.
Hoe heet is de zon?
De zon is 5, 800 graden Kelvin op het oppervlak en 15,5 miljoen graden Kelvin in de kern.
In welk jaar sterft de zon?
De zon heeft genoeg waterstofbrandstof om ongeveer 10 miljard jaar te "verbranden", wat betekent dat het nog iets meer dan 5 miljard jaar heeft.
Wat is een eenvoudige definitie van de zon?
Simpel gezegd, de zon is een ster.
Kan er leven zijn op de zon?
De extreem hoge temperaturen van de zon zouden het bijna onmogelijk maken voor leven op de zon te overleven.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Zonnecel Quiz
  • Hoe zonsverduisteringen werken
  • Hoe de Hubble-ruimtetelescoop werkt
  • Hoe telescopen werken
  • Hoe zonnebrand en zonnebrand werken
  • Hoe zonnebrillen werken
  • Hoe zonnecellen werken
  • Draait de zon?

Meer geweldige links

  • CASCA:veilig naar de zon kijken
  • NASA:Zon-Aarde Dag 2010
  • De negen 8 planeten:een multimediatour door het zonnestelsel
  • Space Daily:De geheimen van de zon bestuderen -- 18 januari 2010

bronnen

  • Remote Sensing-zelfstudie:kosmologie. NASA.http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect20/A5a.html
  • Hoeveel energie produceert de zon? Boston Wereldbol. 5 september 2005.http://www.boston.com/news/science/articles/2005/09/05/how_much_energy_does_the_sun_produce/
  • Hoe oud is de zon? Berkeley.edu.http://ds9.ssl.berkeley.edu/solarweek/DISCUSSION/howold.html
  • De energiebron van de zon. Montana.edu.http://solar.physics.montana.edu/YPOP/Spotlight/SunInfo/Core.html