¿Qué gases forman el sol?

Contenido

• TL; DR (demasiado largo; no leído)
• La composición del sol
• ¿Cómo sabemos de qué está hecho el sol?
• Cómo comenzar la fusión nuclear
• Fusión nuclear: convertir la masa en energía
• ¿Gases en el sol? No, plasma
• La estructura del sol
• Las capas del sol
• Viento solar
• El sol finalmente morirá

Nuestro sol, como cualquier otra estrella, es una gigantesca bola de plasma brillante. Es un reactor termonuclear autosostenible que proporciona la luz y el calor que nuestro planeta necesita para mantener la vida, mientras que su gravedad evita que nosotros (y el resto del sistema solar) giremos hacia el espacio profundo.

El sol contiene varios gases y otros elementos que emiten radiación electromagnética, lo que permite a los científicos estudiar el sol a pesar de no poder acceder a las muestras físicas.

TL; DR (demasiado largo; no leído)

Los gases más comunes en el sol, en masa, son: hidrógeno (alrededor del 70 por ciento, helio (alrededor del 28 por ciento), carbono, nitrógeno y oxígeno (juntos alrededor del 1.5 por ciento). El resto de la masa del sol (0.5 por ciento) está hecho de una mezcla de trazas de otros elementos, incluidos, entre otros, neón, hierro, silicio, magnesio y azufre.

La composición del sol

Dos elementos constituyen la abrumadora mayoría de la materia del sol, en masa: hidrógeno (alrededor del 70 por ciento) y helio (alrededor del 28 por ciento). Tenga en cuenta que si ve números diferentes, no se preocupe; probablemente veas estimaciones de acuerdo con el número total de átomos individuales. Vamos en masa porque es más fácil pensar en eso.

El siguiente 1.5 por ciento de masa es una mezcla de carbono, nitrógeno y oxígeno. El 0.5 por ciento final es una cornucopia de elementos más pesados, que incluyen, entre otros: neón, hierro, silicio, magnesio y azufre.

¿Cómo sabemos de qué está hecho el sol?

Quizás se esté preguntando cómo, exactamente sabemos qué constituye el sol. Después de todo, ningún humano ha estado allí y ninguna nave espacial ha traído muestras de materia solar. Sin embargo, el sol está constantemente bañando la tierra en radiación electromagnética y partículas liberadas por su núcleo alimentado por fusión.

Cada elemento absorbe ciertas longitudes de onda de radiación electromagnética (es decir, luz), y también emite ciertas longitudes de onda cuando se calienta. En 1802, el científico William Hyde Wollaston notó que la luz solar que pasaba a través de un prisma producía el esperado espectro del arco iris, pero con notables líneas oscuras dispersas aquí y allá.

Para ver mejor este fenómeno, el óptico Joseph von Fraunhofer inventó el primer espectrómetro, básicamente un prisma mejorado, que extendió las diferentes longitudes de onda de la luz solar aún más, haciéndolas más fáciles de ver. También hizo que fuera más fácil ver que las líneas oscuras de Wollaston no eran un truco o una ilusión: parecían ser una característica de la luz solar.

Los científicos descubrieron que esas líneas oscuras (ahora llamadas líneas de Fraunhofer) correspondían a las longitudes de onda específicas de la luz absorbida por ciertos elementos como el hidrógeno, el calcio y el sodio. Por lo tanto, esos elementos deben estar presentes en las capas externas del sol, absorbiendo parte de la luz emitida por el núcleo.

Con el tiempo, los métodos de detección cada vez más sofisticados nos han permitido cuantificar la salida del sol: radiación electromagnética en todas sus formas (rayos X, ondas de radio, ultravioleta, infrarrojos, etc.) y el flujo de partículas subatómicas como los neutrinos. Al medir lo que el sol libera y lo que absorbe, hemos construido una comprensión muy profunda de la composición del sol desde lejos.

Cómo comenzar la fusión nuclear

¿Notaste algún patrón en los materiales que forman el sol? El hidrógeno y el helio son los dos primeros elementos en la tabla periódica: el más simple y el más ligero. Cuanto más pesado y complejo es un elemento, menos nos encontramos en el sol.

Esta tendencia de cantidades decrecientes a medida que pasamos de elementos más ligeros / más simples a elementos más pesados ​​/ más complejos refleja cómo nacen las estrellas y su papel único en nuestro universo.

Inmediatamente después del Big Bang, el universo no era más que una nube caliente y densa de partículas subatómicas. Tomó casi 400,000 años de enfriamiento y expansión para que estas partículas se unieran en una forma que reconoceríamos como el primer átomo, el hidrógeno.

Durante mucho tiempo, el universo estuvo dominado por átomos de hidrógeno y helio que pudieron formarse espontáneamente dentro de la sopa subatómica primordial. Lentamente, estos átomos comienzan a formar agregaciones sueltas.

Estas agregaciones ejercieron una mayor gravedad, por lo que siguieron creciendo, arrastrando más material de las cercanías. Después de aproximadamente 1,6 millones de años, algunas de estas agregaciones crecieron tanto que la presión y el calor en sus centros fueron suficientes para iniciar la fusión termonuclear, y nacieron las primeras estrellas.

Fusión nuclear: convertir la masa en energía

Aquí está la clave de la fusión nuclear: aunque requiere una gran cantidad de energía para comenzar, el proceso en realidad lanzamientos energía.

Considere la creación de helio por fusión de hidrógeno: dos núcleos de hidrógeno y dos neutrones se combinan para formar un solo átomo de helio, pero el helio resultante tiene en realidad un 0,7 por ciento menos de masa que los materiales de partida. Como saben, la materia no puede crearse ni destruirse, por lo que la masa debe haberse ido a algún lado. De hecho, se transformó en energía, según la ecuación más famosa de Einstein:

E = mc²

En el cual mi es energía en julios (J), metro es kilogramos de masa (kg) y C es la velocidad de la luz en metros / segundo (m / s), una constante. Podrías poner la ecuación en inglés simple como:

​energía (julios) = masa (kilogramos) × velocidad de la luz (metros / segundo)²

La velocidad de la luz es de aproximadamente 300,000,000 metros / segundo, lo que significa C² tiene un valor de aproximadamente 90,000,000,000,000,000 - eso es noventa cuatrillón - metros²/segundo². Normalmente, cuando se trata de números tan grandes, los coloca en notación científica para ahorrar espacio, pero es útil aquí para ver cuántos ceros está tratando.

Como puedes imaginar, incluso un pequeño número multiplicado por noventa billones va a terminar muy grande. Ahora, veamos un solo gramo de hidrógeno. Para asegurarnos de que la ecuación nos dé una respuesta en julios, expresaremos esta masa como 0.001 kilogramos; las unidades son importantes. Entonces, si conecta estos valores para la masa y la velocidad de la luz:

E = (0.001 kg) (9 × 10¹⁶ metro²/ s²)
E = 9 × 10¹³ J
E = 90,000,000,000,000 J

Eso es casi la cantidad de energía liberada por la bomba nuclear lanzada sobre Nagasaki contenida dentro de un solo gramo del elemento más pequeño y ligero. En pocas palabras: el potencial para la generación de energía al convertir la masa en energía a través de la fusión es alucinante.

Esta es la razón por la cual los científicos e ingenieros han estado tratando de encontrar una manera de crear un reactor de fusión nuclear aquí en la Tierra. Todos nuestros reactores nucleares de hoy funcionan a través de Fisión nuclear, que divide los átomos en elementos más pequeños, pero es un proceso mucho menos eficiente para convertir la masa en energía.

¿Gases en el sol? No, plasma

El sol no tiene una superficie sólida como la corteza terrestre, incluso dejando de lado las temperaturas extremas, no podría estar parado sobre el sol. En cambio, el sol está formado por siete capas distintas de plasma.

El plasma es el cuarto estado de la materia más enérgico. Calienta hielo (sólido) y se derrite en agua (líquido). Siga calentándolo y se transforma nuevamente en vapor de agua (gas).

Sin embargo, si sigue calentando ese gas, se convertirá en plasma. El plasma es una nube de átomos, como un gas, pero se le ha infundido tanta energía que ha sido ionizado. Es decir, sus átomos se han cargado eléctricamente al soltar sus electrones de sus órbitas habituales.

La transformación de gas a plasma cambia las propiedades de una sustancia, y las partículas cargadas a menudo liberan energía como luz. Los letreros luminosos de neón, de hecho, son tubos de vidrio llenos de un gas de neón: cuando una corriente eléctrica pasa a través del tubo, hace que el gas se transforme en un plasma brillante.

La estructura del sol

La estructura esférica del sol es el resultado de dos fuerzas constantemente en competencia: gravedad desde la densa masa en el centro del sol tratando de atraer todo su plasma hacia adentro versus la energía de la fusión nuclear que tiene lugar en el núcleo, haciendo que el plasma se expanda.

El sol está formado por siete capas: tres internas y cuatro externas. Ellos son, desde el centro hacia afuera:

Las capas del sol

Hemos hablado sobre el núcleo mucho ya; es donde tiene lugar la fusión. Como era de esperar, es donde encontrará la temperatura más alta en el sol: unos 27,000,000,000 (27 millones) de grados Fahrenheit.

los zona radiactiva, a veces llamada zona de "radiación", es donde la energía del núcleo viaja hacia afuera principalmente como radiación electromagnética.

los zona convectiva, también conocida como zona de "convección", es donde la energía es transportada principalmente por las corrientes dentro del plasma de la capa. Piense en cómo el vapor de una olla hirviendo transporta el calor del quemador al aire sobre la estufa, y tendrá la idea correcta.

La "superficie" del sol, tal como es, es la fotosfera. Esto es lo que vemos cuando miramos al sol. La radiación electromagnética emitida por esta capa es visible a simple vista como luz, y es tan brillante que oculta las capas externas menos densas de la vista.

los atmósfera es más caliente que la fotosfera, pero no tan caliente como la corona. Su temperatura hace que el hidrógeno emita luz rojiza. Por lo general, es invisible, pero puede verse como un resplandor rojizo que rodea al sol cuando un eclipse total oculta la fotosfera.

los zona de transición es una capa delgada donde las temperaturas cambian dramáticamente de la cromosfera a la corona. Es visible para los telescopios que pueden detectar la luz ultravioleta (UV).

Finalmente, el corona es la capa más externa del sol y es extremadamente caliente, cientos de veces más caliente que la fotosfera, pero invisible a simple vista, excepto durante un eclipse total, cuando aparece como un aura blanca y delgada alrededor del sol. Exactamente por qué hace mucho calor es un misterio, pero al menos un factor parece ser "bombas de calor": paquetes de material extremadamente caliente que flotan desde las profundidades del sol antes de explotar y liberar energía en la corona.

Viento solar

Como cualquiera que haya tenido una quemadura solar puede decirle, los efectos del sol se extienden mucho más allá de la corona. De hecho, la corona está tan caliente y distante del núcleo que la gravedad del sol no puede mantener el plasma sobrecalentado: las partículas cargadas fluyen hacia el espacio como una constante viento solar.

El sol finalmente morirá

A pesar del increíble tamaño del sol, eventualmente se quedará sin el hidrógeno que necesita para mantener su núcleo de fusión. El sol tiene una vida útil total prevista de alrededor de 10 mil millones de años. Nació hace unos 4.600 millones de años, por lo que falta bastante tiempo para que se queme, pero lo hará.

El sol irradia aproximadamente 3.846 × 10²⁶ J de energía todos los días. Con ese conocimiento, podemos estimar cuánta masa debe convertir por segundo. Le ahorraremos más matemáticas por ahora; sale a alrededor de 4.27 × 10⁹ kg por segundo. En solo tres segundos, el sol consume casi la misma masa que la Gran Pirámide de Guiza, dos veces.

Cuando se quede sin hidrógeno, comenzará a usar sus elementos más pesados ​​para la fusión, un proceso volátil que lo hará expandirse a 100 veces su tamaño actual mientras arroja gran parte de su masa al espacio. Cuando finalmente agote su combustible, dejará un objeto pequeño y extremadamente denso llamado enano blanco, aproximadamente del tamaño de nuestra Tierra pero muchas, muchas veces más densas.