خورشید: نیروگاه درخشان منظومه شمسی
ساختار یک ستاره: لایههای درونی و بیرونی خورشید
خورشید مانند یک پیاز لایههای مختلفی دارد. هر لایه، دما و ویژگی خاصی دارد. درک این لایهها کمک میکند بفهمیم انرژی چگونه در آن تولید و به بیرون منتقل میشود.
| نام لایه | ویژگیهای کلیدی | دمای تقریبی |
|---|---|---|
| هسته3 | مرکز خورشید. محل تولید انرژی از طریق همجوشی هستهای. | 15 میلیون درجه سلسیوس |
| منطقه تابشی4 | انرژی به صورت فوتون5 در این لایه به آرامی به بیرون منتقل میشود. مانند حرکت نور در یک مه غلیظ. | 7 تا 2 میلیون درجه |
| منطقه همرفتی6 | گاز داغ مانند آب در حال جوش بالا میآید، حرارت را منتقل میکند و سرد میشود و دوباره پایین میرود. | 2 میلیون تا 6000 درجه |
| فوتوسفر7 (سطح نورانی) | سطح مرئی خورشید که ما میبینیم. نور از این لایه به فضا میگریزد. | حدود 5500 درجه |
برای مثال، فوتوسفر را میتوان به سطح یک کره آتشین در آتشبازی تشبیه کرد. ما این سطح درخشان را میبینیم، اما منبع اصلی حرارت و انرژی در اعماق آن (هسته) قرار دارد. جو خورشید (کروموسفر8 و تاج9) نیز لایههای نازک بیرونی هستند که هنگام کسوف کامل دیده میشوند.
منبع انرژی پایانناپذیر: همجوشی هستهای چیست؟
انرژی عظیم خورشید از کجا میآید؟ پاسخ در هسته آن و فرآیندی به نام همجوشی هستهای نهفته است. در دمای باورنکردنی هسته، اتمهای هیدروژن10 تحت فشار شدید با هم برخورد میکنند و به اتم هلیوم11 تبدیل میشوند. در این تبدیل، مقداری از جرم اولیه ناپدید میشود و طبق فرمول معروف آلبرت اینشتین $E=mc^2$، به انرژی خالص تبدیل میگردد.
در این فرمول، $E$ انرژی، $m$ جرم از دست رفته و $c$ سرعت نور است. سرعت نور عدد بسیار بزرگی است (300,000 کیلومتر بر ثانیه!). بنابراین، حتی تبدیل مقدار بسیار کمی جرم، انرژی عظیمی تولید میکند. در هر ثانیه، خورشید حدود 600 میلیون تن هیدروژن را به هلیوم تبدیل میکند! این فرآیند، همانند کاری است که در یک نیروگاه هستهای روی زمین (اما از نوع شکافت12) انجام میشود، با این تفاوت که در خورشید اتمها به هم میپیوندند، نه از هم جدا میشوند.
خورشید و زندگی روی زمین: از فتوسنتز تا آب و هوا
انرژی خورشید تنها برای گرم کردن ما نیست؛ بلکه تمام سیستم حیات و آب و هوای زمین را به حرکت درمیآورد.
فتوسنتز13: مهمترین واکنش شیمیایی وابسته به خورشید است. گیاهان سبز، با استفاده از نور خورشید، آب و دیاکسید کربن14 را به گلوکز (قند) و اکسیژن تبدیل میکنند. معادله ساده شده آن به این صورت است:
دیاکسیدکربن + آب + نور خورشید → گلوکز + اکسیژن
این اکسیژن است که ما تنفس میکنیم و این مواد غذایی پایهای هستند که زنجیره غذایی را میسازند. بدون خورشید، فتوسنتز متوقف و حیات گیاهی و سپس جانوری از بین میرود.
چرخه آب: گرمای خورشید باعث تبخیر آب اقیانوسها، دریاچهها و رودها میشود. بخار آب بالا رفته، سرد شده و به صورت ابر و سپس بارش (باران یا برف) درمیآید. این چرخه مداوم، آب شیرین را در سراسر سیاره توزیع میکند.
انرژی پاک: امروزه انسانها یاد گرفتهاند که مستقیماً از انرژی خورشید استفاده کنند. سلولهای خورشیدی (پنلهای خورشیدی روی پشت بامها) نور خورشید را به برق تبدیل میکنند. این یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر است که برخلاف سوختهای فسیلی، هوا را آلوده نمیکند.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. خورشید حدود 5 میلیارد سال دیگر سوخت هیدروژن هسته خود را تمام خواهد کرد. سپس وارد مراحل نهایی عمر ستارهای خود شده، متورم میشود (به یک غول سرخ تبدیل میشود) و در نهایت لایههای بیرونی خود را پراکنده کرده و یک هسته کوچک و داغ به نام کوتوله سفید15 از خود به جای میگذارد. اما نگران نباشید! این فرآیند میلیاردها سال طول میکشد.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. خورشید بسیار بسیار بزرگتر از زمین است (قطر آن حدود 109 برابر زمین است)، اما به دلیل فاصله بسیار زیادش از ما (حدود 150 میلیون کیلومتر)، در آسمان کوچک به نظر میرسد. این پدیدهای شبیه به دیدن یک هواپیما در آسمان است که از دور مانند یک نقطه کوچک است، اما در واقعیت بسیار بزرگ است. فاصله، اندازه ظاهری را کاهش میدهد.
پاسخ: خیر. این یک تشبیه غلط اما رایج است. سوختن یک واکنش شیمیایی است که نیاز به اکسیژن دارد، اما در فضای خورشید اکسیژنی برای سوختن به آن معنا وجود ندارد. آنچه در خورشید رخ میدهد یک واکنش هستهای (همجوشی) در دمای فوقالعاده بالا است که انرژی بسیار بیشتری از هر نوع سوختن شیمیایی تولید میکند.
پاورقی
1 منظومه شمسی (Solar System): مجموعهای از سیارات، سیارکها و اجرام آسمانی که به دور خورشید میگردند.
2 همجوشی هستهای (Nuclear Fusion): فرآیندی که در آن هسته اتمهای سبک (مانند هیدروژن) برای تشکیل هستههای سنگینتر (مانند هلیوم) با هم ترکیب میشوند و انرژی آزاد میکنند.
3 هسته (Core)
4 منطقه تابشی (Radiative Zone)
5 فوتون (Photon): ذرهای که حامل نور و دیگر اشکال تابش الکترومغناطیسی است.
6 منطقه همرفتی (Convective Zone)
7 فوتوسفر (Photosphere)
8 کروموسفر (Chromosphere)
9 تاج (Corona): بیرونیترین لایه جو خورشید که در کسوف کامل به صورت هالهای از نور دیده میشود.
10 هیدروژن (Hydrogen)
11 هلیوم (Helium)
12 شکافت هستهای (Nuclear Fission): فرآیند تقسیم هسته اتمهای سنگین به هستههای سبکتر که در نیروگاههای هستهای زمین استفاده میشود.
13 فتوسنتز (Photosynthesis)
14 دیاکسید کربن (Carbon Dioxide)
15 کوتوله سفید (White Dwarf): مرحله نهایی عمر ستارههایی مانند خورشید پس از پراکنده کردن لایههای بیرونی.
