Υπάρχει ένας λόγος που η ζωή είναι ότι η Γη είναι το μόνο μέρος στο Ηλιακό Σύστημα όπου είναι γνωστό ότι η ζωή μπορεί να ζει και να ευδοκιμεί. Ομολογουμένως, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να υπάρχουν μικροβιακές ή ακόμα και υδρόβιες μορφές ζωής που ζουν κάτω από τις παγωμένες επιφάνειες Ευρώπη και Εγκέλαδος , ή στις λίμνες μεθανίου επάνω Τιτάν . Αλλά προς το παρόν, η Γη παραμένει το μόνο μέρος που γνωρίζουμε ότι έχει όλες τις κατάλληλες συνθήκες για να υπάρχει ζωή.
Ένας από τους λόγους για αυτό είναι επειδή η Γη βρίσκεται μέσα στον Ήλιο μας Κατοικίσιμη Ζώνη (γνωστός και ως «Goldilocks Zone»). Αυτό σημαίνει ότι βρίσκεται στο σωστό σημείο (ούτε πολύ κοντά ούτε πολύ μακριά) για να λάβει την άφθονη ενέργεια του Ήλιου, η οποία περιλαμβάνει το φως και τη θερμότητα που είναι απαραίτητα για τις χημικές αντιδράσεις. Αλλά πώς ακριβώς προχωρά ο Ήλιος μας να παράγει αυτήν την ενέργεια; Ποια βήματα περιλαμβάνουν και πώς φτάνει σε εμάς εδώ στον πλανήτη Γη;
Η απλή απάντηση είναι ότι ο Ήλιος, όπως όλα τα αστέρια, είναι σε θέση να δημιουργήσει ενέργεια επειδή είναι ουσιαστικά μια μαζική αντίδραση σύντηξης. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό ξεκίνησε όταν ένα τεράστιο σύννεφο αερίων και σωματιδίων (δηλαδή ένα νεφέλωμα) κατέρρευσε υπό τη δύναμη της δικής του βαρύτητας - η οποία είναι γνωστή ως Θεωρία Νεφελωμάτων . Αυτό όχι μόνο δημιούργησε τη μεγάλη μπάλα φωτός στο κέντρο του Ηλιακού μας Συστήματος, αλλά πυροδότησε επίσης μια διαδικασία κατά την οποία το υδρογόνο, που συλλέγεται στο κέντρο, άρχισε να συντήκεται για να δημιουργήσει ηλιακή ενέργεια.
Τεχνικά γνωστή ως πυρηνική σύντηξη, αυτή η διαδικασία απελευθερώνει μια απίστευτη ποσότητα ενέργειας με τη μορφή φωτός και θερμότητας. Αλλά η λήψη αυτής της ενέργειας από το κέντρο του Ήλιου μας μέχρι τον πλανήτη Γη και πέρα από αυτήν περιλαμβάνει μερικά κρίσιμα βήματα. Στο τέλος, όλα καταλήγουν στα στρώματα του Ήλιου και ο ρόλος που παίζει καθένα από αυτά διασφαλίζοντας ότι η ηλιακή ενέργεια φτάνει εκεί που μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία και τη διατήρηση της ζωής.
Ο πυρήνας:
Ο πυρήνας του Ήλιου είναι η περιοχή που εκτείνεται από το κέντρο σε περίπου 20–25% της ηλιακής ακτίνας. Είναι εδώ, στον πυρήνα, όπου παράγεται ενέργεια από τα άτομα υδρογόνου (Η) που μετατρέπονται σε μόρια ηλίου (He). Αυτό είναι δυνατό χάρη στην ακραία πίεση και θερμοκρασία που υπάρχει μέσα στον πυρήνα, που εκτιμάται ότι ισοδυναμούν με 250 δισεκατομμύρια ατμόσφαιρες (25,33 τρισεκατομμύρια KPa) και 15,7 εκατομμύρια Κέλβιν, αντίστοιχα.
Το καθαρό αποτέλεσμα είναι η σύντηξη τεσσάρων πρωτονίων (μόρια υδρογόνου) σε ένα σωματίδιο άλφα – δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια συνδεδεμένα μαζί σε ένα σωματίδιο που είναι πανομοιότυπο με έναν πυρήνα ηλίου. Δύο ποζιτρόνια απελευθερώνονται από αυτή τη διαδικασία, καθώς και δύο νετρίνα (που μετατρέπουν δύο από τα πρωτόνια σε νετρόνια) και ενέργεια.
Ο πυρήνας είναι το μόνο μέρος του Ήλιου που παράγει μια αξιόλογη ποσότητα θερμότητας μέσω της σύντηξης. Στην πραγματικότητα, το 99% της ενέργειας που παράγεται από τον Ήλιο λαμβάνει χώρα εντός του 24% της ακτίνας του Ήλιου. Στο 30% της ακτίνας, η σύντηξη έχει σταματήσει σχεδόν εντελώς. Το υπόλοιπο του Ήλιου θερμαίνεται από την ενέργεια που μεταφέρεται από τον πυρήνα μέσω των διαδοχικών στρωμάτων, φτάνοντας τελικά στην ηλιακή φωτόσφαιρα και διαφεύγει στο διάστημα ως ηλιακό φως ή κινητική ενέργεια σωματιδίων.
Ο Ήλιος απελευθερώνει ενέργεια με ρυθμό μετατροπής μάζας-ενέργειας 4,26 εκατομμυρίων μετρικών τόνων ανά δευτερόλεπτο, που παράγει το ισοδύναμο των 38.460 septillion watt (3,846×1026W) ανά δευτερόλεπτο. Για να το θέσουμε σε προοπτική, αυτό είναι το ισοδύναμο περίπου 9,192×1010Μεγατόνων TNT ανά δευτερόλεπτο, ή 1.820.000.000 Τσάρος Μπόμπας – η πιο ισχυρή θερμοπυρηνική βόμβα που κατασκευάστηκε ποτέ!
Η εσωτερική δομή του Ήλιου. Προσφορά: Wikipedia Commons/kelvinsong
Ζώνη Ακτινοβολίας:
Αυτή είναι η ζώνη αμέσως δίπλα στον πυρήνα, η οποία εκτείνεται σε περίπου 0,7 ηλιακές ακτίνες. Δεν υπάρχει θερμική μεταφορά σε αυτό το στρώμα, αλλά το ηλιακό υλικό σε αυτό το στρώμα είναι ζεστό και αρκετά πυκνό ώστε η θερμική ακτινοβολία είναι το μόνο που χρειάζεται για τη μεταφορά της έντονης θερμότητας που παράγεται στον πυρήνα προς τα έξω. Βασικά, αυτό περιλαμβάνει ιόντα υδρογόνου και ηλίου που εκπέμπουν φωτόνια που ταξιδεύουν σε μικρή απόσταση προτού επαναρροφηθούν από άλλα ιόντα.
Οι θερμοκρασίες πέφτουν σε αυτό το στρώμα, πηγαίνοντας από περίπου 7 εκατομμύρια kelvin πιο κοντά στον πυρήνα σε 2 εκατομμύρια στο όριο με τη ζώνη μεταφοράς. Η πυκνότητα μειώνεται επίσης σε αυτό το στρώμα εκατονταπλάσια από 0,25 ηλιακές ακτίνες στην κορυφή της ζώνης ακτινοβολίας, πηγαίνοντας από 20 g/cm³ πιο κοντά στον πυρήνα σε μόλις 0,2 g/cm³ στο ανώτερο όριο.
Συναγωγική ζώνη:
Αυτό είναι το εξωτερικό στρώμα του Ήλιου, το οποίο αντιπροσωπεύει οτιδήποτε πέρα από το 70% της εσωτερικής ηλιακής ακτίνας (ή από την επιφάνεια έως περίπου 200.000 km κάτω). Εδώ, η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από ό,τι στη ζώνη ακτινοβολίας και τα βαρύτερα άτομα δεν ιονίζονται πλήρως. Ως αποτέλεσμα, η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία είναι λιγότερο αποτελεσματική και η πυκνότητα του πλάσματος είναι αρκετά χαμηλή ώστε να επιτρέπει την ανάπτυξη συναγωγικών ρευμάτων.
Εξαιτίας αυτού, τα ανερχόμενα θερμικά κύτταρα μεταφέρουν το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας προς τα έξω στη φωτόσφαιρα του Ήλιου. Μόλις αυτά τα κύτταρα ανέβουν ακριβώς κάτω από τη φωτοσφαιρική επιφάνεια, το υλικό τους ψύχεται, προκαλώντας αύξηση της πυκνότητάς τους. Αυτό τους αναγκάζει να βυθιστούν ξανά στη βάση της ζώνης μεταφοράς – όπου παίρνουν περισσότερη θερμότητα και ο κύκλος μεταφοράς συνεχίζεται.
Απεικόνιση της δομής του Ήλιου και ενός κόκκινου γίγαντα αστέρα, που δείχνει τις συναγωγικές ζώνες τους. Πίστωση: ESO
Στην επιφάνεια του Ήλιου, η θερμοκρασία πέφτει περίπου στους 5.700 Κ. Η τυρβώδης μεταφορά αυτού του στρώματος του Ήλιου είναι επίσης αυτό που προκαλεί ένα φαινόμενο που παράγει μαγνητικούς βόρειους και νότιους πόλους σε όλη την επιφάνεια του Ήλιου.
Είναι επίσης σε αυτό το στρώμα που ηλιακές κηλίδες εμφανίζονται, τα οποία εμφανίζονται ως σκοτεινά μπαλώματα σε σύγκριση με τη γύρω περιοχή. Αυτές οι κηλίδες αντιστοιχούν σε συγκεντρώσεις στο πεδίο μαγνητικής ροής που αναστέλλουν τη μεταφορά και προκαλούν πτώση της θερμοκρασίας των περιοχών στην επιφάνεια σε σύγκριση με το περιβάλλον υλικό.
Photosphere:
Τέλος, υπάρχει η φωτόσφαιρα, η ορατή επιφάνεια του Ήλιου. Είναι εδώ που το ηλιακό φως και η θερμότητα που ακτινοβολούνται και μεταφέρονται στην επιφάνεια διαδίδονται στο διάστημα. Οι θερμοκρασίες στο στρώμα κυμαίνονται μεταξύ 4.500 και 6.000 K (4.230 – 5.730 °C, 7646 – 10346 °F). Επειδή το πάνω μέρος της φωτόσφαιρας είναι πιο ψυχρό από το κάτω μέρος, μια εικόνα του Ήλιου εμφανίζεται πιο φωτεινή στο κέντρο παρά στην άκρη ήάκροτου ηλιακού δίσκου, σε ένα φαινόμενο γνωστό ως σκούραση άκρων .
Η φωτόσφαιρα έχει πάχος δεκάδες έως εκατοντάδες χιλιόμετρα και είναι επίσης η περιοχή του Ήλιου όπου γίνεται αδιαφανής στο ορατό φως. Οι λόγοι για αυτό είναι λόγω της φθίνουσας ποσότητας αρνητικά φορτισμένων ιόντων υδρογόνου (H-), που απορροφούν εύκολα το ορατό φως. Αντίθετα, το ορατό φως που βλέπουμε παράγεται καθώς τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με άτομα υδρογόνου για να παράγουν Η-ιόντων.
Η ενέργεια που εκπέμπεται από τη φωτόσφαιρα στη συνέχεια διαδίδεται στο διάστημα και φτάνει στην ατμόσφαιρα της Γης και στους άλλους πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος. Εδώ στη Γη, το ανώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας (το στρώμα του όζοντος) φιλτράρει μεγάλο μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας (UV) του Ήλιου, αλλά περνάει ένα μέρος στην επιφάνεια. Η ενέργεια που λαμβάνεται στη συνέχεια απορροφάται από τον αέρα και τον φλοιό της Γης, θερμαίνοντας τον πλανήτη μας και παρέχοντας στους οργανισμούς μια πηγή ενέργειας.
Η Φωτόσφαιρα του Ήλιου, όπου το ορατό ηλιακό φως και η θερμότητα στέλνονται στο διάστημα. Πίστωση: NASA/SDO/AIA)
Ο Ήλιος βρίσκεται στο κέντρο των βιολογικών και χημικών διεργασιών εδώ στη Γη. Χωρίς αυτό, ο κύκλος ζωής των φυτών και των ζώων θα τελείωνε, οι κιρκάδιοι ρυθμοί όλων των επίγειων πλασμάτων θα διαταράσσονταν. και με τον καιρό, όλη η ζωή στη Γη θα έπαυε να υπάρχει. Η σημασία του Ήλιου έχει αναγνωριστεί από τους προϊστορικούς χρόνους, με πολλούς πολιτισμούς να τον βλέπουν ως θεότητα (τις περισσότερες φορές ως την κύρια θεότητα στα πάνθεονά τους).
Αλλά μόνο τους τελευταίους αιώνες έγιναν κατανοητές οι διαδικασίες που τροφοδοτούν τον Ήλιο. Χάρη στη συνεχιζόμενη έρευνα από φυσικούς, αστρονόμους και βιολόγους, είμαστε πλέον σε θέση να κατανοήσουμε πώς ο Ήλιος παράγει ενέργεια και πώς τη μεταδίδει στο Ηλιακό μας Σύστημα. Η μελέτη του γνωστού σύμπαντος, με την ποικιλομορφία των αστρικών συστημάτων και των εξωπλανητών - μας βοήθησε επίσης να κάνουμε συγκρίσεις με άλλους τύπους άστρων.
Έχουμε γράψει πολλά άρθρα για το Ήλιος και Ηλιακή ενέργεια για το Σύμπαν Σήμερα. Εδώ είναι Τι χρώμα είναι ο ήλιος; , Πόσο απέχει η Γη από τον Ήλιο; , μερικοί Ενδιαφέροντα γεγονότα για τον Ήλιο , και ένα για το Χαρακτηριστικό του Ήλιου .
Για όσους ενδιαφέρονται για το πραγματικά κερδοσκοπικό και φουτουριστικό, εδώ Θα μπορούσαμε να Terraform The Sun; , και Συγκομιδή ηλιακής ενέργειας από το διάστημα .
Για περισσότερες πληροφορίες, ελέγξτε έξω Οδηγός εξερεύνησης ηλιακού συστήματος της NASA στον Ήλιο , και εδώ είναι ένας σύνδεσμος προς το Αρχική σελίδα αποστολής SOHO , που έχει τις τελευταίες εικόνες από τον Ήλιο.
Το Astronomy Cast έχει επίσης μερικά ενδιαφέροντα επεισόδια για τον Ήλιο. Ακου εδώ, Επεισόδιο 30: The Sun, Spots and All , και Επεισόδιο 320: Layers of the Sun .