۞..ابعاد فیزیک..۞

ستاره ما : خورشید

مقدمه

خورشید ستاره‌ای است از ستارگان رشته اصلی که 5 میلیارد سال از عمرش می‌گذرد. این ستاره کروی شکل بوده و عمدتا از گازهای هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. وسعت این ستاره 1.4 میلیون کیلومتر (870000 مایل) است. جرم این ستاره 7 برابر جرم یک ستاره معمولی بوده و همچنین 750 برابر جرم تمام سیاراتی است که به دورش می‌چرخند. در هسته خورشید ، جرم توسط واکنشهای هسته‌ای تبدیل به تشعشعات الکترومغناطیسی که نوعی انرژی هستند، می‌شود. این انرژی به سمت بیرون تابانده شده و باعث درخشنگی خورشید می‌گردد. سایر اجسام آسمانی موجود در منظومه شمسی که توسط جاذبه خورشید در مدارهایشان قرار گرفته‌اند نیز گرمایشان را از این انرژی می‌گیرند.

منبع انرژی خورشید :

منبع انرژی خورشید واکنش های هسته ای است که عمدتا در مرکز ستاره  یا همان هسته آن رخ می دهد . دما در سطح خورشید 15 میلیون درجه کلوین و فشار در آن یک میلیارد اتمسفر است . در چنین محیطی اتم ها به هم جوش می خورند و در این فرایند انرژی زیادی تولید می شود. اما این واکنش ها به چه شکل است و چگونه رخ می دهند.

همانطور که ذکر شد خورشید یک گوی گازی شکل عظیم است که عمدتا از هیدروژن تشکیل شده است.

هیدروژن ساده ترین اتم موجود در عالم است که مرکب از یک پروتون ( ذره ای با بار مثبت ) و یک الکترون ( ذره ای با بار منفی ) در فاصله دور از هسته است .

در شرایط عادی دو پروتون که بارهای مثبت دارند یکدیگر را دفع می کنند . اما در شرایط دما و فشار زیاد حاکم در هسته خورشید ، نیروی اتصال هسته ای موثرتر از نیروی رانشی الکتروستاتیکی است که پروتون ها با بار مثبت را از هم می راند ، در نتیجه این دو پروتون یکدیگر را جذب می کنند . وقتی دو یا چند ذره هسته  ای به هم جوش می خورند ، ایزوتوپ یا عنصر جدیدی شکل می گیرد .

نخستین مرحله اتصال دوهسته هیدروژن است که حاصل این واکنش تولید هسته دوتریوم به همراه انرژی بسیار زیاد است .دومین مرحله پیوند میان هسته دوتریوم و یک هیدروژن دیگر است که حاصل آن یک اتم هلیوم 3 است به همراه پرتو گاما که خود حاوی انرژی فوقوالعاده ای است. مرحله سوم واکنش ها زمانی روی می دهد که دو اتم هلیوم 3 به یکدیگر پیوند بخورند . حاصل این واکنش نیز عبارتست از تشکیل اتم هلیوم 4 به اضافه دو اتم هیدروژن

 از آنجا که در طی این واکنش جرم مواد حاصل کمتر از جرم واکنش دهنده ها بوده است این نتیجه بدست می آید که در طی این واکنش جرم گمشده به انزژی تبدیل شده است و این مصداق همان قانون جرم – انرژی نسبیتی است که بصورت زیر بیان می شود :

E = mc²

خورشید در هر ثانیه 4.5 میلون تن جرم را به انرژی تبدیل می کند ! این انرژی معادل انرژی حاصل از 100 میلیارد تن TNT در هر ثانیه می باشد . جرم خورشید به اندازه ایست که حتی با وجود این آهنگ تبدیل جرم می تواند فقط به استفاده از مقدار هیدروژنی که فعلا در هسته ان موجود هست به مدتی بیش از 5 میلیارد سال دیگر به حیاط ادامه دهد .

واکنشی که در بالا به آن اشاره شد چرخه پروتون – پروتون نام دارد.

* لایه های  خورشید ( از داخل به سمت خارج)

1. هسته

مرکز خورشید مانند کوره‌ای هسته‌ای است با دمای 15 میلیون درجه سانتیگراد (27 میلیون درجه فارنهایت) که چگالی‌اش 160 برابر آب می‌باشد . فرایندهای که در بالا به آنها اشاره شد بطور عمده در هسته ستاره صورت می گیرند . این همجوشی یک هسته هلیومی در داخل خورشید بوجود می آورد. در این حین، 0.7 درصد جرم ترکیب شده ، تبدیل به انرژی می‌شود. از 590 میلیون تن هیدروژنی که در هر ثانیه در مرکز خورشید ترکیب می‌شوند، 3.9 میلیون تن به انرژی تبدیل می‌شود. این سوخت هیدروژنی ، تا 5 میلیارد سال دیگر دوام خواهد. این سوخت هیدروژنی ، تا 5 میلیارد سال دیگر دوام خواهد داشت. مسیر نامنظم 1 میلیون سال طول می‌کشد تا انرژی تولید شده در مرکز خورشید به سطح آن رسیده و بصورت نور و گرما تابش کند، سپس بعد از فقط 8 دقیقه ، این انرژی به زمین می‌رسد.

داخلی ترین لایه بعد از هسته منطقه تابش نام دارد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت .

2. بخش تابشی

مقادیر عظیم انرژی تولید شده در هسته باید به طریقی به لایه های دیگر و نهایتا به فضای خارج منتقل شوند. اختر شناسان معتقدند که مکانیسم اصلی این انتقال در پیکره خورشید تابش است . انرژی تولید شده در هسته خورشید به وسیله فرایند های متعدد جذب و گسیل مجدد در منطقه تابش پخش می شوند.. از این رو فوتونی که هسته را ترک می کند به خط مستقیم به سطح خورشید نمی رسد بلکه دستخوش برخوردها ، پراکندگی ها ، جذب ها و گسیل های مجدد متعددی می شود .در واقع اگر بتوانیم یک فوتون را دنبال کنیم متوجه میشویم که یک میلیون سال یا بیشتر طول می کشد تا به سطح خورشید برسد و به جهان خارج برود . بنابراین خورشیدی که ما در نور مرئی می بینیم هسته آن نیست بلکه لایه های فوقانی آن است که فوتون ها نهایتا از آن گسیل شده اند .

3. پوش همرفتی

لایه بعدی خورشید بنام پوش همرفتی ، فقط انرژی را بوسیله حرکت ماده در درون آن منتقل می کند .گازهای داغ صعود می کنند تا انرژی را به سطح مرئی خورشید برسانند و سپس گازهای سرد شده پایین می آیند تا بار دیگر گرم شوند . این پدیده مانند همان پدیده همرفتی است که در گرمایش اتاق روی می دهد . اگر بخاری در یک طرف اتاق نصب شده باشد ، هوایی که بوسیله آن گرم می شود بالا می رود ، در طول سقف جاری می شود ، در طرف دیگر اتاق پایین می اید و در آنجا سرد می شود ، در این صورت یک الگوی گردش طبیعی هوا در اتاق برقرار می شود . به این ترتیب می توانیم تصور کنیم حرکت  شدیدی که صورت می گیرد تا مقادیر عظیم انرژی گسیلیده از منطقه تابش را به سراسر پوش همرفتی منتقل کند چگونه است .

4. شید سپهر

لایه بلافصل بعد از بالای پوش همرفتی را شید سپهر می نامند . ضخامت این لایه در حدود 100 کیلومتر است. . پایه جو خورشیدی شیر سپهر است. لکه خورشیدی بر روی شیر سپهر ظاهر می‌شوند. وقتی به بخش مرکزی تصویر خورشید نگاه می کنیم ، از میان شید سپهر سطوح پایینتر آنرا می توانیم ببینیمکه در آنجا دکا ها از مرتبه 6000 کلوین است . وقتی به نزدیکی لبه خورشید نگاه می کنیم سطوح بااتر شید سپهر را می بینیم که در آنجا دماها 1000 تا 1500درجه کلوین کمتر  است گازها در دماهای کمتر ، کمتر انرژی تابش می کنند .این کاهش دما  نه تنها تیرگی لبه خورشید را توضیح می دهد بلکه عامل اصلی در تشکیل طیف رنگی به شمار می رود .

5. فام سپهر (کروموسفر )

لایه خاری بعدی اتمسفر خورشید ، فام سپهر است که تقریبا تا ارتفاع 2000 کیلومتری بالاتر از شید سپهر امتداد می یابد . فام سپهر معمولا به علت درخشندگی شید سپهر نامرئی است اما به هنگام خورشید گرفتگی (کسوف ) که ماه قرص مرکزی خورشید را می پوشاند ، نور سرخ فام سپهر را می توان دید . وقتی نور از این لایه وارد طیف نگار می شود خط روشن طیف آشکار می شود . فامسپهر عمدتا از هیدروژن ترکیب یافته است. با توجه به طیف آن علاوه بر هیدروژن می توان عناصر دیگری چون سدیم ، منیزیم ، و یون هلیوم را در فامسپهر آشکار کرد.

6 . تاج خورشیدی

سومین لایه اصلی از لایه های جو خورشید ، تاج است . تاج خورشید مانند فامسپهر به علت درخشندگی شید سپهر مهمولا نا مرئی است ، اما اگر در خلال کسوف کامل رویت شود ، ناحیه درخشان ممتدی را می توان دید که عمدتا ناشی از پراکندگی نور بوسیله ذرات موجود در تاج است . بخش مرئی تاج فقط جز کوچکی از آن است ، زیرا اکنون معلوم شده که تا فراسوی خود زمین هم ادامه دارد. در واقع سیارات همواره در برون ریز ماده آن غوطه ور هستند که آن را باد خورشیدی می نامند.

دمای تاج خورشیدی در حدود 2 میلیون درجه کلوین است که احتمال می رود عامل گرمای بیش از حد آن نسبت به سطح خورشید وجود میدان های مغناطیسی قوی خورشید باشد .

- باد خورشیدی

از خورشید همواره ذراتی نیز بیرون می ریزد ، از آن جمله : الکترون ها یی با  بار منفی و پروتون هایی با بار مثبت ، از اگاز هیدروژن که اجزای اصلی تشکیل دهنده  جو خورشید به شمار می آیند . این ذرات بصورت مارپیچی با سرعتی معادل900 کیلومتر در ثانیه از خورشید دور شده و باد خورشیدی را بوجود می‌آورند. این ذرات در همان مسیرهای میدان مغناطیسی خورشید حرکت می‌کنند و از آنجا که دارای بار الکتریکی هستند، منظومه شمسی را پر از جریانات الکتریکی می‌کنند.در فاصله زمین تا خورشید سرعت باد خورشیدی در حدود 1450000 کیلومتر بر ساعت است. مقدار ماده ای که به صورت باد خورشیدی از خورشید جدا می شود در هر ثانیه یک میلیون تن است . 100000 میلیارد سال طول خواهد کشید تا باد خورشیدی تمام جرم خورشید را در فضای بین سیاره‌ای پخش کند، اما طول عمر طبیعی خورشید فقط 10 میلیارد سال است.

- شفق قطبی :

پدیده ای زیبایی که حاصل از برخورد بادهای خورشیدی با  جو زمین رخ می دهد ، شفق قطبی است . وقتی این ذرات باردار به میدان مغناطیسی زمین نزدیک می شوند در کمربند وان آلن منحرف می شوند و سر انجام در مسیری مارپیچی به سمت نواحی قطب جنوب و شمال می روند ، در آنجا بر اثر واکنش با اتم های جو زمین نور های شمالی و جنوبی یا همان شفق قطبی را پدید می آورند.

* فعالیت های سطحی خورشید :

حرکت وضعی خورشید باعث ایجاد میدان مغناطیسی می‌شود، مناطق استوایی خورشید سریعتر از مناطق قطبی آن چرخیده و این امر باعث می‌شود که خطوط میدان مغناطیسی درون خورشید حلقه بزنند. این خطوط در صورت خروج از سطح خورشید ، باعث فعالیتهای خورشیدی نظیر لکه‌های خورشیدی ، شعله‌ها و زبانه‌های خورشیدی می‌شوند. این فعالیتها ، بخصوص لکه‌های خورشیدی ، چرخه‌ای 11 ساله دارند.

1 . لکه خورشیدی

لکه خورشیدی ناحیه ای بر سطح مرئی خورشید است که مرکب از گازهای سردتر از گازهای پیرامون خود  است . بخش مرکزی لکه را که  بسیار تاریک است و و دمای آن تقریبا 4300 درجه کلوین می باشد ، سایه می نامند . ناحیه اطراف سایه خاکستری رنگ دیده می شود ، به این قسمت نیم سایه گفته می شود و دمای آن در حدود 5000 درجه کلوین است . دمای عادی سطح خورشید 6000 درجه کلوین است . در واقع یک لکه به دلیل درخشش محیط پیرامون خود  تاریک بنظر می رسد ، درواقع اگر درخشش محیط اطراف لکه حذف شود کاملا درخشان دیده خواهد شد.  لکه های خورشیدی در طی یک دوره 11 ساله بر سطح خورشید ظاهر می شوند . این لکه ها در هر دوره اغلب بصورت زوج پدیدار می شوند . طبق تحقیقات عامل بوجود آورنده این لکه ها میدان مغناطیسی خورشید است که موجب می شود قطبش یکی از لکه ها مثبت و لکه مجاور ان منفی شود . جهت چرخش و قطبش این لکه ها در نیمکره شمالی و جنوبی خورشید خلاف یکدیگر است .

- چرخش خورشید :

با دنبال کردن جهت و حرکت لکه های خورشیدی می توان به مدت زمان یک دور چرخش خورشید به دور خود پی برد. در این صورت در مدت زمان کمتر از یک ماه می توانید شاهد چرخش خورشید باشید . بررسی های دقیق نشان می دهد که این دوره ظاهری ثابت نیست بلکه با عرض جغرافیایی لکه خورشیدی متفاوت می شود. وقتی گروه معینی از لکه های خورشیدی در نزدیکی استوا باشد ظاهرا فقط مدتی در حدود 25 روز برای یک چرخش لازم است . در عرض های جغرافیایی شمال و جنئب استوای خورشید ، یعنی در عرض های مثبت و منفی 30۫ مدت طولانی تری تا 27 روز لازم است . اگر لکه های خورشیدی نزدیک قطب ها باشند 35 روز طول می کشد تا یک دور کامل شود .

این مطلب یادآور شیوه چرخش های مشتری است که در  هر عرض جغرافیایی سرعت خاصی دارد و بنابراین نشان تایید می کند که خورشید ماهیت گازی دارد.

2 . شراره خورشیدی :

شراره خورشیدی ، پرتحرک ترین فعالیت در سطح یا جو خورشید است که انرژی عظیمی را در مدت زمان بسیار کوتاهی آزاد می کند . یک شراره خورشیدی در مساحتی به قطر 2000000 کیلومتر رخ می دهد و دمای آن بیش از 100 میلیون درجه کلوین است . اغلب شراره های خورشیدی در امتداد مرز میان نواحی گروهی از لکه های خورشیدی که به طور مثبت و منفی قطبیده شده اند صورت می گیرد. 

این شراره ها تاثیر مستقیمی بر زمین دارند و می تواند با گسیل پرتو ایکس حیات انسانی را که با پوشش جو زمین حفاظت نشده باشد ، از بین ببرد . همچنین این شراره ها می توانند سبب ایجاد اختلال در ارتباطات رادیویی موج کوتاه شوند. در حدود یک روز پس از وقوع هر شراره خواص مغناطیسی زمین دچار اختلال می شوند و عقربه قطب نما واکنش های عجیبی را نشان می دهد .

3 . زبانه ها ی خورشیدی

زبانه‌های خورشیدی ، فوارانهایی از گاز مشتعل هستند که ممکن است صدها هزار کیلومتر در فضا پیش بروند . سالیان متمادی فعالیت های جو خورشید تنها در هنگام گرفت کامل آن ، مشاهده می شد . امروزه زبانه های خورشیدی را با استفاده از طیف نگار خورشیدی در هر موقع دلخواه می توان بررسی کرد . نوعی زبانه ممکن است بیش از 320000 کیلومتر در داخل جو خورشید امتداد داشته باشد و نسبتا ثابت بماند.  این نوع زیانه را زبانه نوع آرام یا ساکت می نامند .نوع دیگری از زبانه ها ، زبانه حلقوی است  که به شکل کمان یا حلقه در می آید و حرکت درون حلقه را نشان میدهد که ناشی از حضور میدان مغنا طیسی است. نوع سوم زبانه ها را زبانه فورانی می گویند که ممکن است موتدی را با سرعت هایی تا 640 کیلومتر بر ثانیه به خارج و درون تاج خورشیدی روانه کند.

* میدان مغناطیسی خورشید :

فعالیت های خورشیدی با میدان های مغناطیسی که نزدیک یا روی سطح مرئی خورشید پدیدار می شوند ، کنترل می شود. همانگونه که در تصویر می بینید ، نواحی روشنتر و تیره تر نشان دهنده میدان های قویترند . شدت میدان مغناطیسی در نزدیکی لکه های خورشیدی در حدود هزار بار بیشتر از میدان معمولی خورشید است . در واقع احتمال می رود که میدان مغناطیسی قوی لکه خورشیدی را بوجود آورد . این میدان ممکن است جریان انرژی را از پوش همرفتی به سطح سد کند. 

مرگ خورشید

ستاره شناسان ستاره‌ها را مانند موجودات زنده می‌دانند که مراحل تولد ، زندگی و مرگ را در طول عمر خود می‌گذرانند. این مراحل که برای انسان حدود چند ده سال طول می‌کشد. در مورد ستاره‌ها از چند میلیون تا چند میلیارد سال متغیر است. یک ستاره پس از تولد و گذران عمر ، وارد مرحله مرگ و پایان موجودیت می‌شود. خورشید ما هم که یک ستاره است، از این قاعده مستثنی نیست.

بیشتر هیدروژن موجود در هسته خورشید گداخته شده و صرف تهیه هلیوم خواهد شد. در آن زمان ، جاذبه باعث انقباض هسته شده و فشار ، دمای آنرا افزایش خواهد داد. هیدروژن شروع به سوختن در پوسته اطراف هسته خواهد کرد. انرژی حاصل از این گداخت هسته‌ای در پوسته ، باعث انبساط لایه‌های خارجی خواهد شد و سیارات عطارد و زهره را ذوب می‌کند و آنها را در بر می‌گیرد. انبساط خورشید تا مدار زمین متوقف شده و حرارتش تمام موجودات زنده را از بین می‌برد. بعد از آن خورشید تبدیل به یک غول سرخ می‌شود. سپس ، لایه‌های خارجی در فضا پخش شده و یک سحابی سیاره‌ای تشکیل خواهند داد. هسته نیز بصورت یک ستاره کوتوله سفید باقی مانده و بتدریج از بین خواهد رفت. پس می‌توان گفت که با فرا رسیدن مرگ خورشید ، مرگ زمین و تمام موجودات این سیاره فرا می‌رسد.

غول سرخ خورشید

ذخایر هیدروژن خورشید به ما این وعده را می‌دهد که تا حدود 5 میلیارد سال دیگر دغدغه‌ای نداشته باشیم. خورشید تقریبا بصورت امروزی ، ستاره‌ای زرد که به اندازه قرص ماه دیده می‌شود، خواهد بود. ولی 5 میلیارد سال بعد بیشتر هیدروژن موجود در هسته خورشید ، گداخته شده و صرف تهیه هلیوم می‌شود. در آن زمان جاذبه باعث انقباض هسته شده و فشار و دمای آن را افزایش خواهد داد. هیدروژن شروع به سوختن در پوسته اطراف هسته خواهد کرد.

انرژی حاصل از همجوشی هسته‌ای در پوسته ، باعث انبساط لایه‌های خارجی خواهد شد، تا اینکه خورشید تبدیل به یک غول سرخ شود. هلیوم هم به کربن و اکسیژن تبدیل خواهد شد.

خورشید کوتوله

وقتی خورشید منبسط می‌شود تا تبدیل به یک غول سرخ شود ، قطرش حدود 150 برابر بزرگتر می‌شود (بدلیل همین افزایش حجم است که غول نامیده می‌شود). با افزایش حجم ، دمای سطح خورشید به آرامی کاهش می‌یابد و گازهای منبسط شده و داغ حرارت خود را از دست می‌دهند. رنگ خورشید از زرد به نارنجی و سپس قرمز تغییر می‌کند. بخاطر بزرگتر شدن سطح خورشید ، درخشندگی آن هزار برابر افزایش یافته و نور بیشتری ساطع می‌کند.

خورشید مدت 100 میلیون سال را به شکل یک غول سرخ سپری خواهد کرد، سپس لایه‌های سست بیرونی از آن جدا خواهند شد. سرانجام خورشید به شکل یک کوتوله سفید باقی مانده و به تدریج از بین خواهد رفت.

زمین سوگوار

·     در مراحل پایانی عمر خورشید ، هنگامی که این ستاره به غول سرخ تبدیل می‌شود، از آسمان آبی گرفته تا سایه رنگهای سپیده و شامگاه ، کلیه پدیده‌های جوی ، عمیقا تحت تأثیر قرار می‌گیرند. زمین سرد نمی‌شود بلکه برعکس افزایش ‌مساحت خورشید ، کاهش دما را جبران می‌کند و دما از حد معمول هم بسیار فراتر می‌رود. تمام موجودات زنده از بین می‌روند و زمین در غم از دست دادن آنها و خورشید به سوگ می‌نشیند.

·     با افزایش دما یخ پهنه‌های قطبی شروع به ذوب شدن می‌کنند. سطح اقیانوسها بالا می‌آیند و لایه ضخیمی از ابر ایجاد می‌کنند که برای مدتی خورشید را پنهان می‌کند. این ابرها تقابل اقلیمی میان قطبها و استوا را از بین می‌برند. نوعی جنگل آمازون داغ و مرطوب سراسر زمین را می‌پوشاند. سپس جو زمین شروع به تبخیر شدن می‌کند. گیاهان خشک شعله‌ور می‌شوند. شعله‌های آتش با استفاده از اکسیژن باقیمانده ، همه مواد آلی موجود را مصرف می‌کند. طبیعتی شبیه به ماه کنونی پدید می‌آید.

·     در صخره سنگهای قاره‌ای و اعماق حوزه‌هایی که تبخیر شده‌اند، حاکمیت عصر معادن بار دیگر جایگاهی را که در نخستین سالهای عمر سیاره داشت، باز می‌یابد. پس از گذشت چند صد هزار سال ، خود صخره نیز شروع به ذوب شدن می‌کند. زیر آبشاری از حرارت سرخ ، امواج گدازه های فروزان از کوهها سرازیر و در اعماق اقیانوسهای کهن جمع می‌شوند. خورشید سرخ به گسترش خود ادامه می‌دهد و باد نیرومند ستاره‌ای به بیرون می‌فرستد.

سیارات عطارد و زهره تحت تأثیر آن به آرامی تبخیر می‌شوند. این توفان شدید مواد آنها را جارو کرده و به صورت امواج متلاطمی از بخار به هوا می‌فرستد. از این ماده رقیق ممکن است سحابیهای جدید شکل گرفته و در میان آنها ستارگان و منظومه‌های سیاره‌ای جدید پدیدار شوند.

با تشکر

فاطمه شنبه زاده