Il sole è uno dei grandi “misteri ben compresi”. La scienza lo ha bloccato, ma la maggior parte delle persone non è esattamente sicura di come la nostra sfera di luce fiammeggiante stia facendo la sua magia.
Non sono necessarie lauree in fisica e chimica per comprendere i gradi di calore prodotti dal sole. Allo stesso tempo, può diventare un po’ complicato quando pensiamo a quanto calore ne viene fuori.
La parte difficile è che devi capire il “come” per apprezzare appieno il “quanto”.
Le sezioni seguenti daranno uno sguardo di base su come il sole produce calore e quanto calore emette in un dato momento. Quando capisci queste cose, sei un passo più vicino ad apprezzare appieno come una palla di gas galleggiante nel mezzo dello spazio nutre il nostro pianeta! È roba incredibile, ed è giunto il momento che tutti noi impariamo di più.
Come il sole produce il suo calore
Supponi di avere una tuta che potrebbe proteggerti da qualsiasi temperatura. Ti infili questa super tuta e sei protetto dalle temperature devastanti estreme del sole (ovunque da 5.000 gradi F a 27.000.000 gradi F, a seconda di dove ti trovi).
Ora salti fuori dalla tua astronave per provare a toccare la superficie del sole, ma scopri che non c’è assolutamente nessun posto dove atterrare!
Questo perché il sole è fatto di gas e, sebbene sembri una sfera solida, è tenuto in posizione solo dall’immensa forza della sua stessa gravità. Secondo la teoria della nebulosa, stelle come il nostro sole si formano quando grandi nubi gassose chiamate nebulose soccombono alla loro stessa immensa forza gravitazionale.
Secondo la teoria della nebulosa, stelle come il nostro sole si formano quando grandi nubi gassose chiamate nebulose soccombono alla loro stessa immensa forza gravitazionale.
iStock.com/Ed Williams
Tutto precipita verso il centro e la densa palla di atomi diventa ancora più massiccia, creando una maggiore forza gravitazionale che attira ancora più gas verso l’interno. Il risultato è una gravità così forte che gli atomi si scontrano nel processo di fusione nucleare.
Le basi della fusione nucleare
Il sole produce energia attraverso il processo di fissione nucleare.
Quando i gas ottengono abbastanza energia (termica o elettriche), possono cambiare stato e diventare plasma. Sebbene cambino il loro stato fisico, la loro natura chimica rimane abbastanza simile. La differenza chiave tra gas e plasma è il comportamento degli elettroni.
Quando c’è abbastanza calore, gli elettroni orbitali fuoriescono dai loro atomi, facendo sì che il gas cambi stato e formi uno stato plasma. Alcuni esempi di plasma in natura sono l’aurora boreale e i fulmini.
La temperatura richiesta per formare il plasma è inferiore a quella di fusione, quindi la fusione nel nostro sole avviene sempre quando è presente il plasma. Il plasma si forma più vicino al nucleo del sole perché il nucleo è molto più caldo degli strati esterni e la fusione inizia lì poco dopo.
Quando le cose arrivano a circa 10.000.000 di gradi, gli atomi corrono a velocità estremamente elevate, scontrandosi l’uno contro l’altro con un’enorme quantità di forza. A temperature più basse, gli atomi sono tenuti separati dalla forza della repulsione elettrica reciproca (ecco perché le raffigurazioni di atomi coinvolgono sempre particelle diverse che rimbalzano o semplicemente si danno molto spazio).
Quando c’è abbastanza calore, però, quell’energia termica costringe gli atomi a muoversi più velocemente di quanto la repulsione degli elettroni possa sopportare, portando i nuclei a frantumarsi e riformularsi. I nuclei in questione sono protoni di idrogeno.
Questi spezzoni solitari dell’idrogeno vengono sbattuti insieme in modo tale che loro fusibile, perdendo un elettrone nel processo. Quando si verifica questa fusione, i protoni in questione si fondono per formare elio.
Questo è il motivo per cui l’idrogeno e l’elio sono di gran lunga i due elementi più pesantemente presenti sul sole. L’idrogeno costituisce poco meno del 75% della sua massa mentre l’elio rappresenta poco meno del 25%. La massa rimanente è assorbita da elementi più pesanti.
Il sole produce energia attraverso il processo di fissione nucleare.
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Da dove viene il calore?
Il nome di questa fusione di protoni idrogeno in elio è chiamata “catena protone-protone”. Dovrai sopportare alcuni termini scientifici qui, ma vedi se riesci a seguire il processo generale.
Se sei confuso sui termini, fai qualche ricerca e scoprirai che la maggior parte dei nomi fa sembrare le cose più complicate di quanto non siano. Detto questo, l’idea generale è quella un’enorme quantità di energia viene rilasciata ogni volta che si verifica una transizione.
Per iniziare, due protoni solitari si scontrano. Rilasciano energia (un positrone e un neutrino) e uno dei protoni si trasforma in un neutrone nel processo. Il protone e il neutrone sono ora attratti l’uno dall’altro e formano un legame.
Questa coppia si fonde quindi con un altro protone solitario, rilasciando energia (un raggio gamma) nel processo. In questa fase, la molecola viene chiamata elio-3 perché ha due protoni e un neutrone.
Questo elio-3 viene attratto da un altro elio-3 nella stessa fase del processo. Quei due elio-3 si fondono, creando un elio-4. In quello scambio vengono rilasciati due protoni di idrogeno.
La spiegazione di cui sopra è quanto di più semplice possibile. Ai fini della nostra discussione, ricorda che ogni volta che queste particelle e molecole si uniscono, rilasciano qualcosa.
La quantità di energia rilasciata è riassunta dalla famosa equazione di Einstein! Esatto, ora puoi dirlo tu tipo sapere cosa significa “e=mc^2”.
La “m” in E=mc^2
Ogni microscopico pezzo di materia rilasciato in queste transazioni viene trasformato in energia. Quel piccolo neutrino o elettrone rasato durante il processo di fusione nucleare è la “m” (materia) nell’equazione di Einstein.
Possiamo usare questa famosa equazione (e=mc^2) per calcolare quanta energia viene rilasciata. Prendi la materia rilasciata nella transazione e moltiplicala per la velocità della luce (circa 6,702 x 108 mph) al quadrato.
Risparmiati le capacità intellettuali necessarie per trovare la risposta a questa equazione. La quantità di energia contenuta in un piccolo protone è astronomica rispetto alle sue dimensioni. Inoltre, abbiamo brillanti astrofisici e matematici che gestiscono questo tipo di matematica per noi. Vedremo esattamente quanta energia è in termini pratici nella prossima sezione.
Queste interazioni si verificano miliardi e miliardi di volte, ogni istante in cui il sole si trova lassù a produrre luce. Quindi, quanta energia produce il sole attraverso la fusione nucleare?
La grande domanda: quanta energia emette dal sole?
Al centro del sole, la fusione produce calore di almeno 27.000.000 di gradi Fahrenheit, anche se non tutto quel calore viene rilasciato immediatamente.
L’energia viene rilasciata in molti modi. L’energia prodotta dalla fusione esiste sotto forma di elettricità, radiazioni, vento e, soprattutto per noi, luce del sole.
Tutto sommato, il sole produce 380.000.000.000 di terajoule di energia al secondo. Un terajoule equivale a 1.000.000.000 di joule. 3.600 joule equivalgono a un wattora e, per offrire una prospettiva, la maggior parte dei telefoni cellulari ha una carica di circa 5 wattora.
Se sommi la quantità di energia utilizzata da tutti gli esseri umani sul pianeta ogni anno, arriviamo a circa 580.000.000 di terajoule. La più grande bomba nucleare mai prodotta conteneva circa lo 0,00034% di quell’energia, esplodendo a circa 200.000 terajoule.
Quindi, la più grande bomba nucleare che gli esseri umani abbiano mai schierato è un infinitesimo 0,00000053% della quantità di energia che il sole produce ogni secondo. Anche questo è un esempio utile, perché le bombe nucleari e il sole condividono lo stesso metodo di produzione di energia.
Ecco alcuni punti chiave:
- In un secondo, il sole produce più di 600 anni di energia umana
- Il sole spegne l’equivalente di 1,9 milioni di bombe nucleari al secondo
- Tutta l’energia solare è prodotta da particelle subatomiche
Quanto durerà il sole?
Ogni volta che una reazione di fusione nucleare rilascia particelle ed energia nell’universo, anche una piccola parte della massa del sole esce nel cosmo. Alla fine, ciò porterà il sole a rimanere senza carburante. Si noti che anche le fonti di combustibile del sole (idrogeno ed elio) costituiscono la sua massa.
Le migliori stime degli scienziati dicono che questo dà al sole circa 4 miliardi di anni prima che tutto si prosciughi. Alla fine, questa massa ridotta ridurrà la forza gravitazionale di cui gode attualmente il sole. Quando ciò accadrà, il sole non sarà più in grado di trattenere il suo contenuto in un’area così densa e gli strati esterni di gas si espanderanno verso l’esterno.
Un sole in questa fase della sua vita è chiamato “gigante rossa” perché mantiene il suo colore mentre si espande.
Nel tempo, il nostro sole potrebbe abbracciare l’intero sistema solare, dando luogo a una nebulosa planetaria. Le stelle più grandi terminano con un botto, producendo supernove. La nostra probabilmente si estenderà e riposerà come una bellissima nuvola gassosa prima che si riformuli in qualcosa di nuovo.
Un sole in questa fase della sua vita è chiamato “gigante rossa” perché mantiene il suo colore mentre si espande.
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