文章图片
为什么太阳可以燃烧这么久？难道太阳那边有很充足的氧气吗？
太阳发光发热不是一般意义上的燃烧 ， 而是核聚变 。
太阳是一个等离子体 ， 就是在高温下 ， 部分原子的核外电子丧失 ， 原子变成了离子 ， 但丧失的电子并没有完全离开原子核 ， 而是一直荡漾在原子核的周围 ， 形成一团保持电中性的“电浆” ， 这就是等离子体 。
太阳这种等离子体状态不是靠氧气化学燃烧的高温形成的 ， 而是源于核心区氢核聚变释放出的巨大能量 ， 使太阳表面的气体完全电离 ， 这样的太阳的火焰并不需要氧气参与燃烧 ， 就成为我们看到的一个耀眼光球 。
太阳这个球主要是由氢和氦组成 ， 按质量氢占比为73.46% ， 氦占比为24.85% ， 还有约1.69的其他元素 ， 包括氧0.77%、碳0.29%、铁0.16%、氖0.12%、氮0.09%、硅0.07%、镁0.05%、硫0.04%等 。
我们地球上大气氧元素占有21% ， 才会助燃出足够的火焰 。 从太阳成分结构来看 ， 只有0.77%的氧 ， 怎么可能靠氧气烧得起来呢？
等离子体是物质存在的第四态 ， 恒星是可见宇宙的主体 ， 因此我们可见宇宙主要是由等离子体组成 ， 是这个世界最多的物质形态 。
太阳为什么会核聚变？
太阳是我们太阳系唯一的母恒星 ， 其质量达到1.9891x10^30kg ， 占据了整个太阳系的99.86% ， 是我们地球质量的33万倍 。
根据万有引力定律 ， 质量越大的天体 ， 引力越大 ， 这种引力不光是天体表面外的相互吸引力 ， 而且有不断向中心坍缩的趋势 ， 这样就形成了向内的巨大引力压 。 比如地球 ， 中心压力达到了360万个海平面大气压 ， 而太阳这样巨大天体 ， 核心引力压力达到了3000亿个大气压 ， 是地心压力约8万多倍 。 在这种压力下核心温度达到1500万度 。
核聚变的条件一是高温 ， 二是高压 。 太阳核心温度并不算高 ， 因此催动核聚变的主要原因是高压 。
太阳核心的氢原子在高温高压下 ， 外层电子被剥离成为自由电子 ， 原子核就被光秃秃的暴露出来 ， 在巨大压力下靠在一起发生融合 ， 也就是聚变成为一个氦原子核 。 在这个聚变过程中 ， 会有0.7%的质量转化为能量 ， 这就是太阳巨大能量的来源 。
据测算 ， 太阳每秒钟有6亿吨的氢转化为5.958亿吨的氦 ， 其中有420万吨的质量全部转化为能量 ， 根据爱因斯坦质能方程E=MC^2 ， 我们可以得出这个能量达到3.78x10^26J 。
这是一个什么概念呢？就是太阳每秒钟发出的能量相当约1.05万亿亿度电 ， 要燃烧3亿亿多吨煤才能够得到 。 这些能量不断的从中心向外辐射 ， 经过辐射区、对流层、光球层、色球层 ， 最后以电磁辐射的方式散发到太空 ， 我们地球也分得22亿分之一这点羹 。
不过地球这点羹每秒就达到了1.72x10^17J ， 相当480亿度电 ， 是1500万座三峡大坝发电总量 ， 或每秒3000多颗广岛原子弹爆炸的能量 。
那么 ， 太阳能够以这种核聚变方式燃烧多少年呢？
很多人担心 ， 太阳这么烧下去 ， 即便是这么核聚变下去 ， 每秒钟消耗掉6亿吨的氢 ， 不会很快掏空了身子死掉吗？我们来计算一下 。
太阳是一颗黄矮星 ， 这种质量恒星典型寿命约100亿年 ， 现在太阳年龄约50亿岁了 ， 还有50亿年的寿命 。 那么这100亿年能够烧掉多少氢呢？又消耗掉多少质量呢？这是一个简单的小学算数体 ， 我们吃瓜群众都能够算出来 。 1个小时3600秒 ， 1天24小时 ， 天文学中一个儒略年为365.25天 ， 就是31557600秒 。 100亿年就是约3.16x10^17秒 。
每秒钟消耗6亿吨的氢 ， 100亿年消耗：(3.15576x10^17)x(6x10^8)≈1.89x10^26吨 。
【核聚变|为什么太阳可以燃烧这么久？难道太阳那边有很充足的氧气吗？】100亿年消耗了约189亿亿亿吨的氢 。 而太阳质量为1.9891x10^27吨 ， 100亿年消耗掉的氢占太阳质量比的多少呢？即：（1.89x10^26）/（1.9891x10^27）≈0.095
也就是100亿年太阳由氢转化为氦的消耗总量约占太阳总质量的不到十分之一 。 如果要计算其真正转化为能源的质量 ， 消耗量就更少了 ， 只是这个消耗总量的0.7% ， 为太阳质量的0.00067% 。
所以 ， 一些朋友老担心太阳会烧完了完全是多余的 。
实际上太阳演化晚期 ， 并不是整个太阳的氢转化完了 ， 而只是核心的氢完成了转化 ， 太阳会膨胀成一个巨大的红巨星 ， 这个红巨星外围质量会渐渐消散到宇宙中 ， 中心那被转化为氦的部分 ， 在停止核聚变后的引力高压下会发生氦聚变 ， 最终成为一个致密的碳球 ， 这就是太阳的归宿~白矮星 。
推荐阅读
- 太阳正以每秒400万吨的速度损失质量，地球会由此远离太阳吗
- 微波技术在许多的量子平台上无处不在，并且可以精确控制和读出量子态
- 什么是磁层，在哪里？
- 通过一些自然现象，可以预知冬季的气候
- 大熊猫告诉你：吃素为啥也能胖？吃草的牛也能长肌肉
- 猛兽侠：急先锋打败狂飙后，为何要毁掉其火种，交给黑猩猩不行吗
- 托卡马克和仿星器的主要区别
- 支持偶极和高阶等离子体模式的纳米桥菱形天线
- 人类还能存在多久？科学家通过公式计算得出：2779年人类或会消失
- 假设200公斤的螳螂，和200公斤的老虎打一场，谁会更厉害一些？