Pokazywanie postów oznaczonych etykietą gwiazdy. Pokaż wszystkie posty
Pokazywanie postów oznaczonych etykietą gwiazdy. Pokaż wszystkie posty

czwartek, 4 maja 2017

Zgasić Słońce wodą?

Czy możliwe by było zgasić Słońce polewając je wodą? Zupełnie - nie, ale na chwilę... teoretycznie... naginając trochę czasoprzestrzeń i logistykę...


Na pomysł tego wpisu naprowadziły mnie artykuły popularnonaukowe, które na podobne pytanie odpowiadały zawsze tak samo: dolewając do słońca wody tylko bardziej je rozgrzejemy.[1],[2].
Rozumowanie jest następujące - woda w wysokiej temperaturze gwiazdy będzie się rozkładać na wodór i tlen. Wodór jest dla gwiazdy paliwem, potrzebnym do przeprowadzenia reakcji termojądrowych, toteż dodanie nowej porcji tylko zwiększy ilość produkowanej energii. Ponadto dla dużych ilości wody masa słońca zostanie zwiększona na tyle, że wewnątrz wzrośnie ciśnienie i zwiększy się szybkość reakcji.
I otóż problem w tym, że w tym rozumowaniu kryją się pewne znaczące uproszczenia, które wpływają na końcową odpowiedź.

Słonce jest gwiazdą, a więc kulą gazu o tak dużej masie i grawitacji, że ciśnienie w jego jądrze dosłownie wciska jądra atomowe w siebie. Z połączenia się czterech jąder wodoru powstaje jedno jądro helu, o masie nieco mniejszej niż masa czterech jąder wodoru. Ta brakująca masa  jest zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina zamieniana na energię. Ilość tej energii jest olbrzymia - mówi się że energia otrzymana z wodoru zawartego w szklance wody wystarczyłaby na pokrycie ziemskiego dziennego zapotrzebowania.
Jednak transport tej energii z jądra na zewnątrz gwiazdy jest bardziej skomplikowany i o wiele dłuższy niż by to się mogło wydawać.

Wnętrze gwiazdy wokół jądra jest złożone głownie z bardzo gęstej, mocno lub całkowicie zjonizowanej plazmy. Jest ona w dużym stopniu przezroczysta dla promieniowania, toteż transport energii odbywa się w niej głównie promieniście, poprzez światło, ultrafiolet, promieniowanie X i gamma. Jest to tak zwana strefa promienista, która w naszym Słońcu stanowi ok. 70% objętości,
Ze względu na ten duży stopień przezroczystości gradient temperatury w tej strefie jest względnie mały, mniejszy od gradientu adiabatycznego związanego z rosnącym w miarę głębokości ciśnieniem warstw gazu.
W takiej sytuacji nie następuje termiczna konwekcja, strefa ta nie jest więc dobrze wymieszana. Ze względu na dużą gęstość i obecność mimo wszystko nie całkiem zjonizowanych jonów, światło z jądra wiele razy jest pochłaniane i reemitowane, przez co jego druga do powierzchni trwa bardzo długo.

W miarę oddalania się od jądra plazma ochładza się i zwiększa się w niej udział jonów, zwłaszcza silnie pochłaniającego światło anionu wodorkowego. W efekcie w pewnym oddaleniu plazma staje się nieprzezroczysta, przekaz promienisty staje się nieefektywny, a główną rolę w przekazie energii przejmuje konwekcja, to jest ruch wznoszący gorętszych strumieni. Ta tak zwana strefa konwektywna zajmuje około 25% promienia naszego Słońca. To w tej strefie materia jest dobrze i dość równomiernie wymieszana.

Dopiero dalsze ochładzanie plazmy w zewnętrznych warstwach powoduje, że większość jonów i elektronów rekombinuje a głównym składnikiem staje się niezjonizowany gaz o wysokiej temperaturze. Jest on już na tyle przezroczysty, że wypromieniowywane przezeń światło wyrywa się w kosmos i po 8 minutach dociera do ziemi. Strefa ta, fotosfera, jest tym co widzimy jako powierzchnię słońca. Ma temperaturę około 5,6 tysięcy stopni, zdecydowanie mniej niż w jądrze (ok. 15 mln stopni).
Częste cykle pochłaniania i emisji w gęstym wnętrzu, oraz wolny transport energii w nieprzezroczystej strefie konwektywnej powodują, że fotony wytworzone w jądrze docierają do powierzchni słońca dopiero po czasie od dwustu tysięcy do miliona lat.

Sedno sprawy mogło wam umknąć w tych wyjaśnieniach, więc powtórzę tylko to co najważniejsze - tylko zewnętrzna strefa konwektywna jest dość dobrze wymieszana. W wewnętrznej, strefie promienistej, nie zachodzi mieszanie materii. A zatem dodatkowa porcja wodoru z wody zrzuconej na Słońce nie ma szans dotrzeć do jądra i wytworzyć więcej energii cieplnej. A zatem popularne tłumaczenia, że woda zrzucona na słońce je rozgrzeje, są błędne.
Również wzrost ciśnienia we wnętrzu gwiazdy nie spowoduje zbyt szybkiego wzrostu ilości energii wypromieniowywanej przez powierzchnię, bo jej transport trwa dość długo.

Pytanie zatem - czy gdyby użyć na prawdę dużej ilości wody i zrzucić na zewnętrzną warstwę słońca, dałoby się je choćby na chwilkę przygasić?

Całkowita moc promieniowania słońca to 3,86×1026 W. Tyleż więc dżuli energii wypromieniowuje całą powierzchnią w ciągu sekundy. Gdybyśmy zrzucili na słońce równocześnie tyle wody, aby to ciepło pochłonąć, może dałoby się na tą sekundę wystarczająco wychłodzić fotosferę, aby nie świeciła w zakresie widzialnym, a tym samym na chwilę przygasić słońce.
Zacznijmy wyliczenia od prześledzenia mechanizmu - zrzucamy na słońce wodę w formie lodowych brył, o temperaturze 0 stopni C. Ze względu na niskie ciśnienie ogrzewając się nie zamieni się ona w formę ciekłą tylko wysublimuje. Zamieni się zatem w parę która następnie zostanie ogrzana aż do temperatury termicznego rozkładu. Na koniec rozkład wody pochłonie kolejną porcję energii.
Do oszacowania ilości wody potrzebnej na pochłonięcie mocy promieniowania słońca potrzebne są pewne stałe fizyczne:


Entalpia sublimacji wody - 51,059 kj/mol[3]
Ciepło właściwe - 4,19 kj/kg*K (dla uproszczenia przyjmuję ciepło właściwe dla warunków standardowych, w rzeczywistości rośnie ono wraz z temperaturą)
temperatura rozkładu: wedle źródeł powyżej 4500 K woda ulega niemal całkowitemu rozkładowi na wodór i tlen a głównymi wykrywanymi składnikami są obojętne atomy i rodniki [4]
entalpia tworzenia - 285,8 kJ/mol

Przeliczmy więc to dla tony wody, zakładając że najpierw tona lodu sublimuje w temperaturze 0*C, potem powstała para ogrzewa się aż do 5 tysięcy stopni i następnie ulega rozkładowi na pierwiastki.

Tona lodu to 55555 moli wody. Na jej sublimację zużyje się (55 555*51,059) 2836583 kj energii. Ogrzanie par do 5000 K zużyje (55 555*4,19*4763) = 1108709468 kj energii
Rozkład zużyje (55 555*285,8) 15849842 kj energii
Razem 1127395893 kj czyli 1,1274*10^12.
Ponieważ należy pochłonąć 3,86×1026 J energii, potrzebnych jest około 300 000 000 000 000 ton lodu. Ilość ta rozłożona na powierzchni słońca (ok. 1520 mld km2) utworzyłaby warstwę grubą na 197 metrów. Już samo pokrycie słońca taką warstwą zatrzymałoby światło, przynajmniej na moment. Pochłonięcie jednosekundowej mocy promieniowania fotosfery miałoby jednak mniejszy wpływ niż całkowite przyciemnienie, bowiem spod spodu ochłodzonej warstwy promieniować będą warstwy głębsze i gorętsze. Niemniej już sama obecność dużej ilości jonów i rodników powstałych z rozkładu wody może spowodować częściowe osłabienie docierającego do ziemi światła.
----------
[1] http://www.what-if.pl/2013/03/krotka-pika-1.html
[2] http://wyborcza.pl/1,145452,18619223,kto-zgasi-slonce.html
[3] http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_properties.html
[4]  https://www.researchgate.net/profile/Andrey_Samokhin/publication/226277308_Oxidizing_purification_of_water_using_thermal_plasma/links/54dd7e680cf28a3d93f96409.pdf?origin=publication_detail

poniedziałek, 26 października 2015

Efekt autokinetyczny

W ciepły letni wieczór wychodzisz na spacer i stając w miejscu, do którego nie sięgają latarnie, zadzierasz głowę wysoko by spojrzeć na gwiazdy. Gdzieś tam wysoko, jaśniejsza od pozostałych, lśni wyraźnie jedna duża gwiazda. Zaraz... Czy na pewno gwiazda?
Mrugający świetlny punkcik szybko porusza się na wszystkie strony, jakby był plamką laserowego rzutnika, skierowanego na nieodległy sufit przez drżącą dłoń. Więc może samolot? Lampion? Ale nie. Punkt poza tym, że drga, w zasadzie nie przesuwa się. Prócz tych drobnych oscylacji tkwi w zasadzie w tym samym miejscu. I wtedy może przyjść ci do głowy, że może to jednak gwiazda a jej ruch to jakieś dziwne, niewytłumaczalne złudzenie...

 A i owszem. To po prostu efekt autokinetyczny.


Nasz wzrok jest zmysłem niedoskonałym. Organy wzrokowe posiadają pewne wady, które z reguły doskonale ukrywają się przed naszą świadomością czy to za sprawą przyzwyczajenia się do nich, to to z powodu szybkiej, automatycznej korekty dokonywanej przez mózg zanim obraz finalny dotrze do naszej świadomości. Nie dostrzegamy cienia, jaki rzucają na siatkówkę krwinki w naczyniach włosowatych, z powodu automatycznego rozjaśnienia obrazu w tym miejscu i jedynie czasem pojawienie się w tych naczynkach krwinki białej skutkuje pojawieniem się na jasnym, równomiernym tle niebieskiego, ruchomego punkcika.[1]
 Nie dostrzegamy, że obszar pola widzenia pokrywający się ze ślepą plamką nie odbiera obrazu, mózg bowiem zakrywa go "maską" będącą przedłużeniem kolorów i kształtów wokół tego miejsca, i tylko czasem trafi się, że patrząc na odległe latarnie, po spojrzeniu na jedną słabo widzimy druga.[2] Nie uświadamiamy sobie także, że obszar w którym widzimy obraz na prawdę ostro, zajmuje tylko 2 stopnie kątowe pośrodku obserwowanej przestrzeni, i dopiero gdy zatrzymamy wzrok na jakimś słowie z tekstu, zauważymy że słowa po bokach nie są widoczne już tak wyraźnie.

Nasz wzrok szybko przemiata przestrzeń tym punktem z obszarem ostrego widzenia a my zapamiętujemy złożenie kolejnych spojrzeń jako równo ostry obraz. Te szybkie ruchy oka są zresztą potrzebne do tego aby lepiej dostrzegać obiekty poza obszarem widzenia ostrego, zapobiegając lokalnemu zmęczeniu receptorów,prowadzącego do zmian koloru lub kształtu. W przeciwnym razie następować będzie iluzja taka jak na poniższym gifie - gdy skupimy wzrok nieruchomo na krzyżyku pośrodku, zobaczymy że w miejscu gdzie zgasła różowa kropka, pojawia się zielona, mimo że jej tam nie ma:

Postępujące dalej zmęczenie receptorów powoduje wygaszanie kolorów, aż zaczniemy dostrzegać tylko przeskakującą zieloną kropkę powidoku. Wystarczy jednak przesunąć punkt patrzenia, a obraz wraca do normy.

Z ruchami gałek ocznych wiąże się inne ciekawe złudzenie, czyli właśnie wspomniany na początku efekt autokinetyczny. W ciemnym pokoju, bądź nocą gdy patrzymy na ciemne niebo, jasne punkty wydają się wykonywać drobne, szybkie ruchy, mimo że pozostają nieruchome. W takich sytuacjach mimowolne drgania gałek oczu, związane bądź z błądzeniem wzroku, bądź ze zmęczeniem mięśni oka, mogą nie zostać zarejestrowane przez mózg. Brak punktów odniesienia w pobliżu obiektu powoduje wówczas, iż mózg bierze ruch obrazu rzutowanego na siatkówkę za ruch własny tego obiektu.
Złudzenie jako pierwszy opisał Aleksander von Humboldt w 1799 roku, który jednak sądził, że to zmiana położenia obrazu gwiazdy związana z zaburzeniami atmosfery, dopiero w XIX wieku wykazano, że jest to zjawisko subiektywne.

Wielkość tych drgań i ich częstotliwość są dla różnych obserwatorów różne, co nie dziwi, skoro efekt jest wywołany przez mechanizm fizjologiczny a każdy ma nieco inny organizm. Zarazem jednak jest to efekt podatny na sugestię. Wykorzystał to psycholog Sherif który w 1935 roku przeprowadził eksperyment badający konformizm w grupie. Wybrał grupę ochotników i umieścił ich w zamienionym pokoju, gdzie na ekran rzutnika padała nieruchoma plamka światła. Początkowo mieli oni indywidualnie ocenić jak duże odchylenia wykazuje plamka, i były to wyniki bardzo rozbieżne, od 10 do 80 centymetrów. Następnie umieścił w tym pokoju całą grupę i uczestnicy mieli oceniać jak bardzo odchyla się plamka. Słysząc odpowiedzi poprzedników, następni uczestnicy sami nie będąc pewni korygowali oceny tak aby zbliżyły się do tego co już słyszeli. W licznej grupie szacunki szybko uśredniały się a końcowe oceny wykazywały małą rozbieżność.
W sytuacji niejednoznacznej mamy więc skłonność upodabniać swoje oceny i decyzje do zachowań grupy,

Efekt autokinetyczny jest najsilniejszy gdy patrzymy na obiekty w pobliżu zenitu, wówczas horyzont znajduje się na peryferiach pola widzenia a nieświadome zachwianie się może skutkować złudzeniem całkiem sporego przesunięcia. Obserwowałem to często latem z gwiazdą Wegą, która jest widoczna w pewnych godzinach blisko zenitu, a zimą z Kapellą. Podobny efekt występuje też dla obiektów poruszających się, jak satelity czy samoloty, wtedy może powstać wrażenie szybkich ruchów na boki, bądź ruchu zygzakiem.

Złudzenie to ma znaczenie dla pilotów, zwłaszcza tych starających się utrzymać równy szyk, może bowiem doprowadzać bądź do wrażenia, że maszyny obok wykonują nagły skręt, bądź że samolot nie leci równo choć tego nie czuć. W kontekście paranormalnym, wrażenie szybkich, nienaturalnych ruchów obiektów może spowodować, iż naturalny obiekt zostanie zgłoszony jako Ufo, bowiem zdaniem świadka ruszał się jak jakaś maszyna. W ten sposób jako statki kosmitów zgłaszane są jasne planety, najjaśniejsze gwiazdy, satelity i samoloty. I dlatego warto mieć ten efekt na uwadze oceniając relacje.  Bo jeśli obiekt wyglądał jak chiński lampion, ale zdaniem świadka poruszał się zygzakiem, to w pewnym warunkach oświetlenia to świadek może się mylić.
------
*  https://en.wikipedia.org/wiki/Autokinetic_effect

[1]  https://en.wikipedia.org/wiki/Blue_field_entoptic_phenomenon
[2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Plamka_%C5%9Blepa

poniedziałek, 25 sierpnia 2014

Kosmos się zmienia


Zwykle myśląc o astronomii i obiektach w kosmosie, postrzegamy je jako pewne niezmienniki - niebo pozostaje cały czas takie samo, a nawet jeśli się zmienia, to w tempie niezauważalnym w ciągu ludzkiego życia. Oczywiście, księżyc i planety przesuwają się, czasem coś tam się zmieni kolorystycznie na planecie, czasem pojawi się kometa, ale daleki kosmos jest nieruchomy.
To wrażenie ma dosyć dobre uzasadnienie w skali kosmosu - z kilkuset lat świetlnych nawet bardzo szybki ruch obiektu, będzie ledwie zauważalny. Niemniej jest kilka taki przypadków które pokazują, że coś w kosmosie może zmieniać w czasie pozwalającym na zauważenie zmian (oczywiście dysponując odpowiednim sprzętem obserwacyjnym).

Gwiazda która się porusza.
Gwiazdy wykazują ruch własny na tle głębokiego kosmosu, przy czym zależy to głównie od ich odległości od nas. Im bliżej leży gwiazda, tym lepiej widać jej ruch własny, nawet gdy nie jest zbyt imponujący w ogólności.
Największy ruch względem tła ma Gwiazda Barnarda, nazwana tak od astronoma, który wyznaczył wartość tego ruchu. Wartość ta to 10 sekund kątowych na rok - to w przybliżeniu tyle ile wynosi średnica Marsa w teleskopie. Oznacza to że w ciągu 60 lat przesuwa się po niebie o odległość równą połowie średnicy księżyca. Może się to wydawać niewiele, ale ponieważ obserwujemy jej ruch od 1916 roku, udało się wykonać składankę zdjęć pokazującą ruch:
Ewentualnie nałożenie zdjęć:
Gwiazda leży w odległości 6 lat świetlnych od ziemi, jest przy tym trzecią najbliższą po Proksimie i układzie Alfy Centaura. Porusza się w przestrzeni z prędkością 140 km/s przybliżając się do nas. Za kilka tysięcy lat znajdzie się dwa razy bliżej. Obecnie znajduje się w gwiazdozbiorze Wężownika, świecąc z jasnością 9 magnitudo, można ją więc zobaczyć w średniej wielkości teleskopie.

Ciekawym przypadkiem jest gwiazda Rho Aquilae - gdy w 1606 roku Bayer ustalał nazwy gwiazd, oznaczając najjaśniejsze literami greckimi, zaliczył ją do gwiazdozbioru Orła. Gdy następnie unia astronomiczna wyznaczyła ostateczne, ścisłe granice gwiazdozbiorów, gwiazda znalazła się bardzo blisko granicy z Delfinem. Kilkadziesiąt lat ruchu własnego spowodowało, że w 1992 roku gwiazda znalazła się w obrębie Delfina, choć nazwa nie została zmieniona.

Echo świetlne
W roku 2002 w gwiazdozbiorze Jednorożca, obok Oriona, pojawiła się nagle jasna, intensywnie czerwona gwiazda, przez krótki czas będąc możliwą do zauważenia w lornetkach. Był to prawdopodobnie rzadki typ "czerwonej nowej" czyli rozjaśnienia gwiazdy typu czerwonego olbrzyma, powstałej ze zlania się ze sobą dwóch gwiazd. Ich połączenie tworzyło nową gwiazdę o większej jasności, zarazem przy zlewaniu się powstawała duża ilość energii, która na kilka tygodni zwiększała jasność gwiazdy setki tysięcy razy.
Dla nas istotne były wizualne skutki tego zdarzenia - pojaśnienie wysłało w kosmos falę światła, która padając na gaz i pył w otoczeniu gwiazdy, powodowała jego oświetlenie. Światło odbite od obłoków docierało do nas po czasie zależnym od odległości - obłoki w odległości miesiąca świetlnego od gwiazdy jaśniały po miesiącu, w odległości roku świetlnego po roku. Wizualnym efektem przesuwania się po obłokach fali światła, jest wciąż trwające i bardzo efektowne echo świetlne, którego rozszerzanie się dało taki oto efekt (zdjęcia w latach 2002-2006)

Rozszerzanie się echa trwa nadal. Jak łatwo policzyć, dotarło już na odległość 12 lat świetlnych od gwiazdy

Podobny efekt obserwuje się dla Mgławicy Hubble'a, oświetlanej przez gwiazdę zmienną - zmiany jasności gwiazdy powodują zmiany jasności różnych części mgławicy, zauważalne w przeciągu kilku miesięcy. Pojawiające się ciemniejsze obszary, to prawdopodobnie cienie obłoków pyłu w otoczeniu gwiazdy.

Mgławica, która się zmienia
Mgławica Minkowski 2-9 jest mgławicą planetarną w formie dwóch stożków wybiegających od gwiazdy pośrodku. Bywa też nazywana mgławicą Skrzydła Motyla. Wewnątrz znajduje się układ białego karła i towarzyszącej mu normalnej gwiazdy, który przetrwał powodującą powstanie mgławicy eksplozję na białym karle.
Karzeł krąży wokół środka masy, wyrzucając w przestrzeń dwie strugi bardzo szybkiego wiatru słonecznego, które zderzając się z gazem mgławicy, wpływają na jego jasność. Ruch karła powoduje zatem przesuwanie się jaśniejszych obszarów: