دمای سطح خورشید چقدر است؟ همه چیزهایی که باید بدانید

در این مقاله قصد داریم به این سؤال که «خورشید چقدر داغ است؟» به‌طور مفصل پاسخ دهیم.

دمای خورشید چقدر است؟ بستگی به این دارد که درمورد کدام بخش این ستاره صحبت کنیم. خورشید ما از بخش‌های مختلفی تشکیل شده که هرکدام دمای مخصوص به خودشان را دارند. دما در لایه‌های مختلف خورشید از 15 میلیون درجه سانتیگراد در هسته تا 5 هزار و 500 درجه سانتیگراد سطح خورشید متغیر است. در این مقاله قصد داریم به این سؤال پاسخ بدهیم که «دمای سطح خورشید چقدر است؟» با دیجیاتو همراه باشید.

دمای سطح خورشید چقدر است؟

معمولاً وقتی صحبت از دمای خورشید می‌شود، دمای سطح آن مدنظر است. این دما که «دمای مؤثر» نیز خوانده می‌شود، 5 هزار و 500 درجه سانتیگراد یا 5773.15 کلوین یا 9 هزار و 932 درجه فارنهایت است.

دمای مؤثر ستاره برابر با دمای جسم سیاهی است که به‌ اندازه همان ستاره تابش الکترومغناطیسی ساطع می‌کند. این دما که به ترکیب شیمیایی ستاره بستگی دارد، به دانشمندان کمک می‌کند ویژگی‌های حرارتی و طیفی ستاره‌ها را درک کنند.

براین‌اساس، دانشمندان باتوجه‌به درجه حرارت مؤثر خورشید و درخشندگی آن، خورشید را در دسته ستارگان «رشته اصلی» و از کلاس G در نمودار هرتسپرونگ-راسل دسته‌بندی کرده‌اند. این نمودار ابزار مهمی برای طبقه‌بندی و مطالعه سن ستاره‌هاست. خورشید در گروه ستارگان کوتوله زرد قرار دارد.

دمای خورشید بر حسب کلوین

دمای خورشید و دیگر ستارگان معمولاً برحسب کلوین بیان می‌شود. کلوین مقیاس استاندارد دماست که بیشتر در فیزیک و برای کاربردهای علمی ازجمله نجوم، استفاده می‌شود؛ در ادامه مقاله دما را برحسب کلوین بیان کرده‌ایم. برای تبدیل کلوین به درجه سانتیگراد کافی است عدد 273.15 را از دمای کلوین کم کنید.

خورشید چقدر داغ است؟ دمای لایه‌های مختلف

خورشید از لایه‌های مختلف درونی و بیرونی -هسته، لایه میانی و اتمسفر- تشکیل شده است. بدیهی است هسته خورشید که منبع اصلی تولید انرژی این ستاره سوزان است، دمای بسیار بالایی دارد؛ بنابراین، بسته به اینکه چقدر از مرکز خورشید فاصله بگیریم، دما متفاوت خواهد بود. دانشمندان 7 منطقه یا لایه برای خورشید در نظر گرفته‌اند که هریک بازه دمایی مشخصی دارد.

دمای لایه‌های درونی خورشید

1. هسته خورشید

دما: حدود 15 میلیون کلوین

از مرکز خورشید تا حدود 25 درصد شعاع آن هسته خورشید در نظر گرفته می‌شود. (شعاع خورشید حدود 696 هزار کیلومتر است.) هسته درونی‌ترین و داغ‌ترین لایه خورشید است که در آن همجوشی هسته‌ای با تبدیل هیدروژن به هلیوم، رخ می‌دهد و انرژی گرمایی و نورانی تولید می‌کند.

2. منطقه تابشی

دما: از 7 میلیون کلوین در عمق تا 2 میلیون کلوین

این لایه که چگالی کمتری نسبت به هسته دارد، به انتقال انرژی از هسته به لایه‌های دیگر کمک می‌کند. ناحیه تابشی از 25 درصد شعاع خورشید تا 70 درصد آن ضخامت دارد. دما در این ناحیه به‌تدریج تا ناحیه همرفت کاهش می‌یابد.

3. منطقه همرفت

دما: از 2 میلیون تا 6500 کلوین

در این ناحیه، انرژی از طریق پدیده همرفت به لایه‌های بیرونی منتقل می‌شود؛ پلاسمای داغ به‌سمت بالا حرکت می‌کند و در نزدیکی سطح خورشید سرد شده و به سمت پایین بازمی‌گردد. این حرکت چرخشی و جریان‌های همرفتی باعث انتقال انرژی از هسته به سطح شده و منجر به تولید میدان‌های مغناطیسی می‌شود. این میدان‌ها نقش مهمی در فعالیت‌های خورشیدی دارند. این لایه از 70 درصد شعاع خورشید شروع شده و تا سطح گسترش می‌یابد. دما در ناحیه همرفت به‌طور تدریجی تا فتوسفر کاهش می‌یابد.

دمای لایه‌های بیرونی خورشید

1. فوتوسفر

دما: از 6 هزار و 500 کلوین تا 4 هزار کلوین در بالا

اولین و عمیق‌ترین لایه از اتمسفر خورشید است که از زمین دیده می‌شود. این لایه حدود 500 کیلومتر ضخامت دارد. تقریباً تمام انرژی خورشیدی که به زمین می‌رسد، از فوتوسفر تابش می‌شود. لکه‌های خورشیدی روی این لایه قرار دارند. این لایه همچنین خنک‌ترین لایه خورشید محسوب می‌شود. (در ادامه مقاله دلیل این موضوع شرح داده می‌شود.) سطح خورشید در این لایه تعریف می‌شود و دمای مؤثر آن 5 هزار و 780 کلوین است.

2. کروموسفر

دما: از 4 هزار تا 8 هزار کلوین

این لایه محل وقوع بسیاری از پدیده‌های خورشیدی مانند شعله‌های خورشیدی است و حدود 2 هزار و 100 کیلومتر ضخامت دارد. کروموسفر در واقع همان لبه قرمز قابل‌مشاهده هنگام خورشیدگرفتگی است. هرچه از خورشید دورتر می‌شویم، دمای کروموسفر بیشتر می‌شود.

3. منطقه انتقال

دما: از 8 هزار تا 500 هزار کلوین

لایه باریکی بین کروموسفر و لایه تاج است که ضخامتی حدود 100 کیلومتر دارد. دما در این منطقه نیز با دور شدن از خورشید به‌شدت افزایش می‌یابد.

4. کرونا یا تاج خورشیدی

دما: 500 هزار تا یک‌میلیون کلوین

بیرونی‌ترین لایه است که از انتهای لایه انتقال شروع می‌شود و میلیون‌ها کیلومتر در فضا گسترش می‌یابد. تاج خورشیدی داغ‌ترین لایه در اتمسفر خورشید است. بادهای خورشیدی از این لایه منتشر می‌شوند.

در این بخش دیدیم که دمای خورشید به‌تدریج از هسته تا سطح کاهش سپس از سطح تا تاج خورشیدی افزایش می‌یابد. دلیل چیست؟

چرا دمای تاج خورشید از سطح آن بیشتر است؟

این چالش در دهه 1930، مطرح شد که دانشمند طیف‌نگار سوئدی، «بنگت ادلن» و اخترفیزیک‌دان آلمانی، «والتر گروترین»، با کمک طیف‌سنجی، خطوط خاصی را در طیف تاج خورشیدی مشاهده کردند که نشان‌دهنده وجود عناصر به‌شدت یونیزه‌شده بود. دانشمندان دریافتند دمای معمولی سطح خورشید نمی‌تواند عناصر را تااین‌حد یونیزه کند؛ بنابراین، این خطوط طیفی باید در دمای بسیار بالاتری تولید شده باشند. این کشف بلافاصله دیدگاه‌ها درباره خورشید و پدیده‌های مربوط به آن را تغییر داد و منجر به پژوهش‌های بیشتر در زمینه فیزیک خورشید و دیگر ستارگان شد.

برای توضیح این پدیده، نظریات مختلفی مطرح شد که مهم‌ترین آن‌ها نظریه «موج‌های آلفون» است. طبق این نظریه، هرگونه حرکت ذرات باردار در پلاسمای خورشید میدان‌های مغناطیسی در سطح آن را مختل می‌کند و موجب ایجاد امواج آلفون می‌شود. انرژی تولیدشده در خورشید از طریق این امواج از سطح به تاج منتقل می‌شود و دمای تاج را بالا می‌برد.

اگرچه این نظریه سال 1970 به‌دلیل مدل‌سازی برهم‌کنش بین ذرات باردار و میدان‌های الکترومغناطیسی جایزه نوبل را از آن خود کرد، همچنان امکان رصد واقعی امواج آلفون تا مدت‌ها وجود نداشت. پیشرفت‌های اخیر در زمینه طیف‌سنج‌ها و تداخل‌سنجی و نیز شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، این امکان را فراهم آورده است که وجود امواج آلفون در اتمسفر خورشید تأیید شود.

بااین‌حال، دانشمندان دلایل دیگری را نیز برای این پدیده مطرح کرده‌اند:

نظریه بازپیوند مغناطیسی: این نظریه می‌گوید خطوط میدان مغناطیسی در تاج خورشیدی به‌تدریج به‌ هم نزدیک می‌شوند، ناگهان به هم می‌پیوندند و انرژی مغناطیسی آزادشده ناشی از درهم‌تنیدگی میدان‌ها دمای تاج را افزایش می‌دهد.

باوجود تمام توضیحات علمی و دستاوردها در نجوم، هنوز مسئله اینکه چرا دمای تاج خورشید از سطح آن بیشتر است، کامل حل نشده و این مسئله همچنان یکی از موضوعات فعال در مطالعات اخترفیزیک است.

دمای خورشید ناشی از چیست؟

انرژی گرمایی و تابشی خورشید عمدتاً از طریق فرایند همجوشی هسته‌ای در هسته آن تأمین می‌شود. همجوشی هسته‌ای از اساسی‌ترین واکنش‌های فیزیکی جهان است و منبع اصلی انرژی خورشید و بسیاری از ستارگان دیگر به شمار می‌رود. به‌دلیل گرانش بالا در هسته خورشید، دما و فشار بسیار بالاست و این شرایط سبب می‌شود هسته‌های اتم‌های هیدروژن (پروتون‌ها) با غلبه بر نیروی دافعه الکتریکی، با هم ترکیب شوند و اتم‌های هلیوم را تشکیل دهند.

مانند آنچه در رآکتورهای هسته‌ای اتفاق می‌افتد، با تشکیل اتم‌های پایدار هلیوم، مقدار عظیمی انرژی آزاد می‌شود که سطح دمای هسته را تا 15 میلیون کلوین بالا می‌برد. انرژی تولیدشده در هسته به‌سمت لایه‌های بیرونی حرکت می‌کند و درنهایت به‌شکل گرما، نور مرئی و نامرئی (پرتوهای گاما، ایکس و...) به فضا گسیل می‌شود.

از کل جرمی که تحت این فرایند همجوشی قرار می‌گیرد، فقط حدود 0.7 درصد آن به انرژی تبدیل می‌شود؛ اگرچه این عدد کم به‌ نظر می‌رسد، برابر است با 4.26 میلیون تن ماده که در هر ثانیه به انرژی تبدیل می‌شود. با کمک رابطه هم‌ارزی جرم-انرژی، انرژی تولیدشده در هر ثانیه معادل 3.8x10²⁶ ژول می‌شود.

دانشمندان چگونه دمای خورشید را اندازه‌گیری می‌کنند؟

دانشمندان با کمک ترکیبی از روش‌های طیف‌سنجی و تحلیل طیف نوری خورشید پیرومترها که شدت تابش گرمایی را اندازه می‌گیرند، مدل‌سازی‌های کامپیوتری، استفاده از ماهواره‌ها و تلسکوپ‌های خورشیدی همچنین با استفاده از تحلیل امواج صوتی که در اثر فرایندهای همرفت درون خورشید ایجاد می‌شوند، دمای لایه‌های مختلف خورشید را تخمین می‌زنند.

کاوشگر پارکر که سال 2018 مأموریت خود را آغاز کرد، یکی از فضاپیماهای پیشگام ناساست که برای بررسی اتمسفر بیرونی خورشید به فضا پرتاب شده است.

سردترین نقاط روی خورشید

لکه‌های خورشیدی سردترین نقاط در لایه‌های خورشیدی هستند. این لکه‌ها که در لایه فوتوسفر قرار دارند، تأثیر میدان‌های مغناطیسی خورشید بر دما را نشان می‌دهند. در لکه‌ها، فوران‌های شدید میدان‌های مغناطیسی مانع از حرکت آزادانه پلاسما و درنتیجه مانع جریان‌یافتن انرژی از لایه داخلی (ناحیه همرفت) به لایه بیرونی (فوتوسفر) می‌شوند. در واقع این میدان‌های قوی از انتقال گرما به‌وسیله جریان‌های همرفتی به سطح جلوگیری می‌کنند و این مسئله سبب کاهش دما تا حدود 3500 کلوین در لکه‌ها می‌شود. به‌دلیل سرد بودن این نقاط، لکه‌های خورشیدی به رنگ تیره دیده می‌شوند.

چرا باوجود گرمای خورشید، فضا همچنان سرد است؟

در فیزیک، 3 روش برای انتقال گرما و حرارت مطرح می‌شود: رسانش، همرفت و تابش. براساس تعاریف فیزیک، انتقال گرما به روش رسانش و همرفت نیازمند وجود ماده و ارتعاشات و حرکت مولکول‌های آن است. باتوجه‌به اینکه در فضا خلأ تقریباً کامل وجود دارد، تنها راه انتقال گرمای خورشید در فضا از طریق تابش است.

تابش خورشید توسط زمین، تجهیزات فضایی، سیارک‌ها و درکل هر جسمی که سر راه آن قرار بگیرد، جذب می‌شود و این جذب انرژی، سبب گرم‌ شدن جسم می‌شود اما در فاصله‌های دور و جایی که جسمی برای جذب این انرژی تابشی وجود نداشته باشد، دما بسیار پایین می‌ماند.

آیا ستارگان داغ‌تر از خورشید نیز وجود دارند؟

به‌طورکلی، دمای ستاره به جرم، ترکیب شیمیایی و مرحله عمر آن بستگی دارد و در جهان ستارگان بیشماری وجود دارند که داغ‌تر از خورشید هستند.

در نجوم، ستارگان براساس طیف نوری رده‌بندی شده‌اند. همان‌طور که پیشتر گفته شد، دانشمندان ستارگان را براساس درخشندگی و دمای مؤثر آن‌ها دسته‌بندی می‌کنند. براین‌اساس، در رده‌بندی دمایی، ستارگان از داغ‌ترین به سردترین به‌ترتیب در گروه‌های O و B و A و F و G و K و M دسته‌بندی می‌شوند. خورشید از گروه G است و ستارگان گروه‌های O و B با دمای مؤثر 10 هزار تا بیش از 30 هزار کلوین، بیشترین دماها را دارند.

درحال‌حاضر، داغ‌ترین ستاره فهرست‌شده، ستاره WR ۱۰۲ در صورت فلکی قوس است که دمای سطح آن 210 هزار کلوین تخمین زده می‌شود. (برای مقایسه، دمای سطح خورشید 5780 کلوین است.)

جمع‌بندی

در این مقاله درمورد دمای خورشید توضیح داد. دمای خورشید در لایه‌های مختلف را بررسی کردیم و گفتیم این دما از 15 میلیون کلوین در درون هسته تا 4 هزار کلوین در فوتوسفر خورشید، متغیر است. همچنین از امواج آلفون گفتیم و بررسی کردیم چرا دمای تاج خورشید از سطح آن بیشتر است.

در ادامه، به منشأ انرژی گرمایی و تابشی خورشید پرداختیم و گفتیم این انرژی عمدتاً از طریق فرایندهای همجوشی هسته‌ای در هسته خورشید تأمین می‌شود. علاوه‌براین، درمورد روش‌هایی که دانشمندان با استفاده از آن‌ها، دمای ستاره‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند و درمورد سردترین نقاط خورشید توضیحاتی ارائه دادیم.

سؤالات متداول