θερμοκρασία (3 άρθρα)

Όταν το σύμπαν είχε θερμοκρασία δωματίου

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Το σύμπαν μας, όπως το παρατηρούμε σήμερα είναι τεράστιο, με τρισεκατομμύρια διάσπαρτους γαλαξίες, καθένας από αυτούς να περιέχει εκατοντάδες δισεκατομμύρια άστρα. Είναι όμως και εξαιρετικά ψυχρό. Εκτός από το φως των άστρων που θερμαίνει την ύλη τοπικά, υπάρχει μόνο ένα πολύ χαμηλής ενέργειας υπόβαθρο ακτινοβολίας που προέρχεται από το ίδιο το σύμπαν: ένα θερμικό λουτρό ακτινοβολίας μέλανος σώματος που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 2,725 K (ή -270,3 oC), λιγότερο από τρεις βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Το σύμπαν μας διαστέλλεται και ψύχεται τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Στην αρχή, ήταν μικρότερο, πυκνότερο, πιο ομοιόμορφο, αλλά και θερμότερο. Στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης οι θερμοκρασίες που επικρατούσαν στο σύμπαν ξεπερνούσαν (σε ενεργειακή αντιστοιχία) κατά πολύ ακόμη και τις τεράστιες θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN. Σε κάποιο σημείο της κοσμικής ιστορίας η θερμοκρασία του σύμπαντος θα ήταν ίση με αυτό που αποκαλούμε «θερμοκρασία δωματίου» – περίπου 300 K (ή 27 oC). Τότε θα επικρατούσαν οι τέλειες συνθήκες για την ύπαρξη υγρού νερού. Κι αν υπήρχαν τα κατάλληλα δομικά υλικά (άνθρακας, οξυγόνο, άζωτο κλπ), ίσως θα μπορούσε να σχηματιστεί κάποια μορφή ζωής, πολύ πριν αυτή εμφανιστεί στη Γη.

Για να εξετάσουμε την ενδιαφέρουσα αυτή εκδοχή πρέπει να βάλουμε τα πράγματα με τη σειρά: Πρώτα να βρούμε πότε το σύμπαν είχε θερμοκρασία γύρω στους 25 oC και στη συνέχεια, ποιά στοιχεία είχαν σχηματιστεί μέχρι τότε. Αν το σύμπαν έφτασε σε θερμοκρασία δωματίου, αφού είχαν σχηματιστεί, έζησαν και πέθαναν τα πρώτα άστρα εμπλουτίζοντας το σύμπαν με βαριά στοιχεία, τότε θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί νερό, μακρομόρια και πιθανόν κάποιες μορφές ζωής.

Αν χρησιμοποιήσουμε όσα γνωρίζουμε για το διαστελλόμενο σύμπαν, δεν είναι δύσκολο(*) να εκτιμήσουμε την σχέση θερμοκρασίας-ηλικίας σύμπαντος: T \sim t^{-2/3} και να πάρουμε μερικές ενδιαφέρουσες τιμές για την θερμοκρασία (T) του σύμπαντος σε διάφορες χρονικές στιγμές μετά την Μεγάλη Έκρηξη:
● T=100 K για t=76 εκατομμύρια χρόνια,
● T=251 K για t=19 εκατομμύρια χρόνια,
● T=273 K για t=17 εκατομμύρια έτη, και
● T=300 K για t=14 εκατομμύρια χρόνια.
Επομένως από 14 έως 17 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η θερμοκρασία του σύμπαντος είχε φτάσει περίπου στους 300 – 273 Κ (30°C – 0°C), δηλαδή ήταν κοντά σ’ αυτό που λέμε θερμοκρασία δωματίου. Το «κλίμα» του σύμπαντος τότε ήταν παντού εύκρατο κι αν μέχρι τότε υπήρξαν άστρα ώστε να δημιουργήσουν βαρύτερα στοιχεία, τότε θα μπορούσαν να προκύψουν τα κάταλληλα βιομόρια και ίσως κάποια μορφή ζωής όπως την γνωρίζουμε σήμερα.

Οι εκτιμήσεις για το πότε σχηματίστηκαν τα πρώτα άστρα στο σύμπαν μας, ποικίλλουν: από t=28 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη (και θερμοκρασία T=193 K) έως t=98 εκατομμύρια χρόνια (και θερμοκρασία T=84 K). Όμως είδαμε, πως η εποχή που το σύμπαν είχε θερμοκρασία δωματίου ήταν αρκετά εκατομμύρια χρόνια πριν. Μπορεί κάποιος να ρωτήσει, «είναι πιθανό να σχηματίστηκαν άστρα ακόμη νωρίτερα σε σχέση με ό,τι δείχνουν τα θεωρητικά μοντέλα και οι προσομοιώσεις;» Ίσως είναι δυνατό, αλλά ένα τέτοιο σενάριο θα απαιτούσε κάποιο είδος νέας φυσικής.

Σύμφωνα με τις αποδεκτές αστροφυσικές θεωρίες τα πρώτα 10 με 20 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν δεν είχε εμπλουτιστεί ακόμα με τα άφθονα βαριά στοιχεία που διαχέονται στο σύμπαν όταν τα άστρα πεθαίνουν ως σουπερνόβα. Επομένως, δεν υπήρχαν τα χημικά στοιχεία που συμμετέχουν στην δημιουργία ζωντανών οργανισμών, όταν επικρατούσε θερμοκρασία δωματίου στο σύμπαν.

Μήπως υπήρξε κάποια μορφή βιοχημείας πολύ διαφορετική από αυτή που γνωρίζουμε; Πριν τον σχηματισμό των πρώτων άστρων στο σύμπαν τα μόνα συστατικά που υπήρχαν ήταν: 92% γυμνά πρωτόνια, ή «κανονικό» υδρογόνο, ~8% πυρήνες ηλίου-4, ~0,001%, και αμελητέες ποσότητες κάποιων βαρύτερων στοιχείων.

Εκτός του μονοατομικού υδρογόνου (Η) και του ηλίου (Ηe), μπορούν να υπάρξουν κυρίως δύο απλούστατοι τύποι μορίων: ουδέτερο αέριο υδρογόνο (H2) και υδρίδιο του ηλίου (HeH+). Αλλά αυτά τα άτομα και μόρια δεν μπορούν να συμμετάσχουν στο είδος των χημικών αντιδράσεων που οδηγούν σε μεταβολισμό, που εξάγουν ενέργεια από το περιβάλλον για να δημιουργήσουν σύνθετες, διαφοροποιημένες δομές (ακόμα και απλές μοριακές δομές) που να διεξάγουν ζωτικές διεργασίες και να διαθέτουν την ικανότητα κωδικοποίησης πληροφοριών που θα οδηγήσουν σε αναπαραγωγή ή αυτοαναπαραγωγή. Απαιτείται μια ευρύτερη ποικιλία μορίων, από στοιχεία βαρύτερα του υδρογόνου και του ηλίου, που σχηματίζουν πολυπλοκότερα μόρια, ικανά για πιο σύνθετες διεργασίες. Κι αυτό σημαίνει ότι προαπαιτείται η ύπαρξη εργοστασίων παραγωγής βαρύτερων στοιχείων, δηλαδή των άστρων.

Εν κατακλείδι, πράγματι υπήρξε μια χρονική περίοδος στην ιστορία του σύμπαντος, μεταξύ περίπου 14 και 17 εκατομμυρίων ετών μετά τη Έκρηξη, όπου η επικρατούσα θερμοκρασία ήταν μεταξύ 0 – 30 °C. Αυτή η θερμοκρασία θα επέτρεπε μεγάλες ποσότητες υγρού νερού να επιπλέουν στο διάστημα και ίσως να συντηρούν κάποια μορφή ζωής όπως την γνωρίζουμε σήμερα. Αλλά μέχρι εκείνη την χρονική περίοδο δεν είχαν σχηματιστεί τα πρώτα άστρα που θα παρήγαγαν τα απαραίτητα βαρύτερα στοιχεία της βιοχημείας, όπως το οξυγόνο, ο άνθρακας, το άζωτο κ.ο.κ. Η ζωή μπορεί πράγματι να έχει δημιουργηθεί νωρίτερα από ό,τι υποψιάζονται οι περισσότεροι επιστήμονες σήμερα, αλλά όχι τόσο νωρίς, όσο όταν στο σύμπαν επικρατούσε παντού θερμοκρασία δωματίου!

πηγή: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/life-begin-universe-room-temperature
διαβάστε σχετικά: Abraham Loeb, «The habitable epoch of the early Universe» και «When Did Life First Emerge in the Universe?«

(*) Όταν ένας γαλαξίας απομακρύνεται από εμάς τότε οι χαρακτηριστικές γραμμές του φάσματος που εκπέμπει μετατοπίζονται προς το ερυθρό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift). H μετατόπιση προς το ερυθρό z δικαιολογεί την διαστολή του σύμπαντος και συσχετίζεται με τον παράγοντα κλίμακας (scale factor) R(t) και την σταθερά του Hubble που ορίζεται ως: H=\dot{R}(t)/R(t)Αποδεικνύεται (δείτε ΕΔΩ) ότι η ερυθρομετατόπιση z συνδέεται με τον παράγοντα κλίμακας με την σχέση: z+1=\frac{\lambda}{\lambda_{0}}=\frac{R(t)}{R(t_{0})}. Επιπλέον, εφαρμόζοντας το νόμο του Wien \lambda T = const.  για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου μπορούμε εύκολα να βρούμε την σχέση θερμοκρασίας Τ με την ερυθρομετατόπιση z και τον παράγοντα κλίμακας: T=T_{0}(1+z), όπου Τ0=2,725 K. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας την εξίσωση της διαστολής του σύμπαντος‘ ή εξίσωση του Friedmann \left( \frac{\dot{R}}{R} \right)^{2}=\frac{8 \pi G}{3} \rho  , όπου R o παράγοντας κλίμακας του σύμπαντος και ρ η πυκνότητά του, και θεωρώντας ότι \rho \sim R^{-3}, μετά από κάποιες πράξεις προκύπτει η σχέση θερμοκρασίας-ηλικίας σύμπαντος: T \sim T_{0} \left(\dfrac{t}{t_{0}} \right)^{-2/3}, όπου Τ0=2,725 Κ και t0 =13,8 δισεκατομμύρια χρόνια (η σημερινή ηλικία του σύμπαντος).

ΠΗΓΗ

Κατηγορίες:
Και κάτι άλλο...

Οι πιο ακραίες θερμοκρασίες που έχουν καταγραφεί στη Γη

| 0 ΣΧΟΛΙΑ


Οι έρημοι Λουτ στο Ιράν και Σονόρα στο Μεξικό (στα σύνορα με τις ΗΠΑ) κατέχουν τα νέα ρεκόρ υψηλής θερμοκρασίας στην επιφάνεια της Γης, με επιφανειακές θερμοκρασίες 80,8 βαθμών Κελσίου, που καταγράφηκαν τα καλοκαίρια του 2018 και 2019, αντίστοιχα. Από την άλλη πλευρά, η χαμηλότερη θερμοκρασία καταγράφηκε το 2016 μέσω δορυφόρου στην Ανταρκτική (-110,9 βαθμοί).

Τα θερμοκρασιακά ρεκόρ, τα οποία βασίζονται σε μία νέα αξιολόγηση δορυφορικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης, παρουσιάζουν επιστήμονες, με επικεφαλής τη δρα Yunxia Zhao του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, σε σχετική δημοσίευσή τους στο περιοδικό της Αμερικανικής Μετεωρολογικής Εταιρείας, σύμφωνα με το «Science».

Η μεγαλύτερη μεταβολή θερμοκρασίας μέσα σε μία ημέρα ήταν 81,8 βαθμοί Κελσίου -από τους -23,7 στους 58,1- και καταγράφηκε στις 20 Ιουλίου 2006 στην περιοχή Καϊντάμ της Κίνας, στο θιβετανικό οροπέδιο. Το ρεκόρ υψηλότερης θερμοκρασίας του αέρα πάνω από μία περιοχή κατέχει η Κοιλάδα του Θανάτου στην Καλιφόρνια, με 56,7 βαθμούς στις 10 Ιουλίου 1913.

Περισσότεροι από 11.000 επανδρωμένοι και αυτόματοι μετεωρολογικοί σταθμοί σε όλον τον κόσμο καταγράφουν τις θερμοκρασίες υπό σκιά σε ύψος περίπου ενάμισι μέτρο από το έδαφος. Όμως, τεράστιες εκτάσεις του πλανήτη μας δεν έχουν τέτοια όργανα μέτρησης και οι θερμοκρασίες στην επιφάνειά τους μπορούν να υπολογιστούν μόνο με τη βοήθεια οργάνων από δορυφόρους. Οι θερμοκρασίες επιφανείας τείνουν να είναι υψηλότερες από εκείνες του αέρα πάνω από την ίδια περιοχή, ιδίως όταν υπάρχει ηλιοφάνεια (για τον ίδιο λόγο π.χ. που η άμμος σε μία παραλία καίει περισσότερο από ό,τι ο αέρας από πάνω της). Παραμένει ασαφές, σύμφωνα με τους ερευνητές, κατά πόσο η κλιματική αλλαγή αυξάνει τις θερμοκρασίες στην επιφάνεια της Γης.

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Πώς η μείωση της θερμοκρασίας μειώνει την αντίσταση ενός αγωγού

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Δείτε ένα βίντεο από το ΜΙΤ. Μόλις ο λαμπτήρας "μπει" σε χαμηλές θερμοκρασίες φαίνεται αμέσως σύμφωνα με το νόμο του Ohm ότι η ένταση του ρεύματος αυξάνεται αφού αυξάνεται η φωτοβολία του.

Κατηγορίες:
Πειράματα, Νέα
web design by