Troche o energii słonecznej

Nasze Słońce to olbrzymia kula gazowa składająca się głównie z wodoru i helu, na powierzchni, której panuje temperatura rzędu 58000C! We wnętrzu Słońca znajduje się jądro, które stanowi reaktor termojądrowy. Dzięki panującej tam wysokiej temperaturze i ciśnieniu część wodoru zmienia się w hel, przez co w każdej sekundzie miliony ton materii zmieniają się w energię, która dociera do nas jako światło i ciepło. Wodoru wystarczy Słońcu jeszcze na najbliższe 5 miliardów lat.W jaki sposób "działa Słońce"? Otóż, energia z jądra przedostaje się przez obszar promienisty, a potem, razem z gazem, konwektywnie płynie ku powierzchni Słońca, czyli fotosferze .Droga z jądra do fotosfery zajmuje ponad milion lat, ale potem wystarczy niewiele ponad 8 minut, by słoneczna energia dotarła w postaci światła i ciepła na Ziemię! Wokół Słońca nad fotosferą rozciągają się dwie otoczki gazowe - chromosfera i korona.

SKŁAD I STAN MATERII GWIAZDOWEJ

Słońce jest kulą zjonizowanego gazu, plazmą zawierającą w przybliżeniu takie same ilości ładunków ujemnych i dodatnich. Ze względu na specyficzne własności nazywany czwartym stanem skupienia materii, składającego się głównie z wodoru i helu. W warstwach powierzchniowych wodór stanowi 72% masy, a hel około 26%. Niecałe 2% składu chemicznego Słońca to pierwiastki cięższe, wśród których najobfitszymi są: węgiel (C), azot (N), tlen (O), neon (Ne), magnez (Mg), krzem (Si), siarka (S), argon (Ar), wapń (Ca), nikiel (Ni) i żelazo (Fe). W jego atmosferze obserwowane są również śladowe ilości prostych związków chemicznych, takich jak grupa cyjanowa (CN), CH, grupa wodorotlenowa (OH) i NH. Kula plazmy słonecznej utrzymywana jest w równowadze hydrostatycznej z jednej strony przez siły grawitacji, z drugiej zaś - przez rosnące z głębokością ciśnienie gazu, które równoważy coraz większy ciężar materii znajdującej się powyżej.

Pierwiastek
Symbol
% masy Słońca
Liczba atomowa
wodór
H
76,4
1
hel
He
21,8
2
tlen
O
0,8
8
węgiel
C
0,4
6
neon
Ne
0,2
10
żelazo
Fe
0,10
26
azot
N
0,1
7
krzem
Si
0,08
14
magnez
Mg
0,07
12
siarka
S
0,05
16
nikiel
Ni
0,01
28





PROCESY ZACHODZĄCE W SŁOŃCU

Prawie cała energia Słońca (ponad 95%) produkowana jest w kuli o promieniu 0,25 R stanowiącej zaledwie 1,5% całkowitej objętości Słońca. Energia wytwarzana jest w procesie łączenia się (fuzji) 4 protonów w jądro helu. W Słońcu proces ten zachodzi głównie na drodze szeregu reakcji tworzących cykl protonowo-protonowy (pp). W ten sposób powstaje 99% energii. Wśród trzech gałęzi cyklu pp najczęstszym (86%) i wytwarzającym najwięcej energii jest cykl ppI:
p + p =2H + e+ + ve
(1,442 MeV)
2H + p =3He +
(5,494 MeV)
3He + 3He =4He + 2p +
(12,860 MeV)
W nawiasach podana jest ilość energii uwalniana w reakcji, wyrażona w megaelektronowoltach (MeV). Masa czterech protonów jest większa od masy utworzonego jądra helu. Różnica masy (ok. 0,71%) zostaje zamieniona na energię równą 26,732 MeV. Energia ta jest unoszona ku powierzchni w 98% przez fotony, a w pozostałej części przez neutrina. W efekcie, na skutek procesów termojądrowych, Słońce traci masę. Tempo utraty masy jest proporcjonalne do mocy promieniowania i w przybliżeniu wynosi L /c2 = 4x109 kg/s, gdzie c to prędkość światła. Gęstość i ciśnienie gazu we wnętrzu Słońca są bardzo duże, lecz nie na tyle, aby materia stawała się zdegenerowana. Reaguje ona tak jak gaz doskonały, przez co tempo reakcji termojądrowych zależy bardzo silnie od temperatury gazu. Głównie dzięki temu sprzężeniu Słońce nie wybucha, a jego wnętrze jest samoregulującym się reaktorem nuklearnym. Wzrost temperatury w jądrze zwiększa tempo produkcji energii, co powoduje wprawdzie wydajniejsze ogrzewanie gazu, ale towarzyszy temu wzrost ciśnienia. Większe ciśnienie unosi materię, powodując rozszerzanie się jądra, za czym z kolei idzie spadek temperatury. W rezultacie tempo reakcji jądrowych zmniejsza się do wartości wyjściowych. Podobne zjawisko wystąpi przy spadku temperatury: zmniejszenie ciśnienia, kurczenie się jądra i ostatecznie wzrost tempa wytwarzania energii. W efekcie ustala się stan równowagi, w którym energia wytwarzana jest w takim tempie, by wynikające z tego ciśnienie gazu było w stanie utrzymać ciężar materii spoczywającej na jądrze.


PROMIENIOWANIE SŁONECZNE JAKO ŻRÓDŁO INFORMACJI O SŁOŃCU

Słońce emituje promieniowanie we wszystkich zakresach fal elektromagnetycznych. Najwięcej, bo 49% energii wysyłane jest w dziedzinie widzialnej i bliskiej podczerwieni. Fale o długości większej od 800 nanometrów (nm) unoszą 44% słonecznej energii. W bliskim nadfiolecie (120-300 nm) emitowane jest 7% energii słonecznej, a promieniowanie rentgenowskie i w dalekim nadfiolecie nie przekracza 0,001% całkowitej energii.Słońce pozostaje również źródłem fal radiowych o długości większej od 1 mm, jakkolwiek energia tego promieniowania jest zaniedbywalnie mała (rzędu 10-10%).


Z każdą warstwą atmosfery Słońca wiążę się charakterystyczny dla niej, dominujący zakres emitowanych fal.
#Fotosfera jest głównym źródłem promieniowania widzialnego i podczerwonego,
#chromosfera - nadfioletowego i radiowego,
#korona zaś, nadfioletowego i radiowego, dodatkowo promieniuje rentgenowsko.
Jest to widmo ciągłe.Widmo ciągłe promieniowania niesie głównie informację o temperaturze świecącego obszaru. Patrząc na środek tarczy, widzimy głębsze warstwy gazu niż na brzegu, gdyż prowadząc obserwacje fotosfery pod większym kątem, sięgamy do płytszych warstw, o niższej temperaturze.
W fotosferze Słońca dominującym źródłem nieprzezroczystości w widmie ciągłym jest ujemny jon wodorowy.
W nadfioletowej części widma ciągłego promieniowania słonecznego można zaobserwować pojaśnienie brzegowe. Ze względu na wzrost nieprzezroczystości w tej części widma większość promieniowania emitowana jest nie przez fotosferę, lecz przez dolne warstwy chromosfery, w której temperatura rośnie z wysokością. Obserwując zatem tarczę Słońca bliżej brzegu, gdzie widoczne są coraz wyższe warstwy, zauważymy wzrost natężenia promieniowania.

Widmo liniowe promieniowania jest znacznie bogatszym źródłem informacji o warunkach fizycznych panujących w świecącym gazie. Linie widmowe pozwalają określić nie tylko temperaturę, ale i gęstość obszaru, w którym powstają, jak również prędkość gazu (o ile znajduje się on w ruchu). Ponadto obecność linii widmowej świadczy o istnieniu atomów danego pierwiastka w atmosferze, a natężenie linii - o jego obfitości.

Widmo ciągłe korony Słońca spokojnego (nie przejawiającego aktywności magnetycznej) ma charakter promieniowania termicznego gazu o temperaturze rzędu miliona stopni. Rozkład energii takiego promieniowania osiąga maksimum w zakresie rentgenowskim. Jednakże w tym obszarze widma zdecydowanie dominuje promieniowanie korony. Korona obserwowana w zakresie rentgenowskim i radiowym staje się coraz bardziej niejednorodna ze wzrostem aktywności Słońca. Emisja promieni X jest silnie zlokalizowana w obszarach magnetycznych. Promieniowanie radiowe Słońca wykazuje silną zależność długości fali od wysokości w koronie: dłuższe fale pochodzą z wyższych warstw o mniejszej gęstości gazu. Tarcza Słońca obserwowana na falach radiowych jest większa od tarczy w świetle widzialnym, a jej średnica zwiększa się ze wzrostem długości fali.

Bada się również strumień neutrin, powstający podczas reakcji termojądrowych, które zachodzą we wnętrzu Słońca. Zasadą działania detektora wielkości olimpijskiego basenu i zawierającego czterochloroetylen (C2Cl4) jest zamiana chloru w radioaktywny argon na skutek wychwytu neutrina elektronowego (takie właśnie powstają we wnętrzu Słońca) w reakcji
37Cl + e 37Ar + e-.
Rysunki od lewej:
1.Tarcza Słońca w czerwonej linii wodorowej H, powstającej w chromosferze. W centrum tarczy jest widoczna duża i też chłodna plama słoneczna, otoczona jasnym obszarem aktywnym.
2.Chromosfera Słońca w linii wapnia Ca II K (powstającej w chromosferze). Kilka intensywniej świecących obszarów to miejsca, w których pojawia się pole magnetyczne, ogrzewające chromosferę.
3.Korona słoneczna w promieniach Roentgena. Widać jaśniejsze obszary silnego pola magnetycznego i ciemne dziury koronalne.

Widmo promieniowania Słońca przypomina rozkład ciała doskonale czarnego o temperaturze 5800 K. Największe natężenie promieniowania (maksimum rozkładu) przypada dla fali 500 nanometrów, co odpowiada barwie zielonożółtej. Na ciągły rozkład promieniowania (widmo ciągłe) nakładają się ciemne prążki, które tworzą widmo absorpcyjne
ROLA ENERGII SŁONECZNEJ NA ZIEMI

-Energia ze Słońca umożliwia nieustanny przebieg wszystkich procesów na Ziemi. Z wyjątkiem energii przepływu i odpływu, energii cieplnej wnętrza Ziemi i energii ziemskich reakcji jądrowych, wszystkie rodzaje energii na Ziemi biorą swój początek w promieniowaniu słonecznym. Jemu zawdzięczamy ciepło i światło . Skutkiem jego działania jest energia kinetyczna wiatru (przyczyną ruchu powietrza jest niejednakowe ogrzanie różnych części powierzchni Ziemi).
-Wiele pożarów w gorących regionach Ziemi jest wywołanych przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Już 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne, skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą, do rozniecania ognia. Chińczycy, 200 lat p.n.e., wykorzystywali zakrzywione zwierciadła do skupiania promieni słonecznych.
-Promieniowanie słoneczne jest źródłem energii chemicznej. Węgiel i ropa naftowa dostarczają nam energii, która przed wielu milionami lat została pobrana w postaci energii promieniowania słonecznego. Słońce jest również źródłem energii pokarmów. Zielone rośliny wytwarzają przy udziale chlorofilu skrobię, cukier i celulozę z wody i zawartego w powietrzu dwutlenku węgla. Proces ten, zwany fotosyntezą, zachodzi, jeśli roślina pobiera niezbędną do tego energię promieniowania. Energia ta, zmagazynowana w pokarmie, podtrzymuje następnie procesy życiowe w organizmach ludzi i zwierząt, jest więc nieodzownym warunkiem życia.
-Ogniwa słoneczne przetwarzają światło na energię elektryczną. Ogniwo słoneczne może być produkowane z wielu różnych pierwiastków, ale najczęściej używanym jest krzem. Zwykła bateria składająca się z 30-32 ogniw ma maksymalną moc rzędu 40-45 W.
W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny. Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.
Skupiane promieni słonecznych wykorzystuje się w piecach przemysłowych. Zakrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Niektóre piece, zamiast zakrzywionego zwierciadła wykorzystują płaskie reflektory, ustawione pod odpowiednim kątem. W Mont Louis, we Francji wielopiętrowa konstrukcja małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę do 3000oC – właściwą do obróbki wielu metali.
- Z zewnętrznych warstw korony słonecznej ciągle wypływa w przestrzeń międzyplanetarną materia w postaci tzw. wiatru słonecznego. Dotarcie do Ziemi tym zabiera tym cząstkom około 10 dni.Zderzenie tak silnego strumienia naładowanych cząstek z ziemską magnetosferą, powoduje różnorodne zjawiska: zmiany pola magnetycznego Ziemi, zakłócenia łączności, a nawet uszkodzenia elektroenergetyczne! Innym zjawiskiem powstającym w wyniku oddziaływania wiatru słonecznego z górnymi warstwami ziemskiej atmosfery są zorze polarne, widoczne tylko w obszarach podbiegunowych (choć czasem widać je i na niższych szerokościach geograficznych).