Rzeszów, 19.11.2001

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Im. Ignacego ŁUKASIEWICZA

ENERGIA SŁONECZNA

I JEJ ROLA W KOSMOSIE

Konsultował: Opracowali:

prof. dr hab. Adam DRZYMAŁA Katarzyna MARTULA

Marcin NOWOSIAD

Piotr SKOTNICKI

Słońce jest najbliższą ziemi gwiazdą. W porównaniu z promieniowaniem innych gwiazd promieniowanie słoneczne na powierzchni ziemi ma największe natężenie. Z tego powodu tak duże zainteresowanie energią płynącą ze Słońca. Szacuje się, że temperatura Słońca w pobliżu środka wynosi 10000000°C,
a odpowiadający temu ruch materii jest tak gwałtowny, że nie może się utrzymać dłużej znana nam, określona struktura atomów i molekuł. Materia staje się plazmą, w której jądra atomów poruszają się niezależnie od uprzednio przypisanych im elektronów. Jądra często zderzają się i oddziałują ze sobą, co prowadzi do reakcji syntezy takiej, jaka zachodzi podczas eksplozji termonuklearnej. Temperatura widzialnej powierzchni słońca wynosi około 5500°C, tzn. jest dostatecznie wysoka, aby atomy znajdowały się w wysokich stanach wzbudzonych, ale równocześnie na tyle niska, aby czasami przyjmowały formy atomowe znane nam na ziemi. Z pasm absorpcji i emisji w widmie słonecznym wynika, że na słońcu znajduje się większość pierwiastków (ok. 2/3) występujących na ziemi. Najliczniej występuje najlżejszy pierwiastek-wodór (72,7-80% materii słonecznej, pozostałe 26,2% stanowi hel.) Na podstawie danych uważa się, że podstawowym źródłem energii wypromieniowanej przez Słońce jest synteza jąder wodoru, prowadząca do wytworzenia helu. Jednakowo naładowane ciała odpychają się od siebie. Jednakże, gdy temp. jest dostatecznie wysoka, mogą się one poruszać tak gwałtownie, że pozwoli im to zbliżyć się do siebie na taką odległość, przy której siły przyciągające krótkiego zasięgu przeważą siły odpychające i cząsteczki mogą ulec syntezie. Końcowym efektem jest powstanie z czterech jąder wodorowych jednego jądra helu, czemu towarzyszy uwolnienie dwóch cząstek, zwanych neutrinami i pewna ilość promieniowania y. Neutrina są cząstkami bardzo słabo oddziaływującymi z materią, dzięki czemu mogą opuścić słońce i nie brać dalszego udziału w reakcjach, podczas gdy promieniowanie y przechodząc przez słońce ulega zmianom. W całym tym procesie zachodzi ubytek masy wynoszący około ³/₄ masy materiału, który bierze udział w reakcji. W wyniku tego masa Słońca maleje z szybkością 4000000 t/s, ale przy jego masie l,984xl0²⁷ ton proces ten może trwać wiele miliardów lat. Promieniowaniu opuszczającemu słońce odpowiadają długości fal z bardzo szerokiego zakresu. Około połowę energii słońce emituje w postaci fal o długościach w obszarze widma widzialnego.

Powierzchnia Słońca jest usiana plamami słonecznymi i pochodniami wybuchającymi w postaci gigantycznych rozbłysków o zasięgu setek tysięcy kilometrów. Mimo tak dużej aktywności na powierzchni słonecznej wysyłane promieniowanie jest stosunkowo stabilne. Całkowite natężenie promieniowania, jak i jego rozkład względem długości fali zmieniają się nieznacznie; zaburzenia tego stanu odnotowuje się zazwyczaj w nadfiolecie.

Bryzgi materii na powierzchni Słońca objawiają się najsilniej w postaci wiatru słonecznego. Jest to promieniowanie korpuskularne składające się w większości z protonów, które zachowały dość energii, aby wydostać się ze słońca i osiągnąć prędkość rzędu setek tysięcy km/s. Oddziaływanie wiatru słonecznego z ziemskim polem magnetycznym, powoduje występowanie zorzy polarnej, zakłóceń w połączeniach radiowych, a także zakłóceń w sieciach energetycznych, szczególnie, gdy są one rozległe, co występuje np. w Stanach Zjednoczonych.

Podobnie jak inne gwiazdy Słońce prawdopodobnie powstało z obłoku pyłu i gazu materii międzygwiezdnej pod wpływem wzajemnego przyciągania się cząsteczek. W miarę grawitacyjnego sprężania ciśnienie temperatura we wnętrzu przyszłej gwiazdy dość szybko rosła. Kula gazowa zaczęła świecić, gdy rozgrzanie jej wnętrza umożliwi zajście termojądrowej reakcji syntezy wodoru, której towarzyszy wyzwalanie energii jądrowej i gwałtowny wzrost jasności i temperatury gazu - gazowa kula staje się gwiazdą. Jednocześnie ciśnienie i temperatura w Jej wnętrzu osiągają wartości, przy których nie jest możliwe dalsze grawitacyjne sprężanie gazu. Rozmiary gwiazdy stają się stabilne.

O ile temperatura powierzchni Słońca nie przekracza 6300 K, o tyle w jego centrum dochodzi do 15-25 mln K. W ciągu sekundy Słońce emituje 4x10²⁶ J energii promienistej, co odpowiada przemianie 600 000 000 t wodoru w hel. A to "spalanie" wodoru we wnętrzu Słońca odbywa się ze stałą intensywnością już, od co najmniej 4,5 mld lat. Proces ten zachodzi w obiekcie o ogromnej masie; masa Słońca wyraża się astronomiczną liczbą 2x10²⁷ t, co odpowiada masie Ziemi pomnożonej przez 333343. Jego średnica wynosi l 400 000 km, tzn. jest 110 razy większa od średnicy Ziemi. W ciągu miliardów lat istnienia Słońca tylko ułamek procentu tej gigantycznej masy zamienił się na energię promieniowania. Do Ziemi dochodzi zaledwie jedna dwumiliardowa część energii wypromieniowanej przez Słońce. W ciągu trzech dób Słońce obdarza Ziemię większą ilością ciepła i światła niż uzyskano by po spaleniu wszystkich istniejących na Ziemi zapasów węgla, ropy naftowej, drzewa w lasach.

Średnia odległość Słońca od Ziemi wynosi 150 000 000 km. Promieniowanie słoneczne biegnie z prędkością 300 000 km/s, więc pokonuje drogę ze Słońca na Ziemię w czasie nieco większym od ośmiu minut. Moc wysyłanego przez Słońce promieniowania jest tak wielka, że nawet w tej odległości gęstość energii wynosi około 1300 W/m². Ziemia wychwytuje jedynie znikomą część promieniowania, ale i tak ilość ta jest bardzo duża
i przekracza znacznie nasze zapotrzebowania. W wyniku licznych i złożonych oddziaływań z atmosferą ziemską tylko niewielka część tej energii jednak dociera do powierzchni Ziemi.

Ilość energii słonecznej przekazywanej na zasadzie promieniowania do zewnętrznej granicy atmosfery w ciągu jednej sekundy wynosi 1.73 x 10¹¹MW. Stanowi to 30000 razy więcej, aniżeli światowe zużycie energii pierwotniej, przy założeniu ciągłej dostawy w roku 1970. 30 % tej mocy jest odbijane od globu ziemskiego, jako promieniowanie widzialne i ultrafioletowe, 47% jest zaś pochłaniane w atmosferze i reemitowane na zewnątrz, przeważnie jako promieniowanie podczerwone. Pozostałe 23 % uczestniczy w zjawisku odparowywania. Źródłem energii Słońca jest reakcja syntezy czterech jąder wodoru, która prowadzi do powstania jąder helu i dwóch pozytronów:
4₁¹H→ ₂⁴He+2_l^oe. Duże ilości wytwarzanej na Słońcu energii są wynikiem wielkiej masy materiałów uczestniczących w reakcji syntezy, a nie dużej szybkości reakcji jądrowych na jednostkę objętości.

Tylko jedno źródło energii zdolne jest utrzymywać bardzo wysoką temperaturę w słonecznym palenisku przez miliardy lat -termojądrowe reakcje polegające na łączeniu się lekkich jąder atomowych w ciężkie.

Materia tworząca zewnętrzne warstwy gwiazdy na skutek stosunkowo niskiej temperatury i słabego mieszania się z materią znajdującą się w jądrze słonecznym nie bierze udziału w reakcjach termojądrowych. Wysoka zawartość w niej wodoru i helu utrzymuje się na stałym poziomie. We wnętrzu gwiazdy natomiast wodór i hel stopniowo "wypalają się".

Masa atomowa wodoru wnosi 1,008 jednostki masy atomowej, helu -4,003 takiej jednostki; znaczy to, że jądro atomu helu jest prawie cztery razy cięższe od jądra atomu wodoru.

Bethe i niezależnie od niego Weizsacker podali jeden z możliwych procesów syntezy, tzw. cykl węglowy. Critchfieid podał drugi możliwy proces - reakcję
H-H (łańcuch protonowo-protonowy). W obu tych procesach energia wydziela się w wyniku syntezy wodoru w hel, ale w obu procesach synteza ta przebiega różnymi drogami. Oba te cykle są procesami termojądrowymi, tzn. procesami jądrowymi zachodzącymi w wysokich temperaturach. W temperaturze, jaka panuje wewnątrz Słońca, cykl węglowy dawałby moc w miejscach spalania 2x10⁴ W/kg, to jest 50 razy mniejszą wartość od przewidywanej. Moc zgodną z przewidywaną daje łańcuch protonowo-protonowy.

Przedstawia się on następująco:

2 (₁¹H + ₁²H -> ₁²H + β⁺ + ν + 0,42MeV) --> [Author:MN]

2 (₁¹H + ₁²H -> ₂³He + γ +5,5MeV)

₂³He + ₂³He -> ₂⁴He + 2₁¹H +12,8MeV

W rezultacie otrzymujemy przemianę;·

4₁¹H -> ₂⁴He +2 + β⁺+2γ +2ν + 22,64MeV

Widać, więc, że w przedstawionej syntezie wodoru w hel wydzielają się bardzo duże ilości energii.

Na każdy biorący udział w reakcji proton przypada średnio energia 10 - J.

l kg masy Słońca zawiera 2x10²⁶ protonów. Gdyby wszystkie protony zamieniły się w hel, to l kg masy Słońca wydzieliłby energię 2x10⁴ J. Zasoby paliwa jądrowego Słońca przy promieniowaniu energii na obecnym poziomie mocy wystarcza, zatem na okres 3x10¹⁰ lat.

Źródła:

• „Słownik fizyki”- wyd. Pruszyński i Spółka 1999r.

• „Słońce, genom, internet: narzędzia rewolucji naukowej” - Dyson

Freeman J

5

---