Saule: 1.a dal · Kodolreakcijas k a Saules ener gijas avots` Ilgonis Vilks un Dmitrijs Docenko...

Vispar�gie datiOptiskie noverojumi

Saules energ̀ijas avots

Saule: 1. dal�a

Astronomija un astro�zika, kurss 3F studentiem, 2009

Ilgonis Vilks un Dmitrijs Docenko

September 17, 2009

Ilgonis Vilks un Dmitrijs Docenko Saule: 1. dal�a



Lekcijas plans

1 Vispar�gie dati

2 Optiskie noverojumiSaules izskats redzama gaismaSaules aktivitates optiskas izpausmesSaules optiskais spektrsVienkar²akas interpretacijas

3 Saules energ̀ijas avotsGravitacijas saspie²anas?Kodolreakcijas?Alternat�vie variantiKodolreakcijas ka Saules energ̀ijas avots




Outline

1 Vispar�gie dati






Saules diametrs

Videjais attalums no Zemes l�dz Saulei: r = 149.6 milj. km

Astronomiskas vien�bas (a.v., u.a.) de�n�cija

Saules videjais len�k�iskais diametrs, skatoties no Zemes:α = 32′

Gada ilgums (viens apgrieziens ap Sauli): T⊕ = 365.256 dienas

Saules diametrs ir D⊙ = αr = 1.392 milj. km.

Sal�dzinajumam, Zemes diametrs ir ap 0.012 milj. km.

Zemes orbitals atrums ir v⊕ = 2πr/T⊕ = 29.8 km/s.




Saules masa

Zemes orb�ta ir tuva rin�k�veida, tatad speka ir l�dzsvars:

G Mmr2

= mv2⊕r.

�eit r ir attalums no masas centra. Ta ka Saules masa irdaudz lielaka par Zemes masu, tad var neieverot attalumustarp Sauli un Zemes orb�tas centru.

No ta izsakam Saules masu:M⊙ = v2⊕r/G = 1.99×1030 kg.

Zinot masu un izmeru, izrek�inam videjo bl�vumu:

ρ⊙ = M⊙/(1/6πD3⊙)= 1.420g/cm3.




Saules starjauda

Solarkonstante ir ap k⊙ =1370 W/m2.

De�n�cija: Saules starojuma energ̀ija, kas arpus Zemesatmosferas tuvu Zemei kr�t laika vien�ba uz laukuma vien�bu,kura normale ir versta uz Sauli.Atmosfera dal�eji absorbe un atstaro Saules starojumu. Zemesvirsmu sasniedz ap 1 kW/m2.

Tatad, Saules starjauda ir L⊙ = 4πr2k⊙ = 3.9×1026 W.

Efekt�va virsmas temperatura Te�

De�n�cija: Tada absoluti melna k�ermen�a temperatura, kurakatra laukuma vien�ba izstaro tikpat daudz energ̀ijas, ka dotamk�ermenim.

Nosakama no izteiksmes T = 4

√L⊙/

(πD2⊙σ

)= 5780 K.




Zemes l�dzsvara temperatura

Zeme san�em no Saules tikpat daudz energ̀ijas, cik izstarokosmosa.

Pien�emot Zemi par absoluti melno k�ermeni(σ = 5.67×10−8W/m2K4) un n�emot vera ka α = 30% no Saulesenerg̀ijas tiek atstarota, izrek�inasim tas l�dzsvara temperaturu!

k⊙πR2⊕ (1−α) = σT 4⊕,eqil ·4πR2⊕

T⊕,eqil = 4√k⊙ (1−α)/4σ = 256 K, t.i. ap -17 C.

Reali videja Zemes temperatura ir ap 15 C !

At²k�ir�ba ir ta saukta �siltumn�cas efekta� del�.




Saules izskats redzama gaismaSaules aktivitates optiskas izpausmesSaules optiskais spektrsVienkar²akas interpretacijas

Outline

1 Vispar�gie dati







Saule optiska gaisma

Filma:http://sohowww.nascom.nasa.gov/gallery/Movies/10th/MDI-Sunspot-Crossings-2001-large.mpg





Saules diferenciala rotacija

Rotacijas periods tiek noteikts no Saules plankumunoverojumiem

Ap ekvatoru sideriskais periods ir visatrakais: 24.47 dienas

Ap 45 gradu platumu: sideriskais periods ir 27.55 dienas

Atkar�ba no platuma tiek aprakst�ta ar izteiksmiω = A+B sin2ϕ +C sin4ϕ , kur B un C ir negat�vi

Atkar�ba no dzil�uma: nav l�dz galam saprasta.

Saules centrala dal�a rote ka ciets k�ermenis (l�dz 0.7 no radiusa)Saules arpuse rote ka virsma (diferenciala rotacija)





Volfa skaitlis

Lai skaitliski raksturotu Saules aktivitati, tiek izmantots tasauktais Volfa skaitlis, kas tiek rek�inats no formulasR = k (10g + s), kur

k ir �jut�bas koe�cients� (mazaks lielakiem novero²anasinstrumentiem)g ir Saules plankumu grupu skaitss ir Saules plankumu skaits

Tatad, ja uz Saules ir noverojams viens plankums, R = 11k .

Formulu piedavaja Rudolfs Volfs (Rudolf Wolf) 1849. gada

Tie²o noverojumu dati ir no 1750. gada!





Volfa skaitlis: noverojumu rezultati

Ir ac�mredzams, kaplankumu skaitsmainas cikliski, arminimumiem, kasatkartojas ik pec9-13 gadu.

Videji, cikla periodsir 10.5 gadi





Saules aktivitates optiskas izpausmes

S�kak Saules aktivitati izpet�sim nakamaja lekcija

�obr�d tikai pieminesim, ka

Saules aktivitatei ir magnetiska dabaBez 11 gadu cikla ir ar� citiSaules cikls nav regulars!





Saules optiskais spektrs

Redzams, ka ²is spektrs neatbilstvienas temperaturas AMK�starojumam

Tapec ieved jedzienu krasas

temperatura

De�n�cija: Tada AMK�temperatura, kura starojumaintensitate tuvu dotam vil�n�agarumam ir tada pa²a kadotam k�ermenim





Saules krasas temperatura





Saules spektra fragments: 620-660 nm, augsta iz²k�irtspeja





Saules optiskais spektrs: cita reprezentacija





Saules spektra fragments: 430-440 nm

Skaidrs, ka Saulesspektrs satur milz�guinformacijas daudzumu.Kosmisko objektuspektru petijumi �astrospektroskopija � irnozare, kas dod vislielakuinformaciju par tiem.





Kvalitat�vie spriedumi

Saules redzama virsma nav cieta vai ²k�idra

Ir ²auras spektrall�nijas, tatad vielas atomiem ir diskretienerg̀ijas l�men�i, tatad ir maza mijiedarb�ba starp atomiem,tatad attalums starp atomiem ir daudz lielaks par to izmeriemSaules virsma ir gaze vai plazma (jonizeta gaze)

Protams, to varetu sagaid�t no temperaturas aprek�iniem, bet

astro�zika medz but daºadi �br�numi�

No spektralas anal�zes var izsecinat, ka ta ir plazmaTatad, Saulei ir daºads bl�vums uz virsmas un iek²a (jo videjaisbl�vums ir sal�dzino²i liels: 1.4 g/cm3)

Saules redzamas virsmas temperatura samazinas ar augstumu

Redzamaja spektra mes noverojam absorbcijas, nevis emisijas,l�nijas





Solis uz malu: Kirhofa likumi

1 Karsts ciets k�ermenis, ²k�idrums vai augsta spiediena gaze staronepartrauktu spektru

2 Karsta maza spiediena gaze staro emisijas l�nijas3 Auksta maza spiediena gaze dod absorbcijas l�nijas spektra

Kad pieskarsimies starojuma emisijas un absorbcijasmehanismiem, apspried�sim, kur ir robeºa starp �augsto� un�zemo� spiedienu.





Absorbcijas spektra ra²anas: ilustracija





Saules spektrs: Fraunhofera l�nijas

.

A, B, a: O2 Zemes atmosferaC, F, G', h: Uden�raºa Balmera serijaD1 un D2: Natrija dubletsG, H, K: Kalcija atomu un jonu l�nijasCitas galvenokart dzelzs l�nijasD3 (vaja l�nija): helijs





Saules k��miskais sastavs

Spektralo l�niju intensitates ir atkar�gas

no atbilsto²a k��miska elementa daudzuma,no jona daudzuma (katrai l�nijai atbilst tikai viens elementajons, piemeram, Na+), kas savukart ir atkar�gs notemperaturas un bl�vumano parejas aug²eja l�men�a ierosmes efektivitates (kas ar� iratkar�ga no temperaturas)

Veicot Saules virsmas spektra spektralo anal�zi, tika noteiktstas sastavs:

73% H25% Hemazak par 2% parejie elementi (0.3% C, 0.8% O, 0.2% Ne,0.07%Mg, 0.07% Si, 0.05% S, 0.15% Fe, ...)





Kvalitat�vs Saules modelis

Ac�mredzams, ka Saule irmakroskopiska l�dzsvara

Pievilk²anas speku kompenseplazmas spiediena speks:

GM(r)dm

r2=−Sdp,

kur S = 4πr2 un dm = 4πr2ρdr .

Tatad, dp(r)dr

=−G M(r)ρ(r)r2

Tas ir hidrostatiska l�dzsvaranosac�jums.





Kvalitat�vs Saules modelis: 2

Nemeg̀inasim uzbuvet l�oti prec�zu Saules modeli

Vienkar²i aizstasim diferencial�us ar vert�bu starp�bam zvaigznesarpuse un iek²puse

Izradas, ka ²is pien�emums strada

pr

= GMρ

r2, kur p = nkT = ρ

µavmp

kT

Tc,� ≈ µavmp

k· GM

⊙R⊙ ∼= 1.5×107 K

(te videja molarmasa ir pan�emta ka µav = 0.65; ta izriet no Saulessastava un jonizacijas)

Prec�zaks modelis dod vert�bu Tc,� ∼= 1.3×107 K




Gravitacijas saspie²anas?Kodolreakcijas?Alternat�vie variantiKodolreakcijas ka Saules energ̀ijas avots

Outline

1 Vispar�gie dati







Gravitacijas saspie²anas?

Gravitacijas saspie²anas rezultata potenciala energ̀ijasamazinas (pec vert�bas)�� energ̀ija izdalas siltuma veida un var sild�t debess k�ermeniSaules gravitacijas saites energ̀ija ²obr�d ir ar kartuGM2⊙/R⊙ ≈ 4×1041 J.

Sp�dot ar musdienu starjaudu L⊙ ≈ 3.9×1026 W, ²�s energ̀ijaspietiek aptuveni tsasp ≈ 1015 sek, t.i., aptuveni 30 miljoniemgadu.Zemes vecums ir daudz lielaks, un sprieºot pec g̀eolog̀ijasatzin�am, Saules spoºums nav mainijies daudz ilgaka laika (ap3 miljardi gadu)Tatad, ²is modelis neder

Tiesa gan, gravitacijas saspie²anas ir svar�ga katras zvaigznesevolucijas sakuma, kad zvaigznes kodols ir jasasilda





Kodolreakcijas?

Saule sastav galvenokart no uden�raºa

Parver²oties £etriem uden�raºa atomiem helija, siltuma veidaizdalas 26 MeV (ap 4.2×10−12J)

t.i. ap 0.0007% no miera masas parver²as energ̀ija

Tatad, �sadegot� visam Saules uden�radim, izdal�tos ap1×1045 J

Atbilsto²i, ar pa²reizejo starjaudu Saule varetu eksistet aptkodolreakcijas ≈ 2×1018 sek., t.i. ap 50 miljardiem gadu

Ir dz�votspej�gs variantsIzradas, ka ar� pareizs!Saulei ir mazaks (paredzets) dz�ves ilgums, jo viss uden�radisnesadeg evolucijas gaita - radiacijas zona nav konvekcijas





Alternat�vie energ̀ijas avoti

Astronomija reti kad var izslegt kadu eksotisku variantu

Piemeram, ka var izslegt ²adu variantu:

Saule sp�d, jo taja anihile kaut kadas tum²as materijas dal�in�as.Tie nemijiedarbojas ar parasto materiju (izn�emot gravitacijaspievilk²anos), tikai ar sevi; un anihilacija notiek Saules centra,jo Saule gravitat�vi pievelk tum²as materijas elementardal�in�as.

Saules gad�juma to var izdar�t.

Parasti ir parak maz datu, lai prec�zi noteikt procesa detal�as

Saule ir izn�emums: par to ir zinams l�oti daudz





Nuklonu saites energ̀ija

Parver²oties uden�radim helija, no katra protona izdalasvisvairak energ̀ijas





Vienas dal�in�as kinetiska energ̀ija Saules centra ir apE = 3

2kT ≈ 1.7 keV

Protona potencialas barjeras augstums ir ap 1 MeV

Klasiski, varbut�ba parvaret barjeru butu aptuveni e−700, betSaule ir tikai ap 1057 protonu

Kodolreakcijas nebutu iespejamas

Kodolreakcijas Saule var izskaidrot tikai kvantu tunele²ana, kasdod varbut�bu ap 10−10

Tas izskaidro ar� ilgu zvaigºn�u muºa ilgumu: reakcijas irarkart�gi mazvarbut�gas





Gamova p�k�is





Protona-protona cikla reakcijas





Protona-protona cikla reakciju varianti

Piez�me: p-p cikls nodro²ina ap 99% no Saules energ̀ijas;parejais nak no CNO cikla (apskat�sim velak)





Rezultejo²ais neitr�no spektrs

Noverojot starojumu, mes neredzam dzil�ak par Saules virsmuNav tie²as informacijas par energ̀ijas izdal�²anas mehanismu

Neitr�no spektrs (sadal�jums pa energ̀ijam) nes informaciju tie²ino tas Saules zonas, kur izdalas energ̀ija





Saules neitr�no noverojumi

Neitr�no noverojumu (zilie stabi) sal�dzinajums ar model�aparedzejumiem daºadiem neitr�no detektoru tipiem.Visi detektori, izn�emot �SNO All ν�, ir jut�gi tikai pretelektrona neitr�no νe

Sistematiski zemaki rezultati (2-3 rezes) sal�dzinot ar modeliTa ir ta saukta �Saules neitr�no problema�

SNO noverojumi pierad�ja, ka kopeja neitr�no plusma(νe +νµ +ντ) sakr�t ar Saules model�a paredzejumuGal�gs pierad�jums Saules modelimIlgonis Vilks un Dmitrijs Docenko Saule: 1. dal�a




Sudbury Neutrino Observatory


Saule: 1.a dal · Kodolreakcijas k a Saules ener gijas avots` Ilgonis Vilks un Dmitrijs Docenko...

Documents

Transcript of Saule: 1.a dal · Kodolreakcijas k a Saules ener gijas avots` Ilgonis Vilks un Dmitrijs Docenko...