Solen – en dynamisk stjerneHvor, hvad og hvordan?

Knud Erik SørensenHAF – 2010-09-05

1

Solen i dag

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 2

Hvorfor interessant?Mange gode grunde til at studere Solen:

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 3

Solen er lys- og varmekilden Nærmeste stjerne Stort centrallegeme – fysik Kosmologiske overvejelser Solvinden Solens magnetfelt Årsag til ekstreme vejrforhold

Solens dataStørrelse Værdi KommentarMiddelafst. til Jorden 149,6 mio. km 1 AURadius 695.510 km 109 gange JordensMasse 1,989 · 1030 kg 332.800 ·mJ. 98% af solsystemetsLuminositet 3,846 · 1026 W DK: 2,5 · 1010 WOverfladetemperatur 5778 K 6051 °CTemp. i centrum 15,2 mio. KMiddeldensitet 1,411 g/cm3 Alligevel: Alt stof er ioniseret og

opfører sig som en gas.Densitet i centrum 154 g/cm3

Tryk i centrum 250 mia. atm.Alder 4,5 mia. årSpektraltype G2V Husk O B A F G K M

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 4

Viden stammer fra teoretiske modeller og helioseismologi

Solens sammensætning

Solen består efter vægt af hydrogen(72%) og helium (26%), medens tungere dele kun udgør 2%.

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 5

For hver million hydrogenatomer iSolen er der omkring 63.000 helium-atomer … og kun omkring

Andre2%He

26%

H72%

690 oxygen 45 silicon 32 jern420 carbon 40 magnesium87 nitrogen 37 neon og få af mange andre

Fraunhoferske linjer

Solens data

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 6

Fraunhoferske linjer

Solens opbygning

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 7

Astronomer tænker på Solen som en samling af adskilte områder, hvor der foregår forskel-lige processer

Den virkelige sol Astronomernes sol

Solens 6 områder

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 8

• Kernen, ca. 25% af Solensradius, ca. 15 mio. K

• Konvektionszonen, ca. 30% afSolens radius, ca. 500 000 K

• Fotosfæren, ca. 500 km tyk, ca. 6000 K

• Kromosfæren, ca. 10 000 km tyk,fra 4000 K til 400 000 K

• Koronaen, meget udstrakt, men ustabili form og dybde, ca. 106 K

Solen består af gas, men gassen opfører sig forskelligt i forskellige dybder. Det har vist sig naturligt at inddele i 6 områder

• Strålingszonen, ud til ca. 70% afSolens radius, ca. 8 mio. K

Solens dannelseDannet af interstellar gas- og støvsky, T = 10 KHydrostatisk ligevægt

– Tyngekraft trækker, trykket skubber– Stabil? Afhænger af trykgradienten– Skyen mister energi ved udstråling– Frigjort pot. energi ½ opvarmning + ½ udstråling– Sammentrækning indtil fusion er mulig

Fusionsenergi erstatterudstrålet energi

Dynamisk ligevægt!

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 9

tryk

tyngde

En fotons fødsel

Fotonen fødes i solens “hjerte”. Det er her, temperaturen er høj nok til pp-fusionen

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 10

Fire protoner under enormt tryk og høj temperatur

… danner en heliumkerne, to positroner, en neutrino

og en foton

pp-kæde

Energien af en foton, skabt ved fusionen, er0,43 · 10-11 J; altså hård stråling – i gammaområdet

Energiligevægten Fusionsprocessen gendanner den energi, Solen

taber ved udstråling fra overfladen:hydrostatisk ligevægt!

Negativt feedback:

Stigning i udstråling trykfald i centrum sammentrækning temperaturstigning øget fusionshastighed øget energiproduktion

Fald i udstråling trykstigning i centrum udvidelse temperaturfald sænket fusionshastighed sænket energiproduktion

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 11

Fotonens barndom Den nyfødte foton befinder sig i et meget tæt materiale.

Den når kun at bevæge sig en brøkdel af en millimeter,før den absorberes af en kerne – og bliver genudsendt.

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 12

Fotonens vej ud til overfladen kan tage op tilflere mio. år, idet dens effektive hastighed blivermeget lille. Fotonen mister energi undervejs – ogskifter dermed bølgelængde.

Opsplitning i flere mindre energirige

Fotonerne når Solens overflade med forskellige energier - splittes op i et antal ”lavenergi”-fotoner

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 13

En gruppe pp-fotoner, praktisk

taget ens

Samme gruppesenere: flere med

mindre energi

Kernen og strålingszonen Kernen er teknisk set en gas, men partiklerne er så tæt

pakkede, at de blot puffer til hinanden

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 14

Energien udveksles via stråling: partiklerne “spiller håndbold med fotonerne som bolde”

Solens inderste område roterer som et fast legeme

Konvektionszonen

Længere ude er materialet blevettyndere – men stadig tæt pakket! –og gassen kan strømme. Det kaldeskonvektion.

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 15

Den varme gas kan danne komplekse strømme og hvirvler, der kan føre energi med sig opad, alt medens koldere gas falder nedad mod kernen.

Toppen og bunden af konvektionszonenroterer med vidt forskellig hastighed –viser helioseismologi.

Fotosfæren

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 16

Husk: fotonerne

kommer frafotosfæren

Ved toppen af konvektionszonen, hvor overfladen bobler som kogende havregrød – granulationen – kan fotonerne endelig undslippe.

Rotationstid:ækvator: 25 døgnpolerne: 35 døgn

Koronaen

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 17

De yderste lag kaldes koronaen. Det betyder blot ”kronen”

Billedet viser en trykbølge af stråling og varm gas, nemlig solvinden, der konstant sprøjter ud i rummet.

Billedet er sammensat. Sort ring = manglende

Solens atmosfære 1

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 18

Hydrogen-alfa filter:Transmitterer snævert bånd

omkring 656 nm.Består af måske 50

vacuum-deponerede lag! Dyre!

Gennemsigtig Røde Hα-linje: λ = 656 nm emissionslinje: 3 → 2 ioniseret brint: 3 ≈ ∞

Solens atmosfære: solpletter

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 19

SolpletterMørkere område: umbra: 4000 K og

penumbra: mellem 4000 K og 6000 K Typisk 50.000 km i diameter

Galileo, Scheiner, Harriot, Fabricius, 1610 ff. Magnetfelt: 0,4 T, hæmmer energitransport i konvektionszonen Optræder parvis – modsat polaritet Flares: kortlivet udbrud, 1 h, hvorved varm

og lysende gas slynges ud. Skyldes lokaludposning på Solens magnetfelt.

Magnetisk cyklus: 22 år Maunderminimum

1640-1710

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Astronomi/Solen/Solen?highlight=maunderminimum�

Solens atmosfære - spiculer

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 20

Spiculer - jetstråler af plasma, typisk 500 km diameter og når op til 10.000 km ud fra overfladen – lever kun 5 minutter

Menes forårsaget af lækkende overflade-lydbølger, jf. L-bølgerved jordskælv.

Opdaget 1877 Bidrager vist til solvinden

Solens atmosfære: Protuberanser

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 21

Protuberanser = prominences Buer af varm, rødt lysende, ioniseret gas fra Solens overflade/kromosfære - strækker sig op i koronaen.

Mindre protuberanser: tusinder af km ud i rummet og varer et par timer.Store protuberanser:som Solens radius ogvarer i uger: 10 mia. t.

CME Canada 1989 Satellitter Space Weather

http://www.rummet.dk/gymnasium/webbaseret-undervisning/storme-i-rummet/baggrund/soludbrud�http://www.spaceweather.com/�

Solens atmosfære: CME

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 22

CME Canada 1989. Satellitter. Space Weather Space Weather News for Sept. 5, 2010

SOLAR ACTIVITY: On Sept. 4th around 1600 UT, a magnetic filament erupted, hurling a bright coronal massejection (CME) off the sun's northwestern limb. The CME is not expected to hit Earth. Nevertheless, auroras are possible in the nights ahead. A solar wind stream flowing from a coronalhole is heading our way, due to arrive on Sept. 5th or 6th. NOAA forecasters estimate a 50% chance of high-latitudegeomagnetic activity when the solar wind hits. With the approach of northern autumn, Arctic nights are getting dark again--dark enough to see the Northern Lights. People in Alaska, Canada and Scandinavia should keep an eye on the night sky this weekend.

http://www.rummet.dk/gymnasium/webbaseret-undervisning/storme-i-rummet/baggrund/soludbrud�http://www.spaceweather.com/�

Solens effekt på Jorden

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 23

Årstider Solens magnetfelt – små og store istider? Sol- og stjernevind – skydække – Svensmark Magnetisk uvejr – radiokommunikation Nordlysbælte – Van Allen Ultraviolet stråling – ozonlaget Solen og D-vitamin Symbolik – religion – solvognen Metaforer i kristendom:

”Nu rinder Solen op”, ”I al sin glans”, ”Morgenstund har guld i mund”, ”Se nu stiger Solen”.

Solens skæbne

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 24

Født som 2. eller 3. generations stjerne Nu hovedseriestjerne G2V

Vokser til en rød kæmpestjerne og kaster de yderste lag af sig. Tilbage bliver en tæt, varmkerne, en hvid dværg, der i nogle tusinderår oplyser det afkastede materiale.

Solen i snit

Knud Erik Sørensen 2010-09-05 25

Solen – en dynamisk stjerneSolen i dagHvorfor interessant?Solens dataSolens sammensætningSolens dataSolens opbygningSolens 6 områderSolens dannelseEn fotons fødselEnergiligevægtenFotonens barndomOpsplitning i flere mindre energirigeKernen og strålingszonenKonvektionszonenFotosfærenKoronaenSolens atmosfære 1Solens atmosfære: solpletterSolens atmosfære - spiculerSolens atmosfære: ProtuberanserSolens atmosfære: CMESolens effekt på JordenSolens skæbne Solen i snit