Słońce dla każdego

Autor: comrade

Słońce dla każdego #1Już najmłodsi wiedzą, że po ciemku nie znajdą zabawki. Poza tym im dłużej świeci Słońce, tym dłużej mogą biegać po podwórku. Starsze dzieciaki cenią jego opalającą moc, a najstarsze kombinują, jak je wykorzystać do swoich celów. Rola, jaką odgrywa ta gwiazda w centrum naszego układu, jest ogromna. Wszystko, co się dzieje na planecie, jest właściwie tylko pewnym ciągiem przemian energii, którą otrzymujemy od Słońca. Ta z kolei przybiera na Ziemi różne formy. Jest ciepłem, które grzeje, wiatrem, który napędza wiatraki, prądem wodnym poruszającym młyny i elektrownie, węglem napędzającym fabryki oraz pokarmem, który nas żywi. Źródła wydające się być "własnymi", a więc ropa, węgiel, nie są niczym innym, jak zmagazynowaną energią słoneczną. Czymże jest zatem gwiazda, której moc robi taką "karierę" we współczesnym świecie? Dodajmy - moc sprawcza.

"Oddaje tobie, co kryje w sobie"

Nasz galaktyczny piekarnik jest rozżarzoną kulą gazu, obracającą się z różnymi prędkościami w różnych obszarach swojej objętości. Jego masa jest 330 000 razy większa od masy Ziemi i 745 razy większa od masy wszystkich planet razem wziętych! Są to ogromne ilości materii, ale nie ma co się dziwić, ponieważ Słońce, poprzez wypromieniowanie, traci 14 mln ton na sekundę, musi więc mieć duże zapasy paliwa. Pozostałe wymiary też robią wrażenie: średnica jest 109 razy większa od średnicy Ziemi, a objętość równa 1 300 000 objętości naszej planety.

Struktura SłońcaTę odległą od nas o prawie 150 mln kilometrów gwiazdę można podzielić na cztery sfery, które to są odpowiedzialne za jej różne codzienne czynności. I tak: w centrum znajduje się jądro, którego promień odpowiada 0,3 całego promienia, i które w 34% składa się z wodoru. To właśnie ten pierwiastek ulega "spalaniu" i według zasady "oddaje tobie, co kryje w sobie" wytwarzana energia przekazywana jest dalej, tzn. do sfery promienistej. Obszar ten mieści się pomiędzy 0,3 a 0,7 promienia słonecznego i jego zadaniem jest przewodzenie na powierzchnię wyprodukowanego ciepła. Odbywa się to za pomocą promieniowania, czyli przemieszczających się fotonów. Tradycję przekazu podtrzymuje sfera konwekcji, która właśnie poprzez konwekcję, czyli krążenie masy gazów, wyzwala ciepło do ostatniej części Słońca - fotosfery. Stamtąd energia jest już wypromieniowywana w kosmos i dociera m.in. do Ziemi.

Na 99% promieniowania docierającego do nas przypada krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 0,1 - 4 mikrometrów, z czego 45% przypada na promieniowanie widzialne, czyli światło, którego barwy jest w stanie zarejestrować ludzkie oko (0,38 - 0,76 mikrometra). 46% procent to promienie podczerwone (0,76 - 2000 mikrometrów), odczuwane jako ciepło, a kolejne 8% to ultrafiolet (mniej niż 0,38 mikrometra). Pozostały 1% to cząstki obdarzone ładunkiem (elektrony, protony, cząsteczki alfa) i promieniowanie rentgenowskie oraz gamma. Nie jest ono jednak znaczące dla procesów biologicznych zachodzących na Ziemi.

Nuklearny kocioł

Piękne, prawda?Sam proces powstawania energii na Słońcu jest niezmiernie interesujący. Odbywa się to w czasie syntezy termojądrowej, zachodzącej we wspomnianym wcześniej jądrze. Mamy tu do czynienia z gigantycznym kotłem nuklearnym, w którym wodór przemienia się w hel. Z jednego grama wodoru powstaje nie tylko hel, ale także ponad 1012 J. Skąd to wszystko się bierze? Wiąże się to z różnicą masy przed i po reakcji, która zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E=mc2 jest przetwarzana na energię. Jest ona wytwarzana już od około 5 miliardów lat i będzie produkowana przynajmniej drugie tyle, dopóki nie wyczerpią się zapasy wodoru w tej części galaktyki.

Na powierzchni panuje wysoka temperatura, ponad 5000oC, ale procesy zachodzące w jądrze rozgrzewają je do około 15 mln oC, co powoduje, że reakcja ta jest stale podtrzymywana (stąd nazwa syntezy termojądrowej). W takiej temperaturze i dużym ciśnieniu (300 miliardów atmosfer) jakakolwiek materia występuje w postaci plazmy, czyli swobodnie poruszających się jąder atomów (protony i neutrony), elektronów, pozytonów, neutrin, itp. Posiadają one na tyle dużą energię, że są w stanie "wyrwać się" oddziaływaniom międzycząsteczkowym.

ProtuberancjaW tym całym zamieszaniu często dochodzi do zderzeń. Najważniejszym momentem jest kolizja dwóch protonów, dającym początek reakcji p - p (proton - proton), która oprócz mało znaczącej reakcji CNO (węglowo - azotowej), jest głównym źródłem energii powstającej na Słońcu. Zaczyna się niewinnie: dwa protony wytwarzają nietrwały izotop helu 3He, który natychmiast rozpada się na izotop wodoru 2H (deuter), neutrino (cząstka o znikomej masie, przenosząca energię) oraz pozyton (elektron obdarzony dodatnim ładunkiem), który po oddaleniu się uderza w napotkany elektron ulegając anihilacji (unicestwieniu) i wytwarzając promienie gamma. Jądro deuteru podąża dalej natrafiając na kolejny proton. W wyniku tego zderzenia powstaje ponownie promieniowanie gamma i jądro rzadkiego izotopu helu 3He, warzącego 3/4 masy zwykłego helu. Ostatnim etapem reakcji p - p jest kolizja dwóch jąder takich izotopów 3He, co prowadzi do powstania jądra helu 4He, składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów, oraz dwóch wolnych protonów, które mogą zapoczątkować cały cykl od nowa.

Moc jest z nami

W pojedynczej reakcji wytwarzane jest 26,2 MeV energii. W ciągu jednej sekundy każdy metr kwadratowy powierzchni słonecznej wypromieniowuje w przestrzeń 62,86x106 J, cała zaś powierzchnia Słońca aż 3,826x1026 J. Jest to 13 milionów razy więcej niż roczna konsumpcja elektryczności w USA. Z tego do Ziemi dociera w każdej sekundzie 2x1017 J, co odpowiada 200x1012 kW. Blisko połowa dochodzącej energii ulega odbiciu, rozproszeniu i pochłonięciu w atmosferze ziemskiej. Niemniej jest to olbrzymie źródło i w obliczu wyczerpujących się paliw kopalnych jest to dobra alternatywa w pozyskiwaniu mocy potrzebnej rozwijającej się cywilizacji. Rozwiązania techniczne pozwalają zamienić tą energię na prąd, dzięki zjawisku fotoelektrycznemu, lub zaabsorbować przez kolektory słoneczne, w postaci ciepła. Wystarczy również dłużej się zastanowić przy budowie domów i umieszczać większe okna od strony bardziej nasłonecznionej.

Słońce dla każdego #2Trwają intensywne prace nad stworzeniem reaktora termojądrowego w warunkach ziemskich (tokamak), opartego na analogicznych reakcjach jak na Słońcu, który nie pozostawiałby radioaktywnych odpadów, a jego budowa zwróciłaby się "zaledwie" po 20 latach. Nic dziwnego, że wizja "Słońca na Ziemi" intryguje naukowców. Byłby to milowy krok w nauce i rewolucja w życiu "szarego" człowieka, który włączając wieczorem lampkę, miałby świadomość, że "zapalił" sobie w domu prywatne Słońce. Nim do tego dojdzie, przyjdzie nam jednak poczekać na całkowitą społeczną akceptację.



blog comments powered by Disqus