------------------------------------------------------------------------
7. kapitola o Slunci
viditelné světlo:
kotouček (ze všech směrů stejný) => koule
barva BÍLÁ, barvy různých hvězd (AČR) na monitoru, gamut OBR
ostrý, ale "kostrbatý" a barevný okraj (tenká atmosféra - fotosféra, seeing, barevná vada)
okrajové ztemnění (vidím do různých hloubek s různou T) OBR
skvrny, umbra, penumbra, vlákna, jasné body, mosty OBR
fakule
granulace
OBR propustnost atmosféry vs. vlnová délka, družice SOHO
OBR schéma sluneční věže, coelostatu, Lyotova koronografu*
* Vysvětlení funkce koronografu: zobrazení Slunce v ohniskové rovině objektivu O_1,
odraz zrcadlovou clonkou B mimo tubus; polní čočka O_2 zobrazuje objektiv do roviny
s clonkami C_3, C_4, které potlačují paprsky odchýlené difrakcí na clonách C_1 a B;
poslední čočka O_3 pak už jen prodlužuje ohnisko do roviny F_2'. Předtím je řazen
úzkopásmový filtr, naladěný tak, že propouští záření horkého řídkého plynu emitujícího
v čarách, čímž efektivně potlačuje fotosféru zářící v kontinuu.
při zákrytu, v koronografu, UV nebo úzkopásmových filtrech:
protuberance, filamenty
erupce
chromosféra
koróna, vnitřní vnější
sluneční vítr
OBR ~11 letý cyklus činnosti (projev ve skvrnách, jejich heliografické šířce, počtu erupcí)
relativní (Wolfovo) číslo skvrn: R = konst. * (N_skvrn + 10 * N_skupin)
ANIMACE slunečních skvrn (diferenciální rotace 25-33 d), protuberance,
konvekce, erupce a rekonexe magnetického pole, ...
vysvětlení útvarů:
(kdyby Slunce byla koule v TD rovnováze => fádní kotouč)
- hlavní jsou změny teploty (Planckův z.)
- ovlivnění konvekcí (granule)
- mag. polem (skvrny, erupce, protuberance)
MAGNETICKÉ POLE na Slunci:
- měření ve fotosféře spektroskopicky pomocí Zeemanova jevu OBR
- změny mag. pole z poloidálního na toroidální a zpět za ~22 let
<- souhra diferenciální rotace, radiální konvekce a siločar "zamrznutých" v plazmatu
OBR schéma slunečního dynama
Pohyb nabité částice v elektrickém a magnetickém poli:
------------------------------------------------------
-> LORENTZOVA SÍLA F_L = q(E + v x B)
=> Larmorova rotace (gyrace) podél magnetických siločar:
dostředivé zrychlení při pohybu po kružnici a = v^2/r = F_L/m ;
pro E = 0 a v kolmé na B =>
m v
r_L = --- (čím "hustší" siločáry, tím větší B a menší r_L)
q B
pro termalizované částice ve fotosféře jsou typické kinetické energie řádu
E_k = kT = 1.38e-23 * 6000 / 1.6e-19 eV = 0.5 eV,
ale při erupcích mohou být elektrony (a ionty) urychleny třeba na E_k =~ 10 keV,
čemuž odpovídá rychlost (nerelativistická; E_0 = 0.51 MeV):
v = sqrt(2 E_k/m) =~ sqrt(2 * 1e5 * 1.6e-19 / 9.1e-31) m/s =~ 60 000 km/s
poblíž sluneční skvrny může být pole B = 1 T:
r_L = 9.1e-31 * 6e7 / (1.6e-19 * 1) m =~ 0.3 mm
pokud má elektron i nenulovou složku rychlosti v || B
=> "šroubovicový" pohyb okolo siločar s proměnným gyračním poloměrem
=> zrychlování/zpomalování E polem
(rychlost oblaků plazmatu v protuberanci je pro srovnání přibližně
100 000 km / 10 minut =~ 150 km/s)
ABSORPČNÍ SPEKTRUM Slunce (podrobnější rozbor v 10. kapitole) OBR
-------------------------
<- spojité záření z hustých částí fotosféry (podobné planckovskému AČR)
prochází POLOPRŮHLEDNÝMI řidšími chladnějšími vrstvami fotosféry,
jejíž atomy mají DISKRÉTNÍ energetické hladiny * a absorbují tedy selektivně
(deexcitovat se mohou srážkově)
* protože pohyb elektronu je OMEZEN elektrickým potenciálem iontu,
čímž podle řešení Schrödingerovy rovnice ** vzniká kvantování energie
** diferenciální rce pro komplexní vlnovou fci psi(r,t):
[ -h'^2/2m \nabla^2 + V(r) ] psi(r,t) = i h' \partial psi / \partial t (r,t);
stacionární verze: [ -h'^2/2m \nabla^2 + V(r) ] psi(r) = E psi(r);
hustota pravděpodobnosti výskytu částice je |psi(r,t)|^2
nejnápadnější čáry: 653 nm H_alfa
596 nm sodíkový dublet
486 nm H_beta
393 nm (blízko UV) H K čáry vápníku
Balmerův skok v UV
místně též EMISNÍ ČÁRY (v nichž září HORKÝ ŘÍDKÝ PLYN, např. v koróně, v erupcích)
pro vznik konkrétních čar musí být vhodné podmínky
OBR průběh teploty ve fotosféře, chromosféře a koróně a místa vzniku čar
Helioseismologie:
-----------------
- dopplerovská měření rychlostí na POVRCHU Slunce (z posuvů spektrálních čar)
-> rekonstrukce šíření vln v nitru
-> rychlost šíření vln závisí na rho, T, rychlostech proudění plazmatu *
-> vnitřní struktura Slunce:
jádro, zóna zářivé rovnováhy, konvektivní zóna
* např. šíří-li ve vlny po směru a proti směru proudění,
objeví se na povrchu oscilace o dvou blízkých frekvencích,
jejichž rozdíl je úměrný rychlosti proudění
OBR vnitřní stavba Slunce
OBR průběh rho, T, X, Y v závislosti na r
OBR rychlosti proudění ve směru rotace, k pólům i v radiálním směru
termonukleární reakce v jádře:
- proton-protonový řetězec s energetikou reakcí OBR
- schéma CNO cyklu OBR
rozepsaný proton-protonový řetězec (PPI):
p + p -> e+ + nu + D 1,18 MeV <- jako kvanta záření plus E_kinetická produktů
e+ + e- -> 2gamma ^^^^ <- (anihilace; m0_elektronu c^2 = 0,51 MeV)
p + p -> e+ + nu + D 1,18 MeV <- (slabá interakce)
e+ + e- -> 2gamma
D + p -> gamma + He3 5,49 MeV <- (silná interakce)
D + p -> gamma + He3 5,49 MeV
He3 + He3 -> He4 + p + p 12,86 MeV <- (silná interakce; E uvolněná pouze v podobě E_K!)
--------------------------------------
suma reakcí: "4p + 2e- -> He4 + 6gamma + 2nu"
baryonové číslo: +4 -> +4
náboj: +2 -> +2
suma uvolněné (využitelné) energie: 26,20 MeV
energie odnášená 2 neutriny: 0,54 MeV <- tato NENÍ VYUŽITELNÁ pro ohřev plazmatu
protože nu interagují s látkou jen slabě
=> KROMĚ 4 PROTONŮ SE SPOTŘEBOVÁVAJÍ I 2 ELEKTRONY!
PPII: E_neutrin
p + p -> e+ + nu + D 1,18 MeV 0,27 MeV
e+ + e- -> 2gamma
D + P -> gamma + He3 5,49 MeV
He3 + He4 -> gamma + Be7 1,59 MeV
Be7 + e- -> nu + gamma + Li7 0,05 MeV 0,82 MeV
Li7 + p -> He4 + He4 17,35 MeV
-----------------------------------------------------
"4p + 2e- -> He4 + 5gamma + 2nu" 25,66 MeV 1,09 MeV
PPIII (málo pravděpodobný, existuje ale i PPIV):
p + p -> e+ + nu + D 1,18 MeV 0,27 MeV
e+ + e- -> 2gamma
D + P -> gamma + He3 5,49 MeV
He3 + He4 -> gamma + Be7 1,59 MeV
Be7 + p -> gamma + B8 0,14 MeV
B8 -> e+ + nu + Be8* 8,37 MeV 6,71 MeV <- zde je vysokoenergetické neutrino!
e+ + e- -> 2gamma (důležité pro měření nu toku ze S.)
Be8* -> He4 + He4 3,00 MeV
-----------------------------------------------------
"4p + 2e- -> He4 + 7gamma + 2nu" 19,77 MeV 6,98 MeV
OBR vazebná energie na nukleon
další TN reakce běžné při vyšších teplotách (v jiných hvězdách)
- 3-alpha proces (extrémně nestabilní 8Be)
2 4He -> 8Be + gamma (většina 8Be se rozpadne, ale...)
8Be + 4He -> 12C + gamma
- Ne, O, Si, Fe
rovnice popisující změny koncentrací vypadají jako dn/dt = lambda * n^2...,
kde reakční koeficienty lambda(T, rho, ...)
neutrinový problém a jeho řešení NEUTRINOVÝMI OSCILACEMI (Fukuda et al. 1998)
pozorovaný tok neutrin (5.44 +- 0.99)e6 cm^-2 s^-1
OBR neutrinových dalekohledů
význam TUNELOVÉHO JEVU, aby reakce vůbec probíhaly:
OBR průběh potenciálu coulombického && silné interakce
minimum potenciálu ~-2 MeV (na 2e-15 m)
a VRCHOL potenciálu ~ 1 MeV (na 6e-15 m) <- toto je COULOMBOVSKÁ BARIÉRA
ALE typické kinetické energie částic jsou JEN
kT = 1.38e-23 * 1.5e7 / 1.6e-19 eV =~ 1 keV
Když ze Schrödingerovy rce vypočítám vlnovou funkci psi(r)
pro proton (pohybující se v potenciálu druhého protonu)
a hustotu pravděpodobnosti jeho výskytu jako |psi(r)|^2,
zjistím, že je nenulová i ZA coulombovskou bariérou!
=> kvantové procesy určují, jak vypadá záření přicházející ze Slunce
("vidím" diskrétní hladiny energie atomů) i energetiku T-N reakcí
(kde probíhá tunelový jev).
OBR luminozita a rozměr Slunce v minulosti a v budoucnosti
- mladé Slunce mělo luminozitu ~70 % dnešní a postupně se zvyšuje;
pozn. na Zemi existuje ŽIVOT už 3.5 Gy a povrchová teplota se příliš nemění
- to je zřejmě působeno živými organismy (zejména mořským planktonem)
a koloběhem OXIDU UHLIČITÉHO: při zvýšení teploty se plankton rozbují,
během svého života váže atmosférický CO_2 a vytváří vápnité schránky,
které po úmrtí organismů klesají na dno a vytvářejí sedimenty CaCO_3.
Úbytek CO_2 v atmosféře pak vede k oslabení SKLENÍKOVÉHO JEVU a opětovnému
snížení teploty na Zemi.
- při přeměně na červeného obra dojde k podstatné ZTRÁTĚ HMOTY,
což podle 3. Keplerova z. vede ke vzdálení planet (a "záchraně" Země)
(vývoj * podrobněji viz v kapitole 12)
------------------------------------------------------------------------