KEE/SOES 2. přednáška Fyzikální vlastnosti solárního záření Ing. Milan Bělík, Ph.D.

Zdroj solárního záření Spektrum solárního záření Vlnové vlastnosti Částicové vlastnosti

Slunce – zdroj energie Vzdálenost 147 098 074 - 152 097 701km Výkon 4×1026 W (0,19 mW/kg) Oběh po dráze 25 000 – 28 000 ly od středu Galaxie (1/3 disku) Stáří 4,6 miliard let Životnost 7 miliard let Rotace 25 dní na rovníku 36 dní na pólu

Fyzikální charakteristiky Průměr: 1,392×106 km (109 Zemí) Zploštění: 9×10-6 Povrch: 6,09×1012 km² (11 900 Zemí) Objem: 1,41×1018 km³ (1 300 000 Zemí) Hmotnost: 1,9891 × 1030 kg (332 950 Zemí) Průměrná hustota: 1,408 g/cm³ Hustota v jádru: 130g/cm³ Hustota na povrchu: 0,001g/cm³ Gravitace: na povrchu: 273,95 m/s2> (27,9 G) Úniková rychlost na povrchu: 617,54 km/s Povrchová teplota: 5780 K (spektrální třída G2) Teplota koróny: 5 MK Teplota jádra: ~13,6 MK Zářivý výkon: 3,827×1026 W Intenzita záření: 2,009×107 W sr-1 Magnetické pole: 10 – 300 x 10-6T

Chemické složení počet atomů: vodík: 92,1% hmotnost: helium: 7,8% kyslík: 0,061% uhlík: 0,030% dusík: 0,0084% neon: 0,0076% železo: 0,0037% křemík: 0,0031% hořčík: 0,0024% síra: 0,0015% ostatní: 0,0015% hmotnost: vodík: 75% helium: 25%

Struktura Slunce Jádro Vrstva v zářivé rovnováze Konvektivní zóna Fotosféra Chromosféra Koróna

Jádro Teplota: 1,5 . 107 K Hustota: cca 130 000 kg.m-3 Pomalá přeměna vodíku na helium + uvolnění energie (foton, gama) 1s: 700 000 000 tun H -> 695 000 000 tun He + 5 000 000 tun na energii Energie: 96% foton, 4% neutrina Nejčastější proton-protonový cyklus: sloučení čtyř protonů v jednu α-částici (jádro helia), přičemž dva z protonů se přemění na neutrony Záření proniká k chladnějšímu povrchu (17 tisíc - 50 miliónů let) Většinu energie předána hmotě Slunce => “přeměna” na fotony o mnohem delších vlnových délkách (světlo) Neutrina nejsou prakticky zpomalena

Vrstva v zářivé rovnováze Šířka: cca půl milionu km Zářivá rovnováha: co atomy pohltí, to později vyzáří Tlak záření vyrovnává gravitační tlak Tato vrstva způsobuje výrazné zpomalení fotonů Zpomalení způsobené pohlcením a následným náhodným vyzářením Konvektivní zóna Šířka: cca 200 tisíc km Proudy horké plazmy Vyzáření energie hmotu ochladí Studenější hmota směrem ke středu Slunce, ohřátá k povrchu Fotosféra Viditelný povrch Slunce pozorovatelné vrcholky proudů z konvektivní zóny (granulace) pozorovatelné sluneční skvrny a protuberance

Chromosféra Koróna Tenká vrstva nad povrchem Teplota stoupá směrem od povrchu (rozpad nestabilních plazmatů) Pozorovatelné chromosférické erupce Koróna Nemá pevnou hranici Zasahuje do prostoru Sluneční soustavy „horní atmosféra“ Teplota: 1 500 000 K Zakřivení magnetických siločar Pozorovatelná při zatmění

Vnější projevy Slunce Protuberance Erupce Sluneční skvrny Výtrysky sluneční hmoty Desetitisíce km nad povrch Zakřivení podle lokálního mag. pole Erupce Zjasnění ve fotosféře a chromatosféře Výrazné uvolnění hmoty a energie Odtržení oblaku se zamrzlým mag. polem Výrazná polární záře, magnetické bouře Sluneční skvrny Tmavé oblasti na povrchu (nižší teplota) Vznikají interakcí mag. pole Velikost až 50 000km

Spikule Magnetické pole Sluneční vítr Úzké výtrysky sluneční hmoty Tisíce km nad povrch Životnost několik minut Na okraji granulační oblasti Magnetické pole Ovlivněné rotací Slunce Siločáry ve tvaru Archimédových spirál Plocha nulového pole v rovníkové oblasti Nulová oblast rozvlněná Planety prochází oblastmi s různým polem Sluneční vítr Proud nabitých částic održený tlakem záření Tvoří vnější „atmosféru“ Slunce - korónu Tvaruje mag. pole planet Polární záře, magnetické bouře

Barva červená: Slunce při východu a západu Slunce nízko nad obzorem dlouhá cesta světla nižší a hustší vrstvou atmosféry molekuly vzduchu absorbují kratší vlnové délky světla (modré světlo) modrá: Slunce kolem poledne, modrá obloha Slunce vysoko nad obzorem světlo urazí nejkratší vzdálenost atmosférou tato vzdálenost odpovídá vlnové délce modrého světla ostatní vlnové délky (delší - červená,…) jsou molekulami absorbovány šedá: velké množství vodních par absorpci i vlnových délek odpovídajících modré barvě

Spektrum záření Radiové vlny Mikrovlny Maxwellova duha vyzařovány anténami běžných délek vlnové délky v rozmezí milimetrů až stovek metrů frekvence nižší než asi 3 GHz přenosy dat, komunikace Mikrovlny absorbovány molekulami tekutin s dipólovým momentem, (voda) frekvence 3 – 300 GHz komunikace, MW trouba

Gama záření Infračervené záření Viditelné světlo Ultrafialové záření frekvence 300 GHz až 400 THz blízkou IČ (near-IR) střední IČ (mid-IR) dalekou IČ (far- IR) Viditelné světlo absorbováno a emitováno elektrony při přechodu mezi energetickými hladinami záření, na které je citlivé lidské oko frekvence 480 – 700 THz vlnové délky 400 – 800 nm Ultrafialové záření vlnové délky 400 - 10 nm. fotony mají vysokou energii může ničit chemické vazby a DNA (rakovina) Rentgenové záření vlnové délky 10 - 0,1 nm. rentgenologie, astronomii (Černé díry a neutronové hvězdy) Gama záření vlnové délky kratší než 0,1 nm při jaderných a subjaderných dějích (anihilace) ionizující záření neurochirurgie

Viditelné světlo Barva Vlnová délka Frekvence červená oranžová žlutá ~ 625 až 740 nm ~ 480 až 405 THz oranžová ~ 590 až 625 nm ~ 510 až 480 THz žlutá ~ 565 až 590 nm ~ 530 až 510 THz zelená ~ 520 až 565 nm ~ 580 až 530 THz azurová ~ 500 až 520 nm ~ 600 až 580 THz modrá ~ 430 až 500 nm ~ 700 až 600 THz fialová ~ 380 až 430 nm ~ 790 až 700 THz

Dualita částic a vlnění Vlna, částice 1905 – A. Einstein – fotoelektrický jev Vlnový charakter Optika Ohyb světla, lom světla Šíření kmitů v prostoru Vlnoplochy – Huyghensův princip Příčné vlnění, polarizace Nízké frekvence Částicový charakter Kvantová teorie (1924 – de Broglie) Fotoelektrický jev Foton Vysoké frekvence Hybnost fotonu – Crookesův mlýnek h = 6,62607 * 10-34 Js

Foton p=mc Elementární částice, popisuje kvanta energie Hmotnost: 0 MeV/c2 (nulová klidová hmotnost) Elektrický náboj: 0 C Spin: 1 (boson) životnost: nekonečný poločas rozpadu – stabilní částice Vznik/zánik: interakce Existence: pouze v pohybu Energie: h = 6,62607 * 10-34 Js Setrvačná hmotnost - gravitace Hybnost: m0 = 0 p=mc

Rychlost světla Měření rychlosti světla Konstanta – speciální teorie relativity c = 299 792 458 m/s Pohyb velkými rychlostmi – dilatace času a vzdálenosti (Lorentzovy transformace) Modrý a rudý posuv Teorie proměnlivé rychlosti světla Měření rychlosti světla 1629 – I. Beckman – záblesk z kanonu + zrcadlo 1638 – G. Galilei – zakrývaní lucerny 1676 – O. Romer – oběh Jupiterova měsíce Io Huyghens – 220 000 km/s 1849 – H. Fizeau – zrcadlo + rotující disk se zářezy (313 000 km/s) 1862 – L. Foucault – rotující zrcadlo (298 000 km/s) 1926 – A. Michelson - zrcadla mezi Mt. Wilson a Mt. San Antonio (299 762 km/s)