Imperium Słońca

Tomasz Rożek

GN 12/2015 |

publikacja 19.03.2015 00:15

Widzimy je codziennie i już przywykliśmy. Traktujemy je jako coś oczywistego, jak powietrze. I wszystko się zgadza, bez powietrza nie byłoby życia. Tak jak nie byłoby życia bez Słońca. Więcej, nie byłoby naszego układu planetarnego. Żyjemy w Imperium Słońca.

Imperium Słońca NASA /AP Photo

Masa Słońca to prawie 99 proc. masy całego Układu Słonecznego. Wszystkich planet, księżyców, asteroid i komet. Ale wpływ Słońca nie ogranicza się tylko do milczącej obecności. Słońce nieustannie kształtuje globy, które są pod jego grawitacyjnym wpływem. Kształtuje i Ziemię. Atmosferę, góry i oceany, rośliny, zwierzęta i nas. Wpływ Słońca na klimat, a nawet na rzeźbę terenu Ziemi jest większy, niż można by przypuszczać. Od lat wiadomo, że gdy aktywność Słońca rośnie, podnosi się poziom wody w rzekach. Subtelne zmiany w jasności Słońca napędzają naszą pogodę. Monsuny w Indiach też można powiązać z aktywnością Słońca. Na pustyniach im większa aktywność, tym mniej deszczu. Dokładny mechanizm tego wpływu jest nieznany. Choć zmiany w ilości promieniowania emitowanego przez Słońce są minimalne, wystarczą, by poruszyć ogromne mechanizmy pogodowe na Ziemi.

Plamy i wybuchy

To kształtowanie zwykle odbywa się powoli. Trochę jak powolne ugniatanie gliny przez garncarza. Czasami sprawy dzieją się jednak bardzo szybko. W każdej chwili najmniejszy „kaprys” Słońca może nas zmieść z powierzchni tego świata. Słońce nie jest statyczną kulą ognia. W 11-letnim cyklu zmienia swoją aktywność. Jednym z przejawów wzmożonej aktywności Słońca jest pojawianie się na jego powierzchni plam. Widać je wyraźnie, bo są ciemniejsze niż otoczenie. Tak właściwie plamy są obiektami bardzo jasnymi, ale widzimy je jako ciemne, gdyż znajdują się w jaśniejszym od siebie otoczeniu. Ciemniejsze oznacza zimniejsze, ale oczywiście nie zimne.

Temperatura plamy słonecznej to ok. 3500 st. Celsjusza. Co jest powodem powstawania plam? Dokładny mechanizm nie jest jasny, ale ma on związek ze zniekształceniem pola magnetycznego gwiazdy. Choć plamy słoneczne bywają ogromne (ich powierzchnia może być kilkadziesiąt razy większa od powierzchni całej kuli ziemskiej), nie mają żadnego wpływu na naszą egzystencję. Problemem jest jednak to, że plamy nie są wieczne. Kończąc swoje „życie” – wybuchają. A wtedy w ciągu zaledwie kilku sekund uwalniana jest większa energia, niż ludzkość wyprodukowała w ciągu całego swojego istnienia. Taki wybuch jest w pewnym sensie odczuwalny także na Ziemi. Używanie w tym kontekście określeń „burza” czy „zawierucha” nie jest całkowicie pozbawione sensu. Gdy na Słońcu pojawiają się wybuchy, w kierunku Ziemi zaczynają pędzić duże ilości naładowanych cząstek. To większe podmuchy tzw. wiatru słonecznego. Tak jak wiatr „ziemski” jest ruchem cząsteczek powietrza, tak wiatr słoneczny jest ruchem naładowanych elektrycznie elektronów i jąder atomów. Cząstki wchodzące w skład wiatru słonecznego były w stanie „wyrwać się” polu grawitacyjnemu Słońca, gdyż posiadają niezwykle dużą energię.

Opuszczają powierzchnię gwiazdy z prędkością prawie 1000 km na sekundę! W każdej godzinie około 7 mld ton korony słonecznej wycieka w przestrzeń. To w porównaniu z masą Słońca maleńkie ziarenko piasku. Wybuchy na Słońcu odczuwamy więc nie bezpośrednio, tylko pośrednio, gdy Ziemię zaczyna owiewać coraz silniejszy wiatr cząstek. Czy może on wpłynąć na nasze życie? Oj, tak.

Satelity na złom?

Większość pędzących w naszym kierunku cząstek zostanie zatrzymana przez magnetosferę, czyli naturalną tarczę magnetyczną Ziemi. Gdy cząstki mają dużą energię (a tak zdarza się w czasie największych zawieruch na powierzchni Słońca), mogą przejść przez magnetyczną tarczę. A wtedy dochodzi do zderzenia cząstek ze Słońca z cząsteczkami atmo- sfery i… powstania zorzy polarnej. W czasie standardowej burzy słonecznej zorze widoczne są w okolicach bieguna. Ale w roku 1958, gdy Słońce było szczególnie aktywne, trzykrotnie widywano je nawet w Meksyku. Gdyby wpływ pogody słonecznej na ziemskie życie ograniczał się tylko do mniejszych lub większych zórz polarnych, nie byłoby czym się martwić. Zorze to jednak tylko widoczny znak tego, co dzieje się w ziemskiej atmosferze. Zmiany aktywności Słońca, a konkretnie obecność w atmosferze cząstek naładowanych elektrycznie, mają duży wpływ na działanie wszystkiego, co jest oparte na przepływie prądu. W tym urządzeń elektronicznych. Mogą powodować poważne utrudnienia w odbiorze fal elektromagnetycznych, a więc np. radia i telewizji, ale także krótkofalówek, radia CB i telefonów komórkowych. Rozpędzone cząstki mogą niszczyć satelity, w tym te, które są podstawą systemu GPS, a nawet okrążające Ziemię statki kosmiczne. Plamy słoneczne to jeden z widocznych elementów aktywności Słońca. Drugim są rozbłyski słoneczne. Powstają w wyniku nagłego wyzwolenia nagromadzonej energii pola magnetycznego i mogą trwać wiele godzin. Protuberancje to wyrzuty rozżarzonego gazu (wodoru) z powierzchni Słońca. Przypominają nieco łuki lub wstęgi. Pole magnetyczne Słońca może utrzymywać zapętlone protuberancje przez wiele tygodni, choć niektóre z nich znikają zaledwie po kilku godzinach. W czasie ich trwania wstęgi gazu mogą zmieniać swoje kształty. Wiją się jak wąż albo tworzą płonące włókienka. Szeroka wstęga może się podzielić na kilka mniejszych, a mniejsze mogą połączyć się w jedną dużą. Jak dużą? Fontanny gazu fotografowane przez sondę TRACE tworzyły łuki wysokości setek tysięcy kilometrów. Łuki te mogłyby „objąć” obszar wielkości 30 kul ziemskich! A skoro już o TRACE mowa, astronomowie analizujący jej pomiary zauważyli, że „wstęgi energii” są rozgrzane do milionów stopni Celsjusza dokładnie u swojej podstawy i są raczej pęczkiem czy wiązką cienkich pojedynczych wstążek niż jedną wielką wstęgą. Fascynujące, może także dlatego, że niewiele wiemy o tych strukturach.

Energia nie znika

Z naszej ziemskiej perspektywy Słońce to gigant. Jest gigantem nawet z perspektywy największych w naszym układzie planet, takich jak Jowisz czy Saturn. Ale nie tylko o wielkość gwiazdy chodzi. Do każdego metra kwadratowego ziemskiej atmosfery Słońce dostarcza energię, która wystarczałaby na zaświecenie 10 stuwatowych żarówek. Ale Ziemia to maleńka kropeczka, 150 mln kilometrów od Słońca. Docierają do nas tylko dwie miliardowe części energii, jaką wyświeca Słońce. W każdej sekundzie emituje ono milion razy więcej energii niż całe USA pochłaniają w ciągu roku. I tak sekunda po sekundzie, dzień po dniu, od 4 mld lat. Czy da się tę energię wykorzystać? Jak najbardziej tak. Choć nie wszędzie przynosi to oczekiwane skutki. W zasadzie każdy rodzaj energii odnawialnej na Ziemi jest bezpośrednio albo pośrednio związany z energią słoneczną. Wiatr wieje z powodu różnicy temperatur (z którymi wiążą się różnice ciśnienia), a zmiany temperatury są przecież efektem promieniowania słonecznego. Węgiel, ropa naftowa czy gaz także są „magazynami” energii słonecznej. W końcu węgiel powstał z roślin, a te nie mogłyby rosnąć bez słonecznego światła. W zwęglonych starych drzewach jest energia słoneczna. Nie w przenośni, dosłownie. Inne kopaliny powstały ze szczątków zwierząt, ale te nie mogłyby funkcjonować, gdyby na którymś etapie łańcucha pokarmowego nie jadły roślin zielonych. Jedna z podstawowych zasad w fizyce – zasada zachowania energii – mówi, że energia nie znika i nie pojawia się znikąd, może jednak zmieniać swoją postać. Pisząc o energii słońca „zamkniętej” np. w węglu, który spalając się, produkuje ciepło, a dzięki niemu powstaje prąd, a ten może powodować ruch np. samochodów elektrycznych... energia nie znika. Energię promieniowania słonecznego potrafimy także bezpośrednio zamienić na energię prądu albo na termiczną. Wydajność urządzeń „pozyskujących” energię ze Słońca jest niestety wciąż za mała, a cena ciągle jeszcze za duża. Może technologia ogniw krzemowych, którą dzisiaj wykorzystujemy, jest ślepą uliczką? Tego na razie nie wiadomo, ale co do jednego możemy być pewni. Z czasem nauczymy się pozyskiwać energię słoneczną on line, w czasie rzeczywistym. Tak jak bardzo wydajnie robią to rośliny w procesie fotosyntezy. Węgla może kiedyś zabraknąć, ropy i gazu też, ale Słońce będzie świeciło jeszcze przez miliardy lat.

Jak powstała nasza gwiazda?

Słońce powstało około. 4,5 mld lat temu w sposób bardzo charakterystyczny dla gwiazdy. W miejscu, w którym dziś jest Układ Słoneczny, znajdowała się chmura gazu i pyłu, zwana mgławicą międzygwiazdową. Składała się głównie z wodoru i helu, które powstały w trakcie Wielkiego Wybuchu, 10 mld lat wcześniej. W mgławicy znajdowały się jednak także pierwiastki cięższe, których źródłem były inne gwiazdy. Gwiazdy rodzą się i umierają. Śmierć tych największych zakończona jest spektakularną eksplozją supernowej. W jej efekcie na ogromnych obszarach wszechświata rozrzucane są ciężkie pierwiastki, które wytworzyły się we wnętrzu dużej gwiazdy.

Część mgławicy międzygwiazdowej, z której powstał Układ Słoneczny, była popiołem po dużej gwieździe, która istniała, zanim my powstaliśmy. Mgławica międzygwiazdowa, z której powstał nasz świat, nie przypominała jednak chmury czy mgły, z którymi mamy do czynienia na Ziemi. Przede wszystkim mgławica gwiazdowa była nieporównywalnie rzadsza. No i przede wszystkim dużo, dużo większa. Nie była statyczna i jednorodna. Wirowała wokół swojego centrum, a obszary gęstsze przyciągały materię z rzadszych. W ten sposób wyodrębniły się centrum układu, w którym znajdowało się prawie 99 proc. masy całej chmury, i płaski dysk (talerz), składający się z pozostałego procenta. Część centralna, kula wodoru, z czasem stawała się coraz gęstsza, aż ciśnienie i temperatura, jakie w niej panowały, pozwoliły, by „zabłysła”. Gwiazdy (i pośrednio także my) czerpią energię z reakcji fuzji jądrowej. Polega ona na łączeniu się jąder lekkich atomów w cięższe. Po to, by reakcja mogła się rozpocząć, potrzeba jednak sporej energii. Dlatego gwiazdy „rodzą się” dopiero wtedy, gdy temperatura i ciśnienie kuli wodoru będzie wystarczająco wysokie. W przypadku Słońca ta temperatura wynosiła około 15 mln st. Celsjusza. Słońce zabłysło około 4,5 mld lat temu i powstało z centralnej części wirującego dysku gazów i materii. Z reszty tego dysku powstały planety i ich księżyce (a także planetoidy i komety). Co sekundę Słońce przetwarza około 600 mln ton wodoru na około 400 mln ton helu. Nie będzie świeciło wiecznie, bo wodoru, czyli paliwa, w końcu mu zabraknie. Kiedy to się stanie? Nie wcześniej niż za kilka miliardów lat. Ale nasza gwiazda wtedy nie zgaśnie, wręcz przeciwnie. Temperatura Słońca i jego rozmiary z czasem będą rosły, aż w końcu stanie się tzw. czerwonym olbrzymem. Gdy gwiazda zużyje cały zapas wodoru, będzie kilka razy większa, niż jest dzisiaj. W końcu Słońcu zabraknie paliwa, a wtedy rozpocznie się długi okres jego stygnięcia. Aż w końcu stanie się martwą, zimną kulą materii.

Podstawowe informacje o Słońcu

• odległość od Ziemi – 150 000 000 km (światło ze Słońca na Ziemię podróżuje niecałe 9 minut) • masa – jest cięższe od Ziemi 333 000 razy • czas obrotu wokół własnej osi – 25 dni i 9 godzin • temperatura powierzchni – od 4000 do 6000 st. Celsjusza • temperatura wnętrza – 17 000 000 st. Celsjusza • siła ciężkości – około 28 razy większa niż na Ziemi (ważylibyśmy na Słońcu 28 razy więcej) • odległość Słońca od centrum galaktyki Drogi Mlecznej – 26 000 lat świetlnych • okres obiegu centrum galaktyki – około 250 000 000 lat (z prędkością 250 km na sekundę)

Dostępna jest część treści. Chcesz więcej? Zaloguj się i rozpocznij subskrypcję.
Kup wydanie papierowe lub najnowsze e-wydanie.