Astronomia ze Światem Głuchych #5 Słońce

Słońce — wszyscy wiemy, czym jest. Czujemy je codziennie. Widzimy je codziennie. Nawet jak jest schowane za chmurami, to w dzień jest jasno, własne dzięki Słońcu. Krótko mówiąc — bez Słońca życie na ziemi nie mogłoby istnieć. Ale czym właściwie jest Słońce? Jak działa?

Wielkość Słońca

Zacznijmy od tego, że Słońce jest OLBRZYMIE. Słońce ma kształt prawie idealnej kuli, o średnicy około 1 400 000 km. Dla porównania Ziemia ma średnicę 12 742 km. Oznacza to, że średnica Słońca wynosi tyle, co 109 Ziem!!! Zobaczmy to na ilustracji
(57 sekunda w filmie).

Natomiast gdybyśmy porównali Słońce do olbrzymiej pustej kuli czy piłki, to w jej wnętrzu mogłoby się zmieścić aż milion Ziem! Zwykły samolot, aby okrążyć Słońce, potrzebowałby aż 7 miesięcy. I chociaż Słońce jest ogromne, to należy do grupy gwiazd średniej wielkości — w kosmosie są inne gwiazdy tak wielkie, że porównując je ze Słońcem, Słońce jest przy nich malutką kropeczką. Zresztą, zobaczcie sami
(zobacz w filmie 1:39).

Masa Słońca

Słońce jest też potwornie ciężkie. Jeżeli porównamy masę Słońca i Ziemi, to masa Słońca jest 333 000 razy większa niż masa Ziemi. Masa Słońca wynosi 99,86% masy całego układu słonecznego. Co to znaczy? Jeżeli policzymy wagę wszystkich planet, takich Mars, Jowisz, Ziemia itd., ich księżyców, różnych planetoid, asteroid i wszystkiego, co jest w układzie słonecznym, to masa tych wszystkich obiektów będzie stanowić zaledwie 0,14% masy całego układu słonecznego. Reszta to właśnie Słońce. W jądrze Słońca materia jest bardzo gęsta — 1 litr materii z jądra słońca waży ok. 150 kg.

Odległość z Ziemi do Słońca

Słońce jest też bardzo daleko. Pamiętasz odcinek Astronomii ze Światem Głuchych nr 3 o jednostkach astronomicznych? W odcinku tym było powiedziane, że Słońce znajduje się w odległości 150 mln km od Ziemi — aby zrozumieć, jak to jest daleko, posłużmy się przykładem: jakbyś chciał polecieć do Słońca z prędkością zwykłego samochodu, leciałbyś ok. 200 lat.

Budowa Słońca – jądro

A jak zbudowane jest Słońce? Składa się z gorącej plazmy. Czym dokładnie jest plazma, to na pewno zrobimy o tym kiedyś oddzielny odcinek, ale wyobraźmy ją sobie jako bardzo gęsty gaz. Mamy więc olbrzymią kulę gazu, w której zachodzi przemiana wodoru w hel — w ciągu jednej sekundy 620 mln ton wodoru przemienia się w hel. Powstaje również energia. W środku Słońca znajduje się oczywiście jądro. To właśnie w nim zachodzą reakcje, o których przed chwilą powiedzieliśmy. Z jądra fotony przenoszą energię do górnych warstw Słońca. Trwa to ponad milion lat! Jądro zajmuje ok 25% średnicy Słońca.

Budowa Słońca – strefa promienista

Poza jądrem Słońce dzielimy na tak zwane warstwy czy też powłoki, strefy — każda z nich ma inne cechy. Pierwszą z nich – poza jądrem – jest strefa promienista, rozciąga się do ok 70% promienia Słońca. Nie zachodzą w niej reakcje chemiczne, ale następuje przekaz ciepła z jądra na zewnątrz Słońca.

Budowa Słońca – strefa konwektywna

Druga warstwa to strefa konwektywna — od 70% promienia słońca do jego powierzchni. Ta warstwa ma ok. 200 000 km grubości. Co się dzieje w tej warstwie? Gorący gaz unosi się do góry, do powierzchni słońca. Tu gaz schładza się, a następnie, już schłodzony, opada niżej. Niżej ponownie ogrzewa się i cały cykl się powtarza. Proces ten nazywamy konwekcją.

Budowa Słońca – fotosfera

Kolejna warstwa to fotosfera — to ta część Słońca, którą widzimy. Ma ona grubość „zaledwie” około 400 km. Dla uproszczenia można by powiedzieć, że fotosfera, to powierzchnia Słońca. Jednak ponieważ Słońce jest olbrzymią kulą gazu, ciężko określić, gdzie ta powierzchnia miałaby się znajdować. Dlatego przyjmuje się, że jest to miejsce, gdzie atmosfera słoneczna widziana z Ziemi, przestaje być przeźroczysta. To w tej warstwie powstaje większość fotonów.

A jak wygląda fotosfera z bliska? Widzicie to na filmie za mną (zobacz film 6:23). To, co widzimy, nazywamy granulacją słoneczną. Wygląda trochę jak gotująca się, gęsta zupa, prawda? Ale z filmu nie bardzo wiadomo, jakiej to jest wielkości. A więc — w każdym takim jasnym fragmencie, komórce, zmieściłaby się Polska.

Przed chwilą mówiliśmy, że gorący gaz, plazma, unosi się do powierzchni. Na filmie jasne fragmenty, komórki, to właśnie gorący gaz. Gaz stygnie i spływa w stronę tych czarnych linii, czyli brzegów komórek. To miejsca chłodniejszego gazu. Chłodniejszego, nie znaczy zimnego. On wciąż jest gorący, tylko chłodniejszy niż jasna część. A następnie, z tych czarnych miejsc, gaz spływa w głąb gwiazdy, do strefy konwekcyjnej, gdzie ponownie się nagrzewa.

Te czarne paski wyglądają na wąskie, ale mogą mieć szerokość nawet 200 km. I w rzeczywistości nie są czarne — po prostu emitują mniej światła, niż jasne fragmenty, dlatego na fotografii widzimy je jako ciemniejsze.

Atmosfera słoneczna – korona słoneczna

Powyżej fotosfery jest atmosfera słoneczna. Częścią atmosfery słonecznej jest korona słoneczna. I chociaż jest ona świecąca i znajduje się nad powierzchnią Słońca, to nie możemy jej zobaczyć, ponieważ jej światło jest zbyt słabe w porównaniu z oślepiającym światłem fotosfery. Jest jednak jeden wyjątek, kiedy na własne oczy możemy zobaczyć koronę słoneczną — to pełne zaćmienie Słońca. Wtedy, przez parę minut Księżyc zakrywa tarczę Słońca — fotosferę, i przepięknie ukazuje się właśnie korona słoneczna.

Niestety, najbliższe pełne zaćmienie Słońca widziane z Polski, to data 7 października… 2135. Może warto zapisać w kalendarzu? 😉

Atmosfera słoneczna – heliosfera

Jeszcze dalej znajduje się największa część atmosfery słońca — heliosfera. Heliosfera wypełniona jest plazmą wiatru słonecznego — jest on bardzo rzadki i rozciąga się poza układ słoneczny! Heliosferę można porównać do wielkiego bąbla rozciągającego się na miliardy kilometrów. Ziemia też znajduje się wewnątrz heliosfery, możemy więc powiedzieć, że Ziemia znajduje się w atmosferze słonecznej. Zobaczmy na ilustracji, jak to może wyglądać (9:32). Pamiętajmy, że jest to artystyczna ilustracja, a nie prawdziwe zdjęcie. Mała żółta kropka to Słońce, wokół niego orbity planet i daleko poza nimi widzimy bąbel heliosfery.

Heliosfera jest niebezpieczna dla Ziemi, jednak mamy tarczę, w postaci atmosfery ziemskiej oraz pola magnetycznego Ziemi. Jednocześnie, ta sama heliosfera, która jest dla nas niebezpieczna, chroni nas przed promieniowaniem kosmicznym, które pochodzi z innych gwiazd i jest bardzo niebezpieczne.

Temperatura słońca

Słońce jest gorące i przekonujemy się o tym osobiście w upalny dzień. Ale oczywiście temperatura Słońca jest nieporównywalnie większa niż ta, tu na Ziemi. I tak: w jądrze Słońca temperatura wynosi około 15,5 mln stopni. Na powierzchni Słońce ma temperaturę ok. 5500 stopni Celsjusza, a następnie gwałtownie rośnie, i kilka tys. km nad powierzchnią Słońca, korona Słońca, czyli to, co widzimy w czasie zaćmienia Słońca, ma temperaturę kilku milionów stopni. Naukowcy nie do końca rozumieją, skąd się bierze ten gwałtowny wzrost temperatury.

Plamy słoneczne

Czasami na powierzchni Słońca widać tzw. plamy słoneczne. Co to jest? Wcześniej mówiliśmy, że gorący gaz, plazma, unosi się na powierzchnię, schładza i opada z powrotem w głąb gwiazdy. Ale czasem ten proces jest zaburzony i miejscami do powierzchni dociera chłodniejszy gaz niż normalnie, niż w pozostałej części Słońca. I podobnie jak wcześniej widzieliśmy czarne paski — brzegi komórek, które są chłodniejsze niż pozostała powierzchnia, tam samo plamy słoneczne to chłodniejszy gaz, który my na zdjęciach widzimy jako ciemne miejsce, plamy. W rzeczywistości są one jasne, tylko ciemniejsze niż otoczenie. I chociaż plamy są chłodniejsze od pozostałej powierzchni słońca, która ma temperaturę ok. 5500 stopni Celsjusza, to i tak są bardzo gorące — mają temperaturę ok. 4 tysięcy stopni Celsjusza.

Czasami Słońce jest całkowicie czyste od plam słonecznych, a następnie jest ich coraz więcej, aż ponownie ich ilość maleje i całkowicie zanika, i cykl się powtarza. Taki jeden cykl trwa ok. 11 lat. I właśnie niedawno, w roku 2021 rozpoczął się nowy cykl. Oznacza to, że przez najbliższe 5, 6 lat ilość plam słonecznych będzie rosnąć.

Obrót Słońca wokół własnej osi

Wyobraźmy sobie, że Ziemia to olbrzymia piłka. Jeżeli zaznaczymy, na przykład narysujemy niej trzy punkty, jeden na górze, jeden pośrodku i jeden na dole, i obrócimy piłkę, to wszystkie te punkty też się obrócą i powrócą w to samo miejsce dokładnie w tym samym czasie. I tak jest na Ziemi — cała nasza planeta obraca się równo i trwa to 24 godziny. Słońce też się obraca, ale jego obrót nie jest tak równy, jak na Ziemi.

I tak: czas obrotu na równiku to 25 dni, a na biegunach 35 dni. Dzieje się tak, ponieważ Słońce jest olbrzymią kulą gazu. Powoduje to zaburzenia pola magnetycznego, przyczynia się do powstawania plam słonecznych, o których mówiliśmy przed chwilą, jak również powstają protuberancje czy rozbłyski.

Protuberancje i wiatr słoneczny

To, co widzimy na ilustracji (13:49), to właśnie protuberancja. Ten łuk to część gazu, powierzchni Słońca, który wystrzelił, tworząc tak piękne kształty. Są one olbrzymie. W środku tego łuku mogłoby się zmieścić kilka takich planet jak Ziemia. Najczęściej cała ta materia, która wystrzeliła, opada z powrotem na powierzchnię Słońca. Czasami jednak siła eksplozji jest tak duża, że materia ta, o wielkiej energii, i wadze miliardów ton, ucieka w przestrzeń kosmiczną. Nazywamy to rozbłyskiem słonecznym i może on być dla nas bardzo niebezpieczny. Taki rozbłysk zawiera olbrzymią ilość energii. Nazywamy go wiatrem słonecznym.

Przed niewielką energią, Ziemię chroni atmosfera i pole magnetyczne — energia ta jest spychana w stronę biegunów Ziemi, w wyniku czego widzimy tam przepiękne zorze polarne. Ale gdyby duży rozbłysk słoneczny trafił w Ziemię, nasze pole magnetyczne mogłoby się okazać za słabe.

Burza geomagnetyczna

Tak było 1 września 1859 roku. Zarejestrowano wtedy jedne z największych odnotowanych rozbłysków. Ten wielki rozbłysk jako pierwszy dostrzegł angielski astronom amator Richard Christopher Carrington. Rysował on plamy słoneczne. W tym celu obserwował on Słońce, ale oczywiście nie robił tego gołym okiem, bo tak robić nie wolno. Wyglądało to tak, że miał teleskop wycelowany w Słońce, który rzucał światło na kartkę. Na kartce widział zarówno Słońce, jak i plamy słoneczne. Następnie przerysowywał kształt plam słonecznych.

I właśnie akurat wtedy doszło do największego rozbłysku słonecznego w historii. Astronom zobaczył na kartce świetliste punkty, dlatego że rozbłysk na słońcu był tak silny i jasny. 18 godzin później na świecie zapanował chaos. Oczywiście w XIX wieku było bardzo mało urządzeń elektrycznych, które mogłyby się popsuć, ale np. były linie telegraficzne — w wyniku dotarcia do Ziemi rozbłysku słonecznego, linie te iskrzyły się i zapalały! Kompasy świrowały, a zorza polarna była widoczna nie tylko na biegunach, ale też na Kubie, w Australii czy Wielkiej Brytanii!

Współczesne zagrożenie

Co by się stało, gdyby w obecnych czasach doszło do takiego rozbłysku? Było tak w marcu 1989 roku. Rozbłysk do Ziemi dotarł po trzech dniach. Zorza polarna była widoczna na Florydzie, a 7 mln mieszkańców kanadyjskiego Quebecu nie miało prądu.

Widzimy więc, że silny rozbłysk słoneczny może pozbawić nas prądu, zniszczyć linie przesyłowe, satelity, systemy komunikacji, elektronikę. Straty byłyby ogromne. Ale nawet dużo mniejszy rozbłysk może zakłócić łączność satelitarną czy też całkowicie zniszczyć satelity — znajdują się one bowiem poza chroniącym Ziemię polem magnetycznym. Niestety, w żaden sposób nie potrafimy wpłynąć na aktywność Słońca, ani obronić się przed uderzeniem w Ziemię rozbłysku słonecznego.

I podobną sytuację mieliśmy niedawno, a dokładniej: w niedzielę, 30 stycznia – nastąpił rozbłysk słoneczny, który zaczął przemieszczać się w stronę Ziemi. W czwartek, 3 lutego – firma SpaceX wyniosła na orbitę 49 satelitów Starlink. W piątek, 4 lutego – rozbłysk słoneczny dotarł do Ziemi. 40 satelitów zostało zniszczonych.

Co się stało? Czy zostały spalone przez rozbłysk? Nie. Sam rozbłysk słoneczny, a właściwie cała ta energia, która dotarła do Ziemi z tego rozbłysku, nie uszkodziła satelitów. Ale rozbłysk słoneczny spowodował na Ziemi burzę geomagnetyczną, w wyniku której zwiększyła się gęstości atmosfery. Satelity znajdowały się na wysokości około 200 kilometrów. W wyniku burzy gęstość atmosfery w tym miejscu zwiększyła się o około 50%. Powstał więc dużo większy niż normalnie opór powietrza, satelity zwolniły i spadły.

Oczywiście gęstość atmosfery na wysokości 200 kilometrów nadal była bardzo mała w porównaniu z tą, na dole, na ziemi. Ale jej nagłe zagęszczenie wystarczyło, aby satelity spadły ze swojej niskiej orbity.

Astronomia ze Światem Głuchych

To tyle na dziś. Dużo informacji o Słońcu dziś było, prawda? 🙂 A przecież jest jeszcze wiele spraw, o których w tym odcinku nie wspomnieliśmy. Dlatego na pewno jeszcze nie raz powrócimy do Słońca w naszych filmach. A na koniec ostrzeżenie: pamiętajcie, NIGDY nie patrzcie w Słońce gołym okiem ani tym bardziej lornetką czy teleskopem!!! Można w ten sposób trwale, nieodwracalnie zniszczyć sobie wzrok!

Do zobaczenia w kolejnych odcinkach Astronomii ze Światem Głuchych.