Ilmiö Auringossa: Energiantuotanto

KAK – Aurinko saa energiansa ytimestä tapahtuvista ydinfuusioista. Ydin on vain 1,5 % Auringon koko tilavuudesta ja noin 20 % säteestä. Vedyn muuttuminen heliumiksi tuottaa 3,86 x 10²⁶ J/s. Ydinreaktiot ovat mahdollisia ytimen 15 miljoonan Kelvin asteen lämpötilassa ja 2,50 x 10¹⁷ pascalin paineessa (1 bar = 100 000 Pa).

Ydinfuusiossa neljästä vety-ytimestä (protonista) syntyy yksi helium-ydin. Yhdestä kilosta vetyä fuusiossa muuttuu energiaksi vain 0,007 kg (7 g). Yhtälön E=mc² mukaan tätä massamäärää vastaava energiamäärä on 6 x 10¹⁴ J. Vaikka luku saattaa tuntua suurelta, tarvittavaan energian tuotantoon kuluu massaa 5 miljoonaa tonnia sekunnissa.

Energiantuotanto tapahtuu suurimmaksi osaksi kahdella eri reaktiolla. Ensimmäinen reaktio tuottaa noin 90 % energian koko tuotannosta. Reaktio tapahtuu seuraavasti:

 ¹H + ¹H → ²D + e⁺ + ν

²D + ¹H → ³He + γ

³He + ³He → ⁴He + ¹H + ¹H

jossa

¹H on vety

²D on deuterium

³He on helium-3

⁴ He on helium-4 (tavallinen helium)

e⁺ on positroni (sähkövarauksellinen elektronin massainen hiukkanen)

ν on neutriino (lähes massaton varaukseton hiukkanen)

γ on sähkömagneettisen säteilyn fotoni.

 

Reaktiossa vapautuu 26,7 MeV energiaa jokaista tuotettua heliumydintä kohti.  Lisäksi syntyy yksi positroni ja yksi elektronin neutriino.

 Toinen reaktiosarjoista on pitempi, ja se käyttää hiiltä katalyyttinä:

 

¹²C + ¹H → ¹³N + γ

¹³N → ¹³C + e⁺ + ν

¹³C + ¹H → ¹⁴N + γ

¹⁴N + ¹H → ¹⁵O + γ

¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + ν

¹⁵N + ¹H → ¹²C + ⁴He + γ

jossa

¹²C on hiili

¹³N on typpi

¹⁴N on typpi

¹⁵O on happi

¹⁵N on typpi,

 

muut merkinnät samat kuin edellä.

Reaktiossa syntyy kaksi positronia, kaksi elektronin neutriinoa ja neljä sähkömagneettisen säteilyn fotonia. Positronit ovat kuitenkin elektronien antihiukkasia, joten niiden kesto Auringon ytimen olosuhteissa ei ole kovin pitkä. Ne annihiloituvat elektronien kanssa ja jokaisesta positroni-elektroni parista syntyy kaksi fotonia.

Yhden fotonin energia vastaa gammasäteilyä, joka poistuu ytimen alueelta. Se kuitenkin absorboituu hyvin nopeasti ja monta kertaa ennen kuin se pääsee Auringon pinnalle. Tällä matkalla gamma säteily muuttuu ensin röntgensäteilyksi, sen jälkeen ultraviolettisäteilyksi, valoksi ja viimein lämpösäteilyksi. Maapallon etäisyydellä Auringosta säteilyteho on noin 1368 wattia neliömetrille.

 

Luminositeetti

Aurinko säteilee energiaa 3,86 x 10²⁶ W teholla. Suurin osa tästä säteilystä tapahtuu näkyvän valon ja infrapunaisen säteilyn aallonpituuksilla. Vain noin 1 % kokonaissäteilystä tapahtuu radiotaajuuksilla, UV- ja röntgensäteilynä.

 

Irradianssi

Maapallon vastaanottamaa säteilymäärää neliömetrille kutsutaan irradianssiksi.

Maapallo sijaitsee pyörein luvuin 150 miljoonan kilometrin etäisyydellä Auringosta. Tästä voidaan laskea, että maapalloon osuu vain 0,000000045 %. Tämä on kuitenkin noin 1,75 x 10¹⁷ W ja yhdelle neliömetrille siitä tulee noin 1368 watin teholla.

Lukua 1368 W sanotaan aurinkovakioksi, vaikka luku sinällään ei olekaan vakio. Maapallon rata on ellipsi, ja etäisyys Auringosta vaihtelee vuodenkierrossa. Niinpä vastaanotettu energiamäärä vaihteleekin ± 3 %.

Auringon säteilyvoimakkuuskin vaihtelee. Yli kolmen vuosikymmenen aikana tehdyt satelliittimittaukset osoittavat, että vaihtelu on noin ±0,1 % auringonpilkkujakson mukaisesti siten, että voimakkainta säteily on auringonpilkkumaksimin aikaan.

Tutkimukset pidemmällä aikavälillä osoittavat, että vaihtelua voi olla jopa 1 % neljänsadan vuoden jaksoissa. Lisäksi muista G-tyypin tähdistä tiedetään, että niiden luminositeetti voi vaihdella jopa 4 %, joten nykyinen Auringon säteilyvoimakkuuden vaihtelu tuntuu varsin pieneltä.

 

Alla olevassa taulukossa on Auringon säteilyn tehot neliömetrille (irradianssi), aktiivisuusjakson aikainen keskimääräinen vaihtelu, säteilyn läpäisevyys ilmakehässä ja ionisaationvaikutus. Lähde NASA/SDO.

Säteilyn aallonpituusalue	Energiavuo	Vaihtelun määrä		Imeytymiskorkeus	Ionisaatio
TSI (näkyvä ja infrapuna)	1366 W/m2	1,2 W/m2	0,1 %	maanpinta	alhainen
MUV (200–300 nm)	15,4 W/m2	0,17 W/m2	1 %	15 – 50 km	alhainen
FUV (126–200 nm)	50 mW/m2	15 mW/m2	30 %	30 – 120 km	keskinkertainen
EUV (0-125 nm)	10 mW/m2	10 mW/m2	100 %	80 – 250 km	korkea