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Die Sonne -ein gewöhnlicher Hauptreihenstern
•
• Parameter• Das Sonnenspektrum• Energieerzeugung• Innerer Aufbau• Die Sonnenatmosphäre• Sonnenaktivität• Sonnenwind
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Parameter1. Entfernung von der Erde
• Aus Umlaufzeiten, gemessenen Winkelabständen im Sonnensystem und dritten Keplerschem Gesetz:
• 149.6 Mio km = 1 AU
aErde3
T Erde2 =
aVenus3
T Venus2
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Parameter2. Radius
• Aus beobachtetem Winkeldurchmesser von 16' und Entfernung
• 70000 km = 109 R⊕
•
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Parameter3. Masse
• Bestimmung aus Erdbahn und Gravitationsgesetz•
• 2 x 1030 kg = 700 Malle Planeten = 1000 MJ = 333000 M⊕
• Eindeutiges Gravitationszentrum des Sonnensystems• => Schwerebeschleunigung an der Oberfläche
274 m/s² = 28 g⊕
aErde3
T Erde2 = G
42 M SonneM Erde
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Parameter4. Oberflächentemperatur
••
• Bestimmung aus dem kontinuierlichen Spektrum
• 5780 K = 5500 °C
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Parameter5. Zusammensetzung
• Bestimmung aus beobachtetem Linienspektrum
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Parameter5. Zusammensetzung
•
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• Hochaufgelöstes volles Sonnenspektrum
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Parameter5. Zusammensetzung
• Bestimmung aus beobachtetem Linienspektrum• 74.8% H• 23.8% He• 1.4% “Metalle”
• O (0.8%)• C (0.3%)• Ne (0.1%)• Fe (0.1%)
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Parameter6. Leuchtkraft
• Bestimmung aus der Solarkonstanten• Strahlungsleistung auf der Erde• Senkrechter Einfall• Außerhalb der Atmosphäre• 1.36kW/m²
• Nicht vollständig für Energiegewinnung nutzbar• Isotrope Abstrahlung über Kugel mit 1AU Radius• 3.8 x 1026W
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Energieerzeugung
• Kernfusion• Verbrennung von Wasserstoff zu
Helium
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Energieerzeugung
• Kernfusion• Verbrennung von
Wasserstoff zu Helium
• Prinzip:– Umwandlung von
Materie in EnergieE = m c²
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Energieerzeugung
Kernfusion
Kernspaltung
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Energieerzeugung
• Energiefreisetzung bei Fusion 4 H -> He
• 4.2 x 10-12 Ws/He-Kern
• Vgl. Gesamtleuchtkraft 3.8 x 1026 W=> 1038 He-Kerne pro Sekunde
• Verbrauch von 2 x 1019 kg H pro Jahr=> H reicht für 80 Mrd. Jahre(praktisch nur 10 Mrd. Jahre)
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Nachweis der Fusion
• Neutrinos alsNebenproduktder Fusion
• Neutrinos durch-dringen “alles”
• Verlassen dieSonne direkt
• Sind schwernachzuweisen
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Neutrinoteleskope
• Unterirdische Teilchendetektoren• Schauen in der Nacht nach “unten”
Super-Kamiokande-Neutrino-Detektor
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Das Neutrinoproblem
• Die Detektoren messen nur 1/3 dererwarteten Neutrinos
• Erklärung: „Neutrino-Oszillationen”– Die Neutrinos wandeln sich in “unsichtbare”
Tau- oder Muon–Neutrinos um– Impliziert Ruhemasse der Neutrinos
=> Revolution der Physik
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• Bedingungen für Kernfusion in der Sonne:
– Temperatur: 15 Mio K– Dichte: 100 g/cm³
• Vergleiche Oberfläche:– 5770 K– 1.4 g/cm³
=> Schalenstruktur
Innerer Aufbau
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Innerer AufbauPhysikalische Gesetze für die Stellare Struktur:
1. Hydrostatisches Gleichgewicht
2. Energietransport
3. Massenerhaltung
4. Energieerhaltung
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•Hydrostatisches Gleichgewicht
• Gleichgewicht zwischen Gravitation und thermischem Druck:
•Wenn der thermische Druck zunimmt expandiert der Stern•Durch die Expansion sinkt die Temperatur•Die Schwerkraft führt zu erneuter Kontraktion.
• Gilt nicht nur für den Gesamtstern, sondern für jede innere Schale
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Energietransport durch Strahlung
• Photonen bewegen sich durch Plasma mit Elektronen und Kernrümpfen
• Können jederzeit wieder absorbiert werden• Werden schnell wieder emittiert•
Frei-frei-Absorption Thompson-Streuung
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Energietransport durch Strahlung
• Mittlere freie Weglänge l : wenige cm• Random-walk durch die Sonne
• 105 Jahre, bis das Photon die Oberfläche erreicht hat
d=l N
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Energietransport durch Strahlung
• Resultierender Abfall der Temperatur T :
– r – betrachterer Radius– Lr – Leuchtkraft innderhalb von r– σ – Stefan-Boltzmann-Konstante
• Sehr steil im Inneren für kleine r
dTdr
=−3
64
Lrl r 2T 3
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Energietransport durch Konvektion
• Aufsteigen von heißen Blasen• Erfordert Instabilität:
– (dT/dr)ad = adiabatischer Temperaturgradient produziert durch Abkühlung aufsteigender Blasen
– (dT/dr)env = Umgebungsgradient
dTdr
ad
dTdr
env
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Energietransport durch Konvektion
• Instabilität produziert Zellen von aufsteigendem und herabsinkendem Gas
• Dominiert Energie-transport im oberen Drittel der Struktur
• Sichtbar als Granulenan der Oberfläche
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Innerer Aufbau• Steiler Temperaturabfall
=> 3 Zonen (jeweils etwa ein Drittel des Radius):
– Fusionszone– Strahlungszone– Konvektionszone
• Langsamerer Dichteabfall
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Innerer Aufbau• 96% der Masse in 0.5 R⊙
• Fusion/Energieerzeugung nur im inneren Drittel
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Innerer AufbauÜberprüfung durch Helioseismologie• Ausbreitung von
Dichtewellen inSonne
• Die Sonne bebtimmer
• Schwingungen mit Perioden von5min, 3min, und2.5min.
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Die Sonnenatmosphäre
• Die Photosphäre– Quelle der sichtbaren Photonen– Untere Atmosphärenschicht– Temperaturgradient
● Randverdunklung– Veränderlich
● Sonnenflecken
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Sonnenflecken
• Temperatur rund 1000K geringer als Umgebung
• Lebenszeit: – Tage -Monate
• Erlauben Messung der Rotation– differentiell:– 25d am Äquator– 30d am Pol– Mittel: 26d
(synodisch 27d)
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Sonnenflecken
• SOHO: 30.10.2009
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Sonnenflecken
• Gaswirbel um magnetische Pole
Messung des Magnetfeldes durch Zeeman-Splitting von Linien
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Sonnenflecken
• Ausdruck von Sonnenaktivität
– 11-Jahres-Zyklus (22a Periode)•
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Die Chromosphäre
• Nur sichtbar bei Sonnenfinsternissen• Dicke:
– ca. 5000 km• Temperatur
– bis 105 K•
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Die Chromosphäre
• Ursprung von Emissionslinien
• Sonnenaktivität:– Protuberanzen– Eruptionen
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•Äußerste Atmosphärenschicht•Erstreckt sich in den interplanetaren Raum
•
Die Korona
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• Gastemperatur bis 1 Mio K• Aber Helligkeit nur 10-6 der Photosphären- helligkeit• Direkt sichtbar im Röntgenlicht
Die Korona
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•Form veränderlich je nach Sonnenaktivität•Flares - Koronale Massenauswürfe
•Radiobeobachtungen enthüllen Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldschleifen
•Quelle des Sonnenwindes: •langsam 100km/s•schnell 500-2000km/s
Die Korona
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Die Korona
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Der Sonnenwind
• Flares
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Der Sonnenwind• “Brechung”
des Sonnen-windes am Erdmagnet-feld
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Der Sonnenwind• Elektrisch
geladene Teilchen müssen sich in Spiralen entlang der Feldlinien bewegen.
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Der Sonnenwind
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Der Sonnenwind
• Hohe Strahlen-belastung imvan-Allen-Gürtel