宇宙の科学（第６章）前回の問題の答え宇宙の科学木星の質量は、地球の質量のおよそ何倍でしょう？  科学技術理解Ⅲ（宇宙の科学）   第６章太陽    0.3倍 3倍 30倍 300倍 3000倍 2 1 太陽  太陽と惑星の最大の違いは？    太陽の概観  太陽は自分自身で光っている（エネルギーを出している）。惑星は太陽の光を反射して光っているだけ。  太陽のように自ら光っている星を、恒星という。直径140万ｋｍ（地球の110倍）、質量2x1030kg（地球の33万倍）、平均密度1.4g/cc 中心温度1500万K、表面温度6000Kの巨大なガス球。    Kは絶対温度の単位ケルビン。摂氏温度をCとすると、絶対温度K=C+273。年齢は46億年。地球からの距離は1億5千万km（1天文単位） 3 太陽の概観（つづき）     光球太陽の自転周期は緯度によって異なる。  4  赤道部分で約２５日、極近くで約３０日というように、赤道に近い所ほどより速く自転。これは太陽がガス球だから。遠心力のため赤道付近は少し膨れている。太陽の質量の約75％は水素、残りのほとんどはヘリウム（それ以外の元素はごく微量） 5 光球は太陽の表面に相当する部分。厚みは約300km。   これより深いところではガス密度が急激に高くなり、不透明になる。我々が受け取る太陽からの光は、光球（温度約６千K）から放射されたもの。 6 1 宇宙の科学（第６章）黒点    黒点（つづき）光球面には黒点が現れる。典型的な黒点は中央の暗部とその周りの半暗部からなる。平均的な大きさは約1 万km、大きいものは 10万km以上。    黒点はまわりより温度が低い（暗部が 4000K、半暗部が5500K）ので、黒く見える。黒点は一般に対をなして現れる。一方はN 極、他方はS極の磁石の性質をもつ。黒点の数は約１１年の周期で大きく変動する。太陽活動が盛んなときは黒点の数が多い。 7 今起こっている太陽磁場の異変 8 彩層  太陽の大規模磁場は約11 年の周期で反転している。が、今は北極の磁場だけ反転しそう。 ↓ マウンダー極小期もこのような状態であったらしい。 ↓ 地球が寒冷化する？？   彩層は光球の外側にある薄い大気の層（厚さ約2000km）。彩層の光は弱く普段は見えない。皆既日食のとき赤く輝いて見える。温度は7千K～１万K。 9 コロナ   10 コロナ（つづき）彩層の外側には、さらに希薄な大気であるコロナがある。コロナの光は弱いので普段は見えない。皆既日食のとき見える。   11 コロナは温度が約200万Kの、密度が極端に低い電離気体（プラズマ）。コロナの温度は、なぜ光球の温度よりずっと高いのか？ ⇒ 磁場が関係しているらしい。 12 2 宇宙の科学（第６章）プロミネンス（紅炎）    フレアプロミネンスは彩層から立ち上がる赤い炎のようなガスの流れ。周りのコロナより低温で高密度。形、大きさ、寿命はさまざま。大きいものは高さ百万km、寿命は長いもので数ヶ月。    フレアは太陽表面で起こる爆発現象。典型的なフレアは数秒で立ち上がり、数十分～数時間継続。大きなフレアが起こると、フレアで加速された粒子が地球に到達し、電波障害やオーロラなどを引き起こす。 13 太陽風とオーロラ   14 太陽が出すエネルギーコロナ外縁部からは、太陽の重力を振り切って、プラズマが外に流れ出している（秒速数百kmの速度）。 ⇒ これが太陽風地球に到達した太陽風の一部は、北極・南極付近から地球大気圏に進入し、大気中の酸素原子、窒素原子・分子などと衝突する。 ⇒ このときの発光現象がオーロラ   地球が受けとる太陽エネルギーの標準値は、１平方cm当たり、1分間に約２ cal（カロリー）。太陽が出している全エネルギーは、１秒間に約1023kcal（キロカロリー)。 15 太陽が出すエネルギー（つづき）   石油が燃えると、1kg当たり約１万kcalの熱が出る。つまり、太陽は、毎秒1019kgの石油が燃えることに相当するエネルギーを出し続けている。  仮に、太陽が石油のかたまりだとしたら、わずか6000年で燃え尽きる。 17 16 太陽が出すエネルギー（実際に計算してみよう）   太陽の出すエネルギーは1023kcal/s、石油は1kg あたり1万kcalのエネルギーを出す。 ⇒ 1023kcal/s÷1万kcal/kg＝1019kg/s ⇒ 1秒間に1019kgの石油が燃えることに相当。太陽質量は2×1030kg ⇒ 2×1030kg÷1019kg/s ＝2×1011s≒6000年 ⇒ 太陽が石油から出来ているとすると、6000 年しか持たない。 18 3 宇宙の科学（第６章）エネルギーのいろいろな形態  電子－エネルギーの形態にはいろいろある。    陽子物が燃えるときに出るのが化学エネルギー。（例：火力発電）物が高いところから低いところに落ちるときに出るのが重力エネルギー。（例：水力発電）原子核反応のとき出るのが核エネルギー。（例：原子力発電）＋＋原子核中性子－原子の構造の概念図 20 19 核反応    質量とエネルギーの等価性核分裂：重い原子核（ウランなど）が分裂する現象。原子力発電、原子爆弾は核分裂を利用。核融合：軽い原子核（水素など）どうしがくっついて、より重い原子核ができる現象。水素爆弾は核融合を利用。どちらの場合も大量のエネルギーが発生。   アインシュタインは「質量とエネルギーは等価である」ことを発見した。エネルギーをE、質量をm、光速をc（約30 万km/s）とすると、次の式が成り立つ。 E  mc 2 ＊この式から、1gの質量は２百億kcalのエネルギーに相当することがわかる。 21 太陽における核反応    22 核反応の効率太陽の中心部では、水素原子核４個がヘリウム原子核１個に変換される核融合反応が起こっている。この反応で、水素1gあたり0.0072gの質量が失われ、1.4億kcalのエネルギーが発生。この核反応により、太陽は百億年以上輝き続けられる。 23    石油燃焼： 1ｋｇ → 1万kcal つまり、1ｇ → 10kcal 水素核融合： 1g → 1.4億kcal よって、水素核融合のほうが、 1.4億kcal/10kcal＝1400万倍効率がよい。 24 4 宇宙の科学（第６章）太陽のエネルギー源   太陽のエネルギー源は、中心部で起こっている核融合反応。そのような核融合反応は太陽中心部（1500万K）のように、超高温でないとおきない。 25 5