Κεφάλαιο 1 Τα γενικά χαρακτηριστικά του Ήλιου 15
ΗΛΙΟΣ Ο Ήλιος είναι το πιο κοντινό σε µας άστρο, αφού η απόσταση του αγγίζει µόλις τα 8 πρώτα λεπτά φωτός (το επόµενο πιο κοντινό αστέρι είναι ο Εγγύτατος Κενταύρου, που βρίσκεται σε απόσταση 4,27 ετών φωτός από τη Γη). Παρόλο που ο Ήλιος ως αστέρας δεν έχει κάτι σηµαντικό να παρουσιάσει, αφού δεν αποτελεί παρά ένα κοινό άστρο της Κυρίας Ακολουθίας, για µας είναι πολύ σηµαντικός, τόσο για τη διατήρηση της ζωής πάνω στη Γη όσο και από επιστηµονικής άποψης. Μυθολογία Για τη ζωτική σηµασία που παρουσιάζει ο Ήλιος όσον αφορά τη συντήρηση της ζωής, δεν χρειάζονται περαιτέρω διευκρινίσεις για να κατανοήσουµε το αυτόνόητο. Από τις απαρχές της δηµιουργίας οι άνθρωποι κατάλαβαν τη σηµασία του και τον ονόµασαν Θεό. Για τους αρχαίους Αιγυπτίους αντιπροσώπευε τον θεό Άµµων-Ρα, για τους Ασσύριους τον Βάαλ, για τους Αµµωνίτες τον Μολώχ, για τους Πέρσες τον Μίθρα, για τους Βαβυλώνιους τον Σαµάς, για τους αρχαίους Ινδούς τον Σούρυα, για τους Φοίνικες και τους Χαναναίους τον Ελ, ενώ για τους αρχαίους Έλληνες ήταν ο θεός Ήλιος που µε το άρµα του και τα άλογά του διέσχιζε καθηµερινά τον ουρανό για να φέρει σε αυτούς το φως, τη θερµότητα, την τάξη στη διάρκεια της µέρας και της νύχτας και την εναλλαγή των εποχών. Πίστευαν ότι ήταν γιος του Τιτάνα Υπερίωνα και της Ευρυδίκης, ενώ η Σελήνη και η Ηώ (Αυγή) ήταν αδελφές του. Εικ 1.1 Μετόπη από το ναό της Αθηνάς στην Τροία µε ανάγλυφη παράσταση του Ήλιου πάνω στο άρµα του (Staatliche Museen, Βερολίνο) Ο Ήλιος δεν ανήκε στους Ολύµπιους, αλλά στους Ουράνιους θεούς. Τα ιερά του βρίσκονταν συνήθως σε βουνοκορφές και παρόλο που ο ίδιος λατρευόταν σε όλη την Ελλάδα µε λαµπρές γιορτές, τα Ηλίεια, η Ρόδος αποτελούσε το σηµαντικότερο κέντρο της λατρείας του (Ένα από τα επτά θαύµατα της αρχαιότητας που βρισκόταν στο λιµάνι της Ρόδου, «ο Κολοσσός της Ρόδου», ήταν αφιερωµένος σε αυτόν). Από τον 5ον µ.χ. αιώνα όµως και µετά, ο Ήλιος ταυτιζόταν µε τον θεό Φοίβο Απόλλωνα (θεό του φωτός, των γραµµάτων και της τέχνης). 16
Εικ. 1.2 Ο Κολοσσός της Ρόδου που δέσποζε στην είσοδο του λιµανιού της Ρόδου, σε καλλιτεχνική αναπαράσταση. Το ίδιο το άγαλµα, ύψους 30 µέτρων, δε σώζεται σήµερα. Ό- πως πιστεύεται, έπεσε το 225 π.χ. από φοβερό σεισµό και δεν ξαναστήθηκε. Το 657 µ.χ. όταν οι Σαρακηνοί κατέλαβαν το νησί, τεµάχισαν το άγαλµα, που ήταν κατασκευασµένο από µέταλλο, και το πούλησαν. Απεικονίσεις του θεού Ήλιου σε αγγεία, µικροαντικείµενα, νοµίσµατα, οική- µατα και ναούς συναντάµε συχνά στις διάφορες φάσεις του αρχαιοελληνικού πολιτισµού. Επίσης, γραπτές αναφορές στο όνοµά του ανευρίσκονται σε έργα πολλών αρχαίων Ελλήνων συγγραφέων, όπως σε αυτά του Όµήρου, του Αισχύλου, του Σοφοκλή, του Ευριπίδη, και όχι µόνο, όπου, αλλού απαντάται ως τιµωρός και αλλού ως ζωοδότης, φωτοδότης και θεραπευτής θεός. Εικ.1.3 Νόµισµα αρχαίας Ρόδου, µε παράσταση του θεού Ήλιου Εικ.1.4 Αττικός ερυθρόµορφος αµφορέας 3ου αιώνα. π.χ. Ο θεός Ήλιος µε το άρµα του. 17
Ο πιο γνωστός µύθος για τον Ήλιο είναι αυτός του γιου του, Φαέθοντα: Εικ. 1.5 Φαέθοντος πορεία (Monsiau, British Museum) Ο Φαέθων έφθασε έως την εφηβική ηλικία µη γνωρίζοντας ότι ο Ή- λιος ήταν ο πατέρας του. Όταν το έ- µαθε, για να το πιστέψει του ζήτησε να του εκπληρώσει µια επιθυµία του: να του εµπιστευθεί το ηλιακό άρµα του για µία ηµερήσια διαδροµή στον ουρανό. Ο Ήλιος γνωρίζοντας πόσο δύσκολο ήταν να χαλιναγωγηθούν τα θεϊκά άτια, αρχικά αρνήθηκε, όµως κάτω από την πίεση των παρακαλετών του λύγισε και δέχτηκε να του το δώσει, αφού πρώτα του παρείχε τις κατάλληλες οδηγίες. Ο Φαέθων, στην αρχή, τα κατάφερε καλά. Γρήγορα ό- µως τον πρόδωσε η απειρία του και µη δυνάµενος πλέον να ελέγξει τα θεϊκά άλογα, οδηγήθηκε σε µια ανεξέλεγκτη πορεία, όπου πρώτα προσέγγισε πολύ προς τη Γη προκαλώντας ξηρασία, ενώ έπειτα ανέβηκε πάρα πολύ ψηλά, δηµιουργώντας χιονιά και παγετό καθώς το άρµα αποµακρυνόταν από τη Γη. Ο ίας για ν αποτρέψει την καταστροφή έριξε έναν κεραυνό και ο Φαέθων έπεσε νεκρός στις όχθες του Ηριδανού ποταµού. Οι αδελφές του, οι Ηλιάδες, έκλαψαν τόσο πολύ για το χαµό του, που ο ίας τις λυπήθηκε και τις µεταµόρφωσε σε λεύκες. Το επιστηµονικό ενδιαφέρον Η φυσική του Ήλιου αφορά µια µεγάλη µερίδα επιστηµών, όπως τη Βιολογία, τη Γεωλογία, τη Μετεωρολογία, την Ωκεανολογία, τις Τεχνολογίες ενέργειας, την Ιατρική κ.α., αφού πλήθος βιολογικών, γεωλογικών, φυσικών και άλλων φαινο- µένων, ακόµη και η εµφάνιση κάποιων ασθενειών, οφείλουν την παρουσία τους στην άλλοτε ευεργετική και άλλοτε καταστροφική επίδραση του Ήλιου. Ειδικά, το ενδιαφέρον του κόσµου της Αστροφυσικής στρέφεται στον Ήλιο, γιατί η σχετικά κοντινή του απόσταση µας επιτρέπει να τον µελετήσουµε και µαζί µε αυτόν να γνωρίσουµε και όλα τα κοινά άστρα της Κυρίας Ακολουθίας. Μπορούµε, έτσι, να κατανοήσουµε τον τρόπο παραγωγής και διάδοσης της ενέργειας στο εσωτερικό των άστρων καθώς και τα φαινόµενα που συντελούν σε αυτήν, όπως επίσης και τα είδη της ακτινοβολίας που εκπέµπονται από τους αστέρες και µαζί τον τρόπο εκποµπής τους. 18
Ακόµα, µας βοηθά να κατανοήσουµε τη βαρυτική αλληλεπίδραση που υφίσταται µεταξύ των ουράνιων σωµάτων, καθώς και τους νόµους που τη διέπουν, και τέλος αποτελεί µια πρώτης τάξεως ευκαιρία να επαληθεύσουµε τη Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν (από τη µετατόπιση του περιηλίου του Ερµή). Οι αρχαίοι Έλληνες ήταν οι πρώτοι από τους αρχαίους λαούς που ξέφυγαν από τη δαιµονολατρία των φυσικών φαινοµένων και προσπάθησαν να τα ερµηνεύσουν επιστηµονικά, αποδεσµεύοντάς τα από τη βούληση των θεών. Οι θεωρίες τους για τη δηµιουργία του κόσµου και του Σύµπαντος διασταυρώνουν συχνά τους δρόµους τους µε τη σύγχρονη Αστροφυσική. Μελέτησαν λοιπόν τα άστρα, τους πλανήτες, αλλά και τον Ήλιο. Η ηλιοκεντρική θεωρία διατυπώθηκε από αρκετούς από αυτούς (όπως ο Αρίσταρχος ο Σάµιος 3ος π.χ. αιώνας), αιώνες πριν αναβιωθεί από τον Κοπέρνικο και περιγραφεί µαθηµατικά από τον Κέπλερ. Εικ. 1.6 Ο θεός Ήλιος πάνω στο άρµα του, µε τον Εωσφόρο ή Φωσφόρο, όπως καλούνταν αλλιώς την εποχή εκείνη ο πλανήτης Αφροδίτη, να βρίσκεται µπροστά του. Απεικόνιση σε αττικό κρατήρα, 3ος π.χ. αιώνας. Από τη µελέτη των κειµένων που διασώθηκαν από τον 6ο π.χ. αιώνα έως τις µέρες µας βλέπουµε πως το ενδιαφέρον των αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων στρεφόταν, όσον αφορά τον Ήλιο, άλλοτε γύρω από την κίνησή του ως προς τη Γη και άλλοτε γύρω από τη φύση του. Γενικότερα, οι αρχαίοι Έλληνες δεν έπαψαν να τον λατρεύουν και ως θεότητα, γι αυτόν τον λόγο δεν σταµατάµε να βρίσκου- µε απεικονίσεις του σε αγγεία, ακόµη και σε µεταγενέστερες εποχές. Οι απόψεις τους ποίκιλαν: Ο Θαλής ο Μιλήσιος υποστήριζε ότι το µέγεθος του ήταν 30 της µοίρας και ο Ηράκλειτος πίστευε ότι ο Ήλιος είχε πλάτος ανθρωπίνου ποδός, ενώ ο Ποσειδώνιος τον θεωρούσε «µείζονα» της Γης (δηλαδή µεγαλύτερο από αυτή). Ο Πυθαγόρας δίδασκε περί της σφαιροειδούς µορφής του και ο Εµπεδοκλής τον θεωρούσε ως εικόνα των ανακλώµενων από τη Γη ακτίνων που συγκεντρώνονταν σ ένα σταθερό σηµείο πάνω στον κρυστάλλινο θόλο. Ο Πλούταρχος τον παροµοίαζε µε την καρδιά του κόσµου, απ όπου διασκορπιζόταν το φως και η θερµότητα. Τέλος, ο αυτοκράτορας Ιουλιανός τον ταύτιζε µε τον ία, την υπέρτατη θεότητα. Εικ. 1.7 Ο Ήλιος οδηγεί το άρµα του. Αττικός αµφορέας 3ος αιώνας π.χ. (British Museum) 19
Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται το αντικείµενο µελέτης σχετικά µε τον Ήλιο, ορισµένων αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων ή κάποιων φιλοσοφικών σχολών και ορισµένων µεταγενέστερων από αυτούς, που είχαν εντρυφήσει στην αρχαία ελληνική φιλοσοφία. Αρχαίοι Έλληνες Φιλόσοφοι Θαλής ο Μιλήσιος Αναξίµανδρος ιογένης ο Απολλωνιάτης Αναξαγόρας ο Κλαζοµένιος «Πυθαγόρειοι» Φιλόλαος ο Κροτωνιάτης ηµόκριτος Αιώνας 6οςπ.Χ. 6οςπ.Χ. 5ος π.χ. 5ος π.χ. 5ος π.χ. 5ος π.χ. Επιστηµονικό ενδιαφέρον - Επιτεύγµατα Υπολόγισε πρώτος τη λόξωση της εκλειπτικής. Υποστήριξε πρώτος ότι συµβαίνει έκλειψη του Ηλίου. Ανακάλυψε τις τροπές (τα ηλιοστάσια) και ότι η περίοδος µεταξύ τους είναι πάντα η ίδια (στην πραγµατικότητα δεν είναι). Υπολόγισε τη διαφορά χρονικών περιόδων µεταξύ τροπών και ισηµεριών. Υποστήριζε το γεωκεντρικό σύστηµα και πίστευε ότι η Γη είναι στρογγυλή, µετέωρη, ακίνητη και διατηρεί σταθερή απόσταση από παντού. Πρέσβευε ότι ο Ήλιος είναι µεγαλύτερος από τη Γη και ότι αποτελείται από καθαρό πυρ. Θεωρούσε ότι η Σελήνη είναι σώµα ετερόφωτο που αντανακλά το φως του Ήλιου, δηλαδή έµµεσα υποστήριζε πως ο Ήλιος είναι σώµα αυτόφωτο. Εκτίµησε τη διάµετρο περιφοράς του Ήλιου σε 28 φορές τη διάµετρο της Γης. Κατασκεύασε ηλιακά ρολόγια και δίδαξε τη χρήση τους στους Έλληνες. Υπολόγισε κι αυτός τη λόξωση της εκλειπτικής. Υποστήριζε ότι ο Ήλιος ήταν πορώδης, όπως ένα σφουγγάρι και αποτελούνταν από άπειρους πόρους µέσα από τους οποίους κυκλοφορούσε θερµός αέρας. Καταδείκνυε τη σηµαντικότητα του ρόλου του Ήλιου στη γένεση και την ανάπτυξη φυτών, ζώων και ανθρώπων. Υποστήριζε το γεωκεντρικό σύστηµα. Θεωρούσε τον Ήλιο «µύδρο διάπυρο», δηλ. πυρακτωµένο µέταλλο και όµοιας υφής µε τα αστέρια. Πίστευε ότι οι άνεµοι δηµιουργούνται όταν ο αέρας αραιώνει από τον Ήλιο. Υποστήριζε την πυροκεντρική θεωρία, θεωρώντας ότι όλοι οι πλανήτες και ο Ήλιος περιφέρονται γύρω από το κεντρικό πυρ την Εστία. Πρέσβευε ότι η Γη δεν ήταν ακίνητη, αλλά περιφερόταν γύρω από το κεντρικό πυρ σε λοξό κύκλο, ενώ περιστρεφόταν γύρω από τον εαυτό της σε ένα ηµερονύχτιο. Από το µελετητή του έργου του, Θράσυλλο και τον Αριστοτέλη γνωρίζουµε πως ένα από τα πολυάριθµα χαµένα βιβλία του µεγάλου Έλληνα φιλοσόφου, αναφερόταν στην κίνηση των τότε γνωστών πλανητών και του Ήλιου. 20
«Πυθαγόρειοι» Ηρακλείδης ο Ποντικός - Θέων ο Σµυρναίος Αριστοτέλης 4ος π.χ. 4ος π.χ. Υποστήριζαν ότι ο Ερµής και η Αφροδίτη κινούνται γύρω από τον Ήλιο, εισάγοντας έτσι µία πρώτη θεώρηση του ηλιοκεντρικού συστήµατος. Υποστήριζε το γεωκεντρικό σύστηµα. Πίστευε ότι η Γη βρισκόταν στο κέντρο του Σύµπαντος και ο Ήλιος περιφερόταν γύρω της. Θεωρούσε ότι ο Ήλιος ήταν «απόλυτο και καθαρό πυρ». Αρχιµήδης Αρίσταρχος ο Σάµιος Σέλευκος ο Ερυθραίος Ίππαρχος Κλαύδιος Πτολεµαίος Ιουλιανός ο Παραβάτης 3ος π.χ. 3ος π.χ. 2ος π.χ. 2ος π.χ. 2ος µ.χ. 4ος µ.χ. Τα βιβλία του για την Αστρονοµία χάθηκαν, ωστόσο στη Μεγάλη Μαθηµατική Σύνταξη του Κλαύδιου Πτολεµαίου αναφέρεται ότι, σ αυτά υπολογιζόταν η απόσταση του Ήλιου και των άλλων πλανητών από τη Γη. Υπήρξε ο εισηγητής του ηλιοκεντρικού συστήµατος. Πίστευε ότι η Γη κινούνταν γύρω από τον Ήλιο διαγράφοντας την εκλειπτική, καθώς και γύρω από τον άξονα της. Τοποθετούσε τον Ήλιο µεταξύ των απλανών αστέρων. Εκτίµησε την απόσταση της Σελήνης από τον Ήλιο µε βάση γεωµετρική µέθοδο. Υποστήριζε την ηλιοκεντρική θεωρία. Πιστεύεται ότι έλυσε το αστρονοµικό πρόβληµα της περιφοράς της Γης γύρω από τον Ήλιο. Συνέταξε πρώτος ηλιακούς πίνακες. Υπολόγισε µε απόλυτη µαθηµατική ακρίβεια τη διαδοχή των εκλείψεων, τις εκλειπτικές συντεταγµένες, τη µετάπτωση των ισηµερινών σηµείων, την ανισότητα των εποχών του έτους και τη διάρκεια εκάστης, καθώς και τη διάρκεια του έτους. Επιβεβαίωσε την τιµή του Ερατοσθένη για τη λόξωση της εκλειπτικής. Υπολόγισε µε µεγάλη ακρίβεια την απόσταση Ήλιου - Σελήνης, µε τη µέθοδο των εκλείψεων. Υποστήριζε το γεωκεντρικό σύστηµα. Εισήγαγε το σύστηµα των έκκεντρων κύκλων και των επικύκλων για να εξηγήσει τις τροχιές των πλανητών. Υποστήριζε το ηλιοκεντρικό σύστηµα. Θεωρούσε τη Γη ως πλανήτη που περιφερόταν σε κυκλική τροχιά γύρω από τον Ήλιο. Πίστευε πως και οι άλλοι πλανήτες περιφέρονταν γύρω από τον Ήλιο σε κυκλικές τροχιές και µάλιστα σε καθορισµένα διαστήµατα, δηλαδή σε καθορισµένες αποστάσεις. 21
Μεταγενέστεροι Φιλόσοφοι Νικηφόρος Γρηγοράς Ζαν Μπουριντάν Νικόλ Ντ Ορέµ Νικόλαος Κοπέρνικος Τύχο Μπράχε Κέπλερ Γαλιλαίος Αιώνας 14ος µ.χ. 13ος-14ος µ.χ. 14ος µ.χ. 15ος-16ος µ.χ. 16ος µ.χ. 16ος-17ος µ.χ. 16ος-17ος µ.χ. Επιστηµονικό ενδιαφέρον - Επιτεύγµατα Υπολόγισε όλες τις εκλείψεις του Ήλιου, της χιλιετίας, έως τον 13ο µ.χ. αιώνα. Προέβλεψε νέες εκλείψεις του Ήλιου και της Σελήνης. Υποστήριζε το ηλιοκεντρικό σύστηµα. Αµφισβητούσε την τοποθέτηση της Γης στο κέντρο του Σύµπαντος. Υποστήριζε την ηµερήσια περιστροφή της Γης. Υποστήριζε ότι η Γη περιστρεφόταν γύρω από τον εαυτό της. Θεωρούσε ότι η Γη είναι άστρο. εν συµφωνούσε µε την τοποθέτηση της Γης στο κέντρο του Σύµπαντος. Υποστήριζε το ηλιοκεντρικό σύστηµα. Θεωρούσε ότι η Γη εκτελεί µία πλήρη περιστροφή γύρω από τον άξονα της και ότι σ ένα χρόνο εκτελεί µία περιφορά γύρω από τον Ήλιο. Πρέσβευε ότι ο Ήλιος παραµένει ακίνητος. Στο εξάτοµο βιβλίο του Περί των Περιφορών των Ουρανίων Σφαιρών περιγράφει εκτός των άλλων το πλανητικό σύστηµα του, την ετήσια φαινόµενη κίνηση του Ήλιου, την κίνηση των πλανητών σε κυκλικές τροχιές, την ανάδροµη κίνηση των πλανητών και δίνει τη µαθηµατική περιγραφή των κινήσεων της Γης και της µετάπτωσης των ισηµεριών. ηµιούργησε ένα νέο σύστηµα που ήταν συνδυασµός του ηλιοκεντρικού και του γεωκεντρικού συστήµατος. Υπήρξε ο καλύτερος παρατηρητής του ουρανού χωρίς τηλεσκόπιο, αφού παρατήρησε τους πλανήτες να διαγράφουν όλη την τροχιά τους, ενώ πραγµατοποιούσε τέσσερις ανεξάρτητες µετρήσεις για κάθε ουράνιο σώµα. ιατύπωσε τους τρεις βασικούς νόµους του, συµβάλλοντας έτσι στη µαθηµατική και αστρονοµική θεµελίωση της ηλιοκεντρικής θεωρίας. Έλυσε το πρόβληµα των πλανητικών τροχιών. Συνέταξε πίνακες µε τις κινήσεις των πλανητών. Αναδείχθηκε ως νοµοθέτης του Σύµπαντος. Υποστήριξε το ηλιοκεντρικό σύστηµα. Με το δικής του κατασκευής τηλεσκόπιο παρατήρησε τις ηλιακές κηλίδες, τις φάσεις της Αφροδίτης γεγονός που καταδείκνυε το ηλιοκεντρικό σύστηµα τους κρατήρες και την επιφάνεια της Σελήνης, τους τέσσερις δορυφόρους του ία και τον δακτύλιο του Κρόνου. 22
Τα γενικά φυσικά χαρακτηριστικά του Ήλιου Ο Ήλιος είναι ένα κοινό αστέρι της Κυρίας Ακολουθίας (νάνος αστέρας), φασµατικού τύπου G2V και ενεργού θερµοκρασίας 5.780 Κ. Η απόστασή του από τη Γη κυµαίνεται µεταξύ 147.000.000 και 152.000.000 km. Η µέση τιµή της απόστασης αυτής που ισούται µε 149,6 10 6 km, δηλαδή η µέση απόσταση Γης-Ήλιου, µας παρέχει µία άλλη µονάδα µέτρησης των διαπλανητικών αποστάσεων, που ονοµάζεται αστρονοµική µονάδα: Αστρονοµική Μονάδα (Astronomical Unit) = 1A.U = 149,6 10 6 km Η Γη βρίσκεται στο αφήλιο και απέχει από τον Ήλιο 152.000.000 km Η Γη βρίσκεται στο περιήλιο και απέχει από τον Ήλιο 147.000.000 km Εικ. 1.8 Η απόσταση της Γης από τον Ήλιο διαφέρει όταν αυτή βρίσκεται στο αφήλιο και όταν βρίσκεται στο περιήλιο, γι αυτό χρησιµοποιούµε τη µέση απόσταση, που την ονοµάζουµε αστρονοµική µονάδα (A.U.) Η µάζα του Ήλιου είναι της τάξης των 2 10 33 gr και αποτελεί το 99,87% της συνολικής µάζας του ηλιακού συστήµατος. Ο Ήλιος, όπως και κάθε άστρο, παράγει ενέργεια από την καύση των αποθεµάτων του πυρήνα του. Η ΗΛΙΚΙΑ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ Θεωρώντας ότι η χηµική σύσταση του πριν από τις θερµοπυρηνικές αντιδράσεις ήταν: 72% Η, 26% He, 2% µέταλλα ενώ έχοντας υπολογίσει ότι η σηµερινή περιεκτικότητα του πυρήνα του σε υδρογόνο (Η) είναι: 36% Η, και γνωρίζοντας επιπλέον τους ρυθµούς καύσης του υδρογόνου (Η), συµπεραίνουµε ότι η ηλικία του Ήλιου είναι t = 4,5 10 9 έτη Η χρόνος που ο Ήλιος θα παραµείνει στην Κυρία Ακολουθία, δηλαδή ο χρόνος που ο Ήλιος θα λάµπει σαν άστρο µε τη µορφή που έχει σήµερα καίγοντας τα πυρηνικά του αποθέµατα, µπορεί να προκύψει από τη σηµερινή περιεκτικότητά του σε υδρογόνο, σε συνδυασµό µε τις αλλαγές που προκαλούνται στη δοµή του κατά την καύση του στοιχείου αυτού. Έτσι υπολογίζεται πως ο χρόνος αυτός είναι: t KA = 9 10 9 έτη 23
Ο Ήλιος είναι µια σφαίρα η σφαιρικότητα προκύπτει από την αργή του περιστροφή, κατά µέσον όρο 27 µέρες που αποτελείται κυρίως από αέριο υδρογόνο και ήλιο, µε µέση πυκνότητα κοντά σε αυτή του ύδατος, ρ = 1,409 gr/cm 3, δηλαδή πρόκειται για ένα ρευστό. Σηµειώνουµε ότι: η πυκνότητα στον πυρήνα του Ήλιου είναι πολύ µεγάλη, ήτοι ρ π = 150 gr/cm 3, αφού η ύλη του είναι πλήρως ιονισµένη και έτσι δεν υφίστανται οι ενδοµοριακές αποστάσεις, µε αποτέλεσµα αυτή να είναι πυκνότατη. Η διάµετρός του ισούται µε 1.392.000 km, ενώ η επιφάνειά του και ο όγκος του είναι αντίστοιχα S = 6,087 10 12 km 2 και V = 1,412 10 18 km 3. Η βαρύτητα στην επιφάνεια του είναι πολύ µεγάλη, ως αποτέλεσµα της µεγάλης µάζας του, και ι- σούται µε 27,9 φορές τη γήινη βαρύτητα. Το φαινόµενο οπτικό µέγεθος του Ήλιου είναι m v = -26,8, δηλαδή ο Ήλιος αποτελεί το πιο λαµπρό αστέρι για τη Γη, αλλά και για όλους τους πλανήτες του πλανητικού µας συστήµατος, και η φαινόµενη διάµετρός του είναι φ = 32. Οι δείκτες χρώµατός του είναι (B - V) = 0,7 και (U - V) = 0,8. Η φωτεινότητα, δηλαδή η απόλυτη λαµπρότητα του Ήλιου, προκύπτει από τη σχέση: L = 4πR 2 F λ dλ = 4πr 2 0 0 F λ dλ = 3,82 10 33 erg/s όπου r = 1 A.U. Τα παραπάνω µεγέθη αποτελούν χαρακτηριστικά κάθε αστέρα. Οι τιµές τους παρατίθενται εδώ για τον Ήλιο. Για τον ορισµό των µεγεθών µπορείται να ανατρέξετε: ανέζης Μάνος και Θεοδοσίου Στράτος, Το Σύµπαν που αγάπησα, Εισαγωγή στην Αστροφυσική, Τόµος Α, Εκδόσεις ίαυλος, Αθήνα 1999. 24
Επιπλέον, πρέπει να σηµειώσουµε πως από την καύση των αποθεµάτων του πυρήνα του δηµιουργείται σε αυτόν ένα έλλειµµα µάζας και αυτό γιατί, ενώ κάθε δευτερόλεπτο καίγονται στον πυρήνα του 700.000.000 τόνοι υδρογόνου, παράγονται µόνο 695.000.000 τόνοι αέριου ηλίου. Έτσι, προκύπτει ένα υπόλοιπο µάζας της τάξης των 5.000 τόνων (700.000.000-695.000.000 = 5.000 τόνοι). Το ποσό αυτό της µάζας, που υπολείπεται, µετατρέπεται σε ενέργεια σύµφωνα µε τη σχέση του Αϊνστάιν: Ε = m c 2. Η περιστροφή του Ήλιου γύρω από τον άξονά του αποτελεί ένα ακόµα φυσικό χαρακτηριστικό του. Ο Ήλιος περιστρέφεται κατά την ορθή φορά (αντίθετα δηλαδή προς την κίνηση των δεικτών του ρολογιού). ΑΝΑΤΟΛΗ ΥΣΗ Ο άξονας περιστροφής του σχηµατίζει γωνία ω µε τον άξονα της εκλειπτικής: ω = 7 ο 15. Άξονας περιστροφής Ουράνια σφαίρα 7 ο 15 Εκλειπτική Ωστόσο, επειδή ο Ήλιος είναι µία αεριώδης µάζα, κατά την περιστροφή του γύρω από τον άξονα του συµπεριφέρεται ως ρευστό, µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται ένα φαινόµενο γνωστό ως διαφορική περιστροφή του Ήλιου. Το φαινόµενο αυτό περιγράφεται τόσο ως προς το ηλιογραφικό πλάτος όσο και ως προς το βάθος. 25
ιαφορική περιστροφή Περιγραφή φαινοµένου ανάλογα µε το ηλιογραφικό πλάτος Από τις µέχρι σήµερα παρατηρήσεις, έχουµε διαπιστώσει πως η ταχύτητα περιστροφής του Ήλιου µεταβάλλεται ανάλογα µε το ηλιογραφικό πλάτος. Έτσι οι ζώνες που βρίσκονται κοντά: στους ηλιακούς πόλους περιστρέφονται αργά: ΜΕΓΑΛΑ ΗΛΙΟΓΡΑΦΙΚΑ ΠΛΑΤΗ 34 ηµέρες στον ισηµερινό περιστρέφονται γρήγορα: ΜΙΚΡΑ ΗΛΙΟΓΡΑΦΙΚΑ ΠΛΑΤΗ 25 ηµέρες Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται διαφορική περιστροφή του Ήλιου και µαζί µε το µαγνητικό πεδίο του αποτελούν τα αίτια της δηµιουργίας πολλών ηλιακών φαινοµένων. Σηµειώνουµε ότι αυτή ακριβώς η ιδιάζουσα περιστροφή του Ήλιου µάς δείχνει ότι αυτός δεν είναι συµπαγές στερεό σώµα, όπως για παράδειγµα η Γη που έχει την ίδια περίοδο περιστροφής για ο- ποιοδήποτε σηµείο της επιφάνειάς της. Εικ. 1.9 Η διαφορική περιστροφή του Ήλιου. Όπως έχει αποδειχθεί, η γωνιώδης ταχύτητα (Ω) του Ήλιου, συναρτήσει του ηλιογραφικού πλάτους (φ), δίνεται από τη σχέση: Ω = 14,38 ο 2,77φ Το αίτιο της διαφορικής περιστροφής του Ήλιου δεν έχει διαπιστωθεί ακόµα, ό- µως, σύµφωνα µε θεωρητικές απόψεις, αυτό συνίσταται στο ότι οι ηλιακές στιβάδες που βρίσκονται κάτω από τη φωτόσφαιρα είναι πιο θερµές στους πόλους απ ότι στον ισηµερινό. Έτσι, οι ηλιακές µάζες ανυψώνονται στην περιοχή των πόλων και στη συνέχεια κινούνται προς τον ισηµερινό, όπου και βυθίζονται προς το εσωτερικό του Ήλιου. ΚΙΝΗΣΗ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΗΛΙΑΚΟΥ ΡΕΥΣΤΟΥ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΠΟΛΟΥΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΙΣΗΜΕΡΙΝΟ ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ ΤΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΜΕΣΗΜΒΡΙΝΩΝ ΚΙΝΗΣΗ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΗΛΙΑΚΟΥ ΡΕΥΣΤΟΥ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΠΟΛΟΥΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΙΣΗΜΕΡΙΝΟ ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ ΤΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΜΕΣΗΜΒΡΙΝΩΝ Σύµφωνα µε τη θεωρία αυτή, η διαφορική περιστροφή του Ήλιου θα µπορούσε να θεωρηθεί ως ένα δευτερεύον αποτέλεσµα της δηµιουργίας αυτών των µεσηµβρινών ρευµάτων. Ωστόσο στην πράξη, δεν έχουµε παρατηρήσει διαφορετικές θερµοκρασίες στους πόλους και στον ισηµερινό. 26
ιαφορική περιστροφή και ανάπαλση Περιγραφή φαινοµένων ανάλογα µε το βάθος Από τις µέχρι πρότινος µετρήσεις των νετρίνο που προέρχονται από τον Ήλιο, είχαν προκύψει πολλά φυσικά ερωτήµατα, καθώς αυτός είναι πολύ πιο µικρός από τον θεωρητικά προβλεπόµενο. Αυτό είχε ως αποτέλεσµα να ανακαλύψουµε ότι µία αρκετά εκτεταµένη κεντρική σφαιρική περιοχή του Ήλιου, περιστρέφεται γύρω από τον άξονα περιστροφής πολύ πιο γρήγορα απ ότι τα ε- ξωτερικά του στρώµατα. Έτσι διαπιστώνουµε µία διαφορική περιστροφή του Ήλιου που δεν µεταβάλλεται µόνο µε το ηλιογραφικό πλάτος, αλλά και µε το βάθος. Ακόµα έχουµε ανακαλύψει ότι, µία εξωτερική περιοχή της ηλιακής σφαίρας πάχους περίπου 10.000 km πάλλεται. Η κίνηση αυτή, που έχει ως αποτέλεσµα να αυξοµειώνεται το πάχος της περιοχής αυτής κατά 25 km ανά 5 min, είναι γνωστή ως ανάπαλση. Εικ. 1.10 Η ανάπαλση του Ήλιου Ως πιθανό αίτιο αυτού του παλµού θεωρούµε τα περιοδικά κύµατα πίεσης, που δηµιουργούνται εξαιτίας του αναβρασµού της ζώνης µεταφοράς. Στον Ήλιο παρατηρείται ακόµα µία ταλάντωση µε περίοδο δύο ωρών και σαράντα πρώτων λεπτών (Τ = 2h 40min). Όπως πιθανολογείται, αυτή οφείλεται σε µία περιοδική µεταβολή του ρυθµού της αντίδρασης πρωτονίου πρωτονίου (p + - p + ) στον πυρήνα του Ήλιου. Η εξήγηση όµως αυτή δεν συµφωνεί µε τα παρατηρησιακά και τα θεωρητικά δεδοµένα και δηµιουργεί αρκετά προβλή- µατα, εφ όσον αν αληθεύει θα έπρεπε η λαµπρότητα του Ήλιου να είναι αρκετές φορές µικρότερη από την παρατηρούµενη. 27
Η ηλιακή σταθερά Όπως γνωρίζουµε ο Ήλιος παράγει στο εσωτερικό του ενέργεια, η οποία διαδίδεται στον περιβάλλοντα χώρο του, δηλαδή στον διαπλανητικό χώρο και στους πλανήτες του συστήµατος του. Έτσι, ένα µέρος της α- κτινοβολίας του, που ισούται µε 1.500.000 Hp/km 2, καταλήγει και στη Γη. Είναι πολύ ση- µαντικό, λοιπόν, να γνωρίζου- µε το ποσό αυτό της ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς και τις ό- ποιες διακυµάνσεις του, αφού επηρεάζουν δραµατικά τη ζωή στον πλανήτη µας. Επίσης είναι σηµαντικό να γνωρίζουµε το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει σε κάθε πλανήτη του ηλιακού µας συστή- µατος. Καλλιτεχνική αναπαράσταση από την ESO Όπως υπολογίζουµε σήµερα, κάθε τετραγωνικό εκατοστό επιφάνειας τοποθετηµένης κάθετα στις ηλιακές ακτίνες στα όρια της γήινης ατµόσφαιρας, δέχεται ανά sec, ροή ηλιακής ενέργειας: S = F λ d λ = 1,36 10 6 erg/cm 2 /sec = 1,3 10 3 Watt/m 2 0 Η ροή αυτή της ακτινοβολίας στη Γη ονοµάζεται ηλιακή σταθερά και πρέπει να διατηρείται σταθερή. Αυτή, µπορεί να µετρηθεί επακριβώς µε ειδικά όργανα και µας παρέχει µε αυτό τον τρόπο ένα µέσο υπολογισµό της ηλιακής ενέργειας. Παρά το όνοµά της όµως, η ηλιακή σταθερά, δεν είναι σταθερή αλλά υπόκειται σε περιοδικές διακυµάνσεις. Ακριβείς µετρήσεις που έγιναν από τη ΝASA, απέδειξαν ότι µεταξύ των ετών 1980 και 1986 σηµειώθηκε µείωση της λαµπρότητας του Ήλιου κατά 0,1%, ενώ στη συνέχεια, αυτή άρχισε να αυξάνει ξανά, α- κολουθώντας τον ηλιακό κύκλο. Με βάση τις µετρήσεις αυτές, τείνει να επικρατήσει η άποψη πως ο Ήλιος είναι ένα µεταβλητό αστέρι. Ωστόσο δεν πρέπει να υπάρχει καµία ανησυχία για τη σταθερότητα του ποσού της ακτινοβολίας που εκρέει προς τη Γη, αφού, αν λάβουµε υπόψη τους ρυθµούς καύσης του υδρογόνου στον πυρήνα του Ήλιου, είναι βέβαιο πως η λαµπρότητα του δεν πρόκειται να µεταβληθεί τα επόµενα 1,5 10 9 έτη. 28
ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ Μέση Απόσταση ιάµετρος Ακτίνα Μάζα 1 A.U. = 149,6 10 6 km D = 1.392.000 km = 109,3 D R = 696.000 km Μ = 2 10 33 gr = 3,33 10 5 Μ Μέση πυκνότητα ρ = 1,409 gr/cm 3 Επιφάνεια S = 6,087 10 12 km 2 Όγκος V = 1,412 10 18 km 3. Φαινόµενη διάµετρος φ = 32. Επιφανειακή βαρύτητα Ταχύτητα διαφυγής Ηλικία Περίοδος περιστροφής Τρόπος περιστροφής Φωτεινότητα Επιφανειακή θερµοκρασία 27,9 φορές τη γήινη 618 km/s t = 4,5 10 9 years 27 days κατά την ορθή φορά L = 3,82 10 33 erg/s Τ eff = 5.780 Κ Φαινόµενο οπτικό µέγεθος -26,8 Απόλυτο οπτικό µέγεθος +4,71 Χρώµα Κίτρινο είκτες χρώµατος B-V= 0,7 και U-V = 0,8 Φασµατικός τύπος Γωνιώδης ταχύτητα G2V ω = 14,38 ο 2,77φ, όπου: φ = ηλιογραφικό πλάτος Ηλιακή σταθερά S = 1,36 10 6 erg/cm 2 /sec = 1,3 10 3 Watt/m 2 Κλίση ισηµερινού 7 ο 15 Στην Αστροφυσική για να συµβολίσουµε τον Ήλιο και τη Γη χρησιµοποιούµε τα σύµβολα και αντίστοιχα. 29
Η θέση του Ήλιου στον Γαλαξία µας Παρόλο που οι αρχαίοι λαοί λάτρεψαν τον Ήλιο ως θεότητα, και µάλιστα ως µία από τις πιο σηµαντικές, η αλήθεια είναι ότι αυτός δεν αποτελεί παρά ένα από τα δισεκατοµµύρια άστρα του Γαλαξία µας και µάλιστα αρκετά ασήµαντο όσον αφορά τη µάζα του. Άλλωστε, και η θέση του δεν είναι αυτή που θα θέλαµε ως άνθρωποι να κατέχει, δηλαδή στο κέντρο του Σύµπαντος. Εικ. 1.11 Ο Ήλιος βρίσκεται σε µία από τις σπείρες του Γαλαξία µας, στη σπείρα του Τοξότη Ο Ήλιος εντοπίζεται σε µία από τις σπείρες του Γαλαξία µας, στη σπείρα του Τοξότη και απέχει από το κέντρο του 33.000 έτη φωτός. (Στην πάνω εικόνα, όπου ο Γαλαξίας φαίνεται σε κάτοψη, το βέλος προσδιορίζει τη θέση του Ήλιου, ενώ στην κάτω εικόνα, όπου ο Γαλαξίας φαίνεται σε διατοµή, φαίνεται η θέση του Ή- λιου σε σχέση µε το γαλαξιακό επίπεδο και η απόσταση του από το κέντρο του Γαλαξία ). Εικ. 1.12 Ο Ήλιος απέχει από το κέντρο του Γαλαξία 33.000 έτη φωτός 30
Η πορεία του Ήλιου από τη γέννησή του στο διάγραµµα H-R Ο Ήλιος, όπως και κάθε αστέρας, έχει τη θέση του πάνω στο διάγραµµα H-R. Στο παρακάτω διάγραµµα λοιπόν, φαίνεται η µεταβολή της φωτεινότητας του Ήλιου σε σχέση τη θερµοκρασία του, από τη στιγµή της δηµιουργίας του ως νεφέλωµα έως ότου γίνει ερυθρός γίγαντας και τελικά καφέ νάνος, ενώ στη µικρή εικόνα βλέπουµε τη µορφή του στα διάφορα στάδια της εξέλιξής του. ο Ζ Α = Illustration de Εικ. 1.13 Η θέση του Ήλιου πάνω στο διάγραµµα Η-R και τα στάδια της εξέλιξής του. Η καµπύλη ΟΑ παριστάνει την παρελθοντική πορεία του και η ABCDE τη µελλοντική. Η σηµερινή θέση του Ήλιου µας στο διάγραµµα H-R είναι η Α. Ο = Το νεφέλωµα από το οποίο δηµιουργήθηκε ο Ήλιος. ΟΑ = Το νεφέλωµα υφίσταται βαρυτική κατάρρευση έως ότου αρχίσουν οι θερµοπυρηνικές αντιδράσεις που αντισταθµίζουν την κατάρρευση. Έναρξη των πυρηνικών αντιδράσεων, µε την καύση του υδρογόνου. Ο Ήλιος βρίσκεται στην Κυρία Ακολουθία (όσο καίει το υδρογόνο του πυρήνα του) και είναι ένας νάνος αστέρας. Εδώ, διανύει το µεγαλύτερο µέρος της ζωής του. ABCDE = Στον πυρήνα του Ήλιου αρχίζει η καύση του ηλίου. Ο Ήλιος φεύγει από την Κυρία Ακολουθία και µετατρέπεται σταδιακά σε ερυθρό γίγαντα. ΕΖ = Ο Ήλιος από ερυθρός γίγαντας µετατρέπεται σταδιακά σε λευκό και έπειτα σε καφέ νάνο. 31
32