بنية الشمس
الشمس عبارة عن كرة غازية ملتهبة يبلغ نصف قطرها 696 مليون متر و كتلتها حوالي kg 30^10*2 ودرجة حرارة سطحها حوالي 6000k. مكوناتها الأساسية هي غاز الهيدروجين( حوالي 75%) و غاز الهليوم (23%), بالإضافة إلى كميات ضئيلة من بعض العناصر الأخرى كالحديد والسليكون والكربون و النتروجين والنيون والمنغنزيوم.
عند دراسة بنية الشمس نجد أنه بالإمكان تقسيمها إلى أربعة مجالات:المجال الداخلي, السطح الخارجي, الهالة الداخلية, الهالة الخارجية.
البنية الداخلية:
يتضمن المجال الداخلي للشمس النواة, الطبقة المشعة, والطبقة الموصلة الشكل 1 تعتبر النواة مصدر الطاقة الشمسية كونها موقع الانشطار النووي الحراري, فعند درجة حرارة للنواة بحدود 15,000,000 كلفن, تكون نوى الذرات( البروتونات بشكل أساسي) والإلكترونات بحالة بلازما, حيث تتحرك هذه الجسيمات بسرعات هائلة جداً. تحت هذه الشروط يمكن لاثنين من البروتونات الإتحاد متغلبين على قواهما الكهربائية ليصبحا ملتصقين بواسطة قوى نووية شديدة, هذه العملية تدعى بالاندماج النووي, هذا الاندماج يؤدي إلى تشكيل عناصر أثقل إضافة إلى إطلاق الطاقة على شكل فوتونات أشعة غاما, إن الطاقة الناتجة عن النواة كبيرة جداً حيث أن سطح النواة يشع بمقدار 10^13 مرة أكثر مما يشعه السطح الخارجي للشمس إذا أمكننا رؤيته.
ان الطاقة الهائلة المتشكلة في النواة يتم تقييدها بواسطة الطبقة المشعة المحيطة بها, هذه الطبقة لها تأئير عزل للحفاظ على درجة الحرارة العالية للنواة, إن الطاقة المتولدة في النواة تحتاج إلى 50 مليون عام لتشق طريقها خارج الطبقة المشعة, ولهذا فإذا توقفت العمليات داخل النواة؛ فإن سطح الشمس سوف يستمر بالإشراق لملايين السنين.
يأتي بعد الطبقة المشعة طبقة التوصيل حيث يؤدي وجود هذه الطبقة إلى تخفيض قيمة كل من الإشعاع ودرجة الحرارة, حيث يتم انتقال الطاقة عبر هذه الطبقة بالتوصيل.
الانشطار النووي الحراري:
يحدث الانشطار في النواة محولاً نوى ذرات الهيدروجين إلى نوى ذرات الهليوم, وهذا هو سبب تشكل العناصر الأثقل من الهيدروجين, إن الإنشطارات النووية في نوى النجوم تؤدي إلى تشكيل العناصر الـ26 الأول في الجدول الدوري حتى الحديد, ولكن وبسبب كتلة الشمس الصغيرة قياساً مع غيرها من النجوم, فإن تفاعلات الانشطار الحاصلة في نواتها هما المرحلة الأولى والثانية من الانشطار وهما مرحلة الهليوم-هيدروجين ومرحلة الكربون-هليوم.
إن انشطار الهليوم-هيدروجين يمكن أن يحدث في أكثر من طريق واحد, لكن في أي حال من الأحوال فإن درجة الحرارة يجب أن تكون على مقربة من 15,000,000 كلفن كي تمكن اثنين من الجزيئات المشحونة كهربائياً للتحرك بسرعة كافية للتغلب على قوى التنافر الكهربائي عند الاصطدام. يجب أن تكون الكثافة كبيرة جداً وهذا محقق حيث تقوم الجاذبية الشمسية بضغط الغاز لتصل كثافته إلى عشرة أضعاف كثافة الذهب في مركز الشمس.
تفاعلات انشطار بروتون-بروتون والذي يحدث في نواة الشمس عند درجة حرارة 15,000,000 كلفن, في هذا التفاعل 0.7% من الكتلة تختفي وتتحول إلى طاقة.
السطح الخارجي:
يتكون السطح الخارجي للشمس من الفوتوسفير و الكروموسفير, الفوتوسفير هو الجزء من الشمس الذي نراه بالعين المجردة, ينتج هذا السطح معظم الأشعة المرئية, كما تظهر من خلاله فقاعات من المواد الحارة والتي تقوم بتقسيم الفوتوسفير بواسطة الحبيبات اللامعة التي تتمدد ومن ثم تتلاشى. يعتبر الفوتوسفير من أبرد طبقات الشمس حيث تبلغ درجة حرارته 6000 كلفن. يمكن في بعض الأحيان أن تنفذ حزم من حقول مغناطيسية ضخمة عبر الفوتوسفير تعرف إجمالاً بالنشاط الشمسي. تسبب هذه الحقول المغناطيسية البرودة, كما تتسبب في ظهور مناطق معتمة على سطح الشمس.
تأتي طبقة الكروموسفير متوضعة فوق طبقة الفوتوسفير, وتكون أبرد قليلاً منها. تظهر طبقة الكروموسفير عند زوال التوهج الضوئي, ويمكن أن ترى بوضوح ولفترة وجيزة قبل وبعد فترة حدوث الكسوف.
خواص سطح الشمس
الهالة الداخلية:
تمتد الهالة الداخلية إلى ملايين الكيلومترات في الفضاء, وهذه الهالة هي ما نراه من ضوء الشمس أثناء الكسوف. الشكل يوضح ذلك. إن سبب ارتفاع درجة حرارة هذه الهالة غير معروف, فهي بحدود 2,000,000 كلفن. تعتبر الهالة مصدر كبير للأشعة السينية لكن هذه الأشعة لا تستطيع اختراق الغلاف الجوي للكرة الرضية.
الهالة الداخلية للشمس
الهالة الخارجية:
تمتد الهالة الخارجية للشمس إلى الأرض وما يليها من الكواكب, تحتوي هذه الهالة على جزيئات تنطلق من الفتحات التاجية الموجودة على سطح الشمس بسرعة 400 km/h, تدعى هذه الجزيئات بالريح الشمسية والتي تسقط بشدة كبيرة على سطح الأرض عندما تأتي هذه الفتحات مواجهة للكرة الأرضية.
الإشعاع الشمسي:
تعد الشمس بحق المصدر الوحيد للطاقة الحرارية الواصلة إلى سطح الأرض, ولا شك في أن النجوم والقمر والكواكب الأخرى تطلق طاقة حرارية إشعاعية, وكذلك تفعل الأرض, إذ تنطلق طاقة حرارية من باطن الأرض تعرف بالحرارة الأرضية, ولكن أشكال هذه الطاقة جميعها ضئيلة جداً ومهملة تماماً إذا ما قورنت بما يصل سطح الأرض من طاقة شمسية إشعاعية.
ولدراسة طبيعة الإشعاع الشمسي أثناء انتقاله إلى الأرض ندرس إشعاع الجسم الأسود, حيث أن الإشعاعية الطيفية لسطح الشمس الواصلة على حدود الغلاف الجوي للأرض تساوي تقريباً تلك المنبعثة من جسم أسود حرارته 6000 كلفن.
إشعاع الجسم الأسود:
الجسم الأسود هو ماص مثالي ومطلق للإشعاع. عندما يجري تسخينه يبدأ بالتوهج أي بإصدار إشعاع الكترومغناطيسي. التسخين الأكثر يولد ضوءاً ذا طول موجي أقصر والتوهج الأحمر الابتدائي يتحول تدريجياً إلى اللون الأبيض.
إن الاستطاعة الطيفية الصادرة عن جسم أسود هي الاستطاعة الصادرة عن وحدة المساحة لأجل مجال طول موجي وتعطى بعلاقة توزع بلانك:
Eλ,T=2π.h.C2λ5 exph.cλ.k.T-1
K: ثابت بولتزمان.
E: الاستطاعة لوحدة المساحة ولوحدة الطول الموجي.
بإجراء التكامل للمعادلة لجميع الأطوال الموجية الممكنة من الصفر إلى اللانهاية نحصل على الاستطاعة لوحدة المساحة وهي:
E=ϵ.σ.T4
T: درجة حرارة السطح( كلفن).
σ: ثابت ستيفان_ بولتزمان و يساوي .(5,67x5.67Χ10-8 W.m-2.k-4)
:ϵ عامل الانبعاث قيمته0.95
يبين الشكل التوزع الإشعاعي لأجل درجات حرارة مختلفة لسطح جسم أسود
