Utdrag fra foredraget:

I fjor sommer kunne man lese i avisene at flere enorme flekker opptrådte på solen - faktiskt så store at de kunne ses med det blotte øyet. Senere på året, i november, fikk vi rapporter om at lignende flekker var åsted for en av tidenes største målte eksplosjoner på soloverflaten.

Hvor mange som faktisk tok seg bryet med å finne fram formørkelsesbriller for å ta en titt på solflekkene vet jeg ikke, men mange brukte nok litt tid på å fundere over hvilken virkning denne "uvanlige" solaktiviteten kunne ha på jorden og oss mennesker.

Nå har store solflekker vært observert i lengre tider opp gjennom historien - noen umiddelbar fare for liv og sivilisasjon er det altså neppe snakk om. Flekker store nok til å ses med det blotte øyet var rapportert så tidlig som 800 år før vår tidsregning av kinesiske og koreanske astrologer i kompileringen "Forandringens Bok".

Her i Vesten er den første kjente referansen fra Theophrastus, 350 år før vår tidsregning. Sporadiske observasjoner av solflekker ble gjort med det blotte øyet helt fram til teleskopets oppdagelse rundt 1610 da Fabricius og Galileo identifiserte de mørke flekkene som et fenomen med opprinnelse i soloverflaten; altså i stedet for noe som kom i veien for sollyset.

Tilfeldigvis kom oppdagelsen av teleskopet like før en forholdsvis lang periode der solen ikke viste fram noen særlig aktivitet i form av flekker i det hele tatt. I perioden 1645 - 1715, nå kalt "Maunder minimum" var solen usedvanlig stille samtidig som nordlysobservasjoner var langt færre enn vanlig. Når en vet at dette også var en periode preget av usedvanlig kalde vintere i Europa; Themsen frøs, isbreene spredte seg, avlinger sviktet, osv, kunne det være naturlig å trekke slutninger om at solaktiviteten og jordens klima må være forbundet på en eller annen måte. Men hvor fristende det enn er å trekke en slik slutning har det vært vanskelig å bekrefte noen direkte sammenheng mellom solens magnetiske aktivitet og været og klimaet på jorden.

Med det sagt kommer selvfølgelig motsatsen: jordens vær og klima er jo direkte avhengig av solen, sollyset er selve drivkraften i dette systemet. Uten den energikilden hadde det ikke vært noe klima å snakke om overhodet.

For å resonnere på en nogenlunde fornuftig måte om disse prosessene bør vi ta et skritt eller to tilbake for å finne ut hva vi egentlig vet om Solen og hvordan dens stråling blir dannet, og hvordan strålingen blir sendt ut i verdensrommet.

De harde fakta

Det å fravriste solen sine hemmeligheter er et arbeide som var, og er, svært krevende. For eksempel hevdet Sir William Herschel, oppdageren av planeten Uranus og kanskje den største observasjonelle astronomen noensinne, at solstrålingen (eller sollyset) skyldtes et tynt, varmt skylag og at solflekker representerte hull i dette skylaget hvor en så ned til underliggende kjøligere områder i solen.

Det var i år 1794. Herschel mente til og med at det var all grunn til å tro at disse kjøligere lagene var befolket av solboere. Jeg gir ikke dette eksempelet for å gjøre narr av Herschel, men for å illustrere hvor usedvanlig vanskelig det er å danne seg et riktig bilde av virkeligheten når de relevante fysiske lovene er ukjente. Og de ble først kjent gradvis i løpet 1800- og første halvdel av 1900-tallet.

For å finne avstanden til Solen trenger man et klart bilde av hvordan jorden og solen ligger relativt til hverandre, samt innsikt i geometri. Et slikt bilde og slik innsikt hadde Aristarchus av Samos som 200 år som før vår tidsregning beregnet avstanden Sol-Jord til å være 19 ganger avstanden Jord-Måne, en faktor 20 ganger feil fra det riktige 150 millioner km, la gå, men metoden han benyttet var i prinsippet helt riktig. Med det tallet på plass og litt trigonometri er det en smal sak å finne at Solens radius er 700000 km, altså ca. hundre ganger jordens - som igjen innebærer at solens volum er 1 million ganger større en jordens.

For å bestemme solens masse trengs en forståelse av de kreftene som holder Sol og Jord bundet sammen, en forståelse som først kom med Newton og hans gravitasjonteori mot slutten av 1600-tallet. Newton regnet selv solmassen til å være snaue 30000 ganger jordens, men kom etterhvert - med bedre målinger av avstanden mellom Sol og Jord - fram til en verdi som var mindre enn enn faktor 2 forskjellig fra dagens verdi, drøye 330000 ganger jordens masse, eller altså 2 kvintillioner kg (dersom det ordet fantes).

Og slik kan vi fortsette, forståelsen av termodynamikkens lover førte mot slutten av 1800-tallet forskere som Jonathen Lane og Robert Emden fram til at Solen var en kuleformet konsentrasjon av gass holdt sammen av tyngdekraften, med en energikilde plassert i kjernen.

Solens energikilde

Dermed er vi fremme ved det første fundamentale problemet den moderne solfysikken måtte løse: Hva er kilden til all den energien solen stråler ut? Solarkonstanten, den mengden energi solen stråler ut per kvadratmeter og sekund ved jordens bane, kan måles til 1367 W/kvadratmeter, det vil si at solen sender ut hele 384 kvadrillioner watt døgnet rundt, året rundt.

Å produsere en så stor energimengde er ingen enkel sak, og det var enda vanskeligere å forstå mot slutten av 1800-tallet da disse spørsmålene ble reist første gang. Innfall av materie utenfra, gravitasjonssammentrekning eller kjemiske prosesser ble alle foreslått, uten å kunne gi en levetid for solen på mer enn noen ti-talls millioner år før energikilden var oppbrukt.

Disse regnestykkene forledet William Thomson, senere Lord Kelvin, til å beregne eller kanskje en burde si anslå, en alder på jorden på 24 millioner år. - Jorden kunne tross alt ikke være eldre enn Solen, og all fysisk forståelse for vel 100 år siden indikererte at Solen ikke kunne være mer enn noen ti-talls millioner år. Derfor måtte alle data som tydet på en eldre jord være feiltolket. Lord Kelvin gjorde ikke mange feil i sitt liv, men dette var en av dem - og med hans posisjon i datidens vitenskap var det få som opponerte.

En beviskjede som tydet på at Lord Kelvin tok feil var spor av fossilt liv. Geologene og Darwinister anslo at disse fossilene var minst flere hundre millioner år. Men hvem hørte på geologer eller Darwinister?

Det var oppdagelsen av radioaktivitet og med den energikildene fisjon og fusjon og radioaktiv datering som endelig ga solsystemet en riktig klokke: Lord Rutherford presenterte radioaktivitet som en mulig energikilde for solen allerede i 1904 (med Lord Kelvin som smilende, men alt annet enn overbevist tilhører). Kjernefysikken måtte gjøre store fremskritt før den riktige prosessen, fusjon av hydrogen til helium i solens kjerne, var forstått.

I denne prosessen blir fire hydrogenatomer omformet til en heliumkjerne, en heliumkjerne som veier ca. 0.7% mindre enn de fire hydrogenatomene som dannet den. Og den manglende massen, hvor ble den av? Den manglende massen blir gjort om til energi. I solens tilfelle kreves det at 700 millioer tonn hydrogen blir omgjort til 695 millioner tonn helium hvert sekund for å opprettholde energitapet fra solens overflate. 700 millioner tonn per sekund høres sikkert ut som et stort tall, det er det også, men Solen består av mye hydrogen - med dagens forbruk vil solen kunne holde det gående i ennå 5 millarder år før hydrogenbrenselet i kjernen er oppbrukt.

Det er verdt å dvele litt ved kjernen: solens struktur blir bestemt av to krefter som balanserer hverandre, tyngdekraften som trekker all materie mot sentrum og trykkraften som holder imot. For å kunne holde stand mot tyngdekraften må altså kjernen være varm. Et raskt overslag såvel som presise beregninger gir at temperaturen i kjernen må være ca. 15 millioner grader for å kunne stå imot tyngden.

Men en slik temperatur kommer ikke gratis, energi lekker stadig ut fra solens overflate i form av lys. Kjernereaksjonenes rolle er altså ikke direkte å varme opp materien, det greier tyngdekraften helt fint på egen hånd, men derimot å erstatte den energien som tapes gjennom overflaten. Om 5 milliarder år, når hydrogenbrenselet tar slutt, vil det innebære at kjernen blir komprimert av tyngdekraften og at kjernetemperaturen øker - samtidig som de ytre lagene av den døende solen vil utvide seg og sluke Merkur, Venus, Jorden og antagelig Mars.

Mot slutten av Solens liv er hydrogenet brent opp og kjernen består av heliumatomer. Kjernetemperaturen vil fortsette å øke helt til temperaturen og tettheten er høy nok til at kollisjoner heliumatomer imellom fører til fusjon - der karbon (eller kullstoff) blir dannet. For solens del er det slutt der, solens masse og dermed tyngdekraft er ikke stor nok til å kunne starte kjernebrenning av karbon.

Til glede for senere generasjoner stjerner kaster den derimot av seg den karbon- og heliumanrikede atmofæren og ender ender sitt liv som en tett og etterhvert kald karbonklump - en såkalt hvit dverg.

Hør hele foredraget torsdag 4. mars kl. 13.03 og 21.30, eller lørdag 6. mars kl. 7.03 i P2!

Viggo Hansteen

f. 1959, er dr. scient. og professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo. Fagområde: astrofysikk og solfysikk. Mer om ham kan du lese på Viggo Hansteens hjemmeside.

Læringsopplegg om solen - på engelsk

Tilgang til TRACE-prosjektets soldata

Yokoh solarobservatoriet (Japan)

Lyd og video

Lenker