宇宙地球科学1 2013/04/23

(1)

宇宙地球科学 1 2013/04/23

林田清

http://wwwxray.ess.sci.osaka-u.ac.jp/~hayasida/

の下の“授業”に資料あり

CLE にも同じ資料を置く予定

(2)

夏は冬より暑いのはなぜか？



大阪の緯度

~35 度



太陽の南中高度は？（夏至、

冬至、春分と秋分）

http://www.mhhe.co m/physsci/astronomy /arny/instructor/gra phics/ch04/0422.ht mlより

太陽光のエネルギーが地球の気候を支配している

(3)

なぜ正午ではなく午後２時頃に気温最高になるのか？



物体の温度は、入ってくる熱と出ていく熱のバランスで決まる。



“ 入ってくる熱 ”>” 出ていく熱 ” であれば、温度は上昇する。 ”

入ってくる熱 ”<“ 出ていく熱 ” であれば、温度は下降する。

12

時

14

時頃入ってくる熱

=

太陽の輻射熱

出ていく熱

=

地面の放射など

なべに水をいれて強火で80度まで温めたあと、弱火にしても温度は下がらず、上昇を続ける

日の出日の入

(4)

太陽の構造



表面温度： 6000 度



半径： 70 万 km



質量 :2x10

³⁰

kg



平均密度 :1.4g/cm

³



自転周期：２５日（赤道部） 30 日（極付近）



太陽（系の）質量組成：水素 77% 、ヘリウム 21% 、それ以外 2% 。 ( それぞれ X,Y,Z の文字で表すことがある )

図は

http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/instructor/graphics/ch1 1/1101.htmよりl

対流層

プロミネンス光球

黒点

模式図

彩層コロナ

中心部 1500万度 150g/cm³ 6000度

1x10^-7g/cm³

(5)

太陽のエネルギー源

 太陽の放出エネルギー



地球の位置で光線に対して垂直な 1m

²

あたり 1.37 kW 。つまり 1.37kWm

^-2



日本人一人あたりの消費電力

~1kW



人間一人あたりの消費エネルギー率

2400Cal/day~1.0x10⁷J/day~0.12kW



太陽全体から放出されているエネルギーは 3.9x10

²⁶

W

 太陽の年齢



地球、太陽系の年齢は約４６億年



太陽の年齢もほぼ同程度の 46 億年

 太陽の質量 M=2x10

³⁰

kg

W=Js

^-1

, Cal=kcal

(6)

燃焼エネルギーだとすると

 太陽の主成分は水素

 水素の燃焼だとすると



H

₂

+1/2O

₂

→H

₂

O+2 ８ 7kJ/mol



H

₂

1kg(500mol) あたり 1.4x10

⁸

J

 1 秒当たり 3.9x10

²⁶

J を放出するためには 3.9x10

²⁶

J/1.4x10

⁸

J=2.8x10

¹⁸

kg の H

₂

消費

 太陽全部が燃焼するのにかかる時間（～寿命）

2.0x10

³⁰

kg/2.8x10

¹⁸

kg=7.1x10

¹¹

秒 =2.3x10

⁴

年

 人類の歴史より短い！別の形態のエネルギー源

が必要

(7)

原子の構成と原子核

陽子と中性子からなる核の周りを電子がまわっている

 A=Z+N

表と図は東工大関本氏ホームページ

http://www.nr.titech.ac.jp/~hsekimot/theoryslide.pdfより

(8)

核融合反応

 1kg

の

H

あたり

6.3x10¹⁴J (

水素の燃焼の

450

万倍のエネルギー）



核融合反応がエネルギー源であれば、太陽の寿命は

1000

億年

 より詳しい計算では約100億年

 表面付近の組成H70%,He28%

 中心付近の組成（推定）Ｈ35%、Ｈｅ63%

 原子核同士はクーロン力の反発により一般には融合しない。

 太陽中心部の密度150g/cc,温度1500万度の状態では核融合現象がおきる。

1 4

1 1

4

1 4

2

4 2

( ) 1.0079( ) ( ) 4.0026( )

( ) 0.0005

4 ( ) ( ) 2 ( ) 0.0280 H He e

H m H amu

m He amu

m e

m m H m He m e mc

+

→ +

=

∆ = − − =

∆

の質量

質量欠損

に相当するエネルギーを発熱する(cは光速）

amu：原子質量単位 1amu=1.66x10^-27kg エネルギーと質量の等価原理

+ 1

H

陽子

+ + ⁴He

中性子

(9)

宿題 (2013/4/23; 次回授業 4/30 まで )

 地球の公転軌道の位置の単位面積に太陽からやってくる光のエネルギー（フラックス）は 1.4kW/m

²

である。太陽と地球の距離を 1 億 5 千万 km として、

太陽の絶対光度を J/s の単位で求めよ。また太陽の質量 2.0x10

³⁰

kg の 1 割が核融合反応の燃料として使用されると仮定して、太陽の寿命を概算せよ。核融合反応の質量 - エネルギー変換効率は 0.7% とする。

4/30の授業時間中に提出すること。A4orB5の１枚、名前と学生番号をかくこと

*) ここで、太陽の絶対光度とは、太陽の表面全体から単位

時間あたり放射されるエネルギーの総量をさしています

(10)

原子力発電と火力発電

 水を熱して蒸気をつくりタービン（風車）をまわす。

 発電機がまわり電力を発生

 原子力発電では水をあたためるためにウランやプルトニウムの核分裂反応を利用している

http://www.atom.meti.go.jp/siraberu/sikumi/01/main02k.htmlより転載

(11)

原子力発電～核分裂反応の利用Ｕ使用の場合



²³⁵

U の原子核に中性子が衝突すると、不安定な

²³⁶

Ｕの状態を経て、

二つの原子核

（例えば

¹⁴¹

Ba と

⁹²

Kr ）及び 2- 3 個の中性子をる。この際同時に熱が発生する。

図はhttp://www.fepc-atomic.jp/basic_study/sy_nuclear/ より

(12)

原子力発電の燃料

http://www.fepc-atomic.jp/basic_study/sy_nuclear/ より

(13)

未来の発電方法？

水素核融合による発電



（太陽内部で起こっているのと同様の）核融合を発電に利用できれば、燃料は水素ですむ。



より安全で効率も高い

（ 100 万 kW 発電のために水素 175kg) 。



臨界条件 ( 温度 1 億度、密度 10

^-10

g/cc の状態を１秒以上継続する）ことが難しく、まだ実用化されていない。



ＩＴＥＲ計画

http://www.fepc-atomic.jp/basic_study/sy_nuclear/ より

温度 1500 万度、

密度 150g/cc

現在の原子力発電

(14)

原子核の結合エネルギー

http://mext-atm.jst.go.jp/atomica/owa/fig?opt=1&term_no=08-01-03-13&fig_path=/images/08/08-01-03-13/02.gif より

(15)

元素の存在量とその起源



宇宙初期につくられたのは、ほぼ水素とヘリウム（少量の

Li,Be) だけ



α 過程：星の内部で He の原子核がいくつか集合した原子核がつくられていく反応



r 過程：（超新星爆発の際に） Fe の光分解反応で生じた中性子を Fe 等の元素が吸収してどんどん重い元素になっていく反応

http://www.chem.sci.toho-

u.ac.jp/labopage/ichem/takahasi/elements/ele ment_table.html#cosmic

より（東邦大学理学部)

• 人間の体が炭素などからなるのは何を意味するか？

• 地球上にウランなど元素が存在するのは何を意味するか？

(16)

地球、人体の元素組成（重量比）

http://itl.chem.ufl.edu/2045/lectures/lec_1.htmlより

宇宙地球科学1 2013/04/23