In Klasse 13 haben einige Mitschüler und ich einen Vortrag über die Sonne gehalten und dazu eine Arbeit abgegeben. Hier ist nun die Arbeit zu meinem Teil ich übernehme keine Verantwortung auf Richtigkeit:

Die Sonne

Gliederung:


 

Grundsätzliches zur Sonne

Die Sonne ist ein Stern, der das Gravitationszentrum unseres Sonnensystems bildet, man spricht vom heliozentrischen Weltbild. Da die Sonne so nah an der Erde ist, ist ihre Licht- und Wärmestrahlung wesentlich stärker zu spüren als die zahlreicher Sterne, wie wir sie am Nachthimmel sehen. Sie bildet mit ihrer Energiestrahlung (elektromagnetische Strahlung) eine Grundlage jeglichen Lebens. Planeten umkreisen die Sonne auf einer Ellipsenbahn. Dadurch differiert die Entfernung von der Sonne zu den Planeten leicht, dies macht sich jedoch kaum im Temperaturverlauf bemerkbar. Mittlere Entfernung von Sonne und Erde beträgt 150 Mio. km. Wir beobachten Tag und Nacht, da die Erde wie auch die anderen Planeten, sich um die eigene Achse dreht. Am Tag ist eine Hälfte der Sonne zugewandt. Wird es Nacht, so wird eine andere Stelle von der Sonne beschienen. Die Erdachse ist zu ihrer Ekliptik (Umlaufbahn um die Sonne) geneigt. So kommt es zur Ausbildung der Jahreszeiten. Sie sind auf der Nordhalbkugel entgegengesetzt zur Südhalbkugel. Beim Sommeranfang auf der Nordhalbkugel steht die Sonne am nördlichen Wendekreis bei 23,5° im Zenit. In den Polbereichen ist sie teilweise den ganzen Sommer lang über dem Horizont und kann die Gebiete im Winter nicht erreichen. Die Strahlen werden teilweise von der Atmosphäre absorbiert, daher ist die auftreffende Sonnenstrahlung intensiver, je näher die Sonne zum senkrechten Einfallswinkel, dem Zenit, steht. Einige Frequenzbereiche können die Atmosphäre nicht passieren, man erhält ein sogenanntes Linienspektrum. Schiebt sich während des Tages der Mond zwischen Sonne und Erde, spricht man von einer Sonnenfinsternis. Der Mond, auch als Trabant bezeichnet, umkreist die Erde auf einer Umlaufbahn. Während einer Sonnenfinsternis kann man Beobachtungen vom Rand der Sonne machen. Die Bedeutung der Sonne für das Leben war schon im Altertum bekannt, so wurde die Sonne kultisch verehrt, als Gottheit angesehen und in zahlreichen Gestalten verkörpert. Schon früh wusste man von Sonnenflecken oder Sonnenfinsternissen. Nachdem im Jahre 1611 die Sonnenflecken von Galilei wiederentdeckt wurden, begann die Erkundung der Sonne im Sinne der Modernen Forschung. Viel lässt sich aus der Analyse des Sonnenlichtes erkennen. Mit Hilfe der Raumfahrt können Satelliten und andere Messgeräte, welche auf eine Erdumlaufbahn gebracht wurden, auch die Wellenlängen messen, die durch die Erdatmosphäre absorbiert werden und Teleskope auf der Erde nicht erreichen. Man kann sich der Sonne bis Heute nicht unmittelbar nähern.

2. Aufbau und Prozesse der Sonne

Die Sonne besteht zu 71% aus Wasserstoff, 27% Helium und zu 2% aus schwereren Elementen. Sie hat einen Radius von R =6,96*10^5 km, eine Masse von m =1,99*10^30 kg und eine Dichte \roh =1,409 g/cm^3. Die äußere und für uns sichtbare Schicht der Sonne ist die etwa 200 km dicke Photosphäre. Es herrscht eine Oberflächentemperatur von 5770 K. Die Photosphäre hat eine geringe Dichte, bei einer Sonnenfinsternis leuchtet sie weiß. Weiter innen schließt sich die Chromosphäre an, welche bei einer Sonnenfinsternis rosafarbend leuchtet. Die Temperatur beträgt hier 10^6 K. Die Chromosphäre reicht mit ihrem hoch ionisierten Gas weit ins Weltall, die Dichte ist gering. In der unteren Atmosphäre, bis 1000 km liegt die Temperatur bei 10^4 K. Weiter Innen ist die Strahlungszone, sie liegt bei 0,2 bis 0,85-mal des Radius. Die Energie des Kernes wird hier mittels Strahlung nach außen gebracht. Temperatur ist 1,5*10^6 K. In der Konvektionszone wird der Energietransport zusätzlich durch die Umwälzung von Materie bewerkstelligt. Dabei expandiert das Gas und kühlt stark ab, es können sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoff verbinden. Das Sonnenzentrum erstreckt sich über 1/5 des Sonnenradius, die mittlere Temperatur ist hier 4*10^6 K, bei einem Druck p =2,2*10^16 Pa. Die Temperatur am Zentralpunkt der Sonne ist 1,5*10^7 K. Im Kernbereich findet die Energiegewinnung der Sonne statt. Hierzu wird Wasserstoff zu Helium fusioniert. Es laufen folgende Einzelreaktionen ab: _1^1H +_1^1H \rightarow _1^2D +\beta+ +\gamma _1^2D +_1^1H \rightaqrow _2^3He +\gamma _2^3He +_2^3He \rightarow _2^4He +_1^1H +_1^1H +\gamma Entstehende Gammastrahlung ist die Energie, welche die Sonne abgibt. Es wird eine Leuchtkraft L_0 =3,82*10^26 W erreicht.

3. Technische Nutzung der Sonnenenergie

Die Sonne liefert auf die Erde jährlich 1,2*10^15 kWh, dass entspricht dem 20-fachen des Jahresprimärenergiebedarfs. In Deutschland sind das jährlich 900-1200 kWh/m^2. Die gesamte Energie, welche wir nutzen stammt von der Sonne. Sie Erwärmt die Erdoberfläche, die Atmosphäre sorgt dafür, dass die Wärme nur begrenzt ins Weltall zurückstrahlen kann. Die Fossilen Brennstoffe sind einst aus Pflanzen entstanden, die die Sonnenenergie zum Wachsen benötigten. Wind- und Wasserhaushalt werden durch die Sonne in gang gebracht. Im Folgenden soll nur die direkte Nutzung der Sonnenenergie in der Technik beschrieben werden. Es gibt einige Möglichkeiten, die teilweise schon eingesetzt werden. Es gibt jedoch nicht in allen Bereichen ausgereifte Technik, die eingesetzt werden kann, andererseits sind die Installationskosten zu hoch. Sicher ist jedoch, dass wir in der Zukunft verstärkt erneuerbare Energien (Wasserkraft, Wind, Biomasse und Solarenergie) einsetzen müssen. Bessere Möglichkeiten für große Solaranlagen bieten die Wüstengebiete um die Wendekreise. Kleinanlagen können dort eingesetzt werden, wo ein Anschluss an das Versorgungsnetz aufwendiger ist. Die Photovoltaiktechnik wandelt das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie. Es kann sowohl die direkte, als auch die Diffuse Strahlung (Globalstrahlung) verwendet werden. Die sogenannten Solarzellen bestehen aus Halbleitern, wie z.B. Silizium oder verschiedene andere Verbindungen, es können auch mehrere unterschiedliche Halbleiter sein. Es werden beim einfallen von licht Ladungsträger freigesetzt. Diese trennen sich, Elektronen können durch einen äußeren Stromkreis fließen. Es ist am besten, wenn die Sonne senkrecht auf die Fläche scheint, da teure Nachführeinrichtungen nicht immer installiert werden können, wird sich oft mit einer einfachen Ausrichtung nach Süden begnügt. Die Kosten für Solarstrom sind stark gefallen und werden dies weiter tun. Der Preis je kWh liegt derzeit bei 1-0,9€ und sinkt voraussichtlich bis 2010 auf 0,25-0,4 €. Eine Installation auf dem Hausdach kostet 5000-9000 €. Es könnten aber auch Fassaden oder andere Freiflächen in Siedlungsgebieten genutzt werden. Der Wirkungsgrad liegt meist um 10%. Der entstehende Gleichstrom kann so verwendet werden, in Akkumulatoren gespeichert werden oder in Wechselstrom gewandelt werden, um ihn in das Stromnetz einzuspeisen.

Parabolrinnenkraftwerk: Die Sonnenstrahlung wird durch 6 m breite und bis 100 m lange Parabolspiegel auf ein Absorberrohr gebündelt, welches durch ein sich erwärmendes Thermoöl durchflossen wird und mittels eines vakuumierten Glasrohrs vor Auskühlung geschützt wird. Das Öl wird 400°C warm. Es gelangt durch Wärmetauscher, wo Wasserdampf erzeugt wird, welcher herkömmliche Dampfturbinen antreibt. Wirkungsgrad zu Wechselstrom 21% Kosten unter 0,1 €/kWh.

Solarturmkraftwerke: Beim Solarturmkraftwerk wird die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel (Heliostaten) auf die Spitze eines Turmes konzentriert. Bei diesem Konzept können Temperaturen bis 1000°C erreicht werden. In der Turmspitze befindet sich ein Absorber, der die Strahlung in Wärme umwandelt und an ein Wärmeträgermedium abgibt, dass die Wärme einen konventionellen Kraftwerksprozess zuführt.

Paraboloidkraftwerk: Die Sonne strahlt auf einen Parabolspiegel. In seinem Brennpunkt befindet sich ein Absorber. Dieser nimmt die Sonnenenergie auf und gibt sie an ein Wärmeträgermedium, wie Helium oder Luft, welches sich bis auf 900°C erwärmt. Es treibt einen Stirlingmotor oder eine Gasturbine an. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 30%.

Aufwindkraftwerke: Unter riesigen Glashäusern erwärmt die Sonne Luft. Die warme Luft strömt zu einem in der Mitte der Glashäuser stehenden Kamin, in dem Luft aufsteigt. Der so entstehende starke Zug, wird zum Antrieb von im Kamin installierten Windturbinen zur Stromerzeugung genutzt. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Technologien kann hierbei auch die diffuse Strahlung der Sonne genutzt werden. Wirkungsgrad ist geringer, die Konstruktion ist einfacher, es sind Anlagen mit mehreren 10 MW geplant. Es werden Turmhöhen von 1 km und mehrere Quadratkilometer große Häuser verwendet.

Sonnenkollektoren: Die Wärmestrahlung der Sonne erwärmt ein Wärmeträgermedium (Wasser), welches zur Warmwasserversorgung oder zur Gebäudeheizung verwendet wird. Es gibt unterschiedliche arten von Solarkollektoren. Kunststoffabsorber: Wasser fließt durch frei angebrachte, schwarze Kunststoffmatten. Es werden keine hohen Temperaturen erreicht. Anschaffungskosten sind gering. Geeignet sind Kunststoffabsorber z.B. zum Beheizen von Freibädern. Flachkollektoren: Der Absorber ist aus Metall, nach hinten ist der Kollektor gut isoliert und nach oben mit Glas abgedeckt. Der Absorber wird zusätzlich mit schwarzem Solarlack vor Auskühlung geschützt. Er ist in Größen von 2-5 m^2 zu erwerben. Er ist geeignet für die Warmwassererzeugung und zur Gebäudeheizung. 5 m^2 decken 60% des Bedarfes eines Einfamilienhauses. Vakuumröhrenkollektor: Der Absorber ist in einer vakuumierten Glasröhre. Dies ist ein Effekt wie bei der Thermoskanne. Der Vakuumröhrenkollektor hat den höchsten Wirkungsgrad. Beim Defekt einer Röhre bleibt er weiter funktionsfähig. Er ist zur Raumheizung und zur Warmwassererzeugung geeignet.

Um Bedarfsschwankungen auszugleichen ist ein Speicher von Nöten. Für die Warmwasserversorgung eines Einfamilienhauses etwa 300 L oder 70-100 L je m^2 Kollektorfläche. In Großanlagen gibt es unterirdische Betontanks. Haltbarkeit ist etwa 20 Jahre. Zur Heizunterstützung ist die passive Nutzung der Sonnenenergie geeignet. Wichtig sind die Südausrichtung und die Wärmedämmung.

4. Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf den menschlichen Körper


Das Sonnenlicht ist in die langwellige Wärmestrahlung (über 750 nm), das sichtbare Licht (750-400 nm), den UV-Bereich (280-400 nm) und den kurzwelligen bereich (280-100 nm) zu unterteilen. Das UV-Licht wird in UV-A (320-400 nm) und UV-B (280-320 NM) unterteilt. Von ihm geht hauptsächlich die Wirkung auf die Haut aus. Es gibt erwünschte und unerwünschte Wirkungen. So wird z.B. Das für den Körper wichtige Vitamin D gebildet, somit wird die Abwehrkraft des Imunsysthems gesteigert, der Calcium und Phosphathaushalt wird reguliert, da das UV-Licht Stoffwechselvorgänge anregt wird das Allgemeinwohl gefördert. Es werden zusätzlich pathogene Keime auf der Haut abgetötet. Der Körper hat eigene Schutzmechanismen gegen das Sonnenlicht. Bei zu hoher Bestrahlung kommt es zu verstärkter Hautalterung und Sonnenbrand. Sonnenbrand ist eine Zerstörung der Hautzellen durch UV-Strahlen. In leichten Fällen zeigt sich eine Hautrötung, bei stärkeren Schäden kommt es zur Blasenbildung. Ein solcher Sonnenbrand geht mit Fieber und Kopfschmerzen einher. Hellhäutige Personen sind stärker davon betroffen. Die Haut wird zum einen durch Schweiß geschützt, zum anderen Bildet sich Lichtschwiele, die dritte Schutzmethode ist das Melanin. Es macht die dunkle Färbung der Haut aus. Dieser Farbstoff bildet sich wie die Lichtschwiele erst bei Sonneneinstrahlung. Es ist daher wichtig die Haut nach dem Winter langsam an die Sonne zu gewöhnen. Am ersten Sonnentag sind in der Mittagszeit nur 10 Minuten Aufenthalt in der Sonne zu empfehlen. Die Zeit kann langsam gesteigert werden. Zusätzlich kann man sich mit Handelsüblichen Lichtschutzmitteln zum Auftragen auf die Haut schützen. Die Aufenthaltszeit im Sonnenschein kann mit dem angegebenen Lichtschutzfaktor multipliziert werden. Die UV-Strahlen werden herausgefiltert und in Wärme umgewandelt oder reflektiert. Ein bewölkter Himmel lässt nur die Hälfte der UV-Strahlen passieren. Die Haut kann gewisse Schäden in ihrem Erbgut, welche durch die Sonne entstanden sind, reparieren. Es kann jedoch auch zur Bildung von Tumoren führen. Unerforscht ist dies auch bei Solarien. Bekannt ist jedoch, dass die UV-Strahlen die Augenlinsen schädigen. Es wird nicht empfohlen in den Strahler zu blicken.


Quellen: Broschüre des Umweltministeriums zur Nutzung Erneuerbarer Energien, Projekt „Lichtschutzmittel“ vom Fach Chemie, Lexika
1780 Wörter
Sebastian Fietz zur Startseite
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