2014. március: A napdinamó | MCSE

2014. március: A napdinamó

Ebben a hónapban az asztrofizika talán legnagyobb problémájával, a napdinamóval foglalkozunk.

Ha megfigyeljük a Napot, akár fehér fényben, akár H-alfa tartományban, akkor különböző felszíni jelenségeket figyelhetünk meg rajta. Hogy megértsük, milyen mértékű problémával áll szemben a napdinamó modellje, ezeket a felszíni jelenségeket külön-külön tárgyalni kell, valamint a Nap belsejében zajló áramlásokról is ejtenünk kell pár szót.

Talán a legismertebb és legkönnyebben megfigyelhető felszíni jelenségek a napfoltok. Az első feljegyzések sötét foltokról az i.e. IV. századból származnak, melyet Theophrasztosznak tulajdonítanak. Európában nagyon kevés megfigyelés maradt fent a távcső feltalálása előtti időkből, de Kínában, Japánban rendszeres feljegyzések születtek. A szabad szemmel történt észlelések után közvetlenül a távcső feltalálását követően, 1610-es években történtek az első napmegfigyelések. Többen is írnak erről, de Galilei volt az első, aki bebizonyította, hogy ezek a foltok valóban a Nap felszínén találhatók, nem pedig előtte.

A George Ellery Hale által alapított Wilson-hegyi obszervatóriumban a XX. században már olyan műszereket alkalmaztak, melyekkel sikerült a napfoltok alapvető fizikai jellemzőit meghatározni. Kimutatták, hogy a napfoltokban erős mágneses tér található, melynek nagysága ezerszerese a Föld mágneses terének. Ezek a napfoltok mai tudásunk szerint olyan koncentrációk, ahol a mágneses nyomás hozzáadódik a hidrodinamikai nyomáshoz, mely egy 1500 fokos lehűlést eredményez – ezért látjuk őket feketének.

Egy napfolt nagyfelbontású képe, melyen jól megfigyelhető a penumbra szálas szerkezete

Egy napfolt nagyfelbontású képe, melyen jól megfigyelhető a penumbra szálas szerkezete

A napfoltok nagyon ritkán fordulnak elő magányosan, többnyire csoportokba tömörülnek. Ezek az egyenlítővel párhuzamosan helyezkednek el, és egy-egy csoport két fő részre osztható fel. Mindig van egy nagyobb folt a csoport két végén, melyeket a Nap forgásiránya szerint vezető és követő részre osztunk. Maguk a foltok külön-külön is két jól elkülönülő részre oszlanak, egy belső, jóval sötétebb umbrára, és egy külső, kevésbé sötét, szálas szerkezetű penumbrára.

Heinrich Schwabe német csillagász egy belső bolygót keresett a Naprendszerben, melynek része volt a rendszeres napmegfigyelés is. 1844-ben felismerte, hogy a úgy tízévenként több napfolt figyelhető meg. 1848-ban Rudolph Wolf bevezette a napfolt relatívszámot, és gondosan feldolgozva a korábbi megfigyeléseket, 1700-ig vissza tudta vezetni a napfoltciklust. Ebből állapította meg, hogy 11 évente több napfolt figyelhető meg. A 2. ábrán látható, hogy többé-kevésbé szabályosan ismétlődnek a napfoltciklusok, de az is, hogy a maximumok magassága és a ciklus tartama erősen változó.

A napfoltrelatívszám változása a távcsöves megfigyelések kezdete óta.

A napfoltrelatívszám változása a távcsöves megfigyelések kezdete óta.

Ha ábrázoljuk a napfoltcsoportok naprajzi szélesség szerinti eloszlását, egy ún. pillangódiagramot kapunk. A napfoltokra vonatkozó szabályszerűségeket, törvényeket egyrészt a pillangódiagram alapján, másrészt a napfoltokról készült mágneses vizsgálatok alapján kapjuk.

A pillangódiagramon megfigyelhető, hogy a napfoltcsoportok először 25°-30° szélességi körön jelennek meg, maximum idején az egész 5°-30° közötti zóna aktív, a ciklus vége felé pedig inkább az 5°-10° szélességeken jelentkeznek (Spörer-törvény).

Mágneses vizsgálatokból kiderült, hogy a korábban említett vezető és követő folt ellentétes polaritású; egy adott ciklusban az egyik félgömbön mindig egy adott polaritás a vezető, a másik félgömbön meg az ellentétes. A következő 11 éves ciklusban pedig a polaritásviszonyok megfordulnak, így alakul ki a Hale-ciklus, vagy a 22 éves mágneses ciklus (Hale-féle polaritásszabály).

A pillangódiagram (felső rész), melyen megfigyelhető a napfoltok keletkezési helyének változása a napciklus előrehaladtával az 1800-as évek végétől kezdve napjainkig. Az alsó ábrán a napfoltrelatívszám változása látható.

A pillangódiagram (felső rész), melyen megfigyelhető a napfoltok keletkezési helyének változása a napciklus előrehaladtával az 1800-as évek végétől kezdve napjainkig. Az alsó ábrán a napfoltrelatívszám változása látható.

Megfigyelhető továbbá, hogy ha a vezető és követő foltot egy egyenessel összekötjük, akkor azt tapasztaljuk, hogy a foltcsoport szöget zár be az egyenlítővel. Ennek a szögnek a mértéke változik attól függően, hogy napfoltmaximum vagy minimum van (Joy-törvény).

A napfoltok környezetében másfajta felszíni jelenség is megfigyelhető. Ezek fényesebb képződmények, a fáklyák, melyek a napkorong pereme felé figyelhetők meg, de ez nem azt jelenti, hogy csak ott vannak. A fáklyák hőmérséklete nem olyan mértékben csökken, mint a napfoltokban, valamint a napkorong szélén a fotoszféra hidegebb részeivel a kontraszt nagyobb, mint a napkorong közepén, ahol a napfelszín mélyebb rétegeit látjuk, melyek forróbbak, amik a fáklyák fényét elnyomják. A fáklyák keletkezésében is szerepet játszik a mágneses tér, bár lényegesen gyengébb, mint a napfoltok esetében.

Már az első távcsöves megfigyelések során felfigyeltek arra, hogy a napfoltok egyik napról a másikra elmozdulnak. Carrington a XIX. században felfigyelt arra, hogy a Nap forgási periódusa változik a szélességgel, azaz differenciáltan rotál. Ez azt jelenti, hogy az egyenlítői részek gyorsabban forognak, nagyjából 25 nap a forgási idő, míg a sarkok felé a forgás egyre inkább lelassul, kb. 35 napos forgási időre. Mai asztroszeizmológiai mérésekkel (melyek a Nap oszcillációs módusait vizsgálják, hasonlóan ahhoz, ahogy a Föld belső szerkezetét derítették fel a geológusok földrengéshullámok segítségével) meghatározhatóvá vált a differenciális rotáció mélységbeli eloszlása. Ez alapján ez a fajta mozgás a konvenktív zónában nem függ a mélységtől, ugyanakkor a sugárzási zóna merev testként rotál. A két tartomány között egy vékony átmeneti réteg található, ez a tachoklína.

Maga a differenciális rotáció az egyenlítővel párhuzamos síkban figyelhető meg, de van egy, az egyenlítőre merőleges síkban zajló áramlás, melyet meridionális cirkulációnak neveznek. Nevét onnan kapta, hogy az áramlás a meridiánsíkban történik. Ez a fajta áramlás nagyon gyenge, sebessége csupán kb. 20 m/s. Irányát tekintve a felszínen az egyenlítőtől a pólusok felé tartó áramlás a Nap belsejében visszafordul, és ott egy pólustól az egyenlítő felé történő áramlás alakul ki.

Mai tudásunk szerint a Nap mágneses terét, illetve annak felszíni megnyilvánulásait a Nap belsejében működő mágneses dinamó hozza létre. Ennek a modellnek a következő megfigyeléseket kell visszaadnia:

(1) a napfoltciklus 11 éves változását

(2) a napfoltok megjelenési területének vándorlását, azaz a pillangódiagramot

(3) a Hale-féle polaritásszabályt, és a vele összefüggésben lévő 22 éves mágneses ciklust, azaz a Hale ciklust

(4) a Joy-törvényt, azaz a napfoltok szöget zárnak be az egyenlítővel

(5) a fáklyák megjelenési helye az idő múlásával ellentétben a napfoltokkal, az egyenlítő felé jelennek meg, vagyis pólus irányú vándorlást mutatnak.

A felsorolásból látható, hogy mennyire összetett problémával áll szemben a napdinamó modellje. Ennek köszönhető, hogy a napdinamó mechanizmusára máig nincsenek kielégítő modellek. Elég általánosan elfogadott viszont az, hogy a napdinamó a mágneses tér két komponenséből, a szélességi körökből párhuzamos (toroidális) komponensből, illetve a szélességi körökre merőleges (poloidális) komponensek egymásba alakulása útján működik.

A legáltalánosabban elfogadott napdinamómodell szemléltetése

A legáltalánosabban elfogadott napdinamómodell szemléltetése

A legáltalánosabban elfogadott modell az α-Ω dinamó, mely a következő módon működik. Az α-effektus a poloidális mágneses térkomponens létrejöttéért felelős, míg az Ω-effektus a toroidális mágneses teret generálja. Ha egy vezető folyadékban, mint a Nap plazmájában, az egyenlítővel párhuzamosan áramlás indul meg, mint a differenciális rotáció, akkor miközben a külső mágneses tér erővonalai járják át a plazmát, az erővonalak felcsavarodnak, és létrejön a mágneses tér toroidális komponense. Ez az Ω-effektus. Az α-effektus másképp működik. Az előzőleg tárgyalt toroidális tér vonalaiban észak-dél irányú hurkok alakulnak ki, ezek nagyobb hurkokká alakulnak, kialakítva a mágneses tér poloidális komponensét. A két effektus természetesen egyszerre zajlik le, a szétválasztásukat csak a szemléltetés miatt tesszük meg. Ezekben a modellekben a tachiklína nagyon fontos szerepet tölt be.

A napdinamó modelljéről mostanában sincs megállapodás, a megfigyelési technika javulásával, az egyre pontosabb adatokat szolgáltató műholdakkal illetve eszközökkel lehetséges lehet a jövőben megoldani a problémát.



A www.mcse.hu oldal felületén sütiket (cookie) használunk. Ezeket a fájlokat az ön gépén tárolja a rendszer. Az oldal használatával ön beleegyezik a cookie-k használatába. További információért kérjük olvassa el adatvédelmi tájékoztatónkat. További információ

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close