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.