A Nap.

Az előadások a következő témára: "A Nap."— Előadás másolata:

1 A Nap

2 A Nap a Naprendszer központi csillaga
A Nap a Naprendszer központi csillaga. Körülötte kering a Föld, valamint a Naprendszerhez tartozó bolygók, kisbolygók, üstökösök. A Nap tartalmazza a Naprendszer anyagának 99%-át, átmérője 109 földátmérő. 73,5%-ban hidrogénből áll, amely a központjában zajló magfúzió során héliummá alakul. Az ennek során felszabaduló, majd a világűrbe szétsugárzott energia nélkülözhetetlen a legtöbb földi élőlény számára: fénye a növények fotoszintézisét, hője pedig az elviselhető hőmérsékletet biztosítja. Éltető ereje miatt a Nap kiemelkedő kulturális és vallási jelentőséggel is bír.

3 A Nap egy G2V színképtípusú csillag, a mintegy 10 milliárd évig tartó fősorozatbeli fejlődésének a felénél jár. A fűtőanyagát jelentő hidrogén elhasználása után, 5 milliárd év múlva vörös óriássá duzzad, majd a külső rétegeiből planetáris köd képződik, magja pedig magába roskadva fehér törpévé alakul. Mivel anyagát képlékeny plazma alkotja, a különböző szélességi körön levő területei eltérő sebességgel forognak; az egyenlítői területek 25, míg a sarkvidékek csak 35 naponként fordulnak körbe. Az eltérés miatt erős mágneses zavarok lépnek fel, amelyek napkitörések és – különösen a mágneses pólusok 11 évente bekövetkező felcserélődésének idején megszaporodó – napfoltok kialakulásához vezetnek.

4 A Nap egy élete első ciklusában lévő csillag, a G2V színképosztályba tartozik; valamivel nagyobb és forróbb, mint az átlagos csillagok. A G2 jelölés sárga színére utal, amelyet az 5500 kelvin körüli felszíni hőmérséklete okoz, továbbá arra, hogy a színképében ionizált és semleges fémek színképvonalait lehet felismerni, nagyon gyenge hidrogénvonalak jelenléte mellett. A V jelölés pedig arra utal, hogy a Nap – a legtöbb csillaghoz hasonlóan – fősorozatbeli csillag: a belsejében zajló folyamatok egyensúlyban vannak, nincsen összeomló vagy felfúvódó állapotban. Élete során a Nap mintegy 10 milliárd évig számít fősorozatbeli csillagnak, és ebből 5 milliárd év már eltelt.

5 Várhatóan 4–5 milliárd év múlva vörös óriássá duzzad: az üzemanyagként szolgáló hidrogén mennyiségének csökkenése miatt először elkezd összehúzódni, majd amikor a hőmérséklet elegendő lesz a hélium „égetéséhez”, a felszabaduló energia felfújja a Napot, és a Nap külső határa a Föld jelenlegi pályáján túlra fog kinyúlni. A Nap azonban már jóval ennek bekövetkezése előtt el fogja veszíteni anyagának nagy részét, és így – a gyengülő gravitáció miatt – addigra a Föld már egy távolabbi pályán fog keringeni, elkerülve a megsemmisülést. Miután a Nap az összes üzemanyagát eltüzelte, belseje összeroskad, és fehér törpévé válik, míg a külső rétegeiből planetáris köd képződik.

6 A Nap a Tejútrendszer középpontjától 25–28 ezer fényévnyire van, és a központ körül keringve 225–250 millió év alatt tesz meg egy teljes kört, 220 km/s (1400 évente egy fényév, vagy nyolcnaponta egy csillagászati egység) sebességgel haladva. A Föld Nap körüli keringésének iránya megegyezik a Nap forgásának az irányával, így a Nap tengelyforgása a Földről nézve a valóságosnál lassúbbnak látszik; a Nap a különböző szélességi körei mentén eltérő sebességgel forog. Ez az ún. differenciális rotáció.

7 . Az egyenlítői területek 25, míg a sarkok környékén fekvők csak 35 naponként fordulnak körbe, mert a Nap anyaga képlékeny állagú plazma, és így az egyenlítői területek a centrifugális erő hatására gyorsabban forognak. Ez a jelenség fontos szerepet játszik a naptevékenységi ciklus kialakulásában.

8 Napkitörés Föld

9

10 A szilárd felszín hiánya miatt nem lehet pontosan meghatározni, hogy hol húzódik a Nap határa; a középpontjától kifelé haladva folyamatosan csökken a sűrűsége. A Nap sugarát a középponttól a fotoszféráig mérik, mert ez a legkülső olyan réteg, ami még elég sűrű ahhoz, hogy ne legyen átlátszó. A Nap anyagának többsége a központból mérve a sugarának 0,7-én belül található és bár ezeket a belső területeket nem lehet közvetlenül megfigyelni (ugyanis a Nap anyaga nem enged át semmilyen elektromágneses sugárzást), fizikai modellekkel mégis pontos képet alkothatunk a belső szerkezetéről, rétegeiről.

11 A mag A Nap középpontjában a sűrűség eléri a 1,5·105 kg/m3, a hőmérséklet pedig a 15·106 kelvin értéket. A rendkívül magas hőmérséklet és nagy sűrűség hatására termonukleáris reakció (atommagfúzió) jön létre, melynek során minden négy hidrogénatom egyesüléséből egy héliumatom keletkezik, miközben energia szabadul fel. Másodpercenként átlagosan 8,9·1037 hidrogénatom (5 millió tonna hidrogén) egyesül, ami 383·1024 watt energia keletkezésével jár. Ebből a magban keletkezett, majd a világűre energiasugárzás a Föld térségében 1,37 kW/m2, amelynek egy részét a légkör elnyeli ugyan, de a földfelszínen még így is egy kW napenergia esik minden merőlegesen megvilágított négyzetméterre.

12 A magban zajló láncreakció intenzitásának állandóságát önszabályozó mechanizmusok segítik; a reakció továbbterjedése az egyesülő atommagok nagyobb aránya miatt a mag felhevüléséhez, és a megnagyobbodásához vezetne, de a felsőbb rétegekben található nagy mennyiségű semleges anyag beáramlása csökkenti a fúzionáló atomok arányát, lecsillapítva ezzel a reakciót, ami idővel visszaáll a normális szintre. A mag a sugár 0,2-én belül eső területeket jelenti, és ez a Nap egyetlen olyan része, amelyet közvetlenül a magfúzió fűt, a többi réteg az innen kiáramló energiának köszönheti hőmérsékletét. A magban keletkezett összes sugárzás áthalad a felette levő rétegeken, mielőtt elérné a fotoszférát és kijutna a világűrbe.

13 A nagy energiájú fotonok (gamma- és röntgensugárzás) számára hosszú időt vesz igénybe ez az út; a mag anyaga elnyeli és – alacsonyabb energiával – újra kisugározza őket. A fotonok utazási idejére vonatkozóan a számítások igen eltérő eredményeket adnak; 17 ezer – 50 millió év között. Miután sikerül a magból kijutniuk és a konvekciós rétegen is áthaladtak, a fotonok látható fény formájában távoznak; minden egyes gamma részecske több millió látható fény fotonra bomlik a Napból történő kilépése előtt. A neutrínók szintén a magfúzió során keletkeznek, de ritkán lépnek kapcsolatba a környező anyaggal, ezért szinte azonnal távoznak a Napból. Az évekig tartó mérések során viszont elméletileg várható neutrínómennyiség harmadát sikerült csak kimutatni (A napneutrínók rejtélye).

14 A sugárzási zóna Körülbelül a sugár 0,2-e és 0,7-e közötti részeken helyezkedik el a sugárzási zóna. Ebben a rétegben az anyag még elég sűrű és forró ahhoz, hogy a magban keletkezett energia sugárzás, nem pedig hőáramlás formájában haladjon át rajta; ezt az ionizált formában jelenlévő hidrogén teszi lehetővé.

15 A konvekciós zóna A konvekciós zóna – értelmezéstől függően – a sugár 0,7-ed részétől kifelé található, illetve a felszín alatti, mintegy 150 000 km vastag területet jelenti. Ez a réteg már nem elég sűrű és forró ahhoz, hogy az energia sugárzás formájában haladjon át rajta, mivel az alsóbb rétegektől eltérően itt a hidrogén nem ionizált, hanem semleges állapotban fordul elő, ezért elnyeli a sugárzás egy részét. A konvekciós zónában, a rohamosan csökkenő hőmérséklet miatt a feltörekvő részecskék nem rendelkeznek elég energiával ahhoz, hogy továbbhaladjanak; folyton visszahullanak a mélyebb rétegekbe az mozgáshoz szükséges hőenergia megszerzése céljából. A forró részecskék hőoszlopok formájában törnek felfelé, a lehűlt anyag pedig a széleiken áramlik visszafelé. Ezek a belül forró, kívül hideg "buborékok" okozzák a fotoszféra granulációját

16 A fotoszféra (görög: a fény rétege) a Napnak az a része, amely szabad szemmel, illetve távcsővel, speciális színszűrő nélkül is látható. A fotoszféra számít a Nap felszínének, mivel ez a legkülső olyan réteg amely eléggé sűrű ahhoz, hogy ne legyen átlátszó. Vastagsága csak 400 km, de ezen a rövid távon – a belső határától a külsőig – a hőmérséklet 9000 kelvinről 4300 kelvinre, a nyomás 22 000 pascalról 600 pascalra csökken. Az átlagos hőmérséklete (a napfelszín hőmérséklete) 5500 kelvin. A fotoszféra

17 A fotoszféra jellegzetes szemcsés szerkezetét (granulációját) a konvekciós zónából hőoszlopok formájában feltörő, majd lehűlve visszaáramló gáz hozza létre. Egy ilyen szemcse (granula) 1000 km átmérőjű. Jellemzően kerek vagy sokszög alakúak, átlagos élettartamuk 8-10 perc, de előfordulnak 30 000 km-es, hosszú élettartamú szupergranulák is. Ezek a felszíni alakzatok a Földről nehezen figyelhetők meg a légkör zavaró hatása miatt, alapos tanulmányozásukra csak az űrkorszakban nyílt lehetőség.

18 A fotoszférában találhatók a környezetüknél 1-2 ezer kelvinnel alacsonyabb hőmérsékletű napfoltok, melyek a ki- és belépő mágneses erővonal-hurkoknál keletkeznek. Egy különálló napfolt mérete általában több ezer négyzetkilométer. Belső részükön sötétebb terület (umbra) található, ezt övezi a világosabb zóna, a penumbra. Általában csoportokban jelentkeznek, melyek ellentétes polaritású vezető és követő részekre oszthatók, polaritásuk a Nap északi és déli féltekéjén ellentétes. A Nap aktivitása kb. 11,2 éves periódust mutat, azaz ennyi idő telik el két napfoltmaximum között. A napciklus elején a napfoltok 30-45°-os szélességen jelennek meg, később az egyenlítő felé egyre közelebb. Új napfoltciklus során a vezető és követő napfoltok polaritása felcserélődik. A napfolciklus felfedezése H. Schwabe csillagász nevéhez fűződik.

19 Atmoszféra Közvetlenül a fotoszféra felett helyezkedik el a kromoszféra. Nevének jelentése színes réteg, mert a napfogyatkozások során vörös fényben ragyog. Vastagsága 8000 km, és itt található – mintegy 500 km-rel a fotoszféra felett – a Nap leghidegebb régiója, ahol a hőmérséklet 4000 kelvinre csökken, de felfelé haladva, a korona irányában ismét megemelkedik. A kromoszférát vizuális megfigyelés esetén spektrohelioszkóppal, vagy fényképeket készítő spektroheliográffal, illetve különféle színszűrők segítségével lehet tanulmányozni. Színképelemzésre csak teljes napfogyatkozások alkalmával nyílik lehetőség, mert egyébként a fotoszféra színképe elnyomja a kromoszféráét.

20 A korona a Nap légkörének legkülső része, amely meglepően magas hőmérsékletével és kis sűrűségével tűnik ki. Sűrűsége 1011atom/m3, szemben a fotoszférával, amely 1023 atomot tartalmaz köbméterenként. A korona sokkal nagyobb, mint a Nap maga; 17 millió kilométeres távolságig mutatható ki a jelenléte, és a színképek alapján három rétegét (K-, F- és L-korona) lehet elkülöníteni. Meglepő módon a korona sokkal forróbb, mint az alatta található kromoszféra; hőmérséklete helyenként eléri a 1–5 millió kelvint. Máig nem teljesen tisztázott, hogy mi okozza ezt az extrém magas hőmérsékletet, de valószínűleg mágneses jelenségekre vezethető vissza a kialakulása. A korona megfigyelésére december 2-án az Európai Űrhivatal a NASA-val közösen fellőtte a SOHO műholdat Korona

21 A Nap összes anyaga képlékeny plazma állagú, ez teszi lehetővé, hogy az egyenlítői területei gyorsabban forogjanak, mint a sarkvidékek, ezt nevezik differenciális rotációnak. Az eltérő forgási sebesség miatt a Nap mágneses mezejének erővonalai időről időre összegabalyodnak és mágneses hurkok formájában elszakadnak a felszínétől, drámai napkitöréseket okozva ezzel. A 11 évig tartó napciklus során ezek a zavarok egyre gyakoribbá és erőteljesebbé válnak, és végül bekövetkezik a mágneses pólusok felcserélődése. A mágneses mező

22 A Nap forgó mágneses mezője a bolygóközi anyagban létrehozza a hélioszférikus mágneses teret. Ez a plazmából álló szerkezet betölti szinte az egész Naprendszert, jelenlétét a Nap mágneses mezejének a Föld közelében érzékelhető erőssége is bizonyítja. A Nap közelében 10-4 tesla értékű mágneses mező erőssége a Földnél még mindig 10-9 tesla, pedig a számítások szerint csak tesla lehetne, ha a bolygóközi plazma nem erősítené fel.

23 A napciklus A Napot megfelelő szűrőkön keresztül megfigyelve láthatóvá válnak a napfoltok. Feltűnően sötét színüket az okozza, hogy hűvösebbek – bár csak néhány ezer fokkal – az őket körülvevő anyagnál, mert a körülöttük levő igen erős mágneses tér megakadályozza a hőátadást. A napfoltok belső részén sötétebb terület (umbra) található, ezt övezi a világosabb zóna, a penumbra. Átmérőjük a többtízezer kilométert is elérheti, gyakran kiindulópontjai a koronában látható hatalmas napkitöréseknek.

24 A megfigyelhető napfoltok száma nem állandó; a tizenegy évig tartó napciklus során változik az intenzitásuk. A napciklus minimumán csak néhány látható, de időnként megesik, hogy egy sem. Később az egyenlítő két oldalán szimmetrikusan, magas szélességi körökön jelennek meg, és az egyenlítő felé vándorolnak, miközben újabbak alakulnak ki. A két féltekén található napfoltok általában párokban jelennek meg, és környezetükben ellentétes előjelű a mágneses töltés. A napciklus végén, az északi és déli mágneses pólusok felcserélődésekor látható a legtöbb napfolt.

25 A mágneses pólusok legutóbbi felcserélődése 2001 nyarán volt, amit az egy teljes napcikluson át működő Ulysses űrszonda is megfigyelt. Sikerült megállapítani továbbá, hogy a Nap déli mágneses pólusa instabil; valójában több pólus létezik, egy nagyobb területen szétszórva. A napfolttevékenység erőssége szintén szabálytalanul változó intenzitást mutat; az 1600-as évek során például a ciklusoktól függetlenül is rendkívül kevés napfoltot figyeltek meg, egyes feltételezések szerint részben ez okozta az akkori hűvösebb időjárást.

26 Mi lehet a ciklus változások oka?
A Napon belüli változó sebességű forgás lehet a hajtóereje, ez a forgás ragadja magával a mágneses mezők erővonalait. Az eredetileg É-D irányú erővonalak elhajlanak, megnyúlnak az egyenlítővel párhuzamosan.

27 A napfoltok ott jelennek meg, ahol a mágneses fluxuscsövek kibukkannak a felszínre. Ez a napfoltciklus 11 éves, egyik eleme a 22 éves mágneses fluktuációnak, melynek során a Nap összes sugárzása folyamatosan változik. Ezak az ingadozásik kitágítják a Föld légkörét, változásokat okoznak az éghajlatban, megbéníthatják a villamos távvezetékeket. ANap változásainak Földi éghajlatra való hatásával számolni kell pl. az üvegház-gázok hatásának megállapításakor ben Labitzke (Berlin) felfedezte, hogy a Föld felmelegedési periódusai feltűnően egybeesnek a napciklusokkal.

28 Hatások a Földön A napaktivitás hatása a Földön és környezetében is érzékelhető. Mivel a Földnek van saját mágneses tere, a napszél nem tud közvetlenül belépni a légkörbe, hanem előbb a Van Allen-övben gyülemlik fel. Az övezet belső részén főleg protonok, míg a külső részén elektronok találhatóak, és a sugárzása időnként műszaki problémákat okoz a műholdaknál. A Van Allen-öv köríveket alkot a Föld körül, amelyek a sarkok közelében metszik egymást. Az energia nagy része idővel kitör az övezetből és belép a légkör legfelső részébe, ahol sarki fény formájában láthatóvá válik. Az sarki fény mágneses pólusok környékén, többnyire a 65. földmágneses szélességi fokon belül látható, de a napfolttevékenység felerősödése idején az egyenlítőhöz közelebb fekvő területeken is megfigyelhető.

29 A Nap belsejében zajló folyamatok természetéről sokáig semmit sem tudtak. A korai elméletek – melyek szerint hidrogén és oxigén egyszerű égése, hideg meteorrajok becsapódása, vagy részecskék kölcsönös megsemmisülése szolgáltatná a Nap energiáját – sorra tarthatatlannak bizonyultak. A problémát végül Hans Bethe oldotta meg 1939-ben a magfúzió elméletének kidolgozásával.

30 A halvány fiatal Nap problémája
A Nap fejlődésével foglalkozó modellek szerint mintegy 3,8-2,5 milliárd évvel ezelőtt, a földtörténeti őskorban a fényenergia kibocsátása csak a jelenlegi szint 75%-át érte el, ami azért problémás, mert a geológiai vizsgálatok szerint a Föld felszínének az átlaghőmérséklete nagyjából állandó volt az idők során. Sőt, a fiatal Földön valamivel melegebb is volt mint napjainkban. Nagy valószínűséggel ez annak köszönhető, hogy akkoriban a légkör nagyobb arányban tartalmazott üvegházhatást elősegítő gázokat, főleg szén-dioxidot és ammóniát.

31 Szemkárosító hatása Szabad szemmel a Napba nézni fájdalmas és átmeneti vakságot okozhat, ugyanis ebben az esetben 4 milliwatt napenergia érkezik a retinára, ami kissé felmelegíti és bizonyos esetekben – de nem jellemzően – maradandóan károsítja azt. Továbbá az UV-sugárzás az évek során akkor is károsíthatja a szemet, ha nem nézünk vele közvetlenül a Napba. A Nap megfigyelése megfelelő szűrőkkel nem rendelkező távcsövekkel igen veszélyes, mert egy kis távcső is a normális sugárzás 500-szorosát képes összegyűjteni, ami szinte azonnal elpusztítja a retinán található fényérzékeny sejteket, tartós vakságot okozva. A Nap megfigyeléséhez – szűrők hiányában – a távcső által alkotott képet egy felületre kell kivetíteni, ahol biztonságosan tanulmányozható.