A Nap légkörének kutatása Understand article

Fordította: Szakály Nikoletta. Gondolkoztál már valaha azon, hogy mit jelent a napszél a Föld lakóinak számára, vagy hogy mi történik akkor, amikor a napfelszín időről időre kitöréseket produkál? Lucie Green, a nagy-britanniai University College London Mullard Űrkutatási…

Jelenleg is zajlik egy különleges kutatási program, amely a Napot, és annak a Naprendszerre gyakorolt hatását vizsgálja. A program – amelyet a Napfizika Nemzetközi Évének neveznek – az Egyesült Nemzetek Szervezetének^w1 kezdeményezésére jött létre, és számos tudós vesz benne részt Európa-szerte. Az egyik érdekes kutatási terület a Nap légköre; még mindig sok kérdésre kell választ adni központi csillagunkkal kapcsolatban.

Az egyik kérdés 1869-ben merült fel, amikor egy teljes napfogyatkozás spektroszkópiai megfigyelése során felfedeztek egy olyan spektrumvonalat, amelyet addig nem figyeltek meg a laboratóriumban. Kezdetben úgy gondolták, hogy a vonal egy új elemhez tartozik, amelyet ideiglenesen „koroniumnak” neveztek el, azonban később kiderült, hogy a vonal erősen ionizált vasionoktól származik, amelyek csak rendkívül magas hőmérsékleten (kb. 1 millió kelvinen) alakulnak ki. Ez az 1939-ben tett felfedezés volt az első arra utaló jel, hogy a Nap légkörében található gázok sokkal forróbbak, mint a 6000 K hőmérsékletű napfelszín. A jelenség rejtélyesnek tűnt, ugyanis minél távolabb kerül egy test a hőforrástól (jelen esetben a Nap magjától), a hőmérsékletnek annál alacsonyabbnak kellene lennie. Valóban ez a helyzet, amíg el nem érjük a fotoszféra felső részét, de innentől a hőmérséklet növekedni kezd a magtól mért távolsággal. Ez ellentétben áll a termodinamika második törvényével; egy hidegebb test nem fűthet egy forróbbat. Felmerül tehát a kérdés: mi fűti a Nap koronáját? A jelenséget a koronafűtés problémájának nevezik.

Bár az első emissziós koronavonalat a látható tartományban fedezték fel, a korona sugárzásának legnagyobb része az ultraibolya és a röntgen-tartományba esik. Miután 1957-ben elkezdődött az űrkorszak, rakétákkal és műholdakkal röntgenteleszkópokat küldtek a Föld légköre fölé (az atmoszféra ugyanis elnyeli a röntgensugarakat), amelyek adatokat tudtak gyűjteni, és lehetővé tették, hogy a tudósok megkezdjék a naplégkör folyamatainak tanulmányozását. A megfigyelésekből hamar kiderült, hogy a fényes röntgenkibocsátás a Nap atmoszférájának azon területein észlelhető, ahol a mágneses tér a legerősebb. Vajon van kapcsolat a mágneses mező és a fűtés között?

A kutatók arra használják a megfigyeléseket, amelyeket az űreszközök (pl. az Európai Űrügynökség és a NASA által 1995-ben közösen elindított SOHO program) végeznek, hogy számos elméletet ellenőrizzenek. Az elméletek két osztályba sorolhatók: az egyik elméletcsoport szerint az energia a koronát átszövő mágneses mezőből származik, míg a másik kategória elméleteiben az energiát a mélyből felfelé terjedő hullámok tárolják. A tudósok jelenleg azt az elképzelést támogatják, hogy az energia a folyamatosan változó és mozgásban lévő mágneses mezőből származik, de a kutatások még ma is folynak.

Mivel a napkorona ennyire forró, amellett, hogy magas a termikus konduktivitása, folyamatosan terjeszkedik kifelé az űrbe. Ezt a terjeszkedést napszélnek nevezik, amelynek két típusa van: a lassú napszél, amely kb. 400 km/s sebességgel mozog, és a gyors napszél, amelynek sebessége kb. 800 km/s. Jelenleg még nem világos a két típus gyorsulási mechanizmusa és elhelyezkedése sem, de mindkét kérdést vizsgálják a kutatók.

A napszél a Naprendszer minden bolygóját és egyéb égitestét éri. Néhány bolygó a Földhöz hasonlóan saját mágneses mezőt hoz létre: azok, amelyek olvadt vasmaggal rendelkeznek (pl. a Föld), vagy amelyeknek a hidrogénlégköre olyan erősen össze van nyomva, hogy fémként viselkedik (pl. a Jupiter). Így mágneses buborék képződik a bolygó körül, amely mellett a napszél áramlani tud. A bolygó és mágneses tere úgy viselkedik, mint egy nagy sziklatömb egy folyóban, amely eltereli a vizet. Azonban a napszél is hoz magával mágneses teret, amely ha erősen déli irányultságú, akkor beáll a Föld mágneses terének irányába. Ilyenkor intenzív sarki fénynek (északi és déli fénynek) lehetünk tanúi. Jelenleg is folynak a kutatások annak meghatározására, hogy hogyan adja át a napszél az energiát a Föld mágneses terének és légkörének.

Azt is vizsgálják, hogy milyen hatással van a napszél a mágneses mezővel nem rendelkező bolygókra. Például a Venus Express nevű űrszonda jelenleg is a Vénusz körül kering, és azt méri, hogy milyen mértékű eróziót okoz a napszél a bolygó légkörében.

A Nap atmoszférájában lejátszódó legdrámaibb esemény a plazma és a mágneses tér óriási kitörése, amelyet koronakidobódásnak (Coronal Mass Ejection, CME) neveznek. A jelenséget 1970-ben fedezték fel, és azóta kimutatták, hogy előfordulási gyakorisága ciklikusan változik (ez az ún. napciklus): a CME-k háromévente legalább egyszer jelentkeznek, de maximum idején akár naponta három-öt alkalommal is megfigyelhetők. Ezeknek a kitöréseknek az iránya mutathat a Föld felé, és, éppen mint a napszél, a CME-k is kapcsolatba kerülhetnek a Föld mágneses terével. Ha ez bekövetkezik, annak súlyos következményei lehetnek; például, a Föld légköre felmelegszik és kitágul, ami megváltoztatja a műholdak pályáját. A CME-k Földre gyakorolt, nagyon is jól érzékelhető hatása rendkívül érdekessé teszi őket a tudósok számára, és jelenleg is működik egy flottányi űrhajó, amely a Napot és a Földet figyelve csak ezt a jelenséget vizsgálja.

Mai tudásunk szerint a CME-k kiváltó oka a Nap mágneses terével van kapcsolatban, amelyet olyan elektromos áram hoz létre, amely a Nap belsejében működő ún. napdinamó hatására keletkezik. A mágneses tér kötegei felemelkednek, áthatolnak a fotoszférán és felnyúlnak a napkoronába. Ez a mágneses tér folyamatosan fellövell a légkörbe, és a kutatók úgy gondolják, hogy a CME-k módot nyújtanak arra, hogy ezt a teret eltávolítsák, és megakadályozzák, hogy felgyűljön. A vizsgálatokat olyan űreszközökkel végzik, mint a SOHO, a TRACE, a STEREO vagy a Hinode, amelyek a mágneses tér szerkezetének időbeli változását figyelik.

A STEREO küldetés két űrszondából áll, amelyek úgy keringenek a Nap körül, hogy el tudnak távolodni a Földtől (az egyik közelebb kering a Naphoz, mint a Föld pályájához, míg a másik a Földpályán kívül helyezkedik el). Ez azt jelenti, hogy a két szonda különböző pozícióból figyeli a Napot, és mint ahogyan a mi két szemünk lehetővé teszi, hogy érzékeljük a távolságokat, a STEREO szondák is háromdimenziós képet adnak a kitörő mágneses struktúrákról (see image). A 3D képet arra használják a tudósok, hogy megpróbálják megfejteni a kitörések fizikáját a mágneses tér szerkezetének ismeretében. A STEREO abban is segítséget nyújthat, hogy a kutatók meg tudják jósolni, hogy mely CME-k fognak összeütközni a Földdel. Ezt az információt a műholdak üzemeltetői, vagy az elektromos hálózatokat működtető szervezetek használhatnák fel: például, a műholdak pályáját különösen gondosan figyelhetnék, amikor egy CME érkezése várható.

A Hinode űrszonda a Hubble Űrteleszkóp Napot vizsgáló megfelelője, amely lehetővé teszi a hatalmas légköri mágneses struktúrák időbeli fejlődésének nagyon részletes vizsgálatát. A kutatók úgy vélik, hogy csak akkor lehet elegendő energia a CME-ket alkotó több milliárd tonna anyag kilökésére, ha az energia a csavart és eltorzult mágneses térben tárolódik. A Hinode azt méri, hogy mennyire csavart a mágneses tér, és az adatokat egyesítik a STEREO eredményeivel. Ha megértjük, hogy miért keletkeznek a CME-k, elkezdhetjük megjósolni, hogy mely mágneses struktúrák fognak kitörni, és végül hogy melyek lesznek a legnagyobb hatással a Földre.

A folyamatosan fúvó napszél és a véletlenszerű irányokban megjelenő CME-k azt jelentik, hogy a Föld mindig érzi a Nap jelenlétét. Valójában azt mondhatjuk, hogy a Nap légkörében élünk, amely kinyúlik a Naprendszerbe. Így azzal együtt, hogy fel szeretnénk tárni a központi csillagunkban zajló alapvető fizikai folyamatokat, saját, Naprendszerben elfoglalt helyünket is meg szeretnénk érteni.

Download

Download this article as a PDF