Ugrás a tartalomhoz

CSILLAGÁSZATI FÖLDRAJZ

Dr. Gábris Gyula, †dr. Marik Miklós, dr. Szabó József

NEMZETI TANKÖNYVKIADÓ

6. fejezet - A NAPRENDSZER (dr. Marik miklós)

6. fejezet - A NAPRENDSZER (dr. Marik miklós)

A Naprendszer legfontosabb égitestje a Nap. Tömege 750-szer nagyobb a Naprendszer többi égitestjének együttes tömegénél. A Naprendszer többi égitestjei méretben is eltörpülnek a Nap mellett (74. ábra). Így a Naprendszerben lejátszódó folyamatokat a Nap gravitációs tere és sugárzása „uralja”. Naprendszeren a Nap környezetének azt a tartományát értjük, amelyben a Nap gravitációs tere dominál. Ez a tér egy kb. 2 fényév (2 ⋅ 1013 km) sugarú gömb. Ezen kívül már más csillagok gravitációs hatása „elnyomja” a Nap hatását.

A Naprendszerbe a következő égitesteket sorolják:

a) a Nap,

b) a 9 nagybolygó és azok mintegy 60 holdja,

c) a kb. 100 000 kisbolygó,

d) az üstökösök és meteorok,

e) a bolygóközi (interplanetáris) anyag.

74. ábra - A Nap és a bolygók méreteinek aránya

kepek/42294_1_VII_074.jpg


A nagybolygók, a kisbolygók, az üstökösök és a meteorok mind a Nap körül, Kepler törvényeinek megfelelően keringenek. A kilenc nagybolygó, a kisbolygók mind ugyanabban az irányban keringenek, és ugyanebben az irányban forog a Nap is. A holdak a bolygók körül – néhány kivételtől eltekintve – szintén ugyanebben az irányban keringenek. A Vénusz és az Uránusz kivételével ugyanilyen irányú a bolygók forgása is. Így a Naprendszernek jelentős össz-impulzusmomentuma van. Érdekes viszont, hogy a Naprendszer impulzusmomentumának (perdületének) csak 200-ad része esik a Napra, az impulzusmomentum fennmaradó hányada majdnem kizárólag a bolygók Nap körüli keringéséből ered.

A Naprendszer jellegzetes tulajdonsága, hogy benne az anyag 99%-a egy sík közelében koncentrálódik. Ez a Naprendszer szimmetriasíkja (vagy más néven a Laplace-féle invariábilis sík).

A Naprendszer vizsgálatakor használatos távolságegység a csillagászati egység (CsE vagy A. U.[2]). Ez megegyezik a Föld Nap körüli ellipszispályája fél nagytengelyének hosszával, amely a közepes Nap–Föld távolságot is jelenti. Ennek értéke: 149 600 000 km. Ezt a távolságot a fény 8 min és 19 s alatt futja be. A Naprendszer Naptól legtávolabbi bolygója a Plútó mintegy 40 CsE-nyire kering a Naptól. Ezt a távolságot 5,5 óra alatt teszi meg a fény. A Naprendszer teljes mérete pedig (az előző értelmezés szerint) mintegy félmillió CsE.

A Nap sugárzása a körülötte levő tartományt felmelegíti. A Föld távolságában minden egyes négyzetméterre másodpercenként 1,37 kJ sugárzási energia érkezik a Napból, ami régebbi egységekben kifejezve 1,96 kalória négyzetcentiméterenként és percenként. Ezt nevezzük napállandónak, melynek értéke tehát: 1370 W/m2. A Plútó távolságában ez az érték már 0,8 W/m2-re csökken le. A Nap sugárzása az összes bolygók közül csak a Földön teszi lehetővé, hogy a víz hosszú időn keresztül folyékony halmazállapotban maradjon, ezért a Naprendszerben csak a Földön alakulhatott ki a magasabb rendű élet.

A Nap (dr. Marik Miklós)

A Nap, bár a Naprendszer legjelentősebb égitestje, mégis „csak” egy átlagcsillag. A többi csillag közül közelsége tünteti ki. A Nap az egyetlen olyan állócsillag, amely nem fénypontnak látszik távcsöveinkben, hanem a látómezőben mintegy sétára is indulhatunk a felszínén. A Nap tanulmányozása ezért a többi csillag megismerése szempontjából is rendkívül fontos.

A Nap anyaga, tömege

A Nap anyaga gáz halmazállapotú, plazma. (Plazmának nevezik az elektromos áramot jól vezető folyadékokat és gázokat.) Kémiai összetétele: kb. 80% hidrogén és 20% hélium. A többi elem legfeljebb nyomokban található benne.

A csillagászatban a Napot röviden  jellel szimbolizáljuk.

A Nap legfontosabb adatai:

Átmérője: D = 1,4 millió km = 110 földátmérő.

Tömege: M = 2 · 1030 kg.

Átlagos sűrűsége: ρ = 1,41 g/cm3.

Centrális hőmérséklete: T ≈ 10–20 millió K.

Felületi hőmérséklete: Tf = 5800 K.

Gravitációs gyorsulás a „felszínen”:

g = 2,7 10 2 m s 2 30  g Föld

Forgási periódusa: P = 26 és 34 nap között.

A Nap tömege (2 · 1030 kg) jellegzetes csillagtömeg. A Napnál 10-szer nagyobb, illetve 10-szer kisebb tömegű csillagok már alig akadnak. A Nap átlagsűrűsége (1,41 g/cm3) nem éri el a víz átlagsűrűségének másfélszeresét, és a Föld átlagsűrűségének (5,5 g/cm3) csak kb. egynegyede. A nagy felszíni gravitációs gyorsulás miatt egy 70 kg tömegű ember a Napon több mint két tonnát nyomna.

A Nap – lévén gáz halmazállapotú – nem merev testként forog, hanem differenciálisan rotál. Az egyenlítőhöz közeli tartományok nagyobb, a pólusokhoz közeliek pedig kisebb szögsebességgel forognak. Sejtésünk szerint ennek a differenciális rotációnak alapvető szerepe van a különféle napjelenségek kialakulásában.

A Nap szerkezete

A Nap – mint említettük – gáz halmazállapotú égitest, ezért szigorú értelemben nincs felszíne. A szemünkbe érkező napsugárzás több mint 90%-a azonban a Napnak egy igen vékony rétegében keletkezik (reemittálódik). Ennek a rétegnek a vastagsága mindössze 400 km, ami elenyészően kevés a Nap másfélmillió kilométeres átmérőjéhez képest. Ezt a réteget fotoszférának nevezzük.

Amikor a Nap felszínéről beszélünk, akkor nem geometriai felületet értünk ezen, hanem egy réteget, a fotoszférát. A Nap fotoszféra alatti tartományait a Nap belsejének, a fotoszférát és a felette levő tartományokat a Nap légkörének nevezzük. Más szavakkal: a Nap légkörébe belelátunk, a belsejébe nem.

A Nap belseje három részre osztható:

1. a centrális mag,

2. a röntgensugárzási zóna,

3. a konvektív zóna.

A centrális magban történik a Nap energiatermelése. A Nap energiatermelésének titkára csak a XX. század közepén derült fény. A múlt század elején még úgy tartották, hogy a Napon közönséges égés történik. Ezt a felfogást azonban hamarosan el kellett vetni, mert ha a Nap a legjobb minőségű szénből volna, akkor is csak néhány ezer évig termelne a mai szinten energiát – holott a geológiai leletekből tudjuk, hogy a Nap több mint négy- és fél milliárd év óta gyakorlatilag változatlan.

A múlt század közepén Helmholz azt feltételezte, hogy a Nap folyamatosan összehúzódik és energiáját a gravitációs energia rovására termeli. Ez a folyamat sem fedezheti azonban a Nap energiatermelését néhányszor százezer évnél tovább. Századunk húszas éveiben a radioaktív bomlásoknak tulajdonították a Nap hő- és fénysugárzását, de ez sem bizonyult kielégítőnek. A Nap energiatermelésének problémáját a magfizika oldotta meg. Mivel a Nap másodpercenként 3,86 · 1026 J energiát termel, ennek fedezésére másodpercenként 6 · 1011 kg ≈ 600 millió tonna hidrogén alakul át héliummá. Ez 5 milliárd év alatt is a Nap jelenlegi 2 · 1030 kg tömegének csak az 5%-át teszi ki. Jelenlegi ismereteink szerint a Nap energiatermelését kielégítő módon meg lehet magyarázni az említett magfúziós folyamatokkal. Utódaink szempontjából is megnyugtató, hogy a magfúziós folyamatok még kb. 10 milliárd évig változatlan szinten képesek fedezni a Nap energiatermelését.

A röntgensugárzási zóna a centrális mag körül helyezkedik el, és a centrális magban keletkezett energiát továbbítja a külsőbb tartományok felé. Azért nevezzük röntgensugárzási zónának, mert itt a nagy hőmérséklet miatt az energia főképpen röntgensugárzás formájában van jelen.

A konvektív zóna a Nap felszíne alatt 100 000 km-rel kezdődik. Itt a speciális fizikai viszonyok miatt a sugárzás már nem tudja az energiát kifelé továbbítani. Az energiatovábbítást az anyagnak a víz forrásához némiképp hasonló áramlása, az ún. konvekció biztosítja.

A Nap légköre is három tartományból áll. A legbelső réteg a már korábban is említett fotoszféra. E felett helyezkedik el a kromoszféra és a korona.

A fotoszféra mintegy 400 km vastag, a hőmérséklet itt kb. 6000 K. A Napot különleges segédberendezések nélkül vizsgálva, a fotoszférát látjuk.

1. ábra - . A Nap granulációs szerkezete

kepek/42294_1_VII_001.jpg


A Nap fotoszférájáról (felszínéről) igen jó légköri viszonyok között készített fényképfelvételeken sötét háttér előtt kisebb-nagyobb, világosabb szemcséket figyelhetünk meg. Ezt nevezzük granulációs szerkezetnek (1. kép). A szemcséket granuláknak hívjuk. Egy granula kb. 500 km átmérőjű, és benne az anyag 1–2 km/s-os sebességgel a felszín felé mozog. Élettartamuk 5–7 perc; ennyi idő elteltével összekeverednek környezetükkel, és eltűnnek.

2. ábra - . Egy jellegzetes napfolt. A sötét umbrát világosabb, szálas szerkezetű penumbra veszi körül

kepek/42294_1_VII_002.jpg


A granulák közötti sötét tartományokban az anyag befelé áramlik. A Nap belsejében levő konvektív zóna felső határa belenyúlik a fotoszférába és a granulák tulajdonképpen a felszálló konvektív elemek.

A fotoszféra legfeltűnőbb jelenségei a napfoltok. Egy egyedülálló napfolt (2. kép) átlagos átmérője 10 000 km, élettartama kb. 1 hét. Két részből áll: a sötétebb belső umbrából és az ezt körülvevő világosabb, szálas szerkezetű penumbrából. Az umbra hőmérséklete mintegy 1000 K-nel alacsonyabb a fotoszféra hőmérsékleténél – ezért látszik sötétebbnek. A napfoltok megjelenésének az az oka, hogy a fotoszférában időnként igen erős mágneses tér jön létre. Ahol a mágneses fluxussűrűség megnövekedik, ott jelenik meg a napfolt. Vannak északi és déli polaritású napfoltok; az előbbiek úgy viselkednek, mint egy rúdmágnes É-i, az utóbbiak, mint ennek D-i pólusa. A mágneses fluxussűrűség 0,1–0,35 T.

A napfoltok csak ritkán láthatók egymagukban, általában foltcsoportokba tömörülnek. Egy foltcsoport jellegzetes mérete 100 000 km, és élettartama kb. 1 hónap. A legtöbb foltcsoport egy határvonallal két részre bontható; az egyik részben csak É-i, a másikban csak D-i polaritású foltok találhatók. Ezeket a foltcsoportokat bipoláris foltcsoportoknak nevezzük. Ezek közül azt, amelyik a Nap forgása folyamán előbb halad át a centrálmeridiánon (a napkorong középpontján É–D irányban áthaladó vonal), vezető foltnak, míg a másikat követő foltnak nevezzük.

A Nap foltokkal való fedettsége nem állandó. Időnként sok folt látható a Napon, máskor alig van folt. A Napnak foltokkal való fedettségét a Wolf-féle relatív számmal mérjük:

R = k (10 g + f),

ahol f a Napon látható összes foltok száma, g a foltcsoportok száma (egy egyedülálló folt is foltcsoportnak számít) és k a távcsőre jellemző állandó. (Egy 10 cm átmérőjű lencsés távcsőre k ≈ 1.) Ha R értékét az idő függvényében feltüntetjük, akkor a 75. ábrán látható görbét kapjuk. Látható, hogy R időben periodikusan változik: vannak napfoltminimumok és -maximumok. Két minimum között eltelt időt napfoltciklusnak nevezünk. A napfoltciklusok átlagos hossza 11,2 év. Megállapítható még egy 90 éves ciklus is.

75. ábra - A Nap foltokkal való fedettségét kifejező relatív szám változása 1730 és 1975 között

kepek/42294_1_VII_075.jpg


76. ábra - A pillangódiagram

kepek/42294_1_VII_076.jpg


A napfoltciklus elején a foltok a Nap egyenlítőjétől északra és délre 30°–45°-ra keletkeznek, míg a ciklus végére a keletkezési zónák a Nap egyenlítője közelébe húzódnak. Ez a jelenség nagyon jól megmutatkozik egy olyan grafikonon, amelynek a vízszintes tengelyén a folt keletkezési idejét, a függőleges tengelyén pedig a keletkezésnek a Nap egyenlítőjétől mért szögtávolságot tüntetjük fel (76. ábra). Ezt a grafikont nevezzük „pillangódiagram”-nak. Érdekes, hogy a vezető és a követő folt mágneses polaritása általában ellentétes. Egy cikluson belül a vezető foltok ugyanazon (pl. az északi) féltekén mindig azonos (pl. északi) polaritásúak. Ugyanezen ciklus alatt a Nap másik (déli) féltekéjén lévő vezető foltok polaritása az északi félteke vezető foltjainak polaritásával ellentétes (déli). A következő ciklusban a helyzet megfordul, az északi félteke vezető foltjai déli, míg a déli félteke vezető foltjai északi polaritásúak. Mágneses értelemben egy napfoltciklus tehát nem 11, hanem 22 évig tart. Az iménti jelenség valószínű magyarázatára szolgál a Babcock-féle hipotézis, amely szerint a Nap mágneses erővonalai a tengely körüli nem egyenletes forgás következtében mintegy feltekerednek a Napra. A közhiedelemmel ellentétben a napfoltoknak gyakorlatilag semmilyen közvetlen földi hatásuk nincs.

A napfoltok környékén a fotoszféra világosabb, gyöngyszerűen összefűzött szerkezetet mutat. Ezt nevezzük fáklyamezőnek (3. kép), illetve ennek elemeit fáklyának. A fáklyák a fotoszféra felső tartományaiban levő, környezetüknél mintegy 300 K-nel magasabb hőmérsékletű „felhők”.

3. ábra - kép. Fáklyamező a Nap fotoszférájában

kepek/42294_1_VII_003.jpg


A kromoszféra már csak teljes napfogyatkozások alkalmával vagy különleges segédberendezések felhasználásával figyelhető meg. Vastagsága mintegy 10 000 km, hőmérséklete kb. 10 000 K. Sűrűsége csak százezred része a fotoszféra sűrűségének. Létét és magas hőmérsékletét a konvektív zónában keletkező különleges mágneses (magnetohidrodinamikai) hullámoknak köszönheti.

A kromoszféra jellegzetes megnyilvánulásai a protuberanciák. Ezek a fotoszféra fölé nyúló gázhidak a Napon (4. kép). Jellegzetes méretük 100 000 km, élettartamuk kb. egy hónap. Keletkezésükben jelentős szerepe van a Nap mágneses terének. Általában hosszú ideig, változatlan alakban figyelhetők meg. Néha azonban előfordul, hogy egy-egy protuberancia „felrobban”. Ezeket eruptív protuberanciáknak nevezzük. Érdekes, hogy a felrobbant protuberanciák helyén néhány nap múlva általában a régihez hasonló alakú, új protuberancia keletkezik.

A kromoszféra és az egész naptevékenység legfontosabb jelenségei a flerek (vagy más néven erupciók, illetve napkitörések). A fler lényegében a kromoszféra hirtelen kifényesedése a napfoltcsoportok fölött. A kifényesedés néhány perc alatt megy végbe, majd 20–100 perc alatt ismét elhalványodik. Flerkitörések alkalmával jelentősen megnövekszik a Nap rádió-, röntgen- és ultraibolya-sugárzása. Ezenkívül részecskék, elsősorban elktronok, de néha protonok is kidobódnak ilyenkor a Napból. Igen ritkán (egy napciklus idején néhányszor) olyan nagy intenzitású flerek is előfordulnak, amelyek alkalmával kozmikus (közel fénysebességgel mozgó) protonokat is észlelhetünk. Ezeket protonflereknek nevezzük. A flerek keletkezésének oka még nem tisztázott, de tény, hogy a napfoltok mágneses terének hirtelen változása szerepet játszik kialakulásukban. Mivel foltcsoportok felett figyelhetők meg, a gyakoriságuk követi a Wolf-féle napfolt-relatívszám változásait. A flereknek több közvetlen- és közvetett földi hatása mutatható ki.

4. ábra - kép. Protuberancia a Napon

kepek/42294_1_VII_004.jpg


5. ábra - kép. A Nap koronája

kepek/42294_1_VII_005.jpg


A korona a Naplégkör legkülső tartománya (5. kép). Ez a kromoszféránál is ezerszer kisebb sűrűségű gázburok a Nap méreteivel közel azonos vastagságú. Alakja változó, napfoltmaximum idején megközelítően gömb alakú, minimumkor erősen belapul. A korona folyamatosan megy át a bolygóközi anyagba, ezért a határa megállapodás kérdése. A csillagászok általában azt értik napkoronán, amit napfogyatkozások alkalmával meg lehet figyelni. A korona hőmérséklete igen magas, 1–2 millió K. A korona fűtésében szintén a konvektív zónában keletkező mágneses hullámok játsszák a fő szerepet.

A naptevékenység földi hatásai

Közvetve majdnem minden földi folyamat a Napnak köszönheti létét. Az élet is csak azért alakulhatott ki bolygónkon, mert a Nap hosszú ideje nagyjából változatlan mennyiségű energiát sugároz a Földre. A Napon lejátszódó rövidebb időléptékű folyamatok közül a flereknek van jól érzékelhető közvetett és közvetlen földi hatásuk. A flerkitörések alkalmával a Napból kidobódott elektronok bizonyos esetekben a Földet is „eltalálhatják”. Ilyenkor az elektronok a Föld mágneses pólusai közelében érik el a légkört, és a gázatomokat és -molekulákat gerjesztve, létrehozzák a sarki fény jelenségét. Ezek az elektronok lényegében mágneses teret indukáló elektromos áramot hoznak létre. Ez a tér hozzáadódik a Föld mágneses teréhez, s egy kicsit módosítja is azt. Így a flerkitörések alkalmával a Földön mágneses viharokat figyelhetünk meg.

A flerek ultraviola-sugárzása jelentősen megnövelheti a Föld légkörében levő ionoszféraréteg vastagságát, és ezáltal zavarok keletkezhetnek a rövidhullámú rádió-összeköttetésekben.

A flereknek (különösen a már említett protonflereknek) közvetlen biológiai hatásuk is van. Protonfleres napokon például megnövekedik a szívinfarktus következtében bekövetkező halálesetek száma.

A naptevékenység és az időjárás alakulása között is kimutatható statisztikus jellegű összefüggés, ez azonban prognózisok készítésére nem alkalmas. Az időjárás naptevékenységi maximum idején különösen az éppen téli féltekén változékonyabb, mint minimumkor. Érdekes, hogy azokban az időszakokban (pl. 1650 és 1700 között), amikor alig voltak foltok a Napon, a Föld É-i félgömbjén hidegebb időjárás uralkodott.

Ugyancsak jól követi a naptevékenység ingadozásait bizonyos fajta fák évgyűrűinek vastagsága. Nagy naptevékenység idején vastagabb, kisebb naptevékenység alkalmával pedig vékonyabb évgyűrű alakul ki. Érdekes, hogy az évgyűrűk vastagsága jobban mutatja a naptevékenységet, mint az időjárás vagy azon belül a csapadékmennyiség alakulása. Ennek okára még nem sikerült kielégítő magyarázatot találni.

Az előbbiekből látszik, hogy a naptevékenység tanulmányozása nemcsak magának a Napnak a megismerése végett, hanem mindennapi életünk szempontjából is fontos.



[2] A. U. az angol Astronomical Unit rövidítése.