Nap

 

A Napról általában

A Nap legfontosabb adatai

A Nap belső szerkezete

    A Nap kb. egynegyed részéig terjed a központi mag, ahol a nagy hőmérséklet miatt végbemehet a fúziós energiatermelés. A folyamat során nagyenergiájú fotonok keletkeznek.
    A magot a röntgensugárzási zóna veszi körül kb. a sugár 70%-áig. Ebben a tartományban a fotonok gyakran ütköznek az atomokkal, elnyelődnek, majd kisugárzódnak. Egy-egy fotont oly sokszor érnek ilyen hatások, hogy mintegy tízezer évig is eltarthat, mire a felszínre ér. 
    A Nap felszíne alatti, sugarának 25–30%-át kitevő részében nagyarányú konvekció zajlik. Ezt a réteget konvektív zónának nevezik. A hő az anyag áramlása révén jut el a fotoszférába, majd onnan sugárzódik ki a világűrbe.           
    A Nap légkörét főként könnyebb kémiai elemek alkotják: 70% hidrogén, 28% hélium, 2%-ban pedig nehezebb elemek. A magban már csak 35% a hidrogén aránya (tömeg szerint).

A Nap energiatermelése, magfúzió
    A Nap magjában a számítások szerint 15-16 millió K a hőmérséklet, 3·10¹¹ atmoszféra nyomás uralkodik, a sűrűség 155 g/cm³. A Nap sugarának mintegy egynegyedéig terjedő központi mag fúziós atomerőműként működik, ahol az energia nagy energiájú fotonok, így gamma- és röntgensugárzás formájában szabadul fel a könnyebb elemek nehezebbekké való egyesülése közben. A fúziós folyamatban proton-proton reakció zajlik le, melynek során hidrogénatomok magjai (vagyis protonok) egyesülnek, s héliumatommagok jönnek létre (pp-ciklus). A protonok közötti elektromos taszítás ellenére akkor jöhet létre az ütközés, ha a részecskék nagyon nagy sebességgel mozognak, azaz óriási a hőmérséklet. Ám a Nap magjában az átlagos protonenergia kisebb, mint a Coulomb-gát magassága, a fúziót az alagúteffektus teszi lehetővé.
    A Napban a pp-ciklus dominál, de kisebb mértékben a CNO-ciklus (1, 2) is hozzájárul az energiatermeléshez (utóbbi folyamat a nagyobb tömegű csillagokban jellemző). A Nap a mostanihoz hasonló szinten még 6 – 7 milliárd évig sugározhat.

A Nap légköre
    Légköri rétegei: fotoszféra, kromoszféra, napkorona, mely fokozatosan megy át a bolygóközi tér anyagába. A korona napfogyatkozáskor válik láthatóvá.
    A Napból áradó hatalmas mennyiségű energia elsősorban közeli ultraibolya, látható és infravörös sugárzás formájában hagyja el a csillagot, de emellett a Nap kisebb mennyiségben mindenféle más sugárzást is kibocsát, a gamma- és röntgensugaraktól egészen a rádióhullámokig. A földi légkör ebből sokat elnyel, csak egy része ér le a felszínre. A Nap elemi részecskéket (főleg protonokat és elektronokat) is kisugároz, amelyet napszélnek nevezünk.

A Nap "felszínének" jellemzői, a fotoszférában lejátszódó jelenségek
    A Nap általunk látható és megfigyelhető része a fotoszféra. A Földünkig eljutó napsugárzás 90%-a ebben a rétegben keletkezik. A fotoszféra átlagos hőmérséklete körülbelül 5800 K, de vannak ennél hidegebb (napfolt) és melegebb (fáklya) régiói. A fotoszférát granulák építik fel. A granulákban 5-7 km/s sebességgel felfelé áramló forró gáz van, míg a granulák között már a kihűlt, lefelé süllyedő gáz található. Egy átlagos granula átmérője 500 km. A granulák, miután létrejönnek, folyamatosan változtatják az alakjukat, keverednek az őket körülvevő anyaggal és lassan eltűnnek. Ehhez a folyamathoz 10-20 percre van szükségük. Több száz granulát tartalmazó cellából szupergranulák jöhetnek létre, melyek átmérője eléri a 30.000-50.000 km-es nagyságot is. A granulációval ellentétben a szupergranuláció nem figyelhető meg optikai távcsővel. A szupergranulák létezését a vízszintes sebességeloszlás mérésével lehet kimutatni. A szupergranulában a plazma áramlási sebessége 0,5 km/s. Egy szupergranula átlagos élettartama 1-2 nap lehet.        

A napfoltok és fáklyák
    A Nap fotoszférájának leglátványosabb képződményei a napfoltok. Távcsővel és néha szabad szemmel is jól megfigyelhető alakzatok. Először Galilei figyelte meg a napfoltokat, 1609-ben. (Idős korára ezért meg is vakult - a Napba szabad szemmel nézni tilos, mert maradandó szemkárosodást okozhat.). A napfoltok mérete nagyon változó lehet, az egészen aprótól az óriás méretig (több milliárd km²-nyi területű). A napfoltok általában nem egyedül jönnek létre, hanem csoportokat alkotnak. A napfoltcsoportok élettartama 1-4 hét között változik. A napfoltnak két része van. Egy sötétebb belső mag, az umbra és egy világosabb, szálas szerkezetű külső rész, a penumbra. A színbeli különbséget a hőmérséklet változása hozza létre. A napfolt eleve hidegebb a fotoszféra többi részénél, körülbelül 1500-2000 fokkal, az umbra a folt leghidegebb része, ezért látjuk sötétebbnek. A különféle hullámhosszokon más-más képet mutat a környezetük. A napfoltok keletkezését a mágneses térerősség megnövekedése okozza, általában egy hurok alakú mágneses erővonal-cső kibukkanása. Vannak É-i és D-i polaritású napfoltok. A foltokban a mágneses tér erőssége elérheti a néhány ezer gausst (néhány tized teslát), amit a Zeeman-effektus miatti színképvonal-felhasadás mértékéből lehet meghatározni.
    A napfoltok közelében gyakoriak a fáklyamezők. A fáklyákból kialakuló mezők fényes, gyöngyszerűen összefűzött alakzatot alkotnak. A környezetüknél 300 fokkal magasabb hőmérsékletű régiói a fotoszféra felső tartományának. A fáklyák kialakulásában is a mágneses tér játszik fontos szerepet.    

 Napfoltciklus
    A napfoltok száma időben változó, ebben a változásban megfigyelhető egy 9-13 éves, átlagosan 11,2 éves ciklikusság. Az egymást követő maximumok között ennyi idő telik el, amit napfoltciklusnak (naptevékenységi ciklusnak) nevezünk. Ha megnézzük a foltok számának időbeli változásátmutató ábrát, akkor látszik, hogy a maximumok magassága között különbségek vannak, illetve a ciklusok hossza is változó. Az is jól kirajzolódik, hogy a minimumtól a maximumig meredekebb az emelkedés, kb. 3-4 év, míg a napfoltok számának csökkenése egy lassabb folyamat. 1650 és 1700 között meglepően kevés volt a napfolt, ezt az időszakot Maunder-minimumnak nevezzük. Pillangódiagramnak hívjuk (alakja miatt) a napfoltcsoportok naprajzi szélesség szerinti eloszlásának ábrázolását. A következő napfoltmaximum időpontja és erőssége csak becsülhető.

A kromoszféra
     A Nap centrumától kifelé, a fotoszférát elhagyva jutunk a kromoszférába, amely a légkör következő rétege. A ritka és vékony (kb. 5000 km vastag) kromoszférán általában átlátunk, viszont napfogyatkozáskor, amikor a fedés idején a fotoszféra nem látható, néhány pillanatra jól megfigyelhetővé válik a kromoszféra. A kromoszféra szerkezetére az egyenetlen anyageloszlás jellemző, mivel a régión belül nagy hőmérséklet-változás következik be. A kromoszféra alján 6000 K uralkodik, míg a régió tetejére érve már 20000 K mérhető.    
A protuberanciák és filamentumok
    A kromoszférában megfigyelhető leglátványosabb jelenségek egyike a protuberancia. A kromoszféra és a korona anyagánál alacsonyabb hőmérsékletű, de sűrűbb plazmából álló felhő, illetve lángnyelv. Nehezen megfigyelhető jelenség, leginkább azokon a hullámhosszakon lehet észlelni, ahol a hidrogén és a hélium fényt nyel el vagy bocsát ki. Filamentumnak akkor hívjuk a protuberanciát, ha a képződményt az elnyelési hullámhosszakon vizsgáljuk. A gyakori hurok alak a helyi mágneses teret rajzolja ki, hiszen az elektromosan töltött anyagra hat a mágneses Lorentz-erő. A protuberanciákat két osztályba sorolhatjuk: nyugodt és aktív protuberancia. A nyugodt protuberancia lassan változtatja az alakját és hónapokig,illetve akár egy évig is jelen van a légkörben. Ha a gáz nagyon gyorsan mozog és ezáltal az anyag kifelé száll, már aktív protuberanciáról beszélünk.

Napkitörések, flerek
    A Földre legnagyobb hatással a napkitörések vannak. A Nap felszíne közelében, a napfoltcsoportok felett hatalmas (minden bizonnyal fúziós) robbanások fordulnak elő, amikor a mágneses tér nagyon összenyomja és felmelegíti a hidrogéngázt. Ilyenkor nagy sebességgel plazmafelhő hagyja el a csillagot, s indul el a bolygóközi térbe. Ha Földünket eléri, jelentős hatásai vannak: megváltozik az ionoszféra magassága és vastagsága, geomágneses viharok alakulnak ki, több lesz a sarki fény. A nagyfeszültségű vezetékekben nagy áramlökések indukálódhatnak, emiatt már több alkalommal keletkeztek komoly károk transzformátortelepekben.

A korona
    Ez a régió helyenként nagyon forró, így igen erős röntgensugárzása van. A korona fűtésének mechanizmusa még nem teljesen tisztázott, pl. a mágneses erővonalak rezgései (a magnetoakusztikus hullámok) szállíthatnak oda energiát. A korona szerkezete egyenetlen. A röntgenfelvételeken sötét foltokat is meg lehet figyelni, melyek hidegebb, alacsonyabb sűrűségű és nyitott mágneses mezejű koronalyukak, innenindul ki a napszél. Napszélnek nevezzük, mikor a korona anyaga kifelé irányuló áramlást végez. Ekkor a részecskék hőmozgásának sebessége már meghaladja a szökési sebességet. Nagy plazmafelhők is kidobódhatnak (koronakitörés, CME: Coronal Mass Ejection). Az áramlási sebesség 400-800 km/s.

A Nap kutatása földi eszközökkel
    Kisebb távcsövekkel biztonságosan nézhetjük a Napot, ha speciális napfényszűrő fóliát vagy jól beállított Herschel-prizmát használunk, ami a fénynek csak kis töredékét engedi a szemünkhöz. Egyébként tilos távcsővel (de még szabad szemmel sem ajánlatos) a Napba nézni, vakságot okozhat!
    Árulnak speciális kis naptávcsöveket hidrogén Balmer-alfa szűrővel (pl. Coronado típus). Ezekkel meglepően részletgazdag felvételeket lehet készíteni a Nap korongjáról, napkitörésekről.
    Hazánkban a Nap megfigyelésével főleg az MTA CSKI Debreceni Napfizikai Obszervatóriumában foglalkoznak.
    Híres a Nap kutatásáról a Mount Wilson (Kalifornia), National Solar Observatory (Tucson/Kitt Peak, Arizona), a High Altitude Observatory (Boulder, Colorado) és a svéd naptávcső (Kanári-szigetek).
    Az eddigi legrészletesebb képet napfoltról az amerikai Big Bear Solar Observatory (BBSO, Kalifornia) csillagvizsgálóból készítették. Bolygónk felszínéről azért nehéz nagy felbontású, részletes optikai felvételeket kapni a csillagászati objektumokról, mert a légkör kavargó mozgása eltorzítja a rögzített képet. Ezt csökkentendő alkalmazzák az úgynevezett adaptív optikát, melynél a tükör alakját számítógéppel folyamatosan úgy módosítják, hogy az csökkentse a légkör hatását - így sikerült az eddigi legrészletesebb földfelszíni felvételeket elkészíteni. A csillagvizsgáló New Solar Telescope (NST) nevű naptávcsövének 1,6 méter átmérőjű főtükrét 97 apró mechanikai eszközzel folyamatosan deformálják. A fejlesztés során még ennél is részletesebb képeket várnak a távcsőtől. A napfoltokról készült fotókon 80 kilométeres részleteket is megpillanthatunk, ami rekordnak számít. Jól megfigyelhető a képeken a napfoltok kettős szerkezete, a belső sötét umbra és a körülötte húzódó szálas penumbra, környezetében pedig a fotoszférának a granulációs (szemcsézett) szerkezete azonosítható. Hidrogén Balmer-alfa szűrővel a teljes napkorongról is rendszeresen készítenek felvételeket.

A Nap kutatása űreszközökkel
    A Nap vizsgálatához számos űrszondát készítettek. Így lehetővé vált a csillagunk sugárzásának mérése minden hullámhossz tartományban, olyanokban is, melyeket a földi légkör elnyel. A Nap megfigyelésére szolgáló első eszközök a NASA Pioneer szondái voltak 1959 és 1968 között. Ezek a Földdel megegyező távolságban keringtek a Nap körül, és a napszél alapos tanulmányozása mellett a Nap mágneses terének a felfedezése is nekik köszönhető. A Helios–1 jelű német-amerikai űrszonda – amelyet 1974-ben bocsátottak fel – pedig már a Merkúr pályáján belülről végzett kutatásokat. A Skylab űrállomásról, majd a Yohkoh űrtávcsővel vizsgálták a Nap röntgensugárzását.

    Az egyik legsikeresebb szonda a SOHO (SOlar and Heliospheric Observatory), amelyet 1995 végén indítottak, majd juttattak a térben speciális helyre. A Földtől 1,5 millió km-re, mindig a Nap és a Föld között tartózkodva (az L1 Lagrange-pont körüli kis pályán) kering a Nap körül. Sokféle műszere a látható és az ultraibolya tartományban szinte folyamatosan figyeli csillagunkat. A Nap korongját egy kis koronggal kitakarva (állandó mesterséges napfogyatkozást létrehozva) kiválóan megfigyelhető a légköre, koronája, a napkitörések időbeli-térbeli lefolyása. Forradalmian új eredményeket hozott a napfoltok szerkezetének vizsgálata is. A Földre érkező napenergiának változását szintén űrszondákkal mérik. A napállandó: a légkör tetején az 1 négyzetméterre másodpercenként érkező elektromágneses sugárzási energia, átlagosan 1363 W/m², 0,1%-ot ingadozik a napfoltciklus szerint.

    Az 1990-ben indított Ulysses űrszondát a Jupiterhez irányították, ahol az óriásbolygó gravitációs tere kilendítő hatásának segítségével a szonda a bolygók síkjára közel merőleges pályasíkra került, így a Nap körüli keringése (1, 2, 3) során a csillagunk sarki részei felett repül el. Lehetségessé vált a Nap poláris mágneses terének mérése, amit a Földről nem tudunk elvégezni. A napszél sebességeloszlásáról is sok új információt kaptunk.
    A Genesis űrszondát 2001-ben azzal a céllal indították a SOHO-éhoz hasonló pályára, hogy éveken át gyűjtse a Napból kiáramló részecskéket, a napszél összetevőit. 2004-ben hozta vissza az anyagmintát (sajnos a fékezés nem sikerült, a kapszula becsapódott a földbe), ezáltal a földi laboratóriumokban részletesen lehet vizsgálni a Nap kidobott anyagát. Számos további Nap-kutató űreszköz működik, melyek segítségével jobban megértjük csillagunk működését, a Földre gyakorolt hatását, előre tudjuk jelezni, mikor éri el nagy napkitörés bolygónkat. Ez azért is nagyon fontos, mert a naptevékenység alapvetően befolyásolja a földi időjárást.
    Az utóbbi években számos új szondával vizsgálják csillagunkat (pl. ACE, Trace, Hinode 1, 2). A Stereo misszió 2 szondából áll. A Földéhez hasonló pályán keringenek, lassan távolodnak két irányban bolygónktól. 2011 februárjában éppen a Nap két ellentétes oldalán voltak, így a csillagunk egésze tanulmányozható volt. A Solar Dynamic Observatory (SDO) a SOHO utóda, sokkal jobb felbontású kamerájával folyamatosan készít felvételeket több hullámhossztartományban.

A Nap forgása
    Mivel nem szilárd, hanem plazma az anyaga, a különböző szélességi körökön lévő területei eltérő sebességgel forognak; az egyenlítői területek 25, míg a sarkvidékek csak 32 naponként fordulnak körbe.