Fizika – Modern fizika
NAPFOLTOK TANULMÁNYOZÁSA A KÖZÉPISKOLÁBAN STUDY THE SUNSPOTS IN THE SECONDARY SCHOOL Pető Mária Református Kollégium Sepsiszentgyörgy az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója
ÖSSZEFOGLALÁS Az előadás témája a napfoltok megfigyelése, tanulmányozása illetve a Nap forgási sebességének kiszámítása egyszerűen, középiskolások számára is hozzáférhető módszerekkel. A napfoltok közvetlen megfigyelésére teleszkópot, illetve annak kivetített képét használjuk. A tanórán a SOHO illetve a Debreceni Napfizikai Intézet adatbázisából minden munkacsoport számára 8-12 képet töltünk le, napfoltokról vagy napfoltcsoportról, amelyeket különböző napokon, meghatározott időpontban rögzítettek. A kiválasztott képeket egy beosztásos hálóra helyezve pontosan rögzítjük a napfolt helyét, méretét a különböző napokon, a megjelenésétől egészen az eltűnéséig. A kapott adatok alapján a diákok kiszámíthatják a Nap forgási sebességét, illetve olyan kérdésekre válaszolnak, hogy: miként jönnek létre a napfoltok, mitől függ a megjelenésük, méretük, milyen módon befolyásolja vagy nem a nap energiaháztartását a napfolttevékenység, stb. Az eredmények ellenőrizhetők, ha ugyanezeket a képeket lefuttatjuk, az Aladin programmal, így megkapjuk a folt fejlődési adatait és a Nap forgási sebességét. 1.NAPFOLTOK- BEVEZETÉS A Nap fotoszférájának leglátványosabb képződményei a napfoltok. Távcsővel és néha szabad szemmel (védőszemüveggel vagy speciális üvegen keresztül) is jól megfigyelhető alakzatok. A napfoltokról már több mint háromezer éve tudunk. Az első feljegyzések i.e. a XII. századból egy kínai jós-csonton olvashatók: „Lesznek a Napon jelek? Valóban vannak rajta jelek.”Az első európai feljegyzések Teofrasztosztól származnak az i.e. IV. századból, aki az időjóslásra felhasznált jelek között megemlíti a napon látható sötét foltokat is. A távcső felfedezése hozta az igazi áttörést a csillagászati megfigyelésekben. A XVII. sz elején T. Harriot, J. Fabricius, G. Galiei illetve C. Scheiner megfigyelései és feljegyzései jelentősek. Galilei távcsővel végzett megfigyeléseivel (1610) igazolta, hogy a napkorongon látható sötét foltok tényleg az égitest felszínén vannak és nem a Nap előtt elvonuló bolygók okozzák azokat. C. Scheiner a „Rosa Ursina” c. könyvében (1630) tette közzé az 1611-1625 közötti megfigyeléseit, és neki sikerült meghatározni, a napfoltok látszólagos elmozdulásából, a Nap forgási sebességét. A következő jelentősebb feljegyzések a XIX. sz-ból szármáznak, amikor H.S. Schwabe (amatőrcsillagász, patikus) 1838-ban közétette 12 év megfigyeléseit, meghatározta a napfoltok számát illetve egy kb. 10 éves ciklikusságot állapított meg a foltok gyakoriságában. Schwabe táblázatait Humboldt egészítette ki adatokkal egészen 1850-ig. A XIX. sz. második felében R.C. Carrington és G. Spörer eredményei a legjelentősebbek. Napfolt mérések alapján Carrington meghatározta a Nap sziderikus forgási periódusát (25,38 nap), forgási tengelyét és a heliografikus koordinátarendszert. Spörer megállapította, hogy a napfoltok először a nagyobb szélességeknél jelennek meg, de nem magasabban, mint ±40o és az egyenlítő közelében halnak el a napfoltciklus végén. A megfigyelési eredmények statisztikus összegzése az 1. ábrán látható pillangódiagram. [10]
341
Fizika – Modern fizika
1.ábra. Pillangó diagram - a napfoltok megjelenési helyének változása (http://astro.elte.hu/icsip/nap/nap_jelensegek/napfolt_ciklus_in.html)
1.1 A napfoltok fizikája A naptevékenységek egyik fontos eleme a napfoltok keletkezése. A Nap sugárzási és konvektív zónájának határfelületén az eltérő forgási sebesség miatt a mágneses fluxus instabillá válik, és a fotoszférában a fluxuskötegek időnként a felszínre jutnak, illetve visszacsatolódnak csillagunk belsejébe (a Nap dinamóként viselkedik). A fluxuskötegek belsejében az erős mágneses mező (kb.105Gauss) miatt lelassul a plazma mozgása, kevesebb energia szállítódik a felszínre. Ennek eredményeképpen alakulnak ki a felszínnél alacsonyabb hőmérsékletű foltok, amelyek kevesebb fényt bocsátanak ki. A napfolt sötétebb belső magja, az umbra, hőmérséklete 4500K körüli, amelyben a kilépő sugárzás erőssége a normál mennyiségű napsugárzáshoz képest mintegy 20%-os, térerőssége pedig 2000-4000G. A világosabb, szálas szerkezetű külső rész, a penumbra, amely 75%-os erősségű a fotoszféra fényerejéhez képest, így hőmérséklete 5500K körüli és mágneses térerőssége 1000-2000G, (ld. 2. ábra). [4]
2. ábra. Egy napfolt részletes közelképe. (2010. aug. Big Bear Solar Observatory) A napfoltok jellemzői: területük, számosságuk, alakjuk és élettartamuk. A foltcsoportok többnyire kissé elnyúlt, hosszúkás alakúak. A foltcsoport elülső, nagyobb részét, amely a Nap forgási irányában van vezető (preceding) foltnak nevezzük, míg az elmosódottabb befejező részt követő (following) foltnak. Az ilyen foltcsoportok bipolárisak. Minden csoportoknak van mágneses polaritása, amelynek mágnesessége egy rúdmágnes É-i, illetve D-i pólusához hasonlítható: ha a vezető rész É-i akkor a követő D-i polaritású. G. E. Hale 1938-ban foglalta össze a foltok mágneses polaritásával kapcsolatos megfigyeléseit: Adott napfoltciklusban az azonos féltekén levő foltok vezető polaritása mindig egyforma, a másik féltekén a vezető polaritás ellentétes. A következő ciklusban ezek a polaritások felcserélődnek. A foltok mérete igen eltérő, létezik olyan foltcsoport is, amelynek hosszanti mérete eléri a 400000 km-t. A legkisebb látható folt átmérője 1000 km körüli, a legnagyobbaké akár 200000 km is lehet. A napfoltok élettartama 1 naptól (kisebb foltok) néhány hónapig (óriás foltok) terjed. [10] R. Wolf a zürichi csillagvizsgálóban végzett rendszeres napfolt megfigyelései során megállapította, hogy néha nagyon sok, máskor nagyon kevés folt található a Napon. A lefedettség leírására bevezette az úgynevezett napfolt relatívszámot (nem fizikai mennyiség), amit ma már Wolf-féle relatívszámként (W) használunk. 342
Fizika – Modern fizika W=k(10g+f)
(1)
ahol: f a Napon látható összes folt száma, g pedig a foltcsoportok száma. A k pedig egy a távcsőre megadott korrekciós tényező. Wolf összegyűjtötte az addigi napfolt-megfigyelési adatokat, rekonstruálta a naptevékenységeket 1700-ig és megállapította, hogy egy ciklus hossza 11,2 év körüli, ami a Nap mágneses terének 22 éves periódusú pólusváltásával függ össze. A múltban többször is voltak olyan periódusok, amikor a napfolttevékenység nagyon alacsony volt. Ilyen volt az úgynevezett „kis jégkorszak” is, amely a 17. sz. közepétől a 18. sz elejéig tartott, az ú.n. Maunder-minimum (ld. 3. ábra). Most a napfoltciklus emelkedő szakaszában vagyunk, amelyet egy szokatlanul hosszú nyugodt fázis előzött meg (2008-2010 között alig volt megfigyelhető napfolt). A következő napfolt maximumot pedig 2012-re jósolják (NASA).
3. ábra. A napfoltok relatív számának változási diagramja (Hathaway/NASA/ MSFC ) 1.2 A napfolttevékenység következményei A napfoltoknak és csillagunk aktivitásának követése az űridőjárás előrejelzése miatt fontos, mert az megzavarhatja a Föld környezetében folytatott munkát, a műholdak működését és néhány földi tevékenységet is befolyásolhat. Minél gyengébb a naptevékenység, annál melegebb a Föld. Egyszerűen okoskodva azt képzelhetnénk, ha csökken a Nap aktivitása, akkor bolygónk le fog hűlni, de ez nem így van. Műholdas adatok elemzéséből derült ki, hogy a hétköznapi logika nem mindig válik be ilyen kérdésekben. Ahogyan az utóbbi években (2009-ig) fokozatosan csökkent a napfolttevékenység, úgy egyre több napsütés melegítette a Földet. Ez az eredménye annak az elemzésnek, amit a NASA napsugárzásmérő műholdja, a SORCE 2004-2007 közötti adatain végzett Joanna Haigh, a londoni Imperial College légkörfizikusa munkatársaival együtt. [7,8] A National Center for Atmospheric Research (NCAR) amerikai légkörkutató központ munkatársai több mint 100 év meteorológiai észlelései, a Nap aktivitásának adatai és számítógépes szimulációk együttese alapján vizsgálták a Nap aktivitása és bolygónk éghajlata közötti kapcsolatot [9]. Az adatok feldolgozása és elemzése után nekük sikerült kimutatni, hogy egy adott terület éghajlata és a naptevékenység között szoros kapcsolat van. Azt tapasztalták, hogy a Napból a Földre érkező energiának csupán 0,1%-a változik a közel 11,2 éves napfoltciklusnak megfelelően, viszont a napfoltciklus szoros kapcsolatban áll a Csendesóceán trópusi térsége felszíni vizeinek jellemzőivel és a sztratoszféra ózonkoncentrációjával, ezek pedig a térség időjárási mintázatával. Az ózonkoncentráció bolygónk jelentős részén befolyásolja az időjárást - a következmény valószínű nem helyi, hanem globális jellegű, [9]. 2. A NAP FORGÁSI SEBESSÉGÉNEK A MEGHATÁROZÁSA A Nap nem merev testként forog a tengelye körül. A látható felszín alatti, vastag rétegben a konvektív burokban örvénylő mágneses áramlások zajlanak, mint a forrásban lévő vízben. A
343
Fizika – Modern fizika felszínen viszont differenciális rotáció jelensége figyelhető meg, azaz a Nap egyenlítője más szögsebességgel (gyorsabban) forog, mint a pólusokhoz közeli tartományok. Ugyanakkor létezik egy mélységi differenciális rotáció is, a sugárzási zóna és a fölötte elhelyezkedő konvektív zóna eltérő szögsebességgel forog, amely a határvonalon az ún. tachoklínán, nyíró hatást hoz létre. Egy napfoltciklus kezdetén a mágneses tér erővonalai a Nap felszíne alatt a forgástengellyel nagyjából párhuzamosan futnak, poloidálisak. A differenciális rotáció miatt a plazmában, a felszín alatt fellépő nyíró hatások, azonban ,,feltekerik'' az erővonalakat, mágneses hurkokat hozva létre. Ennek eredményeként az erővonalak a felszín alatt -az egyenlítővel többé-kevésbé párhuzamosan- fluxuscsövekbe rendeződve toroidális teret képeznek, amelyek közül az instabilak, a plazmában fellépő felhajtó erő hatására, a felszínre törnek illetve visszacsatolódnak a felszín egy másik pontján. A feltörő mágneses fluxuscsővek talppontjainál napfoltok jönnek létre. A ciklus végén a mágneses mező polaritása felcserélődik (ld. 4. ábra), [3,4].
4.ábra. A Nap mágneses terének változása a 11 éves napciklus során. A differenciális rotáció következtében a kezdeti poloidális mágneses tér erővonalai feltekerednek mágneses hurkokat hozva létre, amelyek felszíni talppontja a napfolt. A romániai tanrend szerint, a humán tagozatos XI. osztályban a „Tudomány” c. tantárgy első két fejezete Naprendszer keletkezésére, fejlődésére, működésére illetve az Univerzum kozmológiai kérdéseire vonatkozik. Figyelembe véve a tanrendi és tantárgyi követelményeket valamint a diákok előzetes ismereteit, a Nap működésére, jövőjére vonatkozó kérdéseket a napfoltok tanulmányozásán keresztül vezetem be, majd ennek segítségével keressük azokat a hatásokat, amelyeket vélhetően a földi folyamatokban, tevékenységekben idéznek elő. Az alábbi feladat a Nap felszíni differenciális sebességének a meghatározására vonatkozik. A tanórai tevékenység elsődleges célja, hogy megismertesse a diákokkal a napfoltok megfigyelési lehetőségeit, módozatait, a napfoltok mozgásából kiszámítani a Nap forgási periódusát és sebességét, valamint kapcsolatokat keresni a napfolttevékenységek és földi folyamatok, jelenségek illetve az űridőjárás között. A feladat során a diákok 2-3 fős csoportokban dolgoznak. Az elméleti bevezető után, mindenki letölt a már előkészített SOHO adatbázisból 8-12 magnetogramot, amelyen egy adott napfolt vagy napfoltcsoport nyomon követhető a megjelenésétől az eltűnéséig több napon keresztül. [1,2] FELADATLAP • Azonosítsátok a megfigyelhető napfoltokat a kapott magnetogramokon. Válasszatok ki egyet, amelyet követni tudtok a megjelenésétől az eltűnésig.
344
Fizika – Modern fizika
5.ábra. Magnetogramok a SOHO adatbázisából [5,6] (http://sohowww.nascom.nasa.gov/sunspots/) • •
A rácsos fóliát helyezzétek az első magnetogramra és határozzátok meg a kiválasztott napfolt helyzetét/koordinátáit (heliografikus szélesség és hosszúság). (ld. 6. ábra) Egy táblázatba jegyezzétek le a napfolt azonosítóját, a megfigyelés időpontját és a koordinátáit (ld. 1, 2. táblázat).
6. ábra. A napfolt koordinátáinak a meghatározására használható rács és magnetogram.[1,2,5] •
•
•
Kövessétek a kiválasztott napfoltot az eltűnéséig, és minden alkalommal jegyezzétek le a megfelelő adatokat. Arra is figyeljetek, hogyan változik a vizsgált időszakban a folt mérete, alakja, helyzete. Ezeket a megfigyeléseket is rögzítsétek. A kapott adatok alapján számítsátok ki napról-napra milyen távolságon, szöggel (α) mozdult el a folt és mennyi a két megfigyelés között eltelt idő (Δt). Ennek alapján számítsátok ki a Nap forgási periódusát (TNap) és sebességét (vnap). A kapott értékekből számítsátok a sebesség középértéket és hasonlítsátok ezt össze a Nap forgási sebességével, amelyet a szakirodalomból kereshettek ki. 1. táblázat. Napfolt adattáblázat (Soós Tamás, Budai Hunor XI. G) Δαo
Δt (nap)
TNAP(nap)
vnap (km/s)
Ny 56
16
1,25
28,125
1,56o6
É 3o0
Ny 40
20
1,7462
31, 437
rossz
16:57
É 3o0
Ny 20
30
2,35
28,27
1,5565
dec. 9
1:21
É 3o0
K 10
16
1,3159
29,6o93
1,48o35
dec. 10
8:56
É 3o0
K 26
17
1,3368
28,3o88
1,54836
dec. 11
17:02
É 3o0
K 43
9
0,6979
27,166
1,61346
dec. 12
9:46
É 3o0
K 52
8
0,6493
29,218
1,5oo14
dec. 13
1:21
É 3o0
K 60
13
0,9972
27,6147
1,58727
Megfigyelési
Heliografikus
Év: 2010
Időpont (h:min)
szélesség
Hosszú-ság (o)
dec. 3
17:02
É 3o0
dec. 4
23:02
dec. 6
Tközép=29,119159nap vközép=1,54952km/s dec. 14 1:47 É 3o0 K 73 5 Eredmények: r3o=6,02736* 10 km esetén Tközép=29,11915 nap, vközép=2πr/T=1,54952km/s
345
Fizika – Modern fizika
2. táblázat. Napfolt adattáblázat (Albu Szende, Nagy István, Deák Zenge, XI. F) Megfigyelési
Heliografikus hosszúság (o)
Δαo
Δt (h:p)
TNAP(nap)
Vnap (km/s)
Év: 2001
Időpont
szélesség
ápr. 21
9:36
D 70
Ny 82
14
24
25,7142
1,971
ápr. 22
9:36
D70
Ny 68
18
33:36
28
1,81
ápr. 23
19:12
D 70
Ny 50
22
48
25,7142
1,971
ápr. 25
19:12
D70
Ny 22
8
14:14
26,687
1,8991
ápr. 26
9:36
D 70
Ny 14
14
24
25,7142
1,971
ápr. 27
9:36
D70
Ny 0
18
33:36
25,6666
1,9746
ápr. 28
19:12
D 70
K 18
12
24
3o
rossz
ápr. 29
19:12
D70
K 30
8
14:14
26,6874
1,8991
ápr. 30
9:36
D 70
K 38
2o
33:36
25,2
2,o112
május 1
19:12
D70
K 58
14
24
25,7142
1,971
Tközép=26,12197 nap vközép=1,942km/s május 2 19:12 D 70 K 72 Eredmények: RNAP= 6,9598* 105km esetén Tközép=26,12197 nap, vközép=2πR/T= 1,942km/s Kérdések: • Milyen következtetéseket fogalmazhattok meg a megfigyeléseitek illetve a számításaitok alapján a napfoltok fejlődésére, mozgására vonatkozóan? • Hány napfoltcsoportot találtatok a vizsgált diagramokon? Határozzátok meg a Nap „lefedettségét” a Wolf-féle relatív szám segítségével. Keressetek hasonló képeket a SOHO adatbázisában és határozzátok meg a napfolttevékenység erősségét. • Mennyire pontos ez a módszer a Nap forgási sebességének a meghatározására? Miért fontos a Nap és a napfoltok tanulmányozása? Milyen kapcsolat létezik a naptevékenység és az alábbiak között? • Űridőjárás. Űrkutatás. • Összefüggések kutatása a földfelszín időjárása és a naptevékenység között. • Földünk tengelyforgási sebességének ingadozása kapcsolatban lehet a napfoltevékenységekkel. (Jean-Louis Le Mouël -Paris Institute of Geophysics, Franciaország- és kollégái 1962 és 2009 között már vizsgálták a napfoltok és a tengelyforgás változása közötti kapcsolatot, keress információkat ezzel kapcsolatban). • Kommunikációs rendszerek. ÖSSZEGZÉS A mérési adatok és számítások elég jól megközelítik a szakirodalomban közölt adatokat a Nap forgási periódusára és sebességére vonatkozóan. A Nap szinodikus közepes forgási periódusa 27,275 nap, az egyenlítőnél mért forgási sebessége pedig 2km/s körüli, amely csökken a pólusok felé. A diákok által kapott adatok jól megközelítik ezeket az adatokat. A különböző csoportok más heliografikus szélességen levő napfoltot követtek, tehát az eredmények azt is igazolják (hibahatáron belül), hogy az egyenlítőhöz közeli foltok gyorsabban forognak, mint a magasabban elhelyezkedő foltok. Az Aladin számítógépes program pedig lehetővé teszi a kiszámított értékek ellenőrzését, valamint egy animáció
346
Fizika – Modern fizika segítségével könnyen nyomon követhető a napfolt mozgása is.[2] A feladat nem csak fizika órán hasznos, hanem órákon túli tevékenységeken is érdekes a diákok számára, szakkörön, a kötelező tananyagon túli témák feldolgozása esetén. IRODALOMJEGYZÉK 1. ESA/GTTP Teacher Training Workshop 2010, Amsterdam. 2. EAAE-ESO Summer School Garching, Workshop, 2007. 3. Meteor Csillagászati Évkönyv, 2004, Kővári Zsolt, Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet 4. http://www.konkoly.hu/~kovari/CSILLAGASZAT/tananyag/CSILLAGASZAT/08 _04.html 5. http://fenyi.sci.klte.hu/DPD/2011/index.html 6. ftp://fenyi.solarobs.unideb.hu/pub/SDD/images/QL_2010fd_jpg/SOHO.jpg 7. http://www.hao.ucar.edu/ 8. http://ncar.ucar.edu/learn-more-about/the-sun 9. http://www.nature.com/nature/journal/v467/n7316/full/nature09426.html 10. http://astro.u-szeged.hu/szakdolg/kleint/kleint2.html
347
