Záhadná teplota atmosféry Slnka

15.05.2015
 

Späť -- Úvodná stránka      -- Ďalší >


Slnko

Naše Slnko na vlnovej dĺžke H-alfa. Fotografia bola zhotovená so špeciálnym filtrom, ktorý neprepúšťa žiadne svetlo okrem vlnovej dĺžky λ = 656,28 nm a jeho blízkeho okolia. Na tejto vlnovej dĺžke žiari vodíkový atóm, ak vodíkový plyn zohrejeme na veľmi vysokú teplotu - aká vládne aj na povrchu Slnka. Nejedná sa však o dobre známe tepelné žiarenie, ale o žiarenie vodíkového atómu pri zoskočení elektrónu v jeho obale z tretej dráhy na druhú (prvá zo spektrálnych čiar tzv. Balmerovej série). Kliknutím na obrázok si môžete pozrieť fotografiu v plnom rozšírení. Na tmavom pozadí fotografie v plnom rozšírení vidieť aktivitu povrchu Slnka (vľavo hore). Na fotografii je Slnko skoro v úplnom pokoji uprostred minima slnečnej aktivity..

Uznanie: Alan Friedman



Záhada slnečnej atmosféry

     Slnko nie je pevným telesom, nemá teda ani pevný povrch. To, čo môžeme považovať za Slnko končí fotosférou a je hrubá okolo 400 kilometrov. Fotosféra je tá časť, ktorú v skutočnosti vidíme, jeje žiara obsahuje to veľmi úzke pásmo, ktoré vnímame ako viditeľné svetlo. Intenzita jej svetla žiari najintenzívnejšie práve vo viditeľnej oblasti (cca. 360 nm až 760 nm) elektromagnetického žiarenia.

Štruktúra Slnka. Jadrové reakcie, ktoré produkujú energiu vyžarovanú Slnkom, prebiehajú v jadre, kde vládne teplota okolo 14-15 mil. K. Energia k povrchu prechádza najprv žiarením, potom prúdením horúcej hmoty a teplota neustále klesá. Na povrchu Slnka (ktorú vidíme žiariť, keď sa pozrieme na oblohu) je teplota už len 5 800 K - fotosféra, hrubá okolo 400 km. Nad povrchom Slnka je však ešte riedka atmosféra. Chromosféra je sotva 1 600 km hrubá a jej teplota je na vnútornej strane len 4 500 K. Nasleduje tiež prechodová oblasť hrubá len okolo 8 000 km, v ktorej teplota prudko stúpa na 8 000 K. Za prechodovou oblasťou je záhadná koróna, ktorej teplota dosahuje od 500 000 K až po milióny K. Odkiaľ sa berie tá vysoká teplota?
Uznanie: NASA/IRIS

Detail ukazujúci dolnú časť atmosféry Slnka. Kliknutím na obrázok si môžete pozrieť v plnom rozlíšení.
Uznanie: Alan Friedman

Slnko a Zem. V pravej dolnej časti je znázornená planéta Zem (kliknutím si môžete pozrieť v plnom rozlíšení).

Uznanie: Alan Friedman

Gigantická erupcia Slnka - porovnaj s obrázkom vyššie, kde je znázornená Zem.
Uznanie: NASA

Magnetická rekonekcia, v ktorej skrížené magnetické polia sa rozpoja a vytvárajú nové spojenia, ktoré sa ľahšie dokážu vyrovnať v priestore, čím generujú silné elektrické pole urýchľujúce v magnetických poliach uväznené nabité častice.
Uznanie: ChamouJacoN


     To, čo sa nachádza pod fotosférou nevidíme. Samotné žiarenie vzniká v jadrových reakciách v strede Slnka, kde teplota dosahuje 14-15 miliónov K. Našťastie žiarenie ktoré tu vzniká, sa nedokáže dostať von okamžite (okrem neutrín, ktoré však s normálnou hmotou neradi interagujú). Energii, ktorá vzniká jadre trvá až milión rokov, než "prebuble na povrch". Cestou von sa rozdelí medzi väčším a väčším množstvom atómov, tým teplota klesá smerom von od jadra Slnka. Na povrchu Slnka (fotosféra) je teplota už "len" 5 800 kelvin.
     A presne to by sme očakávali aj v atmosfére. Tak, ako sa vzďaľujeme od povrchu Slnka, žiarenie sa rozkladá vo väčšom a väčšom priestore, čím stráca schopnosť zohriať hmotu na vyššiu teplotu, než teplota samotného Slnka.

     A práve nad povrchom Slnka sa dejú dve málo pochopené veci. Chromosféra, vrstva nad povrchom Slnka je nižšia, ale je nižšia na strane, ktorá je bližšie k horúcemu povrchu (4 500 kelvin). Je to príliš prudký pokles teploty tak blízko k povrchu Slnka. Naviac, teplota smerom von narastá. Rovnako záhadná je aj koróna. Teplota tu vyskočí na 500 000 kelvin až niekoľko miliónov kelvin. Niečo do tejto oblasti musí dodávať sústavne energiu, ale jadrové reakcie nie sú zdrojom energie. (Vo fotosfére v podstate neprebiehajú.)
     Nemôže to byť vyvolané samotným žiarením povrchu Slnka.

     Pokiaľ ste skúšali nie kedy zapáliť papier pomocou spojnej šošovky, tak viete, že "pozbieraním" slnečnej žiary dokážete roztaviť aj umelé hmoty. Pomocou väčších šošoviek alebo zrkadiel sa dokáže dosiahnuť aj teplota cez 2 000 °C. V princípe by to malo pracovať rovnako aj pre malé šošovky, ale v prípade malých šošoviek je miesto, kam sa sústredí žiarenie veľmi malé, a kontakt s okolitou hmotou chladí účinne osvetlovanú oblasť. Nikdy však nemôžete dosiahnuť teplotu vyššiu, než je teplota plochy, ktorá vami fokusované svetlo vyžiarilo. V prípade slnečného svetla povrchová teplota Slnka (5 800 K). Keby sa vám predsa podarilo niečo také vytvoriť, tak ste vyrobili perpetuum mobile druhého druhu (a popreli ste druhú vetu termodynamickú - jeden z najsilnejších zákonov prírody, ak nie vôbec najsilnejší).

Na stope záhady

     Za posledné mesiace však došlo k pokroku. Slnečné erupcie vznikajú činnosťou magnetického poľa Slnka. Magnetické pole Slnka je zložité, nakoľko veľkú časť hmoty tvorí plazma, ktorá je dobrým elektrickým vodičom. Unáša magnetické siločiary sebou. Horúca hmota Slnka v konvekčnej zóne (pod povrchom) stáča magnetické polia, ako keď sa naťahuje pružina. V blízkosti povrchu potom zovretie hmoty povolí a ona sa rozvinie do priestoru unášajúc so sebou aj určité množstvo plazmy a horúcej hmoty. Niektoré tieto erupcie sú skutočne gigantické. Dajú sa vyjadriť v milión násobkoch energie uvoľnenej tých najsilnejších termonukleárnych zbraní, ale názornejšie je si pozrieť video vedľa a porovnať s rozmerom Zeme na obrázku nad videom.

     Erupcie sú doprevádzané silným uvoľnením energie z magnetických polí. Rozvíjajúce sa magnetické polia z rôznych oblastí sa môžu prekrížiť, existujúce siločiary jedného poľa sa rozpoja a spoja so siločiarami druhého poľa. Vytvára sa tým možnosť, aby sa magnetické polia z pokrčeného stavu rýchlo vyrovnali. Rýchle sa meniace magnetické pole generuje silné elektrické pole urýchľujúce nabité častice na mimoriadne vysokú rýchlosť. tie narážajú do riedkej atmosféry v koróne a ohrievajú na spomínanú vysokú teplotu.

     S touto predstavou bol len ten problém, že erupcie zase nie sú až také časté. Naviac, sú obdobia, keď ich počet je minimálny (slnečné minimum - každých približne11 rokov). Koróna však má onu vysokú teplotu aj počas minima. K zodpovedaniu otázky bolo treba pozorovanie vo veľmi špeciálnom pásme elektromagnetického žiarenia - v röntgenovej oblasti. Röntgenove žiarenie je však (našťastie pre nás) bezpečne odfiltrované atmosférou Zeme. Žiada si to pozorovanie buď z vesmíru, alebo aspoň z paluby lietadla, ktoré vystúpi nad väčšiu časť atmosféry.

Dymiaca zbraň?

     Pozorovania vo veľkej výške ukazujú, že spomínaná magnetická rekonekcia prebieha neustále, ako dôsledok veľkého počtu drobnejších erupcií, nano erupcií (nanoflares). Tieto neutíchajú ani počas solárneho minima.

     Rozhodujúce slovo však padne až ďalších pozorovaní. V tomto smere očakáva rozhodné prispenie NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), ktorý je prvým teleskopom schopným zhotoviť snímky v röntgenovom pásme 3-79 keV, čím prekročil pásmo pozorované teleskopom Chandra.

     Röntgenove teleskopy vyžadujú odlišnú optiku, než bežné zariadenia. Röntgenove žiarenie hmotou prechádza. Využíva sa však niečo podobné, ako keď hádžeme "kačky" na jazere. Kamene narážajúce na hladinu vody veľkou rýchlosťou a pod šikmým uhlom, sa od hladiny odrážajú. V prípade vysoko energetických fotónov je korektný fyzikálny popis zložitejší, ale technika je v podstate mierne podobná.

     Od NuSTAR sa očakávajú ďalšie objavy, a za dva roky svojej činnosti vo vesmíre ich už pár urobila. Jedna z posledných je objav, ktorý ukazuje, že pri výbuchu supernovy výbuch môže byť veľmi nesymetrický - vznikajúca neutrónová hviezda je vrhnutá jedným smerom, než produkty výbuchu druhým smerom. Nádejou sa očakáva aj možnosť pozorovania nano erupcií Slnka.

    Mohli by ste dostať nápad, že zmeriate teplotu kvapaliny v teplomere, ak na neho sústredíte slnečné svetlo pomocou spojnej šošovky. Čo sa stane?
Odpoveď:

    Kvapalina sa bude rozpínať, než vyplní celú trubicu. Ona sa bude rozpínať ďalej (kvapalinové teplomery sa zhotovujú pre relatívne nízke teploty - lekárske do 42°C, izbové do cca. 60°C a pod.). V najslabšom mieste sklo nakoniec povolí a praskne. Oným najslabším miestom býva baňka v dolnej časti teplomeru, ktorá slúži ako nádoba pre kvapalinu. K jej prasknutiu dôjde v podstate okamžite po dosiahnutí maximálnej hodnoty, ktorú dokáže teplomer zmerať. Zásadne tieto "pokusy" nerobte s ortuťovými teplomermi! Ortuť znečisťuje životné prostredie a je jedovatá.

.






-AT-


< Späť --     Úvodná stránka      -- Ďalší >