Téli depresszió ellen égi dinamó

A Nap talán túl közel van ahhoz, hogy igazán érdekes legyen. Pedig ha jól belegondolunk, mégiscsak egy csillag, közvetlenül a fejünk fölött! Első pillantásra nem olyan hátborzongató objektum, mint egy fekete lyuk, de hosszabb távon a legkifinomultabb apokalipszisrajongók igényeit is kielégíti. Élete vége felé ugyanis, olyan 4,5 milliárd év múlva, amikor hidrogénje javát elfogyasztotta, felfúvódik, és vörös óriás lesz belőle. Átmérője, mely jelenleg 1,5 millió kilométer, százszorosára növekszik, és leolvasztja a Föld felszínéről még a nyomainkat is.

De addig is lehet ámuldozni: tőlünk 150 millió kilométerre izzik egy hatalmas gázgömb. 15 millió Celsius fokos központi magja, ahol a fúziós reaktor működik, nyolcszor sűrűbb, mint az arany. Az 5600 fokos fotoszféra pedig, mely a látható fény 99 százalékát adja, ritkább, mint a levegő, de azért 1000 kilométer átmérőjű granulák rotyognak benne.

A napfizikusok a korona 1-2 millió fokos hőmérsékletétől és a napfoltoktól a napkitöréseken keresztül a koronanyag-kidobódásig minden naptevékenységet csillagunk mágneses terére hivatkozva magyaráznak. Viszont a mai napig nem született a Nap mágneses terének kialakulására és változására olyan elmélet, mely valamennyi észlelési jelenséget megmagyarázna.

A csillagok anyaga ionizált gáz, plazma, amelyben a magas hőmérséklet miatt az atommagokról leszakadt töltések szabadon áramolhatnak. A szabad töltések áramlása elektromos áramot indukál, ami viszont mágneses teret kelt, a létrejött mágneses mező pedig visszahat a töltések mozgására, és megint elöről. Az ilyen elektromosan vezető anyagok viselkedését a magnetohidrodinamikának nevezett tudományág vizsgálja. Ennek speciális része a dinamóelmélet.

Én pedig fogtam magam, és elzarándokoltam a ELTE Csillagászati Tanszékére, hogy magyarázzák el nekem, hogyan működik az égi dinamó.

Vissza az iskolapadba

"A Csillagászati Tanszék az egyetem egyik legrégibb tanszéke" - kezdi egy kis történelmi bevezetővel Petrovay Kristóf tanszékvezető-helyettes. "1755-ben, amikor megalapították, az egyetem még Nagyszombaton volt, ott jött létre első csillagvizsgálója. Később a Gellérthegyen volt obszervatóriumunk, de az 1848-as forradalomban lerombolták. Ettől kezdve egészen a legutóbbi évekig nem volt kutatási célra használható távcsövünk. A jelenlegit most kezdjük beüzemelni. Elsősorban pontszerű, nem kiterjedt fényforrások fényességváltozásának mérésére használjuk. A doktoranduszok pár hete fedeztek fel egy új változócsillagot."

Mivel 150 évig nem volt kutatásra alkalmas távcsövük, a tanszéken főleg elméleti kutatások folytak. De ez ma már nem számít; nemzetközi együttműködések keretében rengeteg műholdas adat elérhető. Három területtel foglalkoznak: égi mechanikával, napfizikával és csillagkeletkezéssel.

Persze már látogatásom előtt rájöttem, hogy a napdinamó iránti fura érdeklődésem súlyos következményekkel jár: napokig kell olvasni már pusztán azért, hogy valamit megértsek a válaszokból.

De legalább újra megtudtam, hogy a Nap tömegének több mint fele a középpontja körül sűrűsödik. Ez a központi mag a Nap sugarának 25 százalékáig terjed. Itt keletkezik a Nap energiájának 99 százaléka. A nagy energiájú gamma-fotonok, melyek a magból a felszín felé szállítják az energiát, nem tudnak akadálytalanul átjutni a sűrű közegen: az itt lévő atommagokon szóródnak, elnyelődnek, kisugárzódnak, leadva közben energiájuk egy részét. Ezt a Nap sugarának körülbelül 70 százalékáig terjedő tartományt sugárzási zónának nevezik az energiatovábbítódás módja alapján. Jó sűrű hely, a fotonok olyan 1 millió évig bolyonganak benne, mire kijutnak.

A sok elnyelődés és kisugárzódás után a fotonok energiája egyre csökken, és lassan elérnek egy olyan tartományba, ahol az energia már nem sugárzással, hanem konvekcióval közlekedik. Ez a konvektív zóna. Olyan, mint egy hatalmas, fortyogó fazék víz: az alján egyes területek a többinél jobban felmelegszenek, majd ezek a cellák felemelkednek, a felszínre érve leadják energiájukat, lehűlnek és visszasüllyednek.

Naprengéstan

"Régebben úgy gondolták, a Nap belsejéről csak elméleti megfontolások alapján szerezhetünk ismeretet. Szerencsére a technika fejlődése meghaladta ezt az elképzelést. Mai eszközeinkkel két úton is információhoz juthatunk. Az egyik a magfúzió során felszabaduló neutrínók észlelése. Lényegében így sikerült közvetlen módon bizonyítani, hogy a Napban termonukleáris fúzió zajlik, és az ennek során felszabaduló energia szolgáltatja a Nap melegét" - kezdi idegenvezetőm, Forgácsné dr. Dajka Emese.

"A másik lehetőség a Nap belsejének tanulmányozására a helioszeizmológia. Ez nagyon hasonlít a Föld esetén használatos szeizmológiához. A Napon is megfigyelhetők ugyanis rengések. Ha szemléletes képet szeretnénk: olyan, mintha valaki megkongatná a Napot, és az így keletkező rengések segítségével feltérképezné a belsejét. Ez azért lehetséges, mert a különböző frekvenciájú rengések más-más mélységig hatolnak le."

A kutatók ezzel a módszerrel majdnem olyan képet kaptak a Nap belsejéről, mint amilyet elméleti számításaik alapján vártak, de volt egy meglepetés.

"A helioszeizmológia egyik nagy felfedezése a tachoklína. A vizsgálatok alapján a következő kép alakult ki a Nap belső áramlásairól. A Nap felszíne differenciálisan rotál, azaz a sarkvidékeken a forgás 30 százalékkal lassabb, mint az egyenlítőn. Ez a differenciális rotáció kiterjed a teljes konvektív zónára.

Azt korábban is sejtettük, hogy a Nap magja merev testként forog, de arra számítottunk, hogy az átmenet a differenciális rotáció és a merevtestszerű forgás közötti viszonylag széles tartományban megy végbe. A helioszeizmológia azonban rácáfolt erre a feltételezésre. Az átmenet egy nagyon vékony, a Nap sugarának alig 4 százalékát kitevő tartományban megy végbe a konvektív zóna alján. Ezt a vékony réteget nevezzük tachoklínának. A mai elképzelések szerint ennek a rétegnek fontos szerepe van a Nap mágneses terét kialakító dinamómechanizmusban, ugyanis a rétegek között itt a legnagyobb a sebességkülönbség. Ehhez kötődik a mi elképzelésünk is arról, miért ilyen vékony. Elgondolásunk szerint a tachoklínában keletkező mágneses tér maga akadályozza meg, hogy a differenciális rotáció mélyen behatoljon a sugárzási zónába" - mesél a napfizikai csoport egyik publikációjáról a kutatónő.

Az égi dinamó

"Hogy könnyebben megértsük a napdinamó működését, a mágneses teret bontsuk fel két komponensre - kezdi végső magyarázatát Forgácsné dr. Dajka Emese. - Az egyenlítővel párhuzamos térkomponenst toroidális, az erre merőlegest pedig poloidális térnek nevezzük. A dinamóelmélet tulajdonképpen e két komponens egymásba alakulását írja le, és így próbálja visszaadni a Nap felszínén látható jelenségeket. Legáltalánosabban elfogadott változata az alfa-omega dinamó. Az alfa-effektus a poloidális, az omega-effektus pedig a toroidális mágneses teret hozza létre."

Az omega-effektus a differenciális rotáció következménye. A konvektív zóna differenciálisan forgó rétegei - és itt különösen fontos sterep jut a tachoklínának - feltekerik a poloidális, észak-déli irányú erővonalakat, és kialakítják a toroidális teret. Ezek a toroidális erővonalkötegek 300 ezer kilométer mélyen, a konvektív zóna alján fekszenek, a tachoklína közelében. Bizonyos térerősség felett azonban instabillá válnak, és megindulnak a felfelé. A konvektív zónában azonban rengeteg hatás éri őket, így mire a felszínre érnek, több szálra bomlanak, és napfoltokat hoznak létre, illetve - még magasabbra emelkedve - a naplégkörben napkitöréseket, illetve - ezekhez szorosan kapcsolódva - korona-anyagkidobódásokat okoznak.

Visszatérve a napdinamóhoz, az alfa-effektus azt írja, hogy a toroidális térkomponensből hogyan lesz poloidális. A konvektív zónában a toroidális tér erővonalkötegeiben észak-déli irányú hurkok alakulnak ki a részecskék csavarvonalú áramlásának hatására. Ezek végül nagy hurkokká olvadnak össze, kialakítva a mágneses tér poloidális térkomponensét, ami az előzővel ellentétes polaritású."

Ez már így is elég bonyolultan hangzik, pedig még nem is született átfogó elmélet. A napdinamó modelljének egyszerre kellene visszaadnia, hogy a napfoltok száma változik az időben, és 11 éves ciklusokat mutat; az aktivitás fokozódásával a napfoltok az egyenlítőhöz egyre közelebb jelennek meg; és a Nap két pólusa 11 évenként helyet cserél.

Itt a vége, fuss el véle! Köszönjük a képeket és az animációkat a Csillagászati tanszéknek!