uabooks.top

1. Általános tudnivalók. A Nap - a Naprendszer központi és legnagyobb égiteste.

A Nap nagy teljesítményű energiaforrás, amely energiáját folyamatosan sugározza az elektromágneses hullámok teljes spektrumában, a röntgensugaraktól a rádióhullámokig. Ez a sugárzás hatással van minden testre a Naprendszerben: felmelegíti öltét, befolyásolja a bolygók légkörét, fényt és hőt biztosít, amely nélkülözhetetlen a földi élet számára. A Nap egy Galaktikánk százmilliárd csillaga közül. Részletesen tanulmányozva a Nap fizikai tulajdonságait, megszerezhetjük a legfontosabb ismereteket más csillagokról. A Nap korongjának a Földről látható átlagos szögátméróje 32'. A fény 8 perc 20 másodperc alatt éri el a Földet.

A Nap tömege közel 333 000-szer nagyobb a Föld tömegénél, és 750-szerese a többi bolygó együttes tömegének. Átmérője 1 millió 392 ezer km (a Föld átmérőjének 109-szerese). A Föld légkörén kívüli mérések szerint a nap sugaraihoz viszonyítva merőlegesen elhelyezkedő, 1 m² nagyságú területre másodpercenként 1,37 kW energia érkezik. Mivel ez az érték hosszú időn át gyakorlatilag változatlan, a napállandó elnevezést kapta. A Nap sugárzásának legnagyobb része az optikai tartományba esik.

A Nap fényességét, azaz a másodpercenként minden irányban kisugárzott teljes energiamennyiséget a következő módon határozzák meg: a napállandó értékét megszorozzák egy r csillagászati egységnyi sugarú gömb felszínének területével (1 CsE = 149,6 • 10⁹ m): L₀= 4яг² • 1370 W = 3,85 • 10²⁶ W.

A Föld felszínére jelentéktelen mennyiségű napenergia jut el, amely megközelítőleg a teljes érték milliárdod részének felével egyenlő.

2. Színkép és kémiai összetétel. A Napról szerzett szinte minden ismeretünk színképe tanulmányozásából származik. A Nap légkörében található kémiai elemek elnyelnek a fotoszféra által kisugárzott teljes színképből adott frekvenciájú fénysugarakat. Ennek eredményeként a folytonos színképben sötét vonalak jelennek meg. Joseph Fraunhofer elsőként tanulmányozott és rajzolt le 576 sötét vonalat a Nap színképében (4.1. ábra). A tudós helyesen állította, hogy a sötét színképvonalak

forrása a Nap légköre. A színképben elfoglalt helyzetük (vagyis hullámhosszuk) és a vonalak intenzitása alapján megállapítható, milyen kémiai elemek vannak jelen a Nap légkörében.

4.1. ábra. A napszínkép Fraunhofer-vonalainak helyzete és a kémiai elemek színképvonalainak összehasonlítása

Napjainkra már 70 kémiai elem több mint 30 ezer színképvonalát fedezték fel a Nap légkörében. A Fraunhofer-vonalak intenzitásuk és vastagságuk szerint nagyon változatosak. A színképvonalak elemzése megmutatta, hogy a Nap fiiként hidrogénből áll - résztömege több mint 70%-a a Nap tömegének, míg közel 25%-ban tartalmaz héliumot és közel 2%-ban más kémiai elemeket.

3. Belső szerkezet. Ismerve az adatokat a Nap sugaráról, tömegéről, fényességéről és alkalmazva a fizika törvényeit, meghatározhatjuk a nyomást, sűrűséget, hőmérsékletet és kémiai összetételt különböző távolságokban a Nap magjától (4.2. ábra). A Nap magjához közelítve növekszik, majd eléri legnagyobb értékét a hőmérséklet, nyomás és sűrűség. A kémiai összetétel is különbözik: a magban a legkisebb a hidrogén százalékos aránya.

A nagy nyomást a Nap közepében a felső rétegek hatása okozza. A gravitációs erők igyekeznek összenyomni a Napot. Ezt megakadályozza a forró gáz rugalmassága és a magból eredő sugárzás nyomása. Ezek az erők igyekeznek kitágítani a Napot. Egyik részről a gravitáció, másik részről a gázok rugalmassága és a sugárzás által okozott nyomás kiegyensúlyozzák egymást.

Ez az egyensúly jellemző minden rétegben, a felszíntől a Nap közepéig. A Nap és a csillagok ilyen állapotát hidrosztatikus egyensúlynak nevezzük. Ezt az egyszerű elméletet Arthur Eddington (1882—1944) terjesztette elő 1924-ben. Az elmélet lehetőséget adott arra, hogy felírják azt az egyenletet, amelynek segítségével modellezik a Nap és más csillagok belső felépítését.

A modellek tartalmazzák a csillagok anyagát különböző mélységben jellemző paraméterek (hőmérséklet, nyomás, sűrűség) összességét. A számítások és a modellek elemzése alapján az következik, hogy a hőmérséklet a Nap középpontjában eléri a 15 millió fokot. A Nap energiája itt, a magban keletkezik.

Már tudjuk, hogy a Nap anyagának legnagyobb része hidrogén. A magas hőmérséklet és nyomás hatására a protonok (hidrogén atommagok) több száz kilométeres másodpercenkénti sebességgel mozognak. A Nap belsejében, a középponttól 0,3 sugárnyira olyan feltételek jönnek létre, amelyek kedvezőek a termonukleáris fúziós reakciók kialakulásához, amelyek során a könnyű kémiai elemekből nehezebb atomok keletkeznek (4.3. ábra). A hidrogén atommagjaiból a második legköny-nyebb elem — hélium keletkezik.

Egy hélium atommag keletkezéséhez 4 hidrogén atommag szükséges. A köztes stádiumokban deutérium és trícium atommagok alakulnak ki. Ezt nevezik proton-proton reakciónak. A folyamat során a reakcióba lépő hidrogén atommagok kis része elvész, azzá a hatalmas energiamennyiséggé alakulva, amely biztosítja a Nap sugárzását. A központi részt körülvevő rétegekben a keletkező energia a külső részek felé adódik át. A csillag középpontjától 0,3-tól 0,7 sugárnyi távolságig a sugárzási zóna helyezkedik el, ahol az energia y-kvan-tumok elnyelése és kibocsátása útján terjed.

A Nap magjában keletkező у-kvantumok több mil-liószor nagyobb energiával rendelkeznek, mint a látható fény kvantumai. A у-kvantumok hullámhossza nagyon kicsi. Miközben az atomok elnyelik, majd újra kisugározzák a kvantumokat, az energiájuk fokozatosan csökken és növekszik a hullámhosszuk. A kvantumok száma a folyamat során gyarapodik. A nagy energiájú у-kvantumok fokozatosan kisebb energiájú kvantumokká alakulnak: röntgen-, ultraibolya, látható és infravörös sugarak keletkeznek.

A Nap sugarának utolsó harmadrészében helyezkedik el az konvektív (áramlási) zóna. Az energia itt nem sugárzás, hanem áramlás útján adódik át (keveredés, 4.4. ábra). A konvekció kialakulása a Nap külső rétegeiben ugyanazzal magyarázható, mint az edényben forrásban lévő vízben: a hőforrástól kapott energia sokkal nagyobb annál, mint amely átadódhatna hővezetéssel. Ezért az anyag mozgásba jön, ezáltal továbbítva a hőt. Az áramlási zóna a Nap látható felszínénél - a fotoszféránál — ér véget.

4. Energiaforrások. A földi kőzetek, holdkövek és meteoritok elemzése azt mutatja, hogy a Naprendszer közel 4,7 milliárd évvel ezelőtt keletkezett. A nap, a mai adatok szerint, közel 5 milliárd éve létezik. Az utolsó 3 milliárd év folyamán a fényessége gyakorlatilag nem változott. A Nap teljes kisugárzott energiája ez alatt az idő alatt egyenlő E_Q~ L_Qt = 3,5 • 10⁴³ J. Elosztva ezt az értéket a Nap teljes tömegével, megkapjuk, hogy az anyagának minden kilogrammja közel 1,8 • 10¹³ J energiát sugárzott ki. A valóságban ez az érték még nagyobb, mert nem vettük számításba az első 2 milliárd évet. Egyetlen kémiai tüzelőanyag sem képes akkora belső energiaértéket biztosítani, amekkorát a Nap anyagának 1 kilogrammja.

A Nap átlagosan körülbelül 4 millió tonna hidrogént veszít másodpercenként. Első pillantásra ez az érték hatalmasnak tűnhet. A Nap teljes tömegéhez viszonyítva azonban jelentéktelen. A számítások alapján a mélyebb rétegekben annyi hidrogén van, amely elegendő a fényesség fenntartására még 5 milliárd évig.

5. A Napból származó neutrínók észlelése. A neutrínó az egyetlen olyan sugárzási típus, amely a Nap mélyéből jut el a földi megfigyelőhöz, és információt hordoz a belső szerkezetéről, valamint az ott zajló folyamatokról. A neutrínók észlelésének korszerű eszközei csak a Napból és Galaktikánk legfiatalabb csillagaiból érkező neutrínó-sugárzás kimutatására biztosítanak lehetőséget.

A neutrínó a proton-proton ciklus egyik terméke. Ezek a részecskék szinte minden kölcsönhatást nélkülözve jutnak át a csillag rétegein, közvetlenül a mag környezetéből szállítva az energiát. Mivel a neutrínók áthatolási képessége nagyon nagy, nehéz őket észlelni. Azonban léteznek speciális neutrínó-obszervatóriumok, amelyek a Napból érkező neutrínó-áramlatokat rögzítik.

A neutrínók észlelésének nagy jelentősége van, mivel ezek a részecskék hordozzák az információt a Nap és a hozzá hasonló csillagok mélyében zajló folyamatokról. A tömeggel, fényességgel és sugárral kapcsolatos adatokból kiindulva meghatározhatjuk a nyomás, sűrűség, hőmérséklet értékeit, valamint a kémiai összetételt különböző távolságokban a Nap középpontjától. Ezek nagyon fontos eredmények a kozmológia számára. A neutrínók számának ingadozása az előző megfigyelések adataival együtt lehetőséget biztosít a fizikusok számára annak megállapítására, hogy milyen a neutrínó becsülhető tömegének felső határértéke. Egyesítve ezt a neutrínók Világegyetemben várható mennyiségével, a fizikusok becslése szerint a neutrínók össztömege körülbelül egyenlő a látható csillagok össztömegével.

KÉRDÉSEK A TANULTAKHOZ

1. Mi a napállandó? Hogyan határozták meg?

2. Mit értünk a Nap fényességén? Mivel egyenlő?

3. Milyen kémiai elemek vannak többségben a Nap anyagában?

4. írjátok le a Nap belső szerkezetét! Milyen zónákra osztható a Nap belső része? Milyen folyamatok zajlanak a zónák mindegyikében?

5. Milyen energiaforrásnak köszönhetően sugároz a Nap? Milyen változásokon megy át közben az anyaga?

6. Milyen erők egyenlősége biztosítja a Nap egyensúlyát izzó plazmagömbként?

7. Hogyan történik az energia továbbítása a Nap magjától a felszíni rétegei felé?

Ez a csillagászat tankönyve 11. évfolyamának anyaga Szirotyuk, Mirosnicsenko