Η ατµόσφαιρα του Ήλιου. Κεφάλαιο

Transcript

1 Κεφάλαιο 3 Η ατµόσφαιρα του Ήλιου 43

2 Η ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ Η ατµόσφαιρα του Ήλιου αποτελείται από τρία στρώµατα: το µεγαλύτερο µέρος της φωτόσφαιρας, τη χρωµόσφαιρα µε τη µεταβατική ζώνη που θεωρείται τµήµα της και τέλος το στέµµα. Αυτά είναι και τα µοναδικά µέρη του άστρου που µπορούµε να παρατηρήσουµε µε τηλεσκόπιο, αφού όπως έχουµε ήδη δει, το εσωτερικό του είναι αδιαφανές παρατήρηση που πραγµατοποιείται όµως, σε διαφορετικές περιοχές του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Κι αυτό, γιατί σε κάθε στρώµα της ηλιακής ατµόσφαιρας δηµιουργούνται φαινόµενα και σχηµατισµοί που απελευθερώνουν διαφορετικού τύπου ακτινοβολία, είτε κυµατική όπως ακτίνες Χ, α- κτίνες γ, ραδιοακτινοβολία, ορατή, υπεριώδη και υπέρυθρη ακτινοβολία (Η/Μ φάσµα), είτε σωµατιδιακή όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια και πυρήνες ηλίου. ΟΡΑΤΗ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΥΠΕΡΙΩ ΗΣ ΡΑ ΙΟ- ΑΚΤΙΝΟΒΟ- ΛΙΑ ΝΕΤΡΙΝΟ ΡΑ ΙΟ- ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΕΣ Χ και γ ΑΚΤΙΝΕΣ Χ Εικ. 3.1 Η ακτινοβολία του Ήλιου Έτσι, όσον αφορά την κυµατική ακτινοβολία, για να µελετήσουµε κάθε ζώνη της ηλιακής ατµόσφαιρας, εξετάζουµε τον Ήλιο σε περιορισµένες περιοχές µηκών κύµατος εκτός από τη φωτόσφαιρα που παρατηρείται στο συνεχές και µάλιστα τόσο περιορισµένες, που θεωρούµε ότι είναι µονοχρωµατικές. Ανάλογα λοιπόν µε το µήκος κύµατος που µελετάµε, απεικονίζουµε και διαφορετική περιοχή της ατµόσφαιρας του Ήλιου και µόνον αυτή (Τη σωµατιδιακή ακτινοβολία τη µετράµε µε απαριθµητές σωµατιδίων). ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ: Οπτική περιοχή του φάσµατος (έντονο πορτοκαλί) (συνεχές φάσµα) ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ: Γραµµές Η (κυρίως στην Ηα, Å) (αµυδρό πορτοκαλί) Γραµµές Ca II, Å και Å ΣΤΕΜΜΑ: Περιοχή ακτίνων Χ Περιοχή ραδιοκυµάτων (RF συχνότητες) 44

3 Γενικά, ως ατµόσφαιρα του Ήλιου θεωρούµε το τµήµα εκείνο όπου η ενέργεια σταµατά να µεταδίδεται µε µεταφορά και αρχίζει να µεταδίδεται µε ακτινοβολία σε ορισµένες περιπτώσεις δε, και µε διάχυση. Στην παρακάτω φωτογραφία έχουµε την αντιστοίχιση του βάθους της ατµόσφαιρας του Ήλιου που βλέπουµε, µε τη θερµοκρασία που επικρατεί στην κάθε περιοχή. Κάθε µία προβολή επιτυγχάνεται σε διαφορετικό µήκος κύµατος. Παρατηρείστε τις διαφορετικές λεπτοµέρειες που απεικονίζονται σε κάθε περίπτωση K Fe XII Å K Mg X 624,9 Å K O V 629,7 Å K N V 1.238,8 Å K Continuum Å Εικ. 3.2 Κάθε περιοχή της ατµόσφαιρας του Ήλιου παρατηρείται σε διαφορετικό µήκος κύµατος. Σε κάθε µήκος κύµατος, όπου απεικονίζονται διαφορετικές λεπτοµέρειες, αντιστοιχεί και άλλη τιµή θερµοκρασίας. Σε κάθε απεικόνιση, λοιπόν, βλέπουµε διαφορετική περιοχή της ατµόσφαιρας του Ήλιου και αφού κάθε µια από τις περιοχές αυτές εκτείνεται σε διαφορετική απόσταση από το κέντρο του, αυτό έχει ως αποτέλεσµα να βλέπουµε σε κάθε περίπτωση τον Ήλιο µε άλλες διαστάσεις (µε µικρότερη αυτή της φωτόσφαιρας και µεγαλύτερη αυτή του στέµµατος). Ας δούµε τώρα τους τύπους και την κατανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας. 45

4 ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΦΑΣΜΑ Η ακτινοβολία που εκπέµπεται από τον Ήλιο κατανέµεται σε όλη σχεδόν την περιοχή του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος, όπως φαίνεται και στο σχήµα, δηλαδή τη ραδιοφωνική, την υπέρυθρη, την ορατή, την υπεριώδη, την περιοχή των ακτίνων X και την περιοχή των ακτίνων γ, αφού κάθε στρώµα του αναλόγως της θερ- µοκρασίας του εκπέµπει διαφορετικού τύπου ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία (δηλαδή ενέργεια). Από τον Ήλιο έχουµε ακόµη και σωµατιδιακή ακτινοβολία, κυρίως από το στέµµα (ηλιακός άνεµος) και τη χρωµόσφαιρα (εκλάµψεις), αλλά και από τον πυρήνα (νετρίνο). Ωστόσο η µελέτη του βασίζεται στην ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία αφού το µεγαλύτερο µέρος της ηλιακής ακτινοβολίας εκπέ- µπεται στην ορατή περιοχή του φάσµατος. Στην επόµενη εικόνα φαίνεται η επί τοις εκατό συνεισφορά των επιµέρους α- κτινοβολιών στη συνολική κατανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας, στα διάφορα µήκη κύµατος. Στην ίδια εικόνα φαίνεται η καµπύλη ευαισθησίας του ανθρώπινου µατιού, η οποία αντιστοιχεί στην ορατή περιοχή του φάσµατος. ΥΠΕΡΙΩ ΕΣ ΟΡΑΤΟ ΥΠΕΡΥΘΡΟ ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΗΛΙΑΚΟ ΦΑΣΜΑ ΚΑΜΠΥΛΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ ΜΑΤΙΟΥ ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (nm) 46

5 Το φωτοσφαιρικό φάσµα του Ήλιου Όπως είναι γνωστό, το ανθρώπινο µάτι αντιλαµβάνεται ακτινοβολίες που αντιστοιχούν στην ορατή περιοχή του φάσµατος. Από την άλλη µεριά, ο Ήλιος εκπέ- µπει το µεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας του στην ίδια περιοχή. Εποµένως, εύλογο είναι πως µας ενδιαφέρει κυρίως να µελετήσουµε αυτή την περιοχή του φάσµατος του Ήλιου, που προέρχεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από τη φωτόσφαιρά του. Το φάσµα που χαρακτηρίζει την προαναφερθείσα περιοχή έχει ιδιαίτερη ονοµασία και είναι γνωστό ως φωτοσφαιρικό φάσµα του Ήλιου. Προέρχεται από τη φωτόσφαιρα, η οποία εξαιτίας της αδιαφάνειας των τελευταίων στρωµάτων της συµπεριφέρεται µε πολύ καλή προσέγγιση ως µέλαν σώµα, θερµοκρασίας Τ = Κ, δίνοντας φάσµα εκποµπής στην ορατή περιοχή του συνολικού ηλιακού φάσµατος που περιλαµβάνει ακόµα την υπέρυθρη περιοχή, καθώς και ένα τµήµα της υπεριώδους. Στην εικόνα βλέπουµε το φάσµα εκποµπής του παραπάνω µέλανος σώµατος, που είναι µια κατανοµή Planck (οµαλή πράσινη γραµ- µή) και το φάσµα του Ήλιου (µαύρη γραµµή µε βυθίσεις), όπου το µήκος κύ- µατος είναι σε νανόµετρα (nm) και όπου διαπιστώνουµε τη σύµπτωση των δύο φασµάτων. Ένταση ακτινοβολίας (W/m 2 / nm) ηλιακό φάσµα φάσµα µέλανος σώµατος θερµοκρασίας Τ = Κ Μήκος κύµατος (nm) Ως φάσµα εκποµπής µέλανος σώµατος αντιστοιχεί σε συνεχή έγχρωµη ταινία (συνεχές φάσµα), η οποία όµως διακόπτεται από µια σειρά χαρακτηριστικών σκοτεινών γραµµών απορρόφησης (στην πάνω εικόνα αντιστοιχούν στις βυθίσεις της γραµµής του ηλιακού φάσµατος). Οι γραµµές αυτές, γνωστές σαν γραµµές Φράουνχοφερ, προέρχονται από την απορρόφηση του φωτός της φωτόσφαιρας από άτοµα που βρίσκονται στις περιοχές της ατµόσφαιρας του Ήλιου, τα οποία προσλαµβάνοντας ενέργεια διεγείρονται δίνοντας γραµµικό φάσµα απορρόφησης. Εκτός όµως από αυτό, η περιοχή της ατµόσφαιρας του Ήλιου δίνει και γραµµικό φάσµα εκποµπής, καθώς άτοµα υδρογόνου που βρίσκονται εκεί, συγκρούονται µε ηλεκτρόνια, µε αποτέλεσµα να ιονίζονται και να εκπέµπουν σε χαρακτηριστικές συχνότητες. 47

6 Το φάσµα του Ήλιου όµως που περιγράψαµε παραπάνω είναι αυτό που λαµβάνεται στα όρια της γήινης ατµόσφαιρας και όχι αυτό που αντιλαµβάνεται ένας γήινος παρατηρητής. Κι αυτό, γιατί το φως του Ήλιου υφίσταται περαιτέρω απορρόφηση από τη γήινη ατµόσφαιρα, µε αποτέλεσµα το φως που φθάνει στον γήινο παρατηρητή, που θεωρούµε ότι βρίσκεται στο επίπεδο της θάλασσας, να είναι αυτό που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Ηλιακό φάσµα στα όρια της γήινης ατµόσφαιρας Ηλιακό φάσµα στο επίπεδο της θάλασσας ΡΟΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Εικ. 3.3 Το φάσµα του Ήλιου Κατ αυτόν τον τρόπο, το φάσµα απορρόφησης του Ήλιου που λαµβάνεται στο επίπεδο της θάλασσας περιλαµβάνει γραµµές, τόσο απορρόφησης όσο και εκποµπής, που άλλες οφείλονται στην ατµόσφαιρα του Ήλιου και άλλες στην ατµόσφαιρα της Γης. Οι γραµµές Φράουνχοφερ δίνουν πολλά στοιχεία για εκείνες τις περιοχές της ατµόσφαιρας που απορρόφησαν την ακτινοβολία. Είναι λοιπόν σηµαντικό να ξεχωρίσουµε ποιες από αυτές τις γραµµές οφείλονται στην ατµόσφαιρα του Ήλιου και ποιες στην ατµόσφαιρα της Γης. Υπάρχουν δύο τρόποι για να το επιτύχουµε αυτό: Mε εφαρµογή του φαινοµένου D-F (Doppler- Fizeau) κατά την περιστροφή του Ήλιου: θεωρούµε δύο αντιδιαµετρικά σηµεία του Ήλιου (ανατολικό και δυτικό χείλος) κατά τη διάρκεια της µεσουράνησής του, όπου η σχετική ταχύτητα του τόπου απ όπου γίνεται η παρατήρηση είναι κάθετη στην οπτική ακτίνα, και λαµβάνουµε το φάσµα τους. Στη συνέχεια τοποθετούµε τα δύο φάσµατα το ένα πάνω στο άλλο. Τότε βλέπουµε πως οι φασµατικές γραµµές του Ήλιου έχουν µετατοπισθεί λόγω του φαινοµένου D-F, του ενός χείλους προς το ιώδες (αυτό που φαίνεται να προσεγγίζει ακτινικά τον παρατηρητή) και του άλλου προς το ερυθρό (αυτό που φαίνεται να αποµακρύνεται ακτινικά από τον παρατηρητή). Οι φασµατικές γραµµές της Γης όµως δεν έχουν µετατοπισθεί και έτσι µπορούµε να τις διαχωρίσουµε (βλέπε σχήµα επόµενης σελίδας). 48

7 ΓΗΙΝΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Α ΓΗ Οπτική ακτίνα ΜΕΣΟΥΡΑΝΗΣΗ ΗΛΙΟΥ ΥΤΙΚΟ ΧΕΙΛΟΣ ΑΝΑΤΟΛΙΚΟ ΧΕΙΛΟΣ Με άµεση σύγκριση του φάσµατος Ήλιου, κατά την ανατολή και κατά τη µεσουράνηση του. Η διάκριση των φασµατικών γραµµών της Γης και του Ή- λιου έγκειται στη διαφορετική έντασή τους. Όταν ο Ήλιος ανατέλλει το ηλιακό φως διανύει µεγαλύτερο πάχος γήινης ατµόσφαιρας, µε αποτέλεσµα η απορρόφηση να είναι µεγάλη και να µειώνεται αρκετά η ένταση των γραµµών του φάσµατός του. Το αντίθετο συµβαίνει κατά τη µεσουράνηση του Ήλιου. Και στις δύο περιπτώσεις η ένταση των φασµατικών γραµµών της Γης παραµένει σταθερή. ΓΗΙΝΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΑΝΑΤΟΛΗ ΗΛΙΟΥ ΓΗ ΜΕΣΟΥΡΑΝΗΣΗ ΗΛΙΟΥ Εάν συγκρίνουµε τα δύο φάσµατα, ανατολής και µεσουράνησης, τότε βλέπουµε πως οι γραµµές των οποίων η ένταση δεν µεταβλήθηκε είναι οι γήινες, ενώ αυτές των οποίων η ένταση µεταβάλλεται είναι οι φασµατικές γραµµές του Ήλιου. 49

8 Το φωτοσφαιρικό φάσµα του Ήλιου ή φάσµα Φράουνχοφερ (Fraunhofer) επεκτάθηκε στο υπεριώδες, όταν κατέστη δυνατό να ληφθούν καταµετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας έξω από τη γήινη ατµόσφαιρα. Έτσι, στην περιοχή µηκών κύµατος Å φαίνονται σκοτεινές γραµµές, γνωστές ως γραµµές Φράουνχοφερ. Επισηµαίνουµε ότι το φάσµα Φράουνχοφερ είναι φάσµα απορρόφησης 1 της ακτινοβολίας. (Βλέπε: Παράρτηµα). Με την εφαρµογή των δύο τρόπων που περιγράψαµε παραπάνω, έχει αναγνωριστεί το 73% περίπου των ηλιακών γραµµών. Έχουν καταγραφεί 63 στοιχεία και 11 µόρια, µε τον σίδηρο να κυριαρχεί στο γραµµικό φάσµα (5.458 γραµµές σιδήρου έχουν ανακαλυφθεί). Άλλα στοιχεία που αναγνωρίζονται είναι το χρώµιο (1.453 γραµµές), το τιτάνιο (1.344 γραµµές), το νικέλιο (856 γραµµές), το ζιρκόνιο (388 γραµµές), το ηλιακό κυάνιο (1.572 γραµµές), ατµοί νερού (1.477 γραµ- µές) και πολλά άλλα στοιχεία που απαριθµούν πολύ λίγες γραµµές, της τάξης των µονάδων (βηρύλλιο, άργυρος, λευκόχρυσος, χρυσός). Εικ. 3.4 Το ηλιακό φάσµα σε µήκη κύµατος από 4300 έως 4360 Å 1 Αντίθετα, οι φασµατικές εικόνες του Ήλιου σαν αυτές της επόµενης σελίδας είναι φωτογραφίες που έχουµε πάρει τοποθετώντας στα καταγραφικά όργανα ένα φίλτρο που κόβει όλες τις ακτινοβολίες, εκτός κάποιων συγκεκριµένων µηκών κύµατος. Αυτά αντιστοιχούν στα µήκη κύµατος συγκεκριµένων φασµατικών γραµµών του Ήλιου, π.χ. της γραµµής Ηα. Στην περίπτωση αυτή λέµε ότι καταγράψαµε µια φασµατική εικόνα του Ήλιου στην Ηα και όχι τη φασµατική γραµµή του, Ηα. Όπως είναι φανερό, για να πάρουµε µια φασµατική εικόνα του Ήλιου στο µήκος κύµατος µιας φασµατικής του γραµµής, πρέπει τη στιγµή της φωτογράφησης ο Ήλιος, ή κάποια περιοχή του, να εκπέµπει στη γραµµή αυτή. Κάθε φασµατική εικόνα, στη συνέχεια, τη χρησιµοποιούµε για να µελετήσουµε διάφορους ηλιακούς σχηµατισµούς οι οποίοι µπορεί να είναι εµφανείς µόνο σε αυτά τα συγκεκριµένα µήκη κύµατος µέσω φωτοηλεκτρικών µεθόδων. Αντίθετα, για τη µελέτη των φασµατικών γραµµών του ηλιακού φάσµατος χρησιµοποιούµε φασµατοσκοπικές µεθόδους, που µας βοηθούν να µελετήσουµε διαφορετικά φαινόµενα από αυτά που µελετάµε µε τις φασµατικές εικόνες. ηλαδή, µια φασµατική εικόνα δεν έχει καµιά σχέση µε το φάσµα του Ήλιου. 50

9 Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται σε ποια µήκη κύµατος µπορούµε να παρατηρήσουµε κάθε ζώνη της ηλιακής ατµόσφαιρας, τόσο στο συνεχές όσο και στο γραµµικό φάσµα. Φασµατική περιοχή Ηλιακή ζώνη IR ΣΥΝΕΧΕΣ ΟΡΑΤΟ ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ ΓΡΑΜΜΙΚΟ UV RF ΟΡΑΤΟ UV SXR SXR UV EUV H - Ca II Hα He II (H,K) UV EUV ΑΛΛΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΧΡΩΜΟΣΦΑΙ- ΡΑ * mm ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΖΩΝΗ cm ΒΑΣΗ ΣΤΕΜΜΑΤΟΣ * cm ΣΤΕΜΜΑ * m * Μόνο σε συνθήκες ολικής έκλειψης Όταν παρατηρούµε τον Ήλιο, βλέπουµε σε κάθε στιβάδα της ατµόσφαιρας του, κάτω από τις συνήθεις συνθήκες, ένα πλήθος διαφορετικών σχηµατισµών που παρουσιάζουν µόνιµο χαρακτήρα, οι οποίοι χαρακτηρίζονται στο σύνολό τους ως φαινόµενα ήρεµου Ήλιου. Τα φαινόµενα αυτά, που εξετάζουµε στη συνέχεια, τα διακρίνουµε ανάλογα µε το στρώµα της ατµόσφαιρας στο οποίο παρουσιάζονται. ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ ( ) Η ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ * ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ ( ) Οπτικό παράθυρο Å Γραµµή Ηα ( ) ΣΤΕΜΜΑ Περιοχή ακτίνων X ΣΤΕΜΜΑ * Φασµατικές εικόνες του Ήλιου που προήλθαν από τη χρήση διαφορετικών φίλτρων 51

10 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΗΡΕΜΟΥ ΗΛΙΟΥ Ηλιακή ζώνη Φαινόμενο Σύντομη Περιγραφή ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ Κοκκίαση Υπερκοκκίαση Μεσοκοκκίαση Γιγαντιαίοι κόκκοι Αμαύρωση χείλους Αστραπιαίο φάσμα Χρωμοσφαιρικό δίκτυο Φωτεινοί κόκκοι ακανόνιστου σχήματος που περιβάλλονται από σκοτεινές περιοχές, καλύπτουν τη φωτόσφαιρα. Κόκκοι πολύ μεγαλύτερων διαστάσεων από αυτών της κοκκίασης ανιχνεύονται στα ανώτερα στρώματα της φωτόσφαιρας. Κόκκοι ενδιάμεσου μεγέθους μεταξύ αυτών της κοκκίασης και της υπερκοκκίασης. Κόκκοι τεραστίων διαστάσεων που περιβάλλουν τους υπερκόκκους και συνιστούν ένα φαινόμενο παγκόσμιας ηλιακής κλίμακας. Φαινόμενο στην οπτική περιοχή του φάσματος. Φαινόμενο στην οπτική περιοχή του φάσματος σε συνθήκες έκλειψης. Πολύ λαμπρές περιοχές. Ακίδες ή πίδακες Ινώδεις σχηματισμοί. ΣΤΕΜΜΑ Θέρμανση στέμματος Αμαύρωση κέντρου Αύξηση της θερμοκρασίας του στέμματος σε τάξη των εκατομμυρίων βαθμών Κ. Φαινόμενο στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. Ηλιακός άνεμος Ροή αερίων από τον Ήλιο προς τον διαπλανητικό χώρο. 52

11 Φαινόµενα ήρεµου Ήλιου 1.Φωτόσφαιρα 53

12 Η ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ Τα τελευταία 500 χιλιόµετρα της ηλιακής σφαίρας ακριβώς µετά τη ζώνη µεταφοράς καταλαµβάνει µια άλλη ζώνη, γνωστή ως φωτόσφαιρα (photosphere). Το στρώµα της φωτόσφαιρας είναι αυτό ακριβώς που βλέπουµε όταν κοιτάµε τον Ήλιο µε γυµνό οφθαλµό ή µε τηλεσκόπιο στο ορατό φάσµα γι αυτό θεωρείται ως η επιφάνειά του. Και αυτό, γιατί η αδιαφάνεια της πέφτει τόσο γρήγορα, ώστε η ενέργεια που φθάνει ως εδώ δεν φρενάρει, αλλά διαχέεται στο περιβάλλον. Αυτός είναι άλλωστε και ο λόγος που δεν µπορούµε να την κατατάξουµε σαφώς και µόνο στο σώµα του Ήλιου, ή µόνο στην ατµόσφαιρά του, αφού τα κατώτερα στρώµατά της είναι αδιαφανή, ενώ τα ανώτερα όχι. Ωστόσο, είναι ένας πολύ λεπτός φλοιός, δηλαδή πολύ µικρότερος από 0,1 ηλιακές ακτίνες, R και δεν εξυπηρετεί να τον χωρίσουµε σε περισσότερους υποφλοιούς για να τον µελετήσουµε, αφού η µεταβολή της πυκνότητας σε αυτόν επιτελείται βαθµιαία (συνεχώς) και όχι µε άλµατα σε σαφώς καθορισµένες ζώνες. Φωτόσφαιρα Η ζώνη αυτή έχει θερµοκρασία, που µειώνεται από τους Κ αµέσως µετά τη ζώνη µεταφοράς στους Κ ακριβώς πριν τη χρωµόσφαιρα και συµπεριφέρεται ως µέλαν σώµα δίνοντας φάσµα εκποµπής θερµοκρασίας Κ. Η ακτινοβολία που εκπέµπεται από τη φωτόσφαιρα φθάνει σχεδόν όλη στη Γη χωρίς να απορροφάται από τα στρώµατα που βρίσκονται πάνω από αυτή, γιατί αυτά είναι πολύ αραιά και τελείως διαφανή. Έτσι, µπορούµε να παρατηρήσουµε διάφορα φαινόµενα που δηµιουργούνται στη φωτόσφαιρα, όπως επίσης και σχη- µατισµούς που αποτελούν απόρροια φαινοµένων που επιτελούνται στην αµέσως προηγούµενη ζώνη, δηλαδή τη ζώνη µεταφοράς. Η φωτόσφαιρα µπορεί να παρατηρηθεί στο συνεχές (υπέρυθρο, ορατό και κοντινό υπεριώδες). Ωστόσο η µελέτη της πραγµατοποιείται στο οπτικό παράθυρο. 54

13 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΗΡΕΜΟΥ ΗΛΙΟΥ - ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ Η ΚΟΚΚΙΑΣΗ Το στρώµα του Ήλιου που καλείται φωτόσφαιρα, καλύπτεται κατά το ήµισυ από φωτεινούς σχηµατισµούς που ονοµάζονται κόκκοι (granules) και έχουν µέση έ- κταση km. Πρόκειται για τα ανώτατα τµήµατα των ρευµάτων µεταφοράς που εκκινούν από τη ζώνη µεταφοράς και διοχετεύουν προς τα πάνω υλικό θερµότερο κατά 200 C, άρα και λαµπρότερο από αυτό των γύρω περιοχών. Αυτά τα ρεύµατα µεταφοράς αφού αποβάλλουν την ενέργεια τους, βυθίζονται και πάλι στο εσωτερικό του Ήλιου. Τα σηµεία βύθισης φαίνονται πιο σκοτεινά λόγω της διαφοράς θερµοκρασίας, µε αποτέλεσµα οι κόκκοι να περιβάλλονται και να διαχωρίζονται από σκοτεινές ζώνες, πλάτους περίπου έως 300 km. Το φαινόµενο αυτό που είναι γνωστό ως κοκκίαση (granulation), δεν είναι στατικό. 300 km 1000 km. Οι κόκκοι έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ : t = 8 min ΜΕΣΗ ΙΑΜΕΤΡΟΣ: km ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ : 200 C µεγαλύτερη από αυτή των γύρω περιοχών Εικ. 3.5 Το φαινόµενο της κοκκίασης (NASA) 55

14 Το φαινόµενο της κοκκίασης εξελίσσεται δυναµικά, γεγονός που σηµαίνει ότι οι κόκκοι δεν εµφανίζονται πάντα στο ίδιο σηµείο, ούτε έχουν ίδια διάρκεια και έ- κταση. Επίσης, δεν εµφανίζονται όλοι µαζί, γιατί όταν ένα ανοδικό ρεύµα φθάνει στην επιφάνεια κάποιο άλλο βυθίζεται, µε αποτέλεσµα να παρατηρείται µια συνεχής κίνηση στην επιφάνεια του Ήλιου. ΚΟΚΚΟΣ ΣΚΟΤΕΙΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ (ΣΗΜΕΙΑ ΒΥΘΙΣΗΣ) ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ ΖΩΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΖΩΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Ανοδικό ρεύµα µεταφοράς Εικ. 3.6 (επάνω): Ο κόκκος είναι η κορυφή ενός ρεύµατος µεταφοράς που διοχετεύει θερµό (λαµπρό) υλικό από το εσωτερικό του Ήλιου προς την επιφάνεια του. Ο κόκκος περιβάλλεται από σκοτεινές περιοχές στα σηµεία βύθισης (είναι λιγότερο λα- µπρές αφού έχουν αποβάλλει την ενέργειά τους). Εικ. 3.7 (αριστερά): Η εναλλαγή των κόκκων στην επιφάνεια της φωτόσφαιρας αναδεικνύει την κινητικότητα του φαινοµένου της κοκκίασης. Στα ανώτερα στρώµατα της φωτόσφαιρας και στις υποχρωµοσφαιρικές περιοχές παρατηρείται το αντίστροφο φαινόµενο που ονοµάζεται αντίστροφη κοκκίαση (reversed granulation). (Αριστερά) το φαινόµενο της κοκκίασης ( εξιά) το φαινόµενο της αντίστροφης κοκκίασης 56

15 Στην πραγµατικότητα βέβαια, η επιφάνεια της φωτόσφαιρας δεν είναι επίπεδη, αφού οι κόκκοι προεξέχουν προς τα πάνω, ενόσω τα σηµεία βύθισης βρίσκονται πιο χαµηλά. Στην παρακάτω εικόνα, αριστερά βλέπουµε µια τρισδιάστατη προσοµοίωση της επιφάνειας του Ήλιου, δηλαδή της φωτόσφαιρας (όπου απεικονίζονται και άλλες λεπτοµέρειες της ζώνης αυτής, A. Vögler1, S. Shelyag1, M. Schüssler, F. Cattaneo, T. Emonet and T. Linde: Simulations of magnetoconvection in the solar photosphere. Equations, methods, and results of the MURaM code), ενώ δεξιά µπορούµε να τη δούµε σε κάτοψη. Φανταστείτε πως η επιφάνεια του Ήλιου µοιάζει µε το χυλό που κοχλάζει ό- ταν βράζει στην κατσαρόλα. Ο µηχανισµός βρασµού είναι ο ίδιος µε τον µηχανισµό δηµιουργίας του φαινοµένου της κοκκίασης, που εντοπίζεται, όπως είπαµε, στη ζώνη µεταφοράς και βασίζεται στην κυκλική κίνηση των ρευµάτων. Το η- λιακό ρευστό που προέρχεται από τα βαθιά στρώµατα της ζώνης µεταφοράς και έχει µεγαλύτερη ενέργεια, εκτινάσσεται πάνω από τη ζώνη µεταφοράς στη φωτόσφαιρα, όπως οι φυσαλίδες ενός χυλού, που προερχόµενες από τον θερµό πάτο της κατσαρόλας, σκάνε στην επιφάνεια απελευθερώνοντας την περίσσεια ενέργειά τους, για να βυθιστούν στη συνέχεια και πάλι στο εσωτερικό. ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ κόκκος Σκοτεινές περιοχές, σηµεία βύθισης ΖΩΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΑΝΟ ΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΡΟΕΡΧΟΜΕΝΟ ΑΠΟ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΟ ΒΑΘΟΣ Πανεπιστήµιο Αθηνών Τµήµα Φυσικής Εικ. 3.8 Μηχανισµός δηµιουργίας ενός ανοδικού ρεύµατος 57

16 Στην παρακάτω αριθµητική προσοµοίωση µπορούµε να δούµε τη ζώνη µεταφοράς σε διατοµή, όπου απεικονίζεται ο µηχανισµός των ανοδικών ρευµάτων και οι κινήσεις στο στρώµα αυτό. Εδώ γίνεται φανερό γιατί το φαινόµενο που δηµιουργεί τους κόκκους στη φωτόσφαιρα δεν είναι στατικό, όπως και το γιατί οι κόκκοι δεν εµφανίζονται στο ίδιο σηµείο. Εικ. 3.9 Τα ανοδικά ρεύµατα µεταφοράς διοχετεύουν θερµό ηλιακό πλάσµα από τη ζώνη µεταφοράς προς τα πάνω. Οι κινήσεις όµως της ζώνης µεταφοράς µην ξεχνάτε πως το υλικό που αποτελεί τον Ήλιο, δηλαδή το πλάσµα είναι ένα ρευστό έχουν σαν αποτέλεσµα να µην εµφανίζονται οι κόκκοι, οι οποίοι αποτελούν τις κορυφές των ανοδικών ρευµάτων, πάντα στο ίδιο σηµείο, ούτε να έχουν την ίδια έκταση (Mathias Steffen, Bernd Freytag). 58

17 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΗΡΕΜΟΥ ΗΛΙΟΥ - ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ Η ΥΠΕΡΚΟΚΚΙΑΣΗ Η υπερκοκκίαση (supergranulation) είναι ένα φαινόµενο αντίστοιχο µε αυτό της κοκκίασης, µόνο που αναφέρεται σε ανοδικά ρεύµατα που προέρχονται από βαθύτερα στρώµατα του Ήλιου. Αυτό σηµαίνει πως το υλικό που αναβλύζει είναι θερµότερο από το αντίστοιχο της κοκκίασης, άρα και λαµπρότερο, γεγονός που έ- χει ως αποτέλεσµα να σχηµατίζονται πάνω στη φωτόσφαιρα περιοχές, πολύ πλατιές και πολύ λαµπρές. Αυτές έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: ΜΕΣΗ ΙΑΜΕΤΡΟ: ΜΕΣΟ ΧΡΟΝΟ ΖΩΗΣ : ΤΑΧΥΤΗΤΑ: d = km t = 1-3 ηµέρες υ = 0,5 km/sec. Καθώς τα ρεύµατα ανέρχονται σε µεγαλύτερα ύψη, διανύουν και µεγαλύτερη ο- ριζόντια απόσταση πάνω στη φωτόσφαιρα πριν βυθιστούν και πάλι στο εσωτερικό του Ήλιου, µε την παραπάνω ταχύτητα. Τα ανοδικά ρεύµατα µεταφοράς που δηµιουργούν το φαινόµενο της υπερκοκκίασης, προκαλούν και στη χρωµόσφαιρα φαινόµενα που είναι αντίστοιχα µε αυτά της κοκκίασης (χρωµοσφαιρικό δίκτυο, ακίδες ή πίδακες), µόνο που έχουν µεγαλύτερη έκταση. Στην πραγµατικότητα οι υπερκόκκοι βρίσκονται βαθιά διασκορπισµένοι στις υποχρωµοσφαιρικές περιοχές και είναι δύσκολα ανιχνεύσιµοι σε φωτοσφαιρικό επίπεδο. Φαινόµενα, όµως, δηµιουργούν και στο στέµµα, καθώς συνδέονται µε την ανάπτυξη µαγνητικών πεδίων σε αυτό, τα οποία τελικά, διαµορφώνουν και το σχήµα του. 59

18 Στην προηγούµενη φωτογραφία (διάγραµµα ταχυτήτων ντόπλερ), που για τη λήψη της εκµεταλλευόµαστε το φαινόµενο Ντόπλερ, οι περιοχές που αντιπροσωπεύουν τους υπερκόκκους (supergranules) έχουν µπλε χρώµα, καθώς δείχνουν τα ανοδικά ρεύµατα που πλησιάζουν προς εµάς, ενώ οι περιοχές που αντιπροσωπεύουν τις σκοτεινές περιοχές έχουν κόκκινο χρώµα, καθώς δείχνουν τα σηµεία βύθισης, όπου τα ρεύµατα α- ποµακρύνονται από εµάς. Στην παρακάτω εικόνα βλέπουµε τον µηχανισµό δηµιουργίας των δύο φαινοµένων, της κοκκίασης και της υπερκοκκίασης, συγκριτικά. υπερκοκκίαση ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ κοκκίαση ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ ΖΩΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Εικ Ο µηχανισµός των δύο φαινοµένων, της κοκκίασης και της υπερκοκκίασης, είναι ο ίδιος. Η διαφοροποίηση έγκειται στο γεγονός ότι τα κυκλικά ρεύµατα στη ζώνη µεταφοράς που ευθύνονται για τη δηµιουργία των δύο φαινοµένων, είναι διαφορετικού µεγέθους και βρίσκονται σε διαφορετικό βάθος. Έτσι, τα ρεύµατα που εντοπίζονται πιο βαθιά µεταφέρουν µεγαλύτερα ποσά ενέργειας που τα αποδίδουν στα υψηλότερα στρώµατα της φωτόσφαιρας, σε αντίθεση µε αυτά που εντοπίζονται πιο επιφανειακά και ενοχοποιούνται για τη δηµιουργία του φαινοµένου της κοκκίασης στα χαµηλά στρώµατα της φωτόσφαιρας. Το φαινόµενο της υπερκοκκίασης δεν µπορεί να θεαθεί σαν αυτό της κοκκίασης, εξαιτίας της µικρής θερµοκρασιακής διαφοράς ως προς τον περιβάλλοντα χώρο. Εντοπίζεται καλύτερα µε διάγραµµα ταχυτήτων ντόπλερ (dopplergram). 60

19 Εικ Το φαινόµενο της υπερκοκκίασης δεν µπορεί να θεαθεί σαν αυτό της κοκκίασης εξαιτίας της µικρής θερµοκρασιακής διαφοράς µε τον περιβάλλοντα χώρο. Εντοπίζεται καλύτερα µε διάγραµµα ταχυτήτων ντόπλερ (dopplergram) NSO-GONG. Η κίνηση των ανοδικών ρευµάτων µεταφοράς της υπερκοκκίασης, έχει ως α- ποτέλεσµα την απώθηση των δυναµικών γραµµών του µαγνητικού πεδίου προς τα όρια των κυψελίδων (δηλαδή των υπερκόκκων), όπου αυτό συγκεντρώνεται και ενισχύεται σηµαντικά. Στα σηµεία αυτά έχουµε επανασύνδεση µαγνητικών δυναµικών γραµµών (τη διαδικασία της επανασύνδεσης θα την εξετάσουµε στο επόµενο κεφάλαιο). Έτσι, δηµιουργείται ένα χαρακτηριστικό πλέγµα γνωστό ως δίκτυο του µαγνητικού πεδίου (network). Στο δίκτυο αυτό, που βρέθηκε να συµπίπτει µε το χρωµοσφαιρικό δίκτυο, το γεγονός της επανασύνδεσης οδηγεί σε έκλυση ενέργειας. Αυτή προκαλεί επιτάχυνση υλικού προς τα πάνω, τροφοδοτώντας το στέµµα µε φορτισµένα σωµάτια, που, µε τον τρόπο αυτό, αναπληρώνουν µέρος του υλικού του το οποίο χάνεται εξαιτίας του ηλιακού άνεµου. Ενδεχοµένως, η διαδικασία αυτή συµβάλλει και στη θέρµανση του στέµµατος. Εικ Η έκλυση της ενέργειας και το χαρακτηριστικό πλέγµα του µαγνητικού πεδίου που φαίνεται να δηµιουργείται εξαιτίας του φαινοµένου της υπερκοκκίασης 61

20 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΗΡΕΜΟΥ ΗΛΙΟΥ - ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ Η ΜΕΣΟΚΟΚΚΙΑΣΗ Η µεσοκοκκίαση (mesogranulation) είναι ένα φαινόµενο που ανακαλύφθηκε το 1981 και αποτελεί ένα ενδιάµεσο φαινόµενο µεταξύ κοκκίασης και υπερκοκκίασης, όπως µαρτυρά και το όνοµα της άλλωστε. Όσον αφορά το αίτιο δηµιουργίας του, από τις µελέτες που έχουν πραγµατοποιηθεί έως σήµερα φαίνεται πως αυτό δεν εντοπίζεται µόνο στα ανοδικά ρεύµατα της ζώνης µεταφοράς, όπως ισχύει και για τα δύο άλλα φαινόµενα, αλλά επίσης αναζητείται και στην επιφανειακή ροή. Οι µεσοκόκκοι καταλαµβάνουν έκταση µε διάµετρο που κυµαίνεται µεταξύ km και km. Το φαινόµενο πάντως αµφισβητείται από πολλούς επιστήµονες, που υποστηρίζουν ότι δεν είναι πραγµατικό και τελεί ακόµη υπό διερεύνηση. Τα µέχρι τώρα αποτελέσµατα της έρευνας καταδεικνύουν ως αίτιο δη- µιουργίας τους δύο προαναφερθέντες τρόπους. Η µεσοκοκκίαση ως αποτέλεσµα της επιφανειακής ροής Σε αρκετές περιπτώσεις, όπως έχει παρατηρηθεί, οι κόκκοι στη ζώνη της φωτόσφαιρας δεν µετατοπίζονται ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, αλλά καθ οµάδες, άλλοτε συγκλίνοντας προς το ίδιο σηµείο και άλλοτε αποκλίνοντας. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα να δηµιουργούνται δύο ειδών ροές: µία προς τα µέσα (inflow) και µία προς τα έξω (outflow), αντιστοίχως. Έτσι, στη συγκλίνουσα ροή σχηµατίζεται µια φωτεινή περιοχή των προαναφερθέντων διαστάσεων, ενώ στην αποκλίνουσα ροή σχηµατίζεται µια σκοτεινή περιοχή. Εικ Στην αριστερή εικόνα σηµειώνονται τρεις κόκκοι να εκτελούν συγκλίνουσα κίνηση πλησιάζοντας µεταξύ τους. Στη δεξιά εικόνα έχει αυξηθεί πολύ το κοντράστ και διαχωρίζονται πλήρως οι κόκκοι µεταξύ τους. Κατ αυτόν τον τρόπο, φαίνεται ποιοι προσεγγίζουν συγκλίνουσα ροή και ποιοι αποµακρύνονται αποκλίνουσα ροή. 62

21 Η µεσοκοκκίαση ως αποτέλεσµα των ανοδικών ρευµάτων Για το υπόλοιπο ποσοστό του φαινοµένου της µεσοκοκκίασης ενοχοποιούνται τα ανοδικά ρεύµατα της ζώνης µεταφοράς. Πρόκειται για ρεύµατα τα οποία έχουν ένα ενδιάµεσο µέγεθος µεταξύ αυτών που δηµιουργούν το φαινόµενο της κοκκίασης και αυτών που δηµιουργούν το φαινόµενο της υπερκοκκίασης. Τα ρεύµατα αυτά βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια, αλλά επειδή είναι µεγαλύτερων διαστάσεων µεταφέρουν υλικό από µεγαλύτερο βάθος και έτσι δηµιουργούν κόκκους µεσαίου µεγέθους. υπερκοκκίαση ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ κοκκίαση ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ µεσοκοκκίαση ΖΩΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Εικ Το φαινόµενο της µεσοκοκκίασης αποτελεί ενδιάµεσο φαινόµενο µεταξύ της κοκκίασης και της υπερκοκκίασης. Οι µεσοκόκκοι που δηµιουργούνται µε τον τρόπο των ανοδικών ρευµάτων, έχουν µεσαίο µέγεθος, καθώς τα ρεύµατα διοχετεύουν στην επιφάνεια του Ήλιου υλικό θερµότερο από αυτό των κόκκων, αλλά λιγότερο θερµό από αυτό των υπερκόκκων. Τα ανοδικά ρεύµατα που δηµιουργούν τους µεσοκόκκους βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια, αλλά λόγω µεγέθους µεταφέρουν υλικό από λίγο βαθύτερα στρώµατα. 63

22 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΗΡΕΜΟΥ ΗΛΙΟΥ - ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ ΟΙ ΓΙΓΑΝΤΙΑΙΟΙ ΚΟΚΚΟΙ Όπως πιστεύεται, υπάρχει και ένα ακόµη µεγαλύτερο µέγεθος κόκκων από αυτό της υπερκοκκίασης, οι οποίοι ονοµάζονται γιγαντιαίοι κόκκοι (giant cells). Το φαινόµενο αυτό ανακαλύφθηκε αµέσως µετά την υπερκοκκίαση και απασχολεί τους Αστροφυσικούς τα τελευταία τριάντα χρόνια. Για να αντιληφθούµε το µέγεθός του, αξίζει να σηµειώσουµε πως οι υπερκόκκοι έχουν έκταση συγκρίσιµη µε το µέγεθος της Γης, ενώ οι γιγαντιαίοι κόκκοι είναι σε έκταση πολύ µεγαλύτεροι από τον πλανήτη ία. Φαίνεται να περιβάλλουν τους υπερκόκκους και η δηµιουργία τους αποδίδεται σε ανοδικά ρεύµατα µεταφοράς που, όπως εικάζεται, εκκινούν από τα κατώτατα στρώµατα (από τον πυθµένα) της ζώνης µεταφοράς. Παρ όλα αυτά, επειδή είναι δύσκολο να καταλάβουµε τι ακριβώς συµβαίνει στο εσωτερικό του Ήλιου, το θέµα τελεί υπό διερεύνηση. Εικ Ένα ακόµη µεγαλύτερο µέγεθος κόκκων από αυτό της υπερκοκκίασης, οι οποίοι ονοµάζονται γιγαντιαίοι κόκκοι (NASA-Marshall Space Flight Center). Αριστερά βλέπουµε το φαινόµενο της υπερκοκκίασης και δεξιά αυτό των γιγαντιαίων κόκκων. Η ανακάλυψη και η µελέτη του φαινοµένου έγινε µέσα από τα διαγράµµατα ταχυτήτων ντόπλερ που παίρνουµε εκµεταλλευόµενοι τις κινήσεις του ηλιακού ρευστού και το φαινόµενο Ντόπλερ στα οποία λαµβάνονται δεδοµένα για διάστηµα µιας ώρας ώστε να ξεφύγουµε από τις πεντάλεπτες ταλαντώσεις του εσωτερικού του Ήλιου και την υπερκοκκίαση και στα οποία ανιχνεύονται ταχύτητες της τάξης του 1 m/sec, καθώς η κίνηση των γιγαντιαίων κόκκων είναι της αυτής τάξης, αφού όσο οι δοµές γίνονται µεγαλύτερες, οι ταχύτητες γίνονται µικρότερες. Οι γιγαντιαίοι κόκκοι είναι ένα φαινόµενο µεγάλης κλίµακας για τον Ήλιο µε χαρακτηριστικά: 64

23 ΙΑΜΕΤΡΟΣ: d km ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ : t 27 ηµέρες ΤΑΧΥΤΗΤΑ: υ = 5 m/sec Σηµειώνουµε πως η ταχύτητα του ηλιακού ρευστού στη φωτόσφαιρα, στο ύψος του ισηµερινού, είναι περίπου m/sec. Οι Mark Miesch, Allan Sacha Brun, Marc DeRosa και ο Juri Toomre στην ερευνητική εργασία τους: Structure and Evolution of Giant Cells in Global Models Of Solar Convection, (2008), έκαναν µια προσπάθεια προσοµοίωσης του φαινοµένου (εικόνα 3.17) και πιστεύουν πως θα εξηγήσουν, εκτός των άλλων, την κίνηση του ηλιακού ρευστού από τους πόλους προς τον ισηµερινό και τανάπαλιν, τη διαφορική περιστροφή και την κίνηση των κηλίδων πάνω στην ηλιακή επιφάνεια. Γιγαντιαίοι κόκκοι πυρήνας ζώνη ακτινοβολίας ζώνη µεταφοράς Εικ (αριστερά): Τα ανοδικά ρεύµατα που εκκινούν από τον πυθµένα της ζώνης µεταφοράς δηµιουργούν τους γιγαντιαίους κόκκους. (δεξιά): Αριθµητική προσοµοίωση των γιγαντιαίων κόκκων από τον Mark Miesch, στο National Center for Atmospheric Research Ακόµα, υπάρχουν βάσιµες υποψίες πως οι γιγαντιαίοι κόκκοι ευθύνονται και γιαφαινόµενα της ηλιακής δραστηριότητας, καθώς µε την κίνηση που προκαλούν στο ηλιακό ρευστό στη φωτόσφαιρα, παρασύρουν και συστρέφουν τους βρόχους και τα αναδυόµενα µαγνητικά κορδόνια (βλέπε: Το µαγνητικό πεδίο του Ήλιου/ Θεωρία Babcock - Σωλήνας ροής) και δηµιουργούν ανακατατάξεις στο µαγνητικό πεδίο. Έτσι, οδηγούν σε συσσώρευση µαγνητικής ενέργειας και στην εκδήλωση εκρηκτικών φαινοµένων (εκλάµψεις - CMEs). Υπέρ αυτής της άποψης συνηγορούν και οι Brajša, R., Vršnak, B., Ruždjak, V., Jurač, S. στην ερευνητική εργασία τους Giant cells on the Sun revealed by low temperature microwave regions?, (1992), οι οποίοι, µέσα από τις παρατηρήσεις τους στην περιοχή των µικροκυµάτων, εντοπίζουν το φαινόµενο σε περιοχές της ηλιακής δραστηριότητας και, µάλιστα, υποστηρίζουν πως η θέση των γιγαντιαίων κόκκων στο διάγραµµα της πεταλούδας (βλέπε: Ηλιακή δραστηριότητα Το διάγραµµα της πεταλούδας) οριοθετεί τις περιοχές δράσης. Το θέµα παραµένει ανοιχτό στην έρευνα. 65

24 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΗΡΕΜΟΥ ΗΛΙΟΥ - ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ Η ΑΜΑΥΡΩΣΗ ΧΕΙΛΟΥΣ Εικ Στις εικόνες έχει προστεθεί η περιοχή αµαύρωσης χείλους Όταν παρατηρούµε τον Ήλιο στο οπτικό παράθυρο θα δούµε τον ηλιακό δίσκο να απεικονίζεται: στο κέντρο λαµπρός στο χείλος λιγότερο λαµπρός. Το φαινόµενο αυτό, γνωστό και ως αµαύρωση χείλους (limb darkening), οφείλεται στο γεγονός ότι το φως στο κέντρο του ηλιακού δίσκου προέρχεται και από βαθύτερα στρώµατα, που έχουν υψηλότερη θερµοκρασία (8.000 Κ), ενώ το φως στο χείλος προέρχεται µόνο από τα επιφανειακά στρώµατα, τα οποία έχουν χαµηλότερη θερµοκρασία (4.300 Κ), άρα και µειωµένη λαµπρότητα. Όλα αυτά, που δηµιουργούνται λόγω γεωµετρικών φαινοµένων και εξαιτίας της ευθύγραµµης διάδοσης του φωτός, γίνονται εµφανή αν περιστρέψουµε την παραπάνω εικόνα προς τα εµπρός, ώστε να µπορούµε να δούµε την κάτοψη της (δηλαδή να τη δού- µε σαν να κοιτούσαµε από την επάνω πλευρά), όπως στο επόµενο σχήµα. Α Α1 Γ Γ1 Β Β1 Εικ Το φαινόµενο αµαύρωσης χείλους. Τα σηµεία Α και Β εντοπίζονται στο χείλος του η- λιακού δίσκου, ενώ το Γ στο κέντρο του. Τα ση- µεία Α1, Β1 και Γ1 είναι τα αντίστοιχα σηµεία που βλέπει ο παρατηρητής στη Γη εξαιτίας της ευθύγραµµης διάδοσης του φωτός. Βλέπουµε λοιπόν πως στο σηµείο Γ1 η λαµπρότητα θα είναι αυξηµένη επειδή η ηλιακή ακτινοβολία που προσλαµβάνουν τα όργανα της παρατήρησης µας, προέρχεται και από βαθύτερα ηλιακά στρώµατα, που είναι πιο λαµπρά γιατί έχουν υψηλότερη θερ- µοκρασία, ενώ στο χείλος η ακτινοβολία προέρχεται µόνο από επιφανειακά στρώµατα, όπου η θερ- µοκρασία είναι χαµηλότερη και εποµένως δείχνουν σκοτεινά. Το σχήµα δεν είναι υπό κλίµακα. 66

25 Φαινόµενα ήρεµου Ήλιου 2. Χρωµόσφαιρα 67

26 Η ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ Η χρωµόσφαιρα (chromosphere) είναι η στιβάδα της ατµόσφαιρας του Ήλιου που ακολουθεί µετά τη φωτόσφαιρα, καθώς βαδίζουµε από τον πυρήνα προς τα έξω. Η ζώνη αυτή δεν µπορεί να θεαθεί κάτω από κανονικές συνθήκες, παρά µόνο κατά τη διάρκεια των ηλιακών εκλείψεων (τεχνητών και µη). Αυτό συµβαίνει γιατί ένα µεγάλο µέρος της ακτινοβολίας της δεν εκπέµπεται στην ορατή περιοχή του φάσµατος. Όταν όµως έχουµε έκλειψη, καθίσταται δυνατό να παρατηρήσουµε το µικρό εκείνο τµήµα της ακτινοβολίας που εκπέµπεται στο οπτικό παράθυρο, καθώς ακόµα και ακτινοβολία που προέρχεται από ένα άλλο φαινόµενο αυτό του αστραπιαίου φάσµατος (flash spectrum Βλέπε: Παράρτηµα). Όταν έχουµε έκλειψη του Ήλιου δεν βλέπουµε το φως της φωτόσφαιρας (έντονο πορτοκαλί), αλλά το φως της χρωµόσφαιρας (αµυδρό πορτοκαλί), καθώς η φωτόσφαιρα καλύπτεται εξ ολοκλήρου και µπορούµε έτσι να παρατηρήσουµε τις πολύ αραιές και ελάχιστα λαµπρές περιοχές που τη διαδέχονται. Το φαινόµενο του αστραπιαίου φάσµατος αναφέρεται στην περίπτωση εκείνη όπου το φάσµα απορρόφησης γίνεται φάσµα εκποµπής. Πρόκειται για ένα στιγµιαίο φαινόµενο, που αφενός επιβεβαιώνει τον νόµο αναστροφής των φασµατικών γραµµών, ενώ αφετέρου αναγκάζει τη χρωµόσφαιρα να εκπέµψει στα µήκη κύµατος που απορροφά. (Οι γραµµές απορρόφησης του ηλιακού φάσµατος οφείλονται στο κατώτερο τµήµα της χρωµόσφαιρας γνωστό ως ανατρεπτική ή απορροφητική στιβάδα: Ηα λ = 6.565Å και Ca II λ = 3.934Å και λ = 3.968Å). Για να παρατηρήσουµε τη χρωµόσφαιρα πρέπει να έχουµε έκλειψη. Συνθήκες έκλειψης µπορούµε να δηµιουργήσουµε µε τεχνητό τρόπο, µε τη χρήση ηθµών (τεχνητή έκλειψη). Όταν όµως παρατηρούµε τον ηλιακό δίσκο µε ηθµό βλέπουµε τον Ήλιο µε ελαφρώς µεγαλύτερες διαστάσεις, εφόσον µπορούµε να δούµε και την περιοχή της χρωµόσφαιρας, η οποία εκτείνεται πέρα από αυτή της φωτόσφαιρας. Πρέπει τέλος να σηµειώσουµε, πως ανάλογα µε τον ηθµό που χρησιµοποιούµε µελετάµε κάθε φορά συγκεκριµένο βάθος της χρωµόσφαιρας, αφού, κάθε περιοχή της αναλόγως του βάθους εµφανίζει και άλλη τιµή θερµοκρασίας, άρα εκπέµπει και απορροφά σε άλλα µήκη κύµατος (σύµφωνα µε τον νόµο του Wien). 68

27 Η ατµόσφαιρα του Ήλιου ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΙΚΗ) Κάθε περιοχή της χρωµόσφαιρας, όπως είπαµε, αναλόγως του βάθους εµφανίζει και άλλη τιµή θερµοκρασίας, άρα εκπέµπει και απορροφά σε διαφορετικό µήκος κύµατος. Έτσι, σε κάθε µήκος κύµατος βλέπουµε διαφορετικό βάθος της ζώνης αυτής, άρα και διαφορετικές λεπτοµέρειες των φαινοµένων της (αφού απεικονίζουµε άλλη περιοχή κάθε φορά), καθώς και τον Ήλιο µε ελαφρώς άλλες διαστάσεις. Η χρωµόσφαιρα µπορεί να παρατηρηθεί σε γραµµικό φάσµα: στο ορατό (σειρά Balmer, Ηα, Ca II (H, K), He II), στο µακρινό υπεριώδες (EUV) και στα ραδιοφωνικά µήκη κύµατος (mm). Ca IΙ Å Å Ca II Å Ηe II 304 Å Å Η Ι Å Å Hα Å Hα 6.565Å Εικ Φωτογραφίες της χρωµόσφαιρας σε διάφορα µήκη κύµατος. Σε κάθε µήκος κύµατος διακρίνουµε διαφορετικές λεπτοµέρειες. 69

28 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΗΡΕΜΟΥ ΗΛΙΟΥ - ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΟ ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟ ΙΚΤΥΟ Το χρωµοσφαιρικό δίκτυο (chromospheric network) α- ποτελείται από σχηµατισµούς που πιθανώς αποτελούν προέκταση της υπερκοκκίασης, η οποία παρατηρείται στη φωτόσφαιρα. Πρόκειται για φωτεινές περιοχές που αγκαλιάζονται από ασύµµετρους δακτυλίους, οι οποίοι συνιστούν ένα σκοτεινό περίγραµµα. Οι διαστάσεις τους είναι ελαφρώς µεγαλύτερες από αυτές των σχηµατισµών της υ- περκοκκίασης, αφού, καθώς τα ανοδικά ρεύµατα φθάνουν στο υψηλότερο σηµείο τους µέσα στη χρωµόσφαιρα, α- νοίγουν µε αποτέλεσµα να µεγαλώνει το εύρος τους. Έτσι τα χαρακτηριστι-. κά τους είναι: ΙΑΜΕΤΡΟΣ: d = έως km ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ: t = 17 ώρες ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ : µέσω φασµατοηλιογραφήµατος στην περιοχή της Ηα Foukal, P. V. Solar Astrophysics, 2004 Λεπτοµέρειες του χρωµοσφαιρικού δικτύου αποτελούν : οι λαµπρές ψηφίδες (bright mottles) εύρους d = km χρόνου ζωής t = 10 min οι νιφάδες (flocculi) που είναι λα- µπροί σχηµατισµοί, παρατηρούµενοι στο µήκος κύµατος της γραµµής Κ του ιονισµένου Ca ΙΙ. 70

29 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΗΡΕΜΟΥ ΗΛΙΟΥ - ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ ΟΙ ΑΚΙ ΕΣ Ή ΠΙ ΑΚΕΣ Οι ακίδες ή πίδακες (spicules) είναι φωτεινοί σχηµατισµοί µε ινώδη µορφή. Βρίσκονται µόνο στα όρια των φωτεινών σχηµατισµών του χρωµοσφαιρικού δικτύου. Πιθανότατα, αποτελούν τις κορυφές των ανοδικών ρευµάτων της υπερκοκκίασης. Σύµφωνα µε µια άλλη άποψη, το υλικό που δηµιουργεί τους πίδακες ακολουθεί δυναµικές γραµµές του µαγνητικού πεδίου του Ήλιου. Ωστόσο, µέχρι στιγµής δεν υπάρχει ξεκάθαρη θέση πάνω στο θέµα, που ακόµα ερευνάται. (Αριστερό σχήµα από: Dynamics of fine structure in the solar chromosphere, Alfred G. de Wijn) Φωτόσφαιρα Χρωµόσφαιρα Χρωµοσφαιρικό δίκτυο υπερκοκκίαση µαγνητικές δυναµικές γραµµές Από την παρατήρηση των σχηµατισµών αυτών προκύπτει, πως πρόκειται για ταχύτατα και σχεδόν κατακόρυφα ανοδικά ρεύµατα υλικού, που εκτοξεύονται από τα χαµηλά στρώµατα της χρωµόσφαιρας προς τον διαπλανητικό χώρο. Οι ακίδες έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: ΜΕΣΗ ΙΑΜΕΤΡΟΣ: ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ: ΥΨΟΣ: ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ: TAXYTHTA: d = km t = 8 min h = km T = Κ υ = 25 km/sec Η παρατήρηση των σχηµατισµών αυτών πραγµατοποιείται στις φασµατικές περιοχές των γραµµών του υδρογόνου (Η) στη σειρά Balmer και κυρίως στην Ηα µέσω φασµατοηλιογραφήµατος του ηλιακού χείλους, αλλά και στις γραµµές του Ca II. 71

30 H ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΖΩΝΗ Τη ζώνη της χρωµόσφαιρας διαδέχεται µία άλλη ζώνη, εύρους 1000 km, που καλείται µεταβατική ζώνη (transition zone), η οποία θεωρείται ως άνω στρώµα της χρωµόσφαιρας. Αυτή έχει ως χαρακτηριστικό γνώρισµα την απότοµη αύξηση της θερµοκρασίας έτσι ώστε αυτή να ανέρχεται τελικά στην τάξη των 10 5 Κ. Καθώς όµως η ενέργεια του Ήλιου µεταδίδεται, όπως είναι γνωστό, από τα εσωτερικά στρώµατα προς τα έξω, το παραπάνω γεγονός συνεπάγεται πως η ενέργεια τούτη µεταδίδεται από τις ψυχρότερες περιοχές της φωτόσφαιρας και της χρωµόσφαιρας προς τις θερµότερες περιοχές της µεταβατικής ζώνης και του στέµµατος, δηλαδή, αντίθετα µε αυτό που επικρατεί υπό κανονικές συνθήκες. Πώς εξηγείται, όµως, το παράδοξο αυτό φαινόµενο; Όλα έχουν να κάνουν µε την έννοια της θερµοκρασίας. Η θερµοκρασία της τάξης των 10 5 και 10 6 Κ αντίστοιχα, που υφίσταται στη µεταβατική ζώνη και το στέµµα, είναι κινητική θερ- µοκρασία όπως προκύπτει από την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Έτσι, οι περιοχές της µεταβατικής ζώνης και του στέµµατος είναι «ενεργειακά θερµότερες» από αυτές της φωτόσφαιρας και της χρωµόσφαιρας. Από την αρχή διατήρησης της ενέργειας έχουµε: : 1 m υ 2 1 = f k T 2 2 T = m υ 2 / k f = ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ συνολική µάζα θερµοδυναµικοί (έχει µονάδες ενέργειας) σωµατιδίων βαθµοί δεν ανταποκρίνεται στη µακροταχύτητας υ ελευθερίας σκοπική έννοια της θερµοκρασίας Το φως της µεταβατικής ζώνης καλύπτει την υπεριώδη περιοχή του ηλιακού φάσµατος, καθώς προέρχεται από τη διέγερση στοιχείων βαρύτερων του υδρογόνου (αφού αυτό έχει απολέσει λόγω της υψηλής θερµοκρασίας όλα τα ηλεκτρόνια του και δεν µπορεί να διεγερθεί περαιτέρω) τέτοια είναι ο άνθρακας, το οξυγόνο, το θείο και το πυρίτιο. Εποµένως, η µελέτη της µεταβατικής ζώνης γίνεται στα µήκη κύµατος των στοιχείων αυτών (µονοχρωµατική παρατήρηση), καθώς και στα ραδιοκύµατα (στα εκατοστοµετρικά µήκη κύµατος / cm). C IV ( C) S VI ( C) 72

31 Η κινητική θερµοκρασία Όπως είναι γνωστό, η θερµοκρασία, όπως την έχουµε ορίσει στη Θερµοδυναµική, αποτελεί µια µεταβλητή ενός µακροσκοπικού συστήµατος, δηλαδή µια θερµοδυναµική παράµετρο, που µας δείχνει κατά πόσο ένα σώµα που βρίσκεται σε θερµική επαφή µε ένα άλλο σώµα, ισορροπεί θερµικά µε αυτό. Όταν τα δύο σώµατα δεν ισορροπούν θερµικά, τότε επιτελείται µεταφορά θερµικής ενέργειας (θερµότητα) από το ένα σώµα στο άλλο. Η µεταφορά θερµότητας µπορεί να γίνει µε τρεις τρόπους 1 : µε θερµική αγωγιµότητα, µε µεταφορά και µε ακτινοβολία. Τ 1 Q Τ 2 Τ 1 > Τ 2 ηλαδή, µακροσκοπικά ορίζουµε τη θερµοκρασία για να περιγράψουµε τη θερµική κατάσταση ενός σώµατος ως προς ένα άλλο σώµα, ή ως προς µία θερµική κατάσταση που εµείς έχουµε ορίσει ως µηδενική γι αυτό υπάρχουν διαφορές στις θερµοκρασιακές κλίµακες, ανάλογα µε το που έχουµε ορίσει το µηδέν σε κάθε µία. Η θερµική κατάσταση ενός σώµατος αναφέρεται µόνο στη θερµική του ενέργεια, δηλαδή στο ποσό της θερµότητας που αυτό µπορεί να µεταβιβάσει σε ένα άλλο σώµα όταν βρίσκεται σε θερµική επαφή µε αυτό, και µπορούµε άµεσα να τη µετρήσουµε ανάλογα µε τις κλίµακες που έχουµε ορίσει. (Σηµειώνουµε, πως την εσωτερική ενέργεια του σώµατος δεν µπορούµε να τη µετρήσουµε άµεσα µόνο να την υπολογίσουµε µέσω δευτερογενών ιδιοτήτων/εκδηλώσεων της). Με τον τρόπο αυτό, που µόλις περιγράψαµε, µεταδίδεται η ενέργεια και στο εσωτερικό των άστρων, ακριβώς γιατί πρόκειται για θερµική ενέργεια. Ακόµα και το τµήµα εκείνο της φωτόσφαιρας, που είναι αδιαφανές και ανήκει στο σώµα του άστρου, εκπέµπει ακτινοβολία θερµικά, σαν µέλαν σώµα θερµοκρασίας T eff. Οι ατµόσφαιρες των αστέρων, όµως, αποτελούν ιδιάζοντα περιβάλλοντα µε περίεργες ιδιότητες, τα οποία διαφέρουν πολύ από τα γνωστά µακροσκοπικά συστήµατα που εξετάζει η Θερµοδυναµική και στα οποία λαµβάνουν χώρα διεργασίες που απελευθερώνουν σε κάθε στρώµα, αλλά και µέσα στο ίδιο το στρώµα, διαφορετικού τύπου ενέργεια. Για να µπορέσουµε, τότε, να συγκρίνουµε ποσοτικά τις διάφορες αυτές µορφές της ενέργειας (κινητική, θερµική κ.ά.), οι οποίες εκδηλώνονται κατά περίπτωση και µετρώνται µε διαφορετικές µονάδες, πρέπει να τις ανάγουµε σε µια µορφή ενέργειας µε την ίδια µονάδα. Με βάση αυτή την αναγκαιότητα προέκυψε η έννοια της κινητικής θερµοκρασίας, Τ ΚΙΝ. Με τον όρο κινητική θερµοκρασία, λοιπόν, εννοούµε την ενέργεια σε κάποια στρώµατα του Ήλιου εκφρασµένη σε µονάδες θερµότητας. Εποµένως είναι ένας όρος που έχει προκύψει κατά σύµβαση, όπως άλλωστε έχουν προκύψει και όλοι εκείνοι που χρησιµοποιούµε για να εκ- 1 Η µεταφορά θερµικής ενέργειας µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε τρεις τρόπους: Με θερµική αγωγιµότητα (ατοµικό επίπεδο). Τα περισσότερο ενεργητικά σωµατίδια, δηλαδή αυτά που έχουν µεγαλύτερη κινητική ενέργεια, µεταβιβάζουν µέρος της κινητικής τους ενέργειας στα λιγότερο ενεργητικά σωµάτια, µέσα από τη διαδικασία των συγκρούσεων. Με µεταφορά. Η διάδοση της θερµότητας πραγµατοποιείται µε ρεύµατα, δηλαδή µέσα από την κίνηση θερµού υλικού, και από το πυκνότερο µέσο στο αραιότερο, όταν πρόκειται για φυσική µεταφορά (φυσικά ρεύµατα). Με ακτινοβολία. Η διάδοση της θερµότητας από ένα σηµείο σε ένα άλλο λαµβάνει χώρα µε τη µορφή ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας (ενέργεια), αφού κάθε σώµα ακτινοβολεί ενέργεια στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Με τον τρόπο αυτό µεταδίδεται η ενέργεια στο εσωτερικό των άστρων γιατί πρόκειται για θερµική ενέργεια. Ακόµα και το τµήµα εκείνο της φωτόσφαιρας το οποίο είναι αδιαφανές και ανήκει στο σώµα του άστρου, εκπέµπει ακτινοβολία θερµικά (θερµική ακτινοβολία) ως µέλαν σώµα. 73

32 φράσουµε τη θερµοκρασία ενός αστέρα ανάλογα µε τον τρόπο που µας εξυπηρετεί 1. Συγκεκριµένα, ως κινητική θερµοκρασία 1 Τ ΚΙΝ ορίζουµε «τη θερµοκρασία που προκύπτει από την παρατηρούµενη κατανοµή Maxwell των ταχυτήτων των σωµατιδίων» 2. Από την κινητική θεωρία των αερίων µπορούµε να υπολογίσουµε την κινητική θερµοκρασία και από αυτήν: α) την πιθανότερη θερµική ταχύτητα υ mpr = 2 RT KTΚΙΝ = 2 µ m β) τη µέση ταχύτητα KT υ = 8 π m ΚΙΝ γ) τη µέση τετραγωνική ταχύτητα υ rms 3KT m = ΚΙΝ = υ mpr 3 2 όπου: µ = το µοριακό βάρος, m = η µάζα του σωµατιδίου, R = η σταθερά των αερίων και Κ= η σταθερά Boltzman. Φυσικά, όλες οι θερµοκρασίες στη βάση τους είναι κινητικές Η θερµοκρασία ενός αερίου χαρακτηρίζει την εσωτερική του ενέργεια, η οποία έχει να κάνει µε την εσωτερική του κίνηση, δηλαδή µε το εύρος ταλάντωσης των συστατικών του ή µε την κίνηση των συστατικών του ως προς το κέντρο µάζας του σώµατος. Έτσι, όταν αναφερόµαστε σε ένα αέριο, όσο µεγαλύτερη είναι η συνολική κινητική ενέργεια που αυτό φέρει, τόσο µεγαλύτερη είναι και η θερµοκρασία του, αφού η τυχαία κίνηση των σωµατιδίων του οδηγεί σε περισσότερες και πιο βίαιες συγκρούσεις, µέσω των οποίων η ενέργεια µεταδίδεται από σωµατίδιο σε σωµατίδιο (κινητική ενέργεια), ενώ ένα µέρος της µετατρέπεται σε θερµότητα (θερµική ενέργεια) που αυξάνει τη θερµοκρασία του σώµατος, την οποία µπορούµε να µετρήσουµε άµεσα. Η συχνότητα των συγκρούσεων (αριθµός κρούσεων / µονάδα χρόνου) σχετίζεται αντιστρόφως ανάλογα µε τη µέση ελεύθερη διαδροµή, δηλαδή τη µέση διαδροµή ανάµεσα σε δύο κρούσεις. Όσο αυξάνει η µέση ελεύθερη διαδροµή τόσο µειώνεται η συχνότητα των κρούσεων. Η µέση ελεύθερη διαδροµή εξαρτάται από τη διάµετρο των ιόντων και από την πυκνότητα του αερίου (πλάσµατος). Η παραπάνω περιγραφή βασίζεται στην κινητική θεωρία των αερίων, δηλαδή πραγµατοποιείται σε ατοµικό επίπεδο και ερµηνεύει τη θερµοκρασία µοριακά, εκφράζει όµως σε ένα µεγάλο επίπεδο τα φαινόµενα σε ένα ιοντικό αέριο ή πλάσµα, όπως είναι οι ατµόσφαιρες των αστέρων. Τι συµβαίνει, τότε, µε τη θερµοκρασία του αερίου που τα σωµατίδια του φέρουν υψηλότατες τιµές κινητικής ενέργειας, ενώ δεν υπάρχουν συγκρούσεις; Όταν αναφερόµαστε στην περίπτωση της χρωµόσφαιρας και του στέµµατος, πρέπει να γνωρίζουµε, πως η µέση ελεύθερη διαδροµή των σωµατιδίων είναι πάρα πολύ µεγάλη (της τάξης των εκατοντάδων χιλιάδων χιλιοµέτρων), γεγονός που έχει ως αποτέλεσµα, πρακτικά, να µην υφίστανται συγκρούσεις µεταξύ τους. Όµως, οι ταχύτητες των σωµατιδίων είναι τόσο υψηλές, που προσδίδουν στο αέριο των ανώτερων στρωµάτων της χρωµόσφαιρας καθώς και σε αυτό του στέµµατος υψηλότατη κινητική ενέργεια, δηλαδή πολύ µεγάλη εσωτερική ενέργεια. Στην περίπτωση αυτή χρησιµοποιούµε τον όρο κινητική θερµοκρασία, Τ ΚΙΝ για να δηλώσουµε την πολύ µεγάλη τιµή της εσωτερικής ενέργειας. 1 ανέζης Μάνος και Θεοδοσίου Στράτος, Το Σύµπαν που αγάπησα - Εισαγωγή στην Αστροφυσική, Τόµος Α, Εκδόσεις ίαυλος, Αθήνα 1999, σελ Όταν οι ταχύτητες των σωµατιδίων έχουν κατανοµή Maxwell, δηλαδή όταν η θερµοκρασία του, Τ χαρακτηρίζει την κινητική θερµοκρασία το σώµα εκπέµπει θερµική ακτινοβολία. 74

33 Φαινόµενα ήρεµου Ήλιου 3.Στέµµα 75

34 ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΤΕΜΜΑ Με έκταση έως και δέκα ηλιακές ακτίνες (10 R ), µια άλως λευκού γενικά χρώµατος που ονοµάζεται στέµµα (corona), περιβάλλει τη χρωµόσφαιρα, από τα km και πάνω. Η πυκνότητα και η λαµπρότητα της ζώνης αυτής κυµαίνονται µόνο γύρω στο 10% των αντίστοιχων µεγεθών της χρωµόσφαιρας, γι αυτό και µπορούµε να την παρατηρήσουµε στο οπτικό παράθυρο µόνο σε κατάσταση ολικής έκλειψης. Η θερµοκρασία του στέµµατος είναι της τάξης του 10 6 Κ, ενώ σε απόσταση δύο ηλιακών ακτίνων, R είναι: mυ m υ = = = 6 fkt T 1,8 10 K = 2 2 kf ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Fe IX,X Fe XII Fe XV He II Το στέµµα µπορούµε να το παρατηρήσουµε και στο γραµµικό φάσµα. Το 97% των γραµµών εκποµπής του στέµµατος προέρχονται από ιόντα µεγάλου δυναµικού ιονισµού. Το δυναµικό αυτό προκύπτει από τα απαγορευµένα άλµατα µαγνητικού διπόλου ιονισµένων ατόµων, εξαιτίας της υψηλής κινητικής θερµοκρασίας και της χαµηλής πυκνότητας της ύλης που επικρατεί στην περιοχή αυτή, δηλαδή από µεταπτώσεις ηλεκτρονίων σε χαµηλότερες στάθµες, οι οποίες έχουν πολύ µικρή πιθανότητα να πραγµατοποιηθούν. Οι φασµατικές γραµµές εκποµπής ιόντων υψηλού ιονισµού αξιοποιούνται στη µελέτη του στέµµατος σε διαφορετικά βάθη, καθώς είναι ενδεικτικές της θερµοκρασίας που επικρατεί σε κάθε περιοχή και αφού αυτή µεταβάλλεται µε το βάθος, δεν κάνουν τίποτε άλλο από το να φωτογραφίζουν την αντίστοιχη περιοχή. 76

35 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΤΕΜΜΑΤΟΣ 1. ΟΡΑΤΟ ΦΑΣΜΑ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΣΤΕΜΜΑΤΟΣ Στέµµα Κ ή Στέµµα ηλεκτρονίων (Κontinuum corona) Εντοπίζεται στην περιοχή 1,03-2,3 R και οφείλεται στη διάχυση του φωτός της φωτόσφαιρας από ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν δηµιουργείται µέσα στο στέµµα. Οι πολύ υψηλές ταχύτητες προκαλούν µεγάλη διεύρυνση των φασµατικών γραµµών (D-F). Εποµένως έχει συνεχές φάσµα και είναι πολωµένο. Συνιστώσα F ή Ψευδοστέµµα (Fraunhofer corona) Αυτή δεν δηµιουργείται µέσα στο στέµ- µα από το υλικό του στέµµατος, αλλά ο- φείλεται στην περίθλαση του φωτός του Ήλιου από στερεά σωµατίδια που βρίσκονται διασκορπισµένα στο µεσοδιάστηµα ΓΗΣ-ΗΛΙΟΥ, πάνω στο επίπεδο της εκλειπτικής. ίνει συνεχές φάσµα, µε γραµµές απορρόφησης Fraunhofer. Στέµµα Ε (Emission corona) Είναι η µόνη που παράγεται µέσα στο στέµµα. Αυτή δεν απεικονίζεται σε τεχνητή έκλειψη, καθώς δίνει γραµµικό φάσµα εκποµπής. Τούτο συµβαίνει, γιατί η µάζα των ιόντων που έχουν απο- µείνει στο στέµµα χωρίς να έχουν χάσει όλα τα ηλεκτρόνια τους (Ca, Fe) είναι πολύ µεγάλη, εποµένως η ταχύτητα τους είναι πολύ µικρή και δίνουν µικρό εύρος στις γραµµές εκποµπής, που έτσι ξεχωρίζουν. Μπορεί να παρατηρηθεί µονοχρωµατικά (π.χ. Green corona). 2. ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ (SXR) Στην περιοχή των ακτίνων X οι φασµατικές γραµµές εκποµπής που προέρχονται από αυτές καθαυτές τις στεµµατικές περιοχές είναι πολυάριθµες και έτσι µπορούµε να παρατηρήσουµε το στέµ- µα στο συνεχές και στο γραµµικό, χωρίς να απαιτούνται συνθήκες έκλειψης,. 77