Hogyan működik a Nap?
Képgaléria
A Nap csak egy csillag a sok közül, amely pusztán azért látszik olyan fényesnek, mert rendkívül közel van hozzánk. Ha ugyanolyan távol (4,3 fényévre) volna, mint a hozzá hasonló egyik legközelebbi csillag, az Alfa Centauri, olyannak látszana az égen, mint a többi fényes csillag. A Nap a legtöbb tekintetben átlagos csillag. Mérete, tömege is közepes. A Föld szempontjából természetesen rendkívül fontos szerepet játszik a Nap, mivel az élethez elengedhetetlenül fontos meleg és fény forrása. A Nap nélkülözhetetlen az emberiség életében.
A Naprendszer központi csillagában a Naprendszer tömegének 99,87%-a koncentrálódik. Óriási tömege révén a Nap hatalmas gravitációs erőt fejt ki, s ez az erő tartja együtt a rendszert, és irányítja valamennyi bolygó és kisebb égitest mozgását is.
A Napot számos ókori civilizációban természetfeletti jelenségnek tekintették és istenként tisztelték. Egyiptomban Amon, Mezopotámiában Samas, Görögországban Apollón néven tisztelték. Anaxagorasz görög filozófus az i. e. 5. században elsőként állt elő természettudományos magyarázattal: szerinte a Nap egy izzó vasgömb, szokatlan elképzelését istenkáromlásnak minősítették, és őt magát börtönbe vetették. Galileo Galilei a távcsövének megépítése után a Napot is tanulmányozta, felfedezve a napfoltokat, majd Isaac Newton prizma segítségével összetevőire bontotta a fehér napfényt. Ez utóbbi módszert felhasználva fedezte fel William Herschel az infravörös sugárzást 1800-ban. A 19. században végzett vizsgálatok során Joseph von Fraunhofer elsőként figyelt meg elnyelési vonalakat a Nap színképében, amelyből a naplégkörben lévő kémiai összetételre lehet következtetni. Hans Bethe 1939-ben dolgozta ki a magfúzió elméletét, ami magyarázatot adott a Nap energiatermelésére.
A Napból a Föld légköréhez merőlegesen érkező fény mennyisége átlagosan 1363 W/m2, ez a napállandó, ami a napfoltciklussal kb. 0,1%-ot ingadozik. A napfény energiáját egyre nagyobb mértékben hasznosítják: elektromos áramot (napelemek, naperőművek) és hőenergiát (napkollektorok) állítanak elő belőle.
A Napot időnként részben vagy egészében elfedi a Hold, ekkor részleges vagy teljes napfogyatkozás következik be. Gyűrűs is lehet, ha a Nap aránylag közel, a Hold pedig távol van. Az ellipszis alakú pályák miatt ugyanis változó a Nap és a Hold látszó mérete. A Hold árnyékfoltja nagy sebességgel mozog a földfelszínen. Magyarországról 1999. augusztus 11-én lehetett látni teljes napfogyatkozást. A Merkúr és a Vénusz is a Nap és a Föld közé kerülhet, ezek a bolygóátvonulások. Ilyen jelenséget, amikor egy bolygó eltakarja a csillaga egy részét és ezért a csillag fényessége az átvonulás idején kissé lecsökken, más csillagoknál is megfigyeltek, immár 100-nál is több "tranzitos exobolygót" fedeztek fel.
A Nap kb. egynegyed részéig terjed a központi mag, ahol a nagy hőmérséklet miatt végbemehet a fúziós energiatermelés. A folyamat során nagyenergiájú fotonok keletkeznek.
A magot a röntgensugárzási zóna veszi körül kb. a sugár 70%-áig. Ebben a tartományban a fotonok gyakran ütköznek az atomokkal, elnyelődnek, majd kisugárzódnak. Egy-egy fotont oly sokszor érnek ilyen hatások, hogy mintegy tízezer évig is eltarthat, mire a felszínre ér.
A Nap felszíne alatti, sugarának 25–30%-át kitevő részében nagyarányú konvekció zajlik. Ezt a réteget konvektív zónának nevezik. A hő az anyag áramlása révén jut el a fotoszférába, majd onnan sugárzódik ki a világűrbe.
A Nap légkörét főként könnyebb kémiai elemek alkotják: 70% hidrogén, 28% hélium, 2%-ban pedig nehezebb elemek. A magban már csak 35% a hidrogén aránya (tömeg szerint).
A Nap magjában a számítások szerint 15-16 millió K a hőmérséklet, 3·1011 atmoszféra nyomás uralkodik, a sűrűség 155 g/cm3. A Nap sugarának mintegy egynegyedéig terjedő központi mag fúziós atomerőműként működik, ahol az energia nagy energiájú fotonok, így gamma- és röntgensugárzás formájában szabadul fel a könnyebb elemek nehezebbekké való egyesülése közben. A fúziós folyamatban proton-proton reakció zajlik le, melynek során hidrogénatomok magjai (vagyis protonok) egyesülnek, s héliumatommagok jönnek létre (pp-ciklus). A protonok közötti elektromos taszítás ellenére akkor jöhet létre az ütközés, ha a részecskék nagyon nagy sebességgel mozognak, azaz óriási a hőmérséklet. Ám a Nap magjában az átlagos protonenergia kisebb, mint a Coulomb-gát magassága, a fúziót az alagúteffektus teszi lehetővé.
A Napban a pp-ciklus dominál, de kisebb mértékben a CNO-ciklus is hozzájárul az energiatermeléshez (utóbbi folyamat a nagyobb tömegű csillagokban jellemző). A Nap a mostanihoz hasonló szinten még 6 – 7 milliárd évig sugározhat.
Légköri rétegei: fotoszféra, kromoszféra, napkorona, mely fokozatosan megy át a bolygóközi tér anyagába. A korona napfogyatkozáskor válik láthatóvá.
A Napból áradó hatalmas mennyiségű energia elsősorban közeli ultraibolya, látható és infravörös sugárzás formájában hagyja el a csillagot, de emellett a Nap kisebb mennyiségben mindenféle más sugárzást is kibocsát, a gamma- és röntgensugaraktól egészen a rádióhullámokig. A földi légkör ebből sokat elnyel, csak egy része ér le a felszínre. A Nap elemi részecskéket (főleg protonokat és elektronokat) is kisugároz, amelyet napszélnek nevezünk.
A Nap általunk látható és megfigyelhető része a fotoszféra. A Földünkig eljutó napsugárzás 90%-a ebben a rétegben keletkezik. A fotoszféra átlagos hőmérséklete körülbelül 5800 K, de vannak ennél hidegebb (napfolt) és melegebb (fáklya) régiói. A fotoszférát granulák építik fel. A granulákban 5-7 km/s sebességgel felfelé áramló forró gáz van, míg a granulák között már a kihűlt, lefelé süllyedő gáz található. Egy átlagos granula átmérője 500 km. A granulák, miután létrejönnek, folyamatosan változtatják az alakjukat, keverednek az őket körülvevő anyaggal és lassan eltűnnek. Ehhez a folyamathoz 10-20 percre van szükségük. Több száz granulát tartalmazó cellából szupergranulák jöhetnek létre, melyek átmérője eléri a 30.000-50.000 km-es nagyságot is. A granulációval ellentétben a szupergranuláció nem figyelhető meg optikai távcsővel. A szupergranulák létezését a vízszintes sebességeloszlás mérésével lehet kimutatni. A szupergranulában a plazma áramlási sebessége 0,5 km/s. Egy szupergranula átlagos élettartama 1-2 nap lehet.
A Nap fotoszférájának leglátványosabb képződményei a napfoltok. Távcsővel és néha szabad szemmel is jól megfigyelhető alakzatok. Először Galilei figyelte meg a napfoltokat, 1609-ben. (Idős korára ezért meg is vakult - a Napba szabad szemmel nézni tilos, mert maradandó szemkárosodást okozhat.). A napfoltok mérete nagyon változó lehet, az egészen aprótól az óriás méretig (több milliárd km2-nyi területű). A napfoltok általában nem egyedül jönnek létre, hanem csoportokat alkotnak. A napfoltcsoportok élettartama 1-4 hét között változik. A napfoltnak két része van. Egy sötétebb belső mag, az umbra és egy világosabb, szálas szerkezetű külső rész, a penumbra. A színbeli különbséget a hőmérséklet változása hozza létre. A napfolt eleve hidegebb a fotoszféra többi részénél, körülbelül 1500-2000 fokkal, az umbra a folt leghidegebb része, ezért látjuk sötétebbnek. A különféle hullámhosszokon más-más képet mutat a környezetük. A napfoltok keletkezését a mágneses térerősség megnövekedése okozza, általában egy hurok alakú mágneses erővonal-cső kibukkanása. Vannak É-i és D-i polaritású napfoltok. A foltokban a mágneses tér erőssége elérheti a néhány ezer gausst (néhány tized teslát), amit a Zeeman-effektus miatti színképvonal-felhasadás mértékéből lehet meghatározni.
A napfoltok közelében gyakoriak a fáklyamezők. A fáklyákból kialakuló mezők fényes, gyöngyszerűen összefűzött alakzatot alkotnak. A környezetüknél 300 fokkal magasabb hőmérsékletű régiói a fotoszféra felső tartományának. A fáklyák kialakulásában is a mágneses tér játszik fontos szerepet.
A napfoltok száma időben változó, ebben a változásban megfigyelhető egy 9-13 éves, átlagosan 11,2 éves ciklikusság. Az egymást követő maximumok között ennyi idő telik el, amit napfoltciklusnak (naptevékenységi ciklusnak) nevezünk. Ha megnézzük a foltok számának időbeli változásátmutató ábrát, akkor látszik, hogy a maximumok magassága között különbségek vannak, illetve a ciklusok hossza is változó. Az is jól kirajzolódik, hogy a minimumtól a maximumig meredekebb az emelkedés, kb. 3-4 év, míg a napfoltok számának csökkenése egy lassabb folyamat. 1650 és 1700 között meglepően kevés volt a napfolt, ezt az időszakot Maunder-minimumnak nevezzük. Pillangódiagramnak hívjuk (alakja miatt) a napfoltcsoportok naprajzi szélesség szerinti eloszlásának ábrázolását. A következő napfoltmaximum időpontja és erőssége csak becsülhető.
