VSW MIRA Cursus Theorie. 7. De Zon. 13 april 2016 Jan Janssens

Transcriptie

1 VSW MIRA Cursus Theorie 7. De Zon 13 april 2016 Jan Janssens

2 Inhoud Structuur en evolutie Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Heliosfeer Verdere evolutie Het Ruimteweer Het geomagnetisch veld Zonne-uitbarstingen Invloed van zon op aarde Case studies 13 april 2016 De Zon 2

3 Inhoud Structuur en evolutie Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Heliosfeer Verdere evolutie Het Ruimteweer Het geomagnetisch veld Zonne-uitbarstingen Invloed van zon op aarde Case studies 13 april 2016 De Zon 3

4 De zon is een Stralend Groot Het inwendige van de zon 3,84 * Watt = 1362 W/m 2 op aarde km (109 * D A ) Zwaar 1,99 * kg ( * M A ) Dichtstbij ster km = 1 Astronomische Eenheid Het zonne-inwendige omvat Kern (R = +/ km) Stralingszone ( km) Convectiezone ( km) Wintersolstitium +/- 21 december 147,1 miljoen km Herfst-equinox +/- 21 september 149,6 miljoen km Lente-equinox +/- 21 maart 149,6 miljoen km Zomersolstitium +/- 21 juni 152,1 miljoen km 13 april 2016 De Zon 4

5 Inwendige van de zon Helioseismologie = studie van het inwendige van de zon Net zoals op aarde uit aardbevingen Op de zon uit de op- en neergaande bewegingen in de fotosfeer Proefje Doppler-effect» Via zonnespectrum Storingen t.g.v. allerhande plasmabewegingen Golf begrensd aan het zonneoppervlak door de plotselinge drukdaling, in het inwendige zorgt de toenemende temperatuur ervoor dat de golf teruggereflecteerd wordt» Golven moeten geheel aantal keren in elkaar passen (versterking, net zoals bij orgelpijp) 13 april 2016 De Zon 5

6 Kern Proton-proton-cyclus In de kern van de zon wordt waterstof (H) in 3 stappen omgezet in helium (He) Inwendige van de zon 4H He + 2e + + 2g + 2n e 15 miljoen graden plasma Per seconde verliest de zon 4,3 miljard kg aan massa (uitgestraalde energie) m = 1, kg 75 miljard jaar» Enkel kern» Levensduur zon 12 miljard jaar Gasdruk + Stralingsdruk = Gravitatiedruk Neutrino-mysterie opgelost 13 april 2016 De Zon 6 Zéér kleine massa

7 Inwendige van de zon Stralingszone De g-fotonen uit de kern verplaatsen zich naar de buitenste regionen van zon o.v.v. straling Botsen daar met de andere deeltjes random walk Verliezen energie Temperatuur daalt van 8 miljoen naar 2 miljoen C Het duurt tussen en ruim 1 miljoen jaar voor de in de kern gevormde fotonen het zonneoppervlak bereiken Gemiddeld jaar 8 minuten voor reis naar aarde M. B. Larson 13 april 2016 De Zon 7

8 Inwendige van de zon Helioseismologie Kern en stralingszone roteren met een uniforme snelheid (27 dagen) Het standaardmodel is grotendeels correct Kleine afwijkingen in de kern en aan het oppervlak (turbulentie) Opvallende afwijking aan de Tachocline Overgang van stralingszone naar convectiezone Mogelijke lokatie waar het magnetisch veld van de zon wordt opgewekt 13 april 2016 De Zon 8

9 Zonnedynamo april 2016 De Zon 9

10 Inwendige van de zon Convectiezone km onder zonneoppervlak Temperatuur voldoende laag opdat zwaardere atoomkernen elektronen beginnen in te vangen Energie-transport meest efficiënt door convectie Vorming van reusachtige bellen Reuzeconvectiecellen ( km) Supergranulen ( km) Granulen (+/ km) 13 april 2016 De Zon 10

11 Kern Energieproductie Stralingszone Inwendige van de zon Energieafvoer door straling Tachocline Turbulente overgang Bron zonnemagnetisme Convectiezone Energieafvoer door convectie (bellen) 13 april 2016 De Zon 11

12 Inhoud Structuur en evolutie Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Heliosfeer Verdere evolutie Het Ruimteweer Het geomagnetisch veld Zonne-uitbarstingen Invloed van zon op aarde Case studies 13 april 2016 De Zon 12

13 Atmosfeer van de zon Fotosfeer zonneoppervlak 500 km diep 5500 C T min = 4200 C (+500 km) Absorptiespectrum Verschijnselen Zonnevlekken Fakkelvelden Granulen» Geen vast oppervlak Carrington (1853)» Nulmeridiaan» T = +/- 27,3 dagen» T echt = 25,3 dagen CaK CaH Fe Hb Mg Fe 13 april 2016 De Zon 13 Na Ha

14 Zonnevlekken 13 april 2016 De Zon Ondiepe depressies in de fotosfeer door magnetische storingen die het opstijgen van heet gas uit het zonneinwendige verhinderen Temperatuur Umbra: C Penumbra: C Differentiële rotatie Polen roteren trager dan aan evenaar 14

15 Magneetveld Zonnevlekken 3000* sterker dan ongestoorde fotosfeer Bipolair Tegengestelde polariteit Proefje 13 april 2016 De Zon 15

16 Zonnevlekken De Halloweengroepen (Okt-Nov 2003) 13 april De Zon 16

17 Zonne(vlekken)cyclus Zonnevlekkengetal (Sn) Zonnevlekkencyclus Sn = 10.g + f, met g het aantal groepen, en f het aantal vlekken Bepaald door het SIDC (Ukkel)! Zonnecyclus van +11 jaar Verschijnen eerst op gematigde breedten (+/- 30 ), zakken dan geleidelijk naar equator Vlinderdiagram Stijg/daaltijd: +/- 4 & 7 jaar Gem. Max. R: 184 (+/- 59) SC24 Minimum: Dec 2008 Maximum: April 2014» R max = Complexe zonnevlekken oorzaak van zonneuitbarstingen 13 april 2016 De Zon 17

18 NOAA april 2016 De Zon 18

19 Atmosfeer van de zon Chromosfeer Ziet rood omwille van waterstofemissie Ha-lijn (656,3 nm) Emissie-spectrum 2 belangrijke temperatuursovergangen Op 500 km: minimum Tussen 2000 en 2500 km: plotse stijging tot > 1 miljoen C» Transitiezone» Varieert met zonneactiviteit Dikte chromosfeer varieert tussen 2000 en km Filamenten & Protuberansen Markeren overgangen tussen positieve en negatieve magnetische velden Relatief koel ( C) en ijl Protuberansen aan rand, filamenten op zonneschijf Verstrooiing van fotosferische straling 13 april 2016 De Zon 19

20 Atmosfeer van de zon 13 april 2016 De Zon 20

21 13 april 2016 De Zon 21 GONG

22 Corona Zeer heet Atmosfeer van de zon Tussen 1 en 3 miljoen C Straalt vooral in EUV en röntgen Mogelijke oorzaken hoge temp. Zeer ijl» Reconnectie, hogesnelheidsjets 1.000* beter dan vacuüm met een ionenpomp miljard maal ijler dan fotosfeer Continu/absorptiespectrum fotosfeer Vorm verandert doorheen zonnecyclus Coronale gaten Hoge snelheidszonnewind (700 km/s) Zonnewind R. Slobins, Juni 2001 Hb Fe He Ha Hoge temperatuur drijft deeltjes van zon weg Deeltjes bewegen radiaal; volgen magnetisch veld volgens Archimedes-spiraal km/s, maar gemoduleerd door zonneuitbarstingen (CME) en coronale gaten Ter hoogte van de aarde: C - 1 miljoen C 13 april 2016 De Zon 23

23 Coronale gaten 13 april 2016 De Zon 24

24 Zonnewind 13 april 2016 De Zon 25

25 Fotosfeer Zonneoppervlak Zonnevlekken Chromosfeer Protuberansen Corona Filamenten Superheet, ijl Coronale gaten Zonnewind Atmosfeer van de zon 13 april 2016 De Zon 26

26 Inhoud Structuur en evolutie Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Heliosfeer Verdere evolutie Het Ruimteweer Het geomagnetisch veld Zonne-uitbarstingen Invloed van zon op aarde Case studies 13 april 2016 De Zon 27

27 De Heliosfeer Uiterste grens van het zonnestelsel Eindschok Zonnewind vertraagt van 400 km/s tot +/- 60 km/s Voyager 1: Dec 04 (94 AE) Voyager 2: Aug 07 (84 AE)» Asymmetrische eindschok» Weinig kosmische straling Heliopauze Plaats waar MF zon even sterk is als van de interstellaire ruimte V1 vanaf 25 Augustus 2012 Interstellaire ruimte (> 122 AE) V2 mogelijk in 2016! Schokgolf Wind uit interstellaire ruimte gaat over naar subsonische snelheden Geschat op 230 AE 13 april 2016 De Zon 29

28 Verdere evolutie 4,6 Ma jaar : nu 5,6 Ma jaar: 10% lichtkrachtiger 9 Ma jaar: oceanen verdampt 11 Ma jaar: H in kern opgebruikt H verbranden rond kern Opblazen tot rode reus Aarde +/- baan van Mars 12 Ma jaar: H opgebruikt He verbranden in kern Heliumschilflitsen 12,5 Ma jaar He opgebruikt Wil He rond kern verbranden Blaast zich opnieuw op tot RR Planetaire nevel rond centrale dwerg (zonnekern) Dooft zeer langzaam uit 13 april 2016 De Zon 30

29 Het ruimteweer alle omstandigheden op de zon en in de zonnewind, magnetosfeer, ionosfeer en thermosfeer die de prestaties en de betrouwbaarheid van technologische systemen in de ruimte en op grond kunnen beïnvloeden en die een gevaar kunnen betekenen voor het menselijk leven of de gezondheid. NSWP, ESA 13 april 2016 De Zon 31

30 Inhoud Structuur en evolutie Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Heliosfeer Verdere evolutie Het Ruimteweer Het geomagnetisch veld Zonne-uitbarstingen Invloed van zon op aarde Case studies 13 april 2016 De Zon 32

31 Geomagnetisch veld Vervormd door zonnewind Magnetosfeer Geomagnetisch veld Druppelvorm» Zonzijde: +/- 10 R E» Nachtzijde: > 200 R E Van Allen stralingsgordels Ringstroom De Aarde 13 april 2016 De Zon 33

32 De Aarde Ionosfeer Zonnestraling ioniseert aardatmosfeer D absorbeert, E en F reflecteren Satellieten boven ionosfeer Vliegtuigen, radioantennes, eronder Bepaalt communicatie Atmosfeer Ozonlaag, 13 april 2016 De Zon 34 David Erickson

33 Inhoud Structuur en evolutie Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Heliosfeer Verdere evolutie Het Ruimteweer Het geomagnetisch veld Zonne-uitbarstingen Invloed van zon op aarde Case studies 13 april 2016 De Zon 35

34 Zonne-uitbarstingen X M C Zonne-uitbarstingen ontstaan door een kortsluiting tussen tegengesteld magnetische gebieden die dicht bij elkaar liggen Hierbij komen grote hoeveelheden energie vrij onder vorm van straling (EUV, röntgen, ) en geladen deeltjes (protonen, ionen, e - ) Flares, zonnevlammen Röntgenuitbarstingen worden geklasseerd van X (extreem) over M (Medium) tot C (zwak) Elke klasse is 10* sterker dan de vorige protonenstormen, coronale massa-ejecties (CME) 13 april 2016 De Zon 36

35 13 December 2006 NOAA 0930 X3,4 13 april 2016 De Zon 40

36 Bastille Day Event 14 Juli 2000 X5,7 13 april 2016 De Zon 41

37 Halloween event 28 Oktober 2003 X17 13 april 2016 De Zon 42

38 Inhoud Structuur en evolutie Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Heliosfeer Verdere evolutie Het Ruimteweer Het geomagnetisch veld Zonne-uitbarstingen Invloed van zon op aarde Case studies 13 april 2016 De Zon 43

39 Zonne-uitbarstingen Reconnectie Straling Deeltjes Zonnevlammen Protonstormen Coronale Massa Ejecties

40 Gevolgen Oorzaak Effecten van verstoord ruimteweer Zonnevlammen Protonstormen Coronale Massa Ejecties

41 Poollicht Geomagnetische Storm Poollicht Als energetische deeltjes langs de veldlijnen van het geomagnetische veld bewegen en botsen met deeltjes uit de atmosfeer Zuidwaarts gericht Substormen Zowel noord- als zuidpool Noordelijke richting, lokale middernacht Kleuren >200 km: zuurstof: rood <200 km: stikstof: blauw <200 km: zuurstof: groen (<100 km: stikstof: krimson) G. Gonzales, Iowa State University, Okt 2003 In België: tiental keer / SC 13 april 2016 De Zon 49

42 Poollicht in België Voorwaarde: Kp > 8; Fotografisch: Kp > K p -index Zeer zware storm Zware storm Grote storm Matige storm Kleine storm Actief Onrustig Rustig Stefan Stumpf, Frankfurt 5/6 Aug 2011 Kp = 8 Franky Dubois 27 Februari 2014 (Kp=6) 13 april 2016 De Zon 50

43 Geomagnetische Storm Poollicht Terje Sørgjerd 13 april 2016 De Zon 51

44 Invloed van zon op aarde 13 april 2016 De Zon 53

45 Inhoud Structuur en evolutie Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Heliosfeer Verdere evolutie Het Ruimteweer Het geomagnetisch veld Zonne-uitbarstingen Invloed van zon op aarde Case studies 13 april 2016 De Zon 54

46 NOAA maart 2012 Een van de grootste groepen uit SC24 Opp.: 1270 MH Blote oog object Zeer complex Zeer actief 13 april 2016 De Zon 55

47 NOAA april 2016 De Zon 56

48 NOAA 1429 X M C 14 M- en 2 X-flares Eén van de flare-krachtigste groep van SC24 X5,4 op 7 maart: 2 de sterkste van SC24 dusver Protonflare: krachtigste van SC24 dusver 13 april 2016 De Zon 57

49 NOAA 1429 Voornaamste zonnevlammen SDO AIA171 - ZOOM 13 april 2016 De Zon 60

50 NOAA 1429 Protonstormen en CMEs SOHO LASCO C3 13 april 2016 De Zon 62

51 NOAA 1429 Geomagnetische stormen 13 april 2016 De Zon 63

52 NOAA 1429 Ruimteweer & andere geomagnetische effecten Zonnevlammen (R3) Slechts kortstondige radio black-outs Protonstormen (S3) Omlegging poolvluchten Niet straling, maar communicatie Astronauten veilig Satelliet-instrumenten tijdelijk down ACE, Venus Express Geomagnetische stormen (G3) Poollicht niet spectaculair Niet in België Geen invloed op GPS, ISS, 13 april 2016 De Zon 64

53 M3 zonnevlam op 4 November april 2016 De Zon 66

54 M3 zonnevlam legt Zweeds luchtverkeer lam 13 april 2016 De Zon 67

55 Wat hebben we vandaag geleerd? De zon is een ster Waterstof =>Helium + energie Zonnevlekken Magnetische storingen Zonnecyclus Periode van +/- 11 jaar Complex => uitbarstingen Ruimteweer Poollicht: onschadelijk Technologie: kwetsbaar 13 april 2016 De Zon 69

56 Vragen?