2. Zon en Zonnestelsel

VSW MIRA Cursus Theorie 2. Zon en Zonnestelsel 23 Januari 2008 Jan Janssens

Inhoud Enkele basisnoties Inwendige van de zon Kern - Stralingszone - Convectiezone Atmosfeer van de zon Fotosfeer - Chromosfeer Corona Zonne-uitbarstingen Relatie zon-aarde Heliosfeer Verdere evolutie 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 2

Enkele basisnoties Het spectrum Continu spectrum Wit is geen kleur maar een mengeling van verschillende kleuren Blauw wordt meer gebroken dan rood Absorptiespectrum Indien er zich een koeler gas bevindt tussen de lichtbron en de waarnemer worden er pakjes energie aan het licht onttrokken Emissiespectrum Indien er zich een heter gas bevindt tussen de lichtbron en de waarnemer, worden er pakjes energie aan het licht toegevoegd Visueel spectrum is slechts klein onderdeel van totale EM-spectrum Alle EM-straling beweegt zich aan de snelheid van het licht (300.000 km/s) 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 4

Enkele basisnoties l obs / l lab = 1 + v / c, met c = 299792,5 km/s Laboratoriumspectrum (gas in rust) Gas beweegt zich van de waarnemer weg Gas beweegt zich naar de waarnemer toe Voorbeeld 1 Bij een object worden absorptielijnen gemeten met l = 440 nm en 660 nm. Uit laboratoriumproeven blijken de golflengten in rust 400 nm en 600 nm te bedragen. 440/400 = 660/600 = 1,1. Hieruit volgt dat v/c = 0,1 zodat het object dus van ons afbeweegt met een snelheid van 30000 km/s. Noteer dat voor eenzelfde roodverschuiving de verplaatsing op langere golflengten groter is dan op kortere. Voorbeeld 2 Op de zon zijn de gemeten verplaatsingen zeer klein. Door de rotatie (25,7 dagen) beweegt licht van de oostelijke zonnerand zich met een snelheid van bijna 2 km/s naar de aarde toe, en aan de westrand met eveneens 2 km/s van de aarde weg. Deze snelheden komen overeen met verplaatsingen in absorptielijnen van enkele duizenden van een nm! Doppler-effect Net zoals de toon van de sirene van bv. een ambulance hoger wordt naarmate het voertuig de waarnemer nadert, en lager naarmate het voertuig zich verwijdert, zo ook wordt de golflengte van een object korter (blauwer) indien het zich naar de waarnemer beweegt, en langer (roder) wanneer het zich van de waarnemer verwijdert http://www.bigbadblob.com/0 1/24365/2/doppler-effect- Verplaatsingen zijn miniem Basis van de helioseismologie 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 5

Enkele basisnoties 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 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) 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 6

Enkele basisnoties Magnetisme is kracht tussen bewegende elektrische stromen Proefje Zeeman-effect Doordat magnetisme elektrische velden creëert, wordt er aan sommige atomen energie toegevoegd, en andere atomen energie onttrokken In het spectrum zichtbaar als een splitsing van de absorptielijnen Hoe groter de veldsterkte, hoe sterker de splitsing Aarde is een dipoolmagneet Opgewekt door een roterende ijzeren kern 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 7 Vervormd door de zonnewind

Het inwendige van de zon De zon is een ster Stralend 3,84 * 10 26 Watt = 1 miljoen jaar energie op aarde Groot 1.392.000 km = 109 * aarde Zwaar 1,99 * 10 30 kg = 332.980 * aarde Dichtstbij 149.597.870 km = 1 Astronomische Eenheid 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 9

Het inwendige van de zon Het zonneinwendige omvat Kern (R = +/- 175.000 km) Stralingszone (325.000 km) Convectiezone (200.000 km) In de kern bedraagt de dichtheid 14* die van Lood temperatuur 15,7 miljoen C Geen vast oppervlak Bestaat volledig uit plasma Waarom stort de zon niet onder haar eigen gewicht in elkaar? 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 10

Inwendige van de zon Kern Proton-proton-cyclus In de kern van de zon wordt waterstof in 3 stappen omgezet in helium 4H He + 2e + + 2g + 2n e Per seconde verliest de zon 4,3 miljard kg aan massa (uitgestraalde energie) m = 1,989. 10 30 kg 75 miljard jaar» Enkel kern» Levensduur zon 7,5 12 miljard jaar Gasdruk + Stralingsdruk = Gravitatiedruk Neutrino-mysterie opgelost Zéér kleine massa 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 11

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 10.000 en ruim 1 miljoen jaar voor de in de kern gevormde fotonen het zonneoppervlak bereiken Gemiddeld 170.000 jaar 8 minuten voor reis naar aarde M. B. Larson 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 12

Convectiezone 200.000 km onder zonneoppervlak Inwendige van de zon Temperatuur voldoende laag opdat zwaardere atoomkernen elektronen beginnen in te vangen Energie-transport meest efficiënt door convectie Vorming van reusachtige bellen Reuzeconvectiecellen (150.000 km), supergranulen (30.000-50.000 km), en granulen (+/- 1.000 km) Dit weten we allemaal door HELIOSEISMOLOGIE 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 13

Rotatieperiode (dagen) 24,11 25,16 26,30 27,56 28,94 30,46 32,15 Inwendige van de zon 348 418 487 557 626 696 Afstand tot het zonnecentrum (*1000 km) Helioseismologie Kern en stralingszone roteren met een uniforme snelheid (27 dagen) Bevestigt dat het standaardmodel grotendeels correct is Opvallende afwijking aan de Tachocline Overgang van stralingszone naar convectiezone Mogelijke lokatie waar het magnetisch veld van Afwijking GONG-data t.o.v. Standaardmodel (%) Kern Stralingszone Convectiezone 0 139200 278400 417600 556800 696000 Afstand tot het centrum van de Zon (km) de zon wordt opgewekt 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 14 0,4 0,2 0-0,2-0,4 Zon Standaard Model

Atmosfeer van de zon Fotosfeer zonneoppervlak» 500 km diep (H - ) 5500 C» T min = 4200 C (+500 km) Fakkelvelden Granulen» Geen vast oppervlak Carrington (1853)» Nulmeridiaan» T = 27,3 dagen» T echt = 25,3 dagen Differentiële rotatie Randverduistering Absorptiespectrum 400 430 490 520 590 650 CaK CaH Fe Hb Mg Fe 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 16 Na Ha

Fotosfeer Zonnevlekken Atmosfeer van de zon Ondiepe depressies in de fotosfeer door magnetische storingen die het opstijgen van heet gas uit het zonneinwendige verhindert Temperatuur: Umbra: 3500 C Penumbra: 4200 C Magneetveld 3000* sterker dan ongestoorde fotosfeer Zeeman-effect Bipolair» Tegengestelde polariteit» Dynamo theorie 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 17

Fotosfeer Zonnevlekken Wolfgetal (R) Atmosfeer van de zon R = 10.g + f, met g het aantal groepen, en f het aantal vlekken Zonnecyclus van 11 jaar Magnetisch: 22 jaar Verschijnen eerst op gematigde breedten (+/- 30 ), zakken dan geleidelijk naar equator Vlinderdiagram Stijg/daaltijd: +/- 4 & 7 jaar Gem. Max. R: 117 (+/- 41) Huidige cyclus: SC23 Begin: Mei 1996 Maximum: April 2000» R max = 120,8 (SIDC) Minimum: rond 2007 2008 Cyclus 24 Hoog of laag? http://science.nasa.gov/headlines/y2008/images/solarcycle24/newspot.jpg 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 18

Chromosfeer Ziet rood omwille van de emissie van waterstof Ha-lijn (656,3 nm) Best tijdens totale eclips 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 10000 km Atmosfeer van de zon 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 19

Chromosfeer Structuren Atmosfeer van de zon Filamenten & Protuberansen Markeren overgangen tussen pos. & neg. Magnetische velden» Vooral groepsfilamenten» Relatief koel (10000 C) en ijl Protuberansen enkel aan rand, filamenten op zonneschijf Spikulen» Verstrooiing van fotosferische straling Naaldachtige structuren» Hoogte tot 12000 km Snelheid van 30 km/s Bakenen supergranulen af Levensduur van 5-15 min Polen: Macro-spikulen 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 20 Hinode

Corona Zeer heet Atmosfeer van de zon Tussen 1 en 3 miljoen C Zeer ijl Straalt vooral in EUV en röntgen Vermoedelijke oorzaak: reconnectie 1.000* beter dan vacuüm met een ionenpomp 1.000 miljard maal ijler dan fotosfeer Continu/absorptiespectrum fotosfeer Vorm verandert doorheen zonnecyclus SC Min/Max: a/symmetrisch Coronale gaten Hoge snelheidszonnewind (700 km/s) Zonnewind Hoge temperatuur drijft deeltjes van zon weg Deeltjes bewegen radiaal; magnetisch veld volgens Archimedes-spiraal 200-1.000 km/s, maar gemoduleerd door CME s en coronale gaten 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 21 Ter hoogte van de aarde: 100.000 C - 1 miljoen C R. Slobins, Juni 2001 Hb Fe He Ha

Zonne-uitbarstingen 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, ) Flares, zonnevlammen protonenstormen, coronale massa-ejecties (CME) Röntgenuitbarstingen worden geklasseerd van X (zeer sterk) over M (sterk, medium) tot C (zwak) 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 23

Bastille Day Event NOAA 0977 X5 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 24

Halloween-uitbarstingen NOAA 10484, 10486 & 10488 tijdens hun passage over de zon zoals geobserveerd in het visueel en EUV (19,5 nm, Fe XII) door SOHO. Grote zonne-uitbarstingen waren er op 23 Oct (X5,4), 28 Oct (X17), 29 Oct (X10), 02 Nov (X8,3) en op 04 Nov (X28) 2003. Al deze flares waren afkomstig van NOAA 10486, tevens de grootste groep uit SC23. De X28-flare was trouwens de krachtigste uitbarsting sinds het begin der satellietwaarnemingen (1975). 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 25

13 december 2006 - NOAA 0930 X3 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel Hinode 26

De relatie zon-aarde Zonnewind vervormt geomagnetisch veld Geen probleem Geomagnetisch veld kan verstoord worden door (Halo) CME Centraal coronaal gat Bijkomende voorwaarde Magnetisch veld dient parallel aan dat van de aarde te zijn (zuidwaarts gericht) Uitzondering: Reconnectie (scheur) in het geomagnetisch veld zelf 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 28

De relatie zon-aarde Poollicht Als energetische deeltjes langs de veldlijnen van het geomagnetische veld bewegen en botsen met deeltjes uit de atmosfeer Zowel aan noordpool als zuidpool Noordelijke richting, lokale middernacht Kleuren >200 km: zuurstof: rood <200 km: stikstof: blauw <200 km: zuurstof: groen <100 km: stikstof: krimson Roman Krochuk Fairbanks, Alaska André Clay - Alaska http://video.google.nl/videoplay?docid=8517537625734741432&q=aurora&total=13681&start=0&num =10&so=0&type=search&plindex=0 http://www.belplasca.de/aurora201103/index.html In België: tiental keer / SC 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 29

De relatie zon-aarde Elektrische effecten Transformatoren Verkeerssignalen Pijpleidingen Communicatie Radio Radar GSM Navigatie GPS Satellieten Protonstormen 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 30

De relatie zon-aarde Beïnvloedt de zon het klimaat op aarde? De zonneconstante 1366 W/m² Jaarlijkse variatie: 7% Variatie 11-jarige SC: 0,1% Herfst-equinox +/- 21 september 149,6 miljoen km Geen invloed op klimaat De seizoenen Baan is niet constant Milankovitch Ijstijden zijn de norm Wintersolstitium +/- 21 december 147,1 miljoen km Zomersolstitium +/- 21 juni 152,1 miljoen km Laatste eindigde +/- 10.000 jaar» 5-8 C koeler dan nu Tijdens maximum Lente-equinox +/- 21 maart 149,6 miljoen km» Afwijkingen van 1à2 C mogelijk» Vb. Middeleeuws maximum, Maunderminimum» Andere oorzaken voor invloed op klimaat (regeling van kosmische straling, )? 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 31

De Heliosfeer Heliosferisch stroomblad (HCS) Scheidt gebieden van tegengestelde polariteiten Nauwelijks 10.000 km dik, maar reikt tot voorbij de baan van Pluto Grootste structuur in het zonnestelsel Niet zichtbaar SC min: ballerina-rokje SC max: schelpvorm Bepaalt de magnetische richting van het IMF Bepaalt de invloed van bv. CME Vormt een barrière voor de kosmische straling Invloed op klimaat (Svensmark)? 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 33

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 Koeler dan verwacht» Energie versnelt deeltjes van kosmische straling Heliopauze Plaats waar MF zon even sterk is als van de interstellaire ruimte 110 +/-10 AE Voyagers tussen 2014-2020 V1 V2 Schokgolf 23 Jan 08 Plaats waar wind uit interstellaire ruimte overgaat naar subsonische snelheden Geschat op 230 AE Zon en Zonnestelsel 34

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 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 35

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 Heeft het iets te maken met Coronale Massa-Ejecties? 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 36

Atmosfeer van de zon Fotosfeer Zonnevlekken N S Dynamo-theorie Zwak poloïdaal magnetisch veld wordt omgevormd tot een sterk toroïdaal veld Als de veldlijnen voldoende dicht bij elkaar»»»» S N Vorming van zonnevlekken/groepen Wet van Hale Groepen op tegengestelde hemisfeer hebben tegengesteld magnetisch veld Wet van Joy In de loop van de cyclus»» Herstructurering M.F. Polariteitswissel tijdens zonnemaximum aan polen Percolatie Schatten & Hinode (2007) http://science.nasa.gov/headlines/y2 007/18sep_trilobite.htm 23 Jan 08 Zon en Zonnestelsel 38

De relatie zon-aarde 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6-0,8 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 400 0,8 350 0,6 300 0,4 250 0,2 200 0 150-0,2 100-0,4 50-0,6 1 0-0,8 0 1851 1880 1900 23 Jan 08 1920 1940 1960 1980 2000 10 R CO2 Temp AMO 5-year smoothed #Hurricanes 9 8 7 Cat5 6 Cat4 5 Cat3 4 Cat2 3 Cat1 2 Zon en Zonnestelsel 1871 1891 1911 1931 1951 1971 1991 2011 39