| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Synchronizace sluneční aktivity
Dana a Rudolf Mentzlovi
Ve vědě se často setkáváme se zajímavým fenoménem. Myšlenky dávno zapadlé jako neperspektivní či zavádějící se občas nečekaně vynoří a domnělá slepá ulička se změní v dálnici. Astrofyzika není výjimkou. Před dvaceti lety jsme byli svědky zmrtvýchvstání kosmologické konstantyKosmologická konstanta – člen v Einsteinových rovnicích obecné relativity, který je úměrný metrickému tenzoru (Λgμν). Albert Einstein ho zavedl v roce 1917. Jeho účelem bylo, aby rovnice poskytovaly stacionární řešení. Po objevu expanze vesmíru v roce 1929 se tento člen jevil jako zbytečný. Moderní kosmologie o něm opět uvažuje v souvislosti s popisem zrychlené expanze vesmíru. Hodnota Λ odhaduje na Λ ~ 2×10−52 m−2., v posledních měsících se vracíme k myšlence, že by sluneční cyklusSluneční cyklus – přibližně jedenáctiletý základní cyklus v životě Slunce. Během něho se periodicky mění počet slunečních skvrn i samotný sluneční výkon. Poprvé o něm pro nás napsal Heinrich Schwabe v roce 1843, i když objeven byl už v 70. letech 18. století Christianem Horrebowem, jehož práce ale bohužel zapadla. Švýcarský astronom Rudolf Wolf (1816–1893) dopočetl sluneční aktivitu zpětně až do poloviny 17. století a cyklus z let 1755 až 1766 označil jako první. V prosinci roku 2019 Slunce podle tohoto značení zahájilo 25. cyklus činnosti. mohl být taktován planetami.
Vnitřní stavba Slunce. Zdroj: Ivan Havlíček, Aldebaran.
|
Sluneční cyklus – přibližně jedenáctiletý základní cyklus v životě Slunce. Během něho se periodicky mění počet slunečních skvrn i samotný sluneční výkon. Poprvé o něm pro nás napsal Heinrich Schwabe v roce 1843, i když objeven byl už v 70. letech 18. století Christianem Horrebowem, jehož práce ale bohužel zapadla. Švýcarský astronom Rudolf Wolf (1816–1893) dopočetl sluneční aktivitu zpětně až do poloviny 17. století a cyklus z let 1755 až 1766 označil jako první. V prosinci roku 2019 Slunce podle tohoto značení zahájilo 25. cyklus činnosti. Konvektivní vrstva – vnitřní vrstva Slunce, která zasahuje až do hloubky 200 000 km pod povrchem. Energie se zde šíří prouděním, ve vrstvě jsou vzestupné a sestupné proudy a mnohé turbulentní oblasti. Vrstva rotuje diferenciální rotací, tj. rychlost rotace závisí na heliografické šířce. Tachoplocha – plocha uvnitř Slunce. Pod touto plochou rotuje Slunce jako tuhé těleso, nad ní rotuje diferenciálně. Tachoplocha se nachází pod konvektivní zónou. Nestabilita Rayleighova-Taylorova – nestabilita vznikající na rozhraní dvou tekutin s různou hustotou, které se nacházejí v gravitačním poli (řidší tekutina je „pod“ hustší). Malé poruchy se budou zvětšovat, hustší (těžší) tekutina bude klesat do řidší (lehčí) tekutiny a dojde k charakterictickému mísení. V astronomii je ji možno pozorovat při prostupu záření hvězd skrze plynová oblaka. Nestabilita se vyvíjí do podoby Rayleighových-Taylorových prstů, střídajících se hustších a řidších oblastí, ve kterých tekutiny proudí opačným směrem a připomínají prsty. Nestabilitu poprvé popsal lord Rayleigh (1842–1919) a později zobecnil Geoffrey Ingram Taylor (1886–1975). |
Již koncem 18. století si povšiml Christian Horrebow, že počet slunečních skvrnSluneční skvrna – oblast na slunečním povrchu s intenzivní magnetickou aktivitou, díky které má nižší teplotu než okolí (méně než 5000 K). Jsou to viditelné projevy trubic magnetických toků v konvektivní zóně. Ačkoli jsou ve skutečnosti velmi jasné, v porovnání s okolím se jeví jako tmavé. V UV oboru jsou ale naopak světlejší než okolí. Někdy mají i 50 tisíc km v průměru. Vyskytují se většinou ve skupinách a můžeme je dělit podle toho, ke kterému konci magnetické silokřivky patří. Poprvé byly pozorovány v roce 1611. není konstantní, ale mění se přibližně s periodou jedenácti let. Detailně se pak sluneční periodě věnoval, téměř o sto let později, německý astronom Heinrich Schwabe, po kterém také cyklus získal jméno. Zároveň mnohým astronomům neuniklo, že oběžná doba Jupiteru (11,86 let) se jedenáctileté periodě velice podobá. Taková bezmála shoda přirozeně vybízí k úvahám, že jsou obě periody v příčinné souvislosti. Nebyl však zřejmý mechanizmus, který by mohl něco takového způsobovat, a tak myšlenka zůstala jen smělou hypotézou. Když pak byl rozpracován model tekutinového dynamaMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů., věc upadla v zapomnění.
Tekutinové dynamo
Magnetické pole vzniká všude tam, kde se pohybuje elektrický náboj. Nezáleží na tom, zda jde o elektrony prodírající se kovem elektrického vodiče nebo o nabité částice unášené okolním prostředím. V nitru SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium., kde vysoká teplota oddělila elektronové obaly od atomových jader, není o volné elektrické náboje nouze. Tyto náboje se pohybují v mohutných proudech a vytvářejí silné magnetické pole. Tomuto mechanizmu se říká tekutinové dynamo.
Vnější vrstvy Slunce však nerotují všude stejnou rychlostí. Díky tomu se siločáry zamotávají a původně jednoduché magnetické pole se stává obtížně definovatelné. V tuto dobu můžeme na Slunci pozorovat více skvrn, protuberancí a dalších projevů sluneční aktivity. Po čase se vše vrátí do normálu, magnetické pole má opět pouze jeden severní a jeden jižní magnetický pól. Slunce je v minimu své aktivity. Tento cyklus trvá přibližně 11 let. Přes veškeré úspěchy tohoto modelu však zůstávají některé otázky nezodpovězeny.
Problémy tekutinového dynama
Abychom správně pochopili práci tekutinového dynama, musíme nejprve správně popsat proudění plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. ve Slunci. Vnitřek Slunce rotuje víceméně jako tuhé těleso. Teprve ve větší vzdálenosti od středu se uplatňuje tekutinová mechanika. Jsou tu jednak silné výstupné proudy vynášející horké plazma k povrchu Slunce, jednak horizontální proudy, tím rychlejší, čím blíže k rovníku se nacházejí. Rozhraní mezi nehybnou a tekutou vrstvou se nazývá tachoplochaTachoplocha – plocha uvnitř Slunce. Pod touto plochou rotuje Slunce jako tuhé těleso, nad ní rotuje diferenciálně. Tachoplocha se nachází pod konvektivní zónou..
Jakkoli se zdá takový model průhledný, při výpočtech a simulacíchPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. naráží na problémy. Jsou to především problémy nestabilitNestabilita Rayleighova-Taylorova – nestabilita vznikající na rozhraní dvou tekutin s různou hustotou, které se nacházejí v gravitačním poli (řidší tekutina je „pod“ hustší). Malé poruchy se budou zvětšovat, hustší (těžší) tekutina bude klesat do řidší (lehčí) tekutiny a dojde k charakterictickému mísení. V astronomii je ji možno pozorovat při prostupu záření hvězd skrze plynová oblaka. Nestabilita se vyvíjí do podoby Rayleighových-Taylorových prstů, střídajících se hustších a řidších oblastí, ve kterých tekutiny proudí opačným směrem a připomínají prsty. Nestabilitu poprvé popsal lord Rayleigh (1842–1919) a později zobecnil Geoffrey Ingram Taylor (1886–1975).. Někdy i malá odchylka od předpokládaného stavu může způsobit nečekaný vývoj. Pro příklad nemusíme chodit daleko. Na hodinách fyziky si při výkladu Coriolisovy síly málokterý kantor odpustí poznámku, že se při vypouštění vody vír stáčí vždy jedním směrem, což je způsobeno rotací zeměkoule. Ve skutečnosti bývá poměrně obtížné takový pokus správně realizovat. Stačí nepatrný počáteční impuls, třeba jen necitlivé vytažení zátky z umyvadla, a vír se začne točit na druhou stranu, než bychom očekávali. Coriolisova síla nedokáže tento stále se zrychlující pohyb výrazně zpomalit, natož zvrátit.
Diferenciální rotace Slunce způsobuje deformaci magnetických siločar. Na obrázku zobrazeny dva hlavní principy, tzv. alfaAlfa efekt – jev, při kterém u rotujícího tělesa (například Slunce) vzniká z azimutální složky magnetického pole složka dipólová. Jde o statistický jev. Fluktuace rychlostního pole (u Slunce jsou největší na hranici konvektivní a zářivé zóny) se kopírují na fluktuace magnetického pole. Z těchto fluktuací vzniká rostoucí nenulová střední hodnota magnetického pole v dipólovém směru. a omega efektOmega efekt – jev, při kterém rotující těleso (například Slunce) přeměňuje dipólovou složku magnetického pole na azimutální. Magnetické pole je je zamrzlé do plazmatu tělesa a otáčí se s ním. Pokud má těleso diferenciální rotaci, magnetické siločáry jsou v místech, kde je rotační rychlost vyšší, vytahovány v azimutálním směru. Tím vzniká azimutální složka pole.. Zdroj: Ivan Havlíček, AGA.
Vnější vlivy
V rotujícím slunečním plazmatu není o takové víry nouze. Statisticky vzato se roztáčejí na tu stranu, která koresponduje s rotací Slunce. I malá výchylka na počátku však může směr změnit a porucha se dál lavinovitě šíří. Podobných nestabilit se tu nachází více. Nastoluje se otázka, zda jsou počáteční malé výchylky opravdu náhodné, nebo je tu nějaký předvídatelný vliv.
Skupina Franka Stefaniho z Helmholtzova střediska v Drážďanech takový mechanizmus nabízí. Významný faktor spatřuje v gravitačním působení planet. Hmotnost všech planet Sluneční soustavy sice nepřesahuje 0,15 % hmotnosti Slunce, ale bylo již konstatováno, že by šlo pouze o efekt kamínku strhávajícího lavinu. Navíc je tu pákový efekt. Hmotnost planet je sice zanedbatelná, ale díky obrovským vzdálenostem ve Sluneční soustavě významně posunují její těžiště. Těžiště Sluneční soustavy se tedy nejen nekryje se středem Slunce, ale často se ocitá i mimo jeho vlastní těleso.
Mechanika tekutinového dynama stojí a padá se způsobem proudění plazmatu. Proudění je významně ovlivňováno způsobem rotace. Zde je třeba započítat i vliv oběhu Slunce kolem těžiště Sluneční soustavy. Frank Stefani se svým týmem argumentuje právě periodicitou slapových sil, která odpovídá cyklům sluneční aktivity. Nejznámější Schwabeho cyklus, známý spíše pod technickou přezdívkou jedenáctiletá perioda, se až nápadně shoduje s periodou 11,07 let, kdy se planety VenušeVenuše – nejbližší planeta vzhledem k Zemi. Hustá atmosféra zabraňuje přímému pozorování povrchu. Díky skleníkovému efektu je na povrchu vysoká teplota, nejvyšší dosud naměřená hodnota činí 480 °C. Venuše obíhá kolem Slunce takřka po kruhové dráze ve vzdálenosti 108 milionů kilometrů s periodou 225 dní. Otočení kolem vlastní osy (proti oběhu, tzv. retrográdní rotace) trvá 243 pozemských dnů. To znamená, že na Venuši Slunce vychází a zapadá jen dvakrát za jeden oblet Slunce. Oblaka Venuše dobře odrážejí sluneční svit a proto je tato planeta po Slunci a Měsíci nejjasnějším tělesem na obloze. Na večerní obloze jí můžeme spatřit jako Večernici a na ranní obloze jako Jitřenku., ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. a JupiterJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. seřadí přibližně do zástupu.
Stefaniho tým se samozřejmě nespokojil jen s úvahami, ale provedl řadu simulací tekutinového dynama, do kterých započítal přenos orbitálního momentu Slunce do jeho rotace. Kromě již zmíněné jedenáctileté periody se přirozenou cestou objevily i dlouhodobější cykly. Vlivem planet JupiterJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. a SaturnSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm−3 je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. dochází k pravidelným změnám po 193 letech. To by mohlo odpovídat Suess-de Vriesovu cyklu, který se pohybuje mezi 180 až 230 roky.
Kromě krátkodobých pravidelných cyklů prochází Slunce i dlouhodobějšími změnami aktivity. Z nedávné historie vzpomeňme především minimum MaunderovýchMinimum Maunderových – období odpovídající zhruba rokům 1645 až 1715, kdy sluneční skvrny byly výjimečně vzácné a sluneční cyklus byl velmi potlačen. Časově odpovídá takzvané Malé době ledové, kdy se prokazatelně alespoň severní polokoule Země ochladila. Podle posledních výzkumů se Slunce v té době zřejmě zvětšilo a zpomalila se jeho rotace. Pojmenováno je podle britských slunečních astronomů Annie Maunderové a Edwarda Maundera (byli manželé). mezi lety 1645 a 1715, známé také jako Malá doba ledová. Statistickými metodami bylo dokázáno, že tato minima sice nejsou v pravém slova smyslu periodická, ale přesto se vrací v období jednoho až dvou tisíc let. Frank Stefani proto rozšířil své simulace na časový úsek 30 000 let a zjistil, že i v jeho modelu se v podobném intervalu sluneční aktivita snižuje.
Simulovat nestačí
Počítačové simulace se v posledních desetiletích staly důstojnou vědeckou disciplínou, ale poslední slovo ve výzkumu rozhodně nemají. Ověřit činnost tekutinového dynama v nitru Slunce je samozřejmě těžko uskutečnitelné. I proto v německých Drážďanech vzniká zajímavý projekt DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNamo and thermohydraulic studies).
Vnitřní pohled na centrální halu s plánovanými experimenty: precesní dynamo (P); Taylor-Couette experiment pro zkoumání Taylorovy nestability (M); okruh s tekutým sodíkem (L); servisní modul (I) Zdroj: HZDR.
Nejambiciozněší experiment je jistě dynamo poháněné precesí. Jedná se o nádobu naplněnou tekutým sodíkemSodík – Natrium, nejběžnější prvek ze skupiny alkalických kovů, hojně zastoupený v zemské kůře, mořské vodě i živých organizmech. Sodík je měkký, lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Volný kov se poprvé podařilo připravit roku 1807 siru Humphry Davymu.. Válcový kontejner o průměru a výšce 2 m se otáčí kolem podélné osy rychlostí 10 otáček za sekundu. Montáž je navíc schopna vnutit nádobě ještě precesiPrecese – obecně pohyb osy setrvačníku po kuželové ploše vlivem vnějších sil. V astronomii tak označujeme kuželový pohyb zemské osy s periodou 25 772 roků (tzv. Platonský rok) a úhlem mezi osou kužele a jeho povrchem 23,4°. Pohyb osy způsobují kombimované síly Slunce, Měsíce a planet. Díky tomuto pohybu byla Polárkou egyptské civilizace hvězda Thuban ze souhvězdí Draka. až 1 otáčku za sekundu. Podle toho, jak je nastaven poměr obou frekvencí, vznikají v roztaveném sodíku různé podmínky proudění. Ty jsou pak zkoumány a vyhodnocovány podle toho, jak je která konfigurace vhodná pro buzení magnetického pole.
Projekt DRESDYN se nezaměřuje pouze na zkoumání tekutinového dynama uvnitř Slunce a planet. Připravuje se zde také experiment zkoumající různé druhy nestabilit. Máme naději, že se tím objasní vznik turbulencí a přenosu momentu hybnostiMoment hybnosti – veličina popisující rotační pohyby těles. Jde o vektorový součin spojnice počátku souřadnicové soustavy a tělesa (radiusvektoru) s hybností tělesa. Velikost momentu hybnosti je rovna součinu hmotnosti tělesa, rychlosti tělesa, vzdálenosti tělesa od počátku souřadnic a sinu úhlu mezi radiusvektorem a směrem rychlosti. Při dané rychlosti a hmotnosti je moment hybnosti maximální pro kruhový pohyb a minimální (nulový) pro radiální pohyb od nebo ke středu soustavy (úhel v definičním vztahu je nulový). v akrečních discích, ale i v neutronových hvězdáchNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 MS (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 1017 kg m−3 dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století..
Odkazy
- F. Stefani, R. Stepanov, T. Weier: Die Taktgeber der Sonne; Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 11 Jun 2021
- F. Stefani, A. Giesecke, M. Seilmayer: Schwabe, Gleissberg, Suess-de Vries: Towards a consistent model of planetary synchronization of solar cycles; Cornell University, 30 Sep 2020
- Giesecke, A., Vogt, T., Gundrum: DRESDYN; HZDR
- F. Stefani, A. Giesecke, T. Weier: Die Sonne im Rhythmus der Planeten; Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 27 May 2019
