15.2: Mzunguko wa jua

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mzunguko wa jua na, kwa ujumla zaidi, mzunguko wa jua
• Eleza jinsi magnetism ni chanzo cha shughuli za jua

Kabla ya uvumbuzi wa darubini, Jua lilifikiriwa kuwa nyanja isiyobadilika na kamilifu. Sasa tunajua kwamba Jua liko katika hali ya daima ya mabadiliko: uso wake ni chupa, yenye kupumua ya gesi ya moto. Maeneo ambayo ni nyeusi na baridi kuliko wengine wa uso kuja na kwenda. Mifuko kubwa ya gesi hutoka ndani ya chromosphere na corona. Mara kwa mara, kuna hata milipuko mikubwa juu ya Jua ambayo hutuma streamers kubwa ya chembe za kushtakiwa na nishati kuelekea Dunia. Wanapofika, hizi zinaweza kusababisha uharibifu wa umeme na madhara mengine makubwa kwenye sayari yetu.

Machapisho ya jua

Ushahidi wa kwanza kwamba mabadiliko ya Jua yalitoka kwa tafiti za matangazo ya jua, ambazo ni kubwa, sifa za giza zinazoonekana kwenye uso wa Jua lililosababishwa na shughuli za sumaku zilizoongezeka. Wao kuangalia nyeusi kwa sababu matangazo ni kawaida katika joto la juu 3800 K, ambapo mikoa mkali kwamba surround yao ni saa kuhusu 5800 K (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Mara kwa mara, matangazo haya ni makubwa ya kutosha kuonekana kwa jicho lisilosaidiwa, na tuna rekodi zinazorudi nyuma zaidi ya miaka elfu kutoka kwa waangalizi ambao waliona wakati haze au ukungu ulipunguza kiwango cha Jua. (Tunasisitiza kile ambacho wazazi wako wamekuambia: kuangalia Jua kwa muda mfupi hata kunaweza kusababisha uharibifu wa jicho la kudumu. Hii ni eneo moja la astronomia ambapo hatukuhimiza kufanya uchunguzi wako mwenyewe bila kupata maelekezo makini au filters kutoka kwa mwalimu wako.)

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Sunspots. Picha hii ya maeneo ya jua, baridi na hivyo nyeusi mikoa juu ya Jua, ilichukuliwa mwezi Julai 2012. Unaweza kuona eneo la giza, kati ya kila sunspot (inayoitwa umbra) iliyozungukwa na eneo la chini la giza (penumbra). Doa kubwa iliyoonyeshwa hapa ni takribani upana wa Dunia 11. Ingawa maeneo ya jua yanaonekana giza yanapoonekana karibu na gesi zenye moto zaidi za photosphere, jua la wastani, lililokatwa kwenye uso wa jua na kushoto limesimama katika anga la usiku, litakuwa karibu kama mkali kama mwezi kamili. Uonekano wa mottled wa uso wa Jua ni granulation.

Wakati tunaelewa kwamba maeneo ya jua yanaonekana nyeusi kwa sababu ni baridi, hata hivyo yana moto zaidi kuliko nyuso za nyota nyingi. Kama wangeweza kuondolewa kutoka Jua, wangeweza kuangaza sana. Wanaonekana giza tu kinyume na photosphere ya moto, nyepesi inayowazunguka.

Sunspots binafsi huja na kwenda, na maisha ambayo hutoka saa chache hadi miezi michache. Ikiwa doa hudumu na inakua, kwa kawaida ina sehemu mbili: msingi wa ndani wa giza, umbra, na eneo la chini la giza, penumbra. Matangazo mengi yanakuwa makubwa zaidi kuliko Dunia, na wachache, kama ile kubwa iliyoonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{1}\), yamefikia kipenyo zaidi ya kilomita 140,000. Mara kwa mara, matangazo hutokea katika makundi ya 2 hadi 20 au zaidi. Makundi makubwa ni ngumu sana na yanaweza kuwa na matangazo zaidi ya 100. Kama dhoruba duniani, maeneo ya jua hayajawekwa katika nafasi, lakini yanaendelea polepole ikilinganishwa na mzunguko wa Jua.

Kwa kurekodi mwendo wa dhahiri wa maeneo ya jua kama Jua linalogeuka liliwachukua kwenye diski yake (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)), Galileo, mwaka wa 1612, alionyesha kuwa Sun huzunguka kwenye mhimili wake na kipindi cha mzunguko wa takriban mwezi 1. Nyota yetu inageuka katika mwelekeo wa magharibi hadi mashariki, kama mwendo wa orbital wa sayari. Jua, hata hivyo, ni gesi na haipaswi kuzunguka rigidly, jinsi mwili imara kama Dunia inavyofanya. Uchunguzi wa kisasa unaonyesha kwamba kasi ya mzunguko wa Jua inatofautiana kulingana na latitude, yaani, ni tofauti unapoenda kaskazini au kusini mwa ikweta ya Jua. Kipindi cha mzunguko ni takriban siku 25 kwenye ikweta, siku 28 kwenye latitude 40°, na siku 36 kwenye latitude 80°. Tunaita mzunguko huu tofauti wa tabia.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Sunspots Mzunguko katika uso Sun ya. Mlolongo huu wa picha za uso wa Jua hufuatilia harakati za jua kwenye hekta inayoonekana ya Jua. Tarehe 30 Machi 2001, kundi hili la maeneo ya jua lilipanuliwa katika eneo takriban mara 13 ya kipenyo cha Dunia. Mkoa huu ulizalisha flares nyingi na ejections ya molekuli ya coronal.

Mzunguko wa Sunspot

Kati ya 1826 na 1850, Heinrich Schwabe, mfamasia wa Ujerumani na mwanaastronomia wa amateur, aliweka kumbukumbu za kila siku za idadi ya jua. Kile alichotafuta kweli kilikuwa sayari ndani ya obiti ya Mercury, ambayo alitumaini kuipata kwa kuchunguza silhouette yake ya giza ilipopita kati ya Jua na Dunia. Alishindwa kupata sayari inayotarajiwa, lakini bidii yake ililipwa na ugunduzi muhimu zaidi: mzunguko wa jua. Aligundua kwamba idadi ya maeneo ya jua yalijitokeza kwa utaratibu, katika mzunguko wa muda mrefu wa miaka kumi.

Nini Schwabe aliona ni kwamba, ingawa matangazo ya mtu binafsi ni mfupi aliishi, jumla ya idadi inayoonekana kwenye Jua wakati wowote mmoja ilikuwa uwezekano wa kuwa mkubwa sana wakati fulani-vipindi vya jua upeo -kuliko wakati mwingine-vipindi vya kiwango cha chini cha jua. Sasa tunajua kwamba sunspot maxima hutokea kwa muda wa wastani wa miaka 11, lakini vipindi kati ya maxima mfululizo vimebadilika kutoka kwa muda mfupi kama miaka 9 hadi miaka 14. Wakati wa sunspot maxima, matangazo zaidi ya 100 yanaweza kuonekana mara moja. Hata hivyo, chini ya nusu moja ya asilimia moja ya uso wa jua hufunikwa na matangazo (Kielelezo\(15.3.5\) katika Sehemu ya 15.3). Wakati wa minima ya jua, wakati mwingine hakuna matangazo yanaonekana. Shughuli ya Jua ilifikia upeo wake wa hivi karibuni mwaka 2014.

Tazama video hii fupi kutoka Kituo cha ndege cha Goddard Space Flight cha NASA kinachoelezea mzunguko wa jua.

Magnetism na Mzunguko wa jua

Sasa kwa kuwa tumejadili mzunguko wa shughuli za Jua, huenda ukauliza, “Kwa nini Jua linabadilika kwa njia ya kawaida?” Wanaastronomia sasa wanaelewa kuwa ni shamba la magnetic linalobadilika la jua linaloendesha shughuli za jua.

Sehemu ya sumaku ya jua hupimwa kwa kutumia mali ya atomi inayoitwa athari ya Zeeman. Kumbuka kutoka kwa mionzi na Spectra kwamba atomi ina viwango vingi vya nishati na kwamba mistari ya spectral hutengenezwa wakati elektroni zinabadilika kutoka ngazi moja hadi nyingine. Ikiwa kila ngazi ya nishati inaelezwa kwa usahihi, basi tofauti kati yao pia ni sahihi kabisa. Kama elektroni inabadilika ngazi, matokeo yake ni mstari mkali, mwembamba wa spectral (ama mstari wa ngozi au chafu, kulingana na iwapo nishati ya elektroni huongezeka au inapungua katika mpito).

Kwa uwepo wa shamba kali la magnetic, hata hivyo, kila ngazi ya nishati imetenganishwa katika ngazi kadhaa karibu sana na kila mmoja. Kugawanyika kwa viwango ni sawa na nguvu za shamba. Matokeo yake, mistari ya spectral inayotengenezwa mbele ya shamba la magnetic sio mistari moja lakini mfululizo wa mistari iliyo karibu sana inayofanana na mgawanyiko wa viwango vya nishati ya atomiki. Ugawanyiko huu wa mistari mbele ya shamba la magnetic ni kile tunachokiita athari ya Zeeman (baada ya mwanasayansi wa Kiholanzi ambaye aligundua kwanza mwaka 1896).

Vipimo vya athari ya Zeeman katika spectra ya mwanga kutoka mikoa ya jua huwaonyesha kuwa na mashamba magnetic yenye nguvu (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Kumbuka kwamba sumaku daima zina pole ya kaskazini na pole ya kusini. Wakati wowote jua zinazingatiwa kwa jozi, au katika makundi yaliyo na matangazo mawili kuu, moja ya matangazo huwa na polarity ya magnetic ya pole ya kaskazini-kutafuta magnetic na nyingine ina polarity kinyume. Zaidi ya hayo, wakati wa mzunguko huo, matangazo ya kuongoza ya jozi (au matangazo ya vikundi vya kuongoza) katika Ulimwengu wa Kaskazini wote huwa na polarity sawa, wakati wale walio katika Ulimwengu wa Kusini wote huwa na polarity tofauti.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Zeeman Athari. Picha hizi zinaonyesha jinsi mashamba magnetic katika maeneo ya jua yanapimwa kwa njia ya athari ya Zeeman. (kushoto) Mstari mweusi wa wima unaonyesha nafasi ya spectrograph iliyokatwa kwa njia ambayo mwanga hupitishwa ili kupata wigo katika (kulia).

Wakati wa mzunguko wa pili wa jua, hata hivyo, polarity ya matangazo ya kuongoza inabadilishwa katika kila hekta. Kwa mfano, ikiwa wakati wa mzunguko mmoja, matangazo ya kuongoza katika ulimwengu wa Kaskazini yote yalikuwa na polarity ya pole ya kaskazini-kutafuta, basi matangazo ya kuongoza katika Ulimwengu wa Kusini yatakuwa na polarity ya pole ya kusini-kutafuta. Wakati wa mzunguko ujao, maeneo ya kuongoza katika Ulimwengu wa Kaskazini yatakuwa na polarity ya kusini-kutafuta, wakati wale walio katika Ulimwengu wa Kusini wangekuwa na polarity ya kaskazini-kutafuta. Kwa hiyo, kwa uzingatifu, mzunguko wa jua haujirudia yenyewe kuhusiana na polarity ya magnetic mpaka mzunguko wa miaka 11 umepita. Uwakilishi wa kuona wa mashamba ya magnetic ya Sun, inayoitwa magnetogram, inaweza kutumika kuona uhusiano kati ya jua na uwanja wa magnetic wa Sun (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Magnetogram na Mzunguko wa jua. Katika picha upande wa kushoto, inayoitwa magnetogram, tunaona polarity magnetic ya jua. Maeneo nyeusi ni pale ambapo magnetism inaelekeza kuelekea msingi wa Jua, ilhali mikoa nyeupe ni mahali ambapo inaelekeza mbali na msingi, kuelekea kwetu. Mlolongo huu mkubwa upande wa kulia unaonyesha mzunguko wa shughuli za Jua. Ramani 10 za shamba la magnetic juu ya uso wa Jua zinachukua kipindi cha miaka 7.5. Polarities mbili za magnetic (N na S) za shamba la magnetic zinaonyeshwa dhidi ya diski ya bluu kama bluu giza hadi nyeusi (N) na kama bluu nyeupe hadi nyeupe (S). Picha ya mwanzo, iliyochukuliwa Januari 8, 1992, iko chini ya kushoto na ilichukuliwa baada ya upeo wa jua. Kila picha, kutoka kushoto kwenda kulia karibu na arc, ilichukuliwa nusu hadi mwaka mmoja baada ya uliopita. Picha ya mwisho ilichukuliwa tarehe 25 Julai 1999, wakati Jua lilikuwa likikaribia upeo wa jua uliofuata. Kumbuka mifumo machache ya kushangaza kwenye ramani za magnetic: mwelekeo kutoka nyeupe hadi nyeusi polarity katika Ulimwengu wa Kusini ni kinyume na ile katika ulimwengu wa Kaskazini.

Kwa nini Jua ni sumaku yenye nguvu na ngumu? Wanaastronomia wamegundua kuwa ni dynamo ya Jua inayozalisha uwanja wa sumaku. Dynamo ni mashine inayobadilisha nishati ya kinetiki (yaani, nishati ya mwendo) kuwa umeme. Duniani, dynamos hupatikana katika mitambo ya nguvu ambapo, kwa mfano, nishati kutoka upepo au maji yanayotiririka hutumiwa kusababisha turbines kuzunguka. Katika Jua, chanzo cha nishati ya kinetic ni churning ya tabaka turbulent ya gesi ionized ndani ya mambo ya ndani ya jua ambayo sisi zilizotajwa mapema. Hizi zinazalisha umeme mikata-kusonga elektroni-ambayo kwa upande kuzalisha mashamba magnetic.

Watafiti wengi wa jua wanakubaliana kwamba dynamo ya jua iko katika eneo la convection au katika safu ya interface kati ya eneo la convection na eneo la radiative chini yake. Kama mashamba magnetic kutoka dynamo ya Jua yanavyoingiliana, huvunja, kuunganisha tena, na kuinuka kupitia uso wa Jua.

Tunapaswa kusema kwamba, ingawa tuna uchunguzi mzuri unaotuonyesha jinsi Jua linavyobadilika wakati wa kila mzunguko wa jua, bado ni vigumu sana kujenga mifano ya kimwili ya kitu ngumu kama Jua ambalo linaweza kuhesabu kwa kuridhisha kwa nini linabadilika. Watafiti bado hawajatengeneza mfano unaokubalika kwa ujumla unaoelezea kwa undani michakato ya kimwili inayodhibiti mzunguko wa jua. Mahesabu yanaonyesha kuwa mzunguko tofauti (wazo kwamba Sun huzunguka kwa viwango tofauti katika latitudo tofauti) na convection chini ya uso wa jua inaweza kupotosha na kupotosha mashamba magnetic. Hii inasababisha kukua na kisha kuoza, kuzaliwa upya na polarity kinyume takriban kila baada ya miaka 11. Mahesabu pia yanaonyesha kwamba kama mashamba yanavyoongezeka karibu na upeo wa jua, hutoka kutoka ndani ya jua kuelekea uso wake kwa namna ya matanzi. Wakati kitanzi kikubwa kinatoka kwenye uso wa jua, hujenga mikoa ya shughuli za jua (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) Magnetic Field Lines upepo Up Kwa sababu Jua linazunguka kwa kasi kwenye ikweta kuliko karibu na fito, mashamba magnetic katika Jua huwa na upepo kama inavyoonekana, na baada ya muda hufanya matanzi. Huu ni mchoro unaofaa; hali halisi ni ngumu zaidi.

Wazo hili la loops za magnetic hutoa maelezo ya asili ya kwa nini jua zinazoongoza na kufuatilia katika eneo la kazi zina polarity kinyume. Sunspot inayoongoza inafanana na mwisho mmoja wa kitanzi na doa ya kufuatilia na mwisho mwingine. Mashamba ya magnetic pia yanashikilia ufunguo wa kueleza kwa nini jua ni baridi na nyeusi kuliko mikoa isiyo na mashamba magnetic yenye nguvu. Vikosi vinavyotokana na shamba la magnetic hupinga mwendo wa nguzo za kupumua za gesi za moto zinazoongezeka. Kwa kuwa nguzo hizi hubeba joto nyingi kutoka ndani ya Jua hadi kwenye uso kwa njia ya convection, na mashamba yenye nguvu ya magnetic huzuia convection hii, uso wa Jua unaruhusiwa kupendeza. Matokeo yake, mikoa hii inaonekana kama giza, baridi ya jua.

Zaidi ya picha hii ya jumla, watafiti bado wanajaribu kuamua kwa nini mashamba magnetic ni kubwa kama wao, kwa nini polarity ya shamba katika kila ulimwengu flips kutoka mzunguko mmoja hadi mwingine, kwa nini urefu wa mzunguko wa jua inaweza kutofautiana kutoka mzunguko mmoja hadi mwingine, na kwa nini matukio kama Maunder Minimum kutokea.

Katika video hii mwanasayansi wa jua Holly Gilbert anajadili uwanja wa magnetic wa Sun.

Dhana muhimu na Muhtasari

Sunspots ni mikoa ya giza ambapo joto ni hadi 2000 K baridi kuliko photosphere inayozunguka. Mwendo wao kwenye diski ya Jua inatuwezesha kuhesabu jinsi kasi ya Jua inavyogeuka kwenye mhimili wake. Jua linazunguka kwa kasi zaidi kwenye ikweta yake, ambapo kipindi cha mzunguko ni takriban siku 25, kuliko karibu na miti, ambapo kipindi ni kidogo zaidi ya siku 36. Idadi ya jua inayoonekana inatofautiana kulingana na mzunguko wa jua ambao una wastani wa miaka 11 kwa urefu. Matangazo mara nyingi hutokea kwa jozi. Wakati wa mzunguko wa miaka 11, maeneo yote ya kuongoza katika Hifadhi ya Kaskazini yana polarity sawa ya magnetic, wakati michezo yote inayoongoza katika Ulimwengu wa Kusini ina polarity kinyume. Katika mzunguko wa miaka 11 inayofuata, polarity inarudi. Kwa sababu hii, mzunguko wa shughuli za magnetic wa Jua unaeleweka kudumu kwa miaka 22. Mzunguko huu wa shughuli unahusishwa na tabia ya shamba la magnetic ya Sun, lakini utaratibu halisi haujaeleweka.

faharasa

mzunguko tofauti

jambo ambalo hutokea wakati sehemu tofauti za kitu kinachozunguka huzunguka kwa viwango tofauti katika latitudo tofauti

Maunder Kiwango cha chini

kipindi cha karne ya kumi na nane wakati idadi ya maeneo ya jua yaliyoonekana katika mzunguko wa jua ilikuwa ya chini sana

sunspot

kubwa, giza makala kuonekana juu ya uso wa Sun unasababishwa na shughuli kuongezeka magnetic

mzunguko wa sunspot

kipindi cha miaka 11 cha nusu cha kawaida ambacho mzunguko wa jua hubadilika