A Nap légkörének tanulmányozása a 2017-es teljes napfogyatkozással

A teljes napfogyatkozás valahol a Földön körülbelül 18 havonta történik. De mivel a Föld felszíne többnyire óceán, a legtöbb napfogyatkozás csak rövid ideig látható a föld felett, ha egyáltalán. A 2017. augusztus 21-i teljes napfogyatkozás más - útja közel 90 percig húzódik a föld felett, ami a tudósoknak soha nem látott lehetőséget kínál tudományos mérések elvégzésére a földről.

Amikor a Hold augusztus 21-én a Nap elé mozog, teljesen elfedi a Nap fényes arcát. Ez egy égi egybeesés miatt történik - bár a Nap körülbelül 400-szor szélesebb, mint a Hold, az augusztus 21-i Hold körülbelül 400-szor közelebb lesz hozzánk, így látszólagos méretük az égen szinte egyenlő lesz. Valójában a Hold valamivel nagyobbnak tűnik számunkra, mint a Nap, ami lehetővé teszi, hogy egyes helyeken több mint két és fél percig teljesen eltakarja a Napot. Ha pontosan ugyanaz a látszólagos méretük lenne, a teljes napfogyatkozás csak egy pillanatig tartana.

A napfogyatkozás feltárja a Nap koronának nevezett külső légkörét, amely egyébként túl homályos ahhoz, hogy a fényes Nap mellett láthassa. Habár a koronát az űrből tanulmányozzuk koronakapcsolatoknak nevezett eszközökkel - amelyek mesterséges fogyatkozásokat hoznak létre egy fém korong segítségével a Nap arcának elzárására -, a Nap légkörének még mindig vannak olyan alacsonyabb régiói, amelyek csak a teljes napfogyatkozások alatt láthatók. A diffrakciónak nevezett fénytulajdonság miatt a koronakorong korongjának el kell zárnia mind a Nap felületét, mind a korona nagy részét annak érdekében, hogy éles képeket kapjon. De mivel a Hold olyan messze van a Földtől - kb. 230 000 mérföldnyire a napfogyatkozás alatt -, a diffrakció nem kérdés, és a tudósok képesek részletesen megmérni az alsó koronát.

A NASA kihasználja a 2017. augusztus 21-i napfogyatkozást azáltal, hogy 11 földi alapú tudományos vizsgálatot finanszíroz az Egyesült Államokban. Ezek közül hat a Nap koronájára összpontosul.

Az űrjárási idő forrása

A Napunk egy aktív csillag, amely folyamatosan felszabadítja a töltött szél részecskék és mágneses mezők áramlását, amelyet napszélnek hívnak. Ez a napszél, valamint a koronatömegkidobásoknak nevezett különálló napanyagcseppek hatással lehetnek a Föld mágneses mezőjére, részecskéket küldhetnek le a légkörünkbe, és - ha intenzívek - a műholdakra is hatással vannak. Bár képesek vagyunk nyomon követni ezeket a napkitöréseket, amikor elhagyják a Napot, az előrejelzés kulcsa abban rejlik, hogy tanulmányozzák eredetüket az alsó koronában tárolt mágneses energiában.

A coloradói Boulderben található Magashegyi Obszervatórium Philip Judge bírója által vezetett csapat új eszközökkel tanulmányozza a korona mágneses térszerkezetét, ennek a légköri rétegnek a leképezésével a napfogyatkozás során. A műszerek a koronát úgy fogják ábrázolni, hogy a wyoming-i Casper közelében fekvő hegytetőről a mágneses mező által látható és közel infravörös hullámhosszon hagyott ujjlenyomatokat láthassák. Az egyik műszer, a POLARCAM, a sáska garnéla szemén alapuló új technológiát alkalmazza az új polarizációs mérések megszerzéséhez, és a jövőbeni űrmissziókban való felhasználás koncepciójának bizonyítékául szolgál. A kutatás javítani fogja annak megértését, hogy a Nap miként generálja az időjárást az űrben.

"Összehasonlítani szeretnénk az általunk rögzített infravörös adatokat és a NASA Solar Dynamics Observatory és a JAXA/NASA Hinode műholdja által rögzített ultraibolya adatokat" - mondta bíró. "Ez a munka megerősíti vagy megcáfolja annak megértését, hogy a fény a teljes spektrumban miként alakul ki a koronában, talán segít megoldani néhány zaklató nézeteltérést."

A kamera eredményei kiegészítik az infravörös koronát ábrázoló levegőben végzett vizsgálat adatait, valamint egy másik, földi alapú infravörös vizsgálatot, amelyet Paul Bryans vezetett a Magas Tengerszintű Obszervatóriumban. Bryans és csapata egy utánfutóban ülnek a wyoming-i Casper-hegy tetején, és egy speciális műszert mutatnak a napfogyatkozásra. A műszer egy spektrométer, amely összegyűjti a Nap fényét, és elválasztja a fény egyes hullámhosszait, mérve azok intenzitását. Ez a speciális spektrométer, az úgynevezett NCAR légi interferométer, először vizsgálja meg a napkorona által kibocsátott infravörös fényt.

"Ezek a tanulmányok kiegészítik egymást. Rendelkezünk spektrális információkkal, amelyek feltárják a fény összetevőinek hullámhosszait" - mondta Bryans. "És Philip Judge csapatának megvan a térbeli felbontása, hogy megmondja, honnan származnak bizonyos jellemzők."

Ez az új adat segít a tudósoknak a korona bonyolult mágneses mezőjének jellemzésében - ez fontos információ az űrjárási időjárási események megértéséhez és végül az előrejelzéshez. A tudósok kiegészítik tanulmányukat úgy, hogy elemzik az eredményeiket a NASA Solar Dynamics Observatory és a NASA/JAXA Hinode közös fedélzetén lévő egyéb műszerek megfelelő űralapú megfigyelései mellett.

Az Oregon állambeli Madrasban Nat Gopalswamy vezetésével a NASA munkatársai, a NASA Goddard Űrrepülési Központjában Greenbeltben (Maryland) egy új, speciális polarizációs kamerát fognak mutatni a Nap gyenge külső légkörére, a koronára, több másodperces expozícióval négy órakor. a kiválasztott hullámhosszakat alig több mint két perc alatt. Képeik a korona napelemének hőmérsékletére és sebességére vonatkozó adatokat rögzítik. Jelenleg ezeket a méréseket csak a teljes napfogyatkozás alatti Föld-alapú megfigyelésekkel lehet elérni.

A korona tanulmányozásához a teljes napfogyatkozáson kívül eső helyeken és helyeken a tudósok olyan koronaszabályokat használnak, amelyek a fogyatkozásokat utánozzák, mivel szilárd korongok segítségével a Nap arcát ugyanúgy elzárják, mint a Hold árnyékát. A tipikus koszorúk polarizátorszűrőt használnak egy olyan mechanizmusban, amely három hullámhossz-szűrőnél egymás után három szögben átfordul. Az új kamerát úgy tervezték, hogy kiküszöbölje ezt a nehézkes, időigényes folyamatot, több ezer apró polarizációs szűrő beépítésével, hogy egyszerre olvassa le a különböző irányokban polarizált fényt. Ennek az eszköznek a tesztelése döntő lépés a koszorúk és végső soron a korona - a Föld űrkörnyezetét kitöltő napsugárzás gyökere - megértésének javítása felé.

Megmagyarázhatatlan koronahevítés

Egy másik rejtélyre adott válasz az alsó koronában is rejlik: Úgy gondolják, hogy a titkokat egy olyan régóta fennálló kérdés rejti magában, hogy a nap atmoszférája hogyan éri el az ilyen váratlanul magas hőmérsékletet. A Nap koronája sokkal forróbb, mint a felszíne, ami ellentmondásos, mivel a Nap energiáját magja fúziója hozza létre. Általában a hőmérséklet folyamatosan csökken, amikor eltávolodik ettől a hőforrástól, ugyanúgy, ahogy hűvösebb is lesz, amikor eltávolodik a tűztől - de nem a Nap légköre esetén. A tudósok azt gyanítják, hogy a részecskék mozgásának részletes vizsgálata az alsó koronában segíthet nekik feltárni azt a mechanizmust, amely ezt a hatalmas fűtést előidézi.

Padma Yanamandra-Fisher, az Űrtudományi Intézet munkatársa kísérletet folytat az alsó korona polarizált fényben történő elkészítéséhez. A polarizált fény az, amikor az összes fényhullám azonos módon van irányítva, és akkor keletkezik, amikor a közönséges, nem polarizált fény áthalad egy közegen - ebben az esetben a belső napkorona elektronjai.

"A belső napkorona polarizált fényerejének mérésével és numerikus modellezéssel kinyerhetjük a látóvonal mentén az elektronok számát" - mondta Yanamandra-Fisher. "Lényegében feltérképezzük a szabad elektronok eloszlását a belső napkoronában."

A belső korona polarizált fényben történő feltérképezése a választások sűrűségének feltárása érdekében kritikus tényező a koronahullámok modellezésében, amely a koronahő egyik lehetséges forrása. A NASA által finanszírozott Citizen CATE nevű állampolgári tudományos projekt által összegyűjtött nem polarizált fényképekkel együtt, amelyek az egész országból fogyatkozási képeket fognak gyűjteni, ezek a polarizált fénymérések segíthetnek a tudósoknak a napkorona szokatlanul magas hőmérsékletének kérdésében.

Shadia Habbal, a Hawaii Egyetem Honolului Csillagászati Intézetének vezetője egy tudóscsoportot vezet arra, hogy a Napot a teljes napfogyatkozás idején ábrázolja. A napfogyatkozás hosszú útja a szárazföld fölött lehetővé teszi a csapat számára, hogy négy helyszínen, egymástól mintegy 600 mérföldre, öt helyszínről képeket ábrázoljon a Napról, lehetővé téve számukra a korona rövid távú változásainak nyomon követését és növelve a jó idő esélyét.

Spektrométereket fognak használni, amelyek elemzik a korona különböző ionizált elemei által kibocsátott fényt. A tudósok egyedi szűrőket is alkalmaznak a korona bizonyos színekben történő szelektív leképezéséhez, amely lehetővé teszi számukra, hogy közvetlenül bejárják a Nap külső légkörének fizikáját.

Ezekkel az adatokkal feltárhatják a korona összetételét és hőmérsékletét, és megmérhetik a Napból kifolyó részecskék sebességét. A különböző színek különböző elemeknek felelnek meg - nikkel, vas és argon -, amelyek elvesztették az elektronokat, vagy ionizálódtak a korona rendkívüli melegében, és mindegyik elem meghatározott hőmérsékleten ionizált. Az ilyen információk együttes elemzésével a tudósok abban reménykednek, hogy jobban megértsék a koronát hevítő folyamatokat.

Amir Caspi, a délnyugati kutatóintézet, Boulder, Colorado, és csapata a NASA két WB-57F kutatógépével veszi fel a megfigyeléseket a repülőgépek orrára szerelt ikertávcsövekből. A nap legtisztább képeit rögzítik a Nap külső atmoszférájáról - a koronáról - és a Merkúr minden idők első termikus képét.