Ηλιακή Κηλίδα

Γενικά

Φωτόσφαιρα

Εικόνα 1, Ηλιακή Κηλίδα, J.B. Kristofersen

Αν παρατηρήσουμε τον ήλιο (ακόμα και με μικρό τηλεσκόπιο) με ηλιακό φίλτρο εύκολα θα διακρίνουμε τις ηλιακές κηλίδες. Είναι μικρές μαύρες περιοχές στην επιφάνεια του ήλιου. Ο λόγος που οι ηλιακές κηλίδες φαίνονται μαύρες είναι η χαμηλή θερμοκρασία τους σε σχέση με τη θερμοκρασία της φωτόσφαιρας που τις περιβάλει. Υπολογίζεται ότι η θερμοκρασία της σκιάς είναι περίπου 4100 Κ ενώ της φωτόσφαιρας είναι περίπου 5800 Κ. Αν απομονώναμε μια ηλιακή κηλίδα από το λαμπρό υπόβαθρο της φωτόσφαιρας θα την βλέπαμε να λάμπει με φαινόμενο μέγεθος -12. Το φαινόμενο μέγεθος του ηλιακού δίσκου είναι -26,74. Η πρώτη παρατήρηση των ηλιακών κηλίδων έγινε το 1610 από τον Γαλιλαίο και έκτοτε συνεχίζεται η παρακολούθησή τους μέχρι σήμερα. Συνήθως εμφανίζονται ανάμεσα στους κόκκους της φωτόσφαιρας, για να αναπτυχθούν στη συνέχεια παίρνοντας μεγάλες διαστάσεις ως και πάνω από 100.000 χλμ. Σε μερικές περιπτώσεις καταλαμβάνουν τεράστια έκταση έως και 15 μοίρες στον ηλιακό δίσκο. Οι πρώτοι παρατηρητές των ηλιακών κηλίδων ήταν οι εξής: ο Γαλιλαίος, ο Χάριοτ, ο Φαμπρίσιους και ο Σάινερ ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο.

Σε κάθε ηλιακή κηλίδα διακρίνουμε τα εξής χαρακτηριστικά:

•Την σκιά (umbra): μαύρη κεντρική περιοχή.

•Την παρασκιά (penumbra): λιγότερο σκοτεινή ζώνη γύρω από τη σκιά.

•Τα νήματα (filaments): διακρίνονται μέσα στην παρασκιά και έχουν κατεύθυνση ακτινική προς το κέντρο της σκιάς.

Τα χαρακτηριστικά αυτά διακρίνονται εύκολα στην εικόνα 1:

Οι κηλίδες εμφανίζονται στην αρχή σχεδόν πάντα σε ομάδες σαν μαύρες κουκίδες σε απόσταση 1.000 χλμ μεταξύ τους η μια από την άλλη. Μετά απομακρύνονται και γρήγορα φτάνουν στο μέγιστο μέγεθός τους. Στις περισσότερες περιπτώσεις διακρίνουμε σε κάθε ομάδα δυο κηλίδες που είναι σαφώς μεγαλύτερες από τις άλλες και βρίσκονται στο ίδιο περίπου ηλιακό πλάτος. Από αυτές τις δύο κηλίδες αυτή που προηγείται κατά τη διεύθυνση της περιστροφής του ήλιου λέγεται ρ-κηλίδα (preceding-ηγουμένη) ενώ η άλλη ονομάζεται f-κηλίδα (Following-επόμενη). Το μέγεθος μιας κηλίδας είναι περίπου 10.000χλμ ενώ το συνολικό μήκος μιας ομάδας στην οποία ανήκει είναι περίπου 100.000χλμ. Σπάνια η διάμετρος μιας μεγάλης κηλίδας μπορεί να φτάσει στα 80.000 χλμ και τότε μπορεί να γίνει ορατή κατά την ανατολή και δύση του ηλίου με γυμνό μάτι. Ο χρόνος ζωής των κηλίδων είναι για τις πολύ μικρές μερικές μέρες ενώ για τις μεγαλύτερες κηλίδες ή ομάδες κηλίδων είναι μέχρι και 100 μέρες, δηλαδή 4 ηλιακές περιστροφές. Στατιστικά όμως το 95% του συνολικού αριθμού των ηλιακών κηλίδων έχει χρόνο ζωής μικρότερο από 11 μέρες. Οι κηλίδες συνήθως εμφανίζονται σε δυο ζώνες βόρεια και νότια από τον ηλιακό ισημερινό σε ηλιακό πλάτος ±5 μοίρες έως ±35 μοίρες. Η συχνότητα εμφάνισης και στα δυο ημισφαίρια είναι η ίδια.

Ενδεκαετής κύκλος και Διάγραμμα Μaunder

Εικόνα 2, Ο ενδεκαετής κύκλος

Εκόνα 3, Διάγραμμα Πεταλούδας (του Mounder)

Ο αριθμός των κηλίδων και των ομάδων κηλίδων που εμφανίζονται μεταβάλλεται με τον χρόνο. Συγκεκριμένα η εμφάνιση των κηλίδων παρουσιάζει έναν 11ετή κύκλο δραστηριότητας, δηλαδή ο αριθμός τους αυξάνεται και ελαττώνεται περιοδικά κάθε 11 χρόνια (εικόνα 2). Ωστόσο σε αυτό το σημείο έχουμε να παρατηρήσουμε το εξής. Το μαγνητικό πεδίο μιας κηλίδας εξέρχεται από τη σκιά της και εισέρχεται στην επιφάνεια του ήλιου σε μια γειτονική κηλίδα αντίθετης πολικότητας . Για το λόγο αυτό η πολικότητα της ηγούμενης κηλίδας είναι συνήθως διαφορετική από της επόμενης. Επίσης αξίζει να σημειωθεί ότι η πολικότητα των ηγούμενων κηλίδων στο βόριο ημισφαίριο είναι διαφορετική από αυτή στο νότιο ημισφαίριο. Η πολικότητα αυτή αντιστρέφεται κάθε 11 χρόνια περίπου με αποτέλεσμα ο κύκλος δραστηριότητας των ηλιακών κηλίδων να θεωρείται 22ετής πλέον και όχι 11ετής. Οι πρώτες κηλίδες ενός νέου κύκλου εμφανίζονται συνήθως σε μια πλατιά ζώνη που απέχει γύρω στις 40ο από τον ηλιακό ισημερινό. Καθώς όμως ο κύκλος εξελίσσεται οι κηλίδες μετατοπίζονται προς τον ισημερινό και τελικά τον πλησιάζουν μετά από 11 περίπου χρόνια. Συγχρόνως τότε εμφανίζονται οι πρώτες κηλίδες του νέου κύκλου με αντίθετη πολικότητα. Οι επιστήμονες κατέγραψαν την κατανομή των κηλίδων κατά ηλιογραφικό πλάτος. Η κατανομή αυτή είναι γνωστή σαν διάγραμμα πεταλούδας ή και ως διάγραμμα Maunder (εικόνα 3). Η θεωρία που ερμηνεύει το διάγραμμα της πεταλούδας είναι αυτή του Babcock.

Δημιουργία - Θεωρία συστροφής μαγνητικών γραμμών

Εικόνα 4, Θεωρία συστροφής μαγνητικών γραμμών_α

Εικόνα 5, Θεωρία συστροφής μαγνητικών γραμμών_β

Η θεωρία αυτή ερμηνεύει επίσης το νόμο της πολικότητας, την αναστροφή του γενικού πεδίου και την εξαφάνιση των διπολικών μαγνητικών γραμμών. Με απλά λόγια η θεωρία αυτή έχει ως εξής: Τα μαγνητικά πεδία του ήλιου δημιουργούνται στο οριακό στρώμα της ζώνης μεταφοράς με τη ζώνη ακτινοβολίας κάτω από τη φωτόσφαιρα. Ο ήλιος είναι ρευστός και η φωτόσφαιρά του δεν περιστρέφεται σαν ένα σώμα, συγκεκριμένα στον ισημερινό η γωνιακή ταχύτητα είναι μεγαλύτερη. Αυτή η διαφορά περιστροφής συστρέφει τις μαγνητικές γραμμές των πεδίων που σε ορισμένες περιπτώσεις αναστρέφονται και δημιουργούν κλειστούς βρόχους που βγαίνουν πάνω από την επιφάνεια. οι τοπικές ανωμαλίες εμποδίζουν την ελεύθερη κίνηση των ρευμάτων οπότε δεν ανεβαίνουν θερμά αέρια προς την επιφάνεια. αυτή η ανακοπή δημιουργεί σχετικά κρύες περιοχές στα σημεία όπου ο μαγνητικός βρόχος συναντά την επιφάνεια. Για αυτό οι κηλίδες σχηματίζονται σε ζεύγη (εικόνες 4, 5).

Ταξινόμηση των κηλίδων

Ταξινομούμε τις ηλιακές κηλίδες στους εξής τύπους:

A. Μικρές κηλίδες και ομάδες κηλίδων χωρίς παρασκιά.

Β. Ομάδα μικρών κηλίδων, οι οποίες δεν έχουν παρασκιά, στην οποία διακρίνεται διπολικότητα.

C. Διπολική ομάδα όπου εμφανίζεται παρασκιά στην μεγαλύτερη κηλίδα.

D. Διπολική ομάδα όπου στις κυριότερες κηλίδες εμφανίζεται παρασκιά.

E. Εκτεταμένη διπολική ομάδα. Στις κυριότερες κηλίδες εμφανίζεται παρασκιά. Ανάμεσα στις κύριες κηλίδες παρατηρούνται μεμονωμένες κηλίδες που κάποιες φορές έχουν παρασκιά.

F. Εδώ παρατηρούνται οι πιο εκτεταμένες ομάδες κηλίδων οι οποίες παρουσιάζουν διπολικότητα και έντονη παρασκιά (καλύπτουν τουλάχιστον 15 μοίρες στην επιφάνεια της φωτόσφαιρας).

G. Αραιές, εκτεταμένες ομάδες διπολικών κηλίδων οι οποίες δεν περιέχουν μεμονωμένες κηλίδες ανάμεσα τους.

H. Ομάδα που αποτελείται από μία κύρια κηλίδα με παρασκιά. (Συχνά παρατηρούνται και κάποιες μεμονωμένες κηλίδες).

J. Τελευταίο στάδιο της εξέλιξης των κηλίδων. Αντί διπολικής ομάδας έχουμε μεμονωμένες κηλίδες με παρασκιά των οποίων η έκταση δεν ξεπερνά τις 2.5 μοίρες.

Καταμέτρηση των ηλιακών κηλίδων

Ο ημερήσιος αριθμός κηλίδων πάνω στην φωτόσφαιρα του ήλιου μας δίνει αρκετά πιστά την εικόνα της ηλιακής δραστηριότητας. Ωστόσο σπουδαίο ρόλο παίζει και η παρουσία ή όχι ομάδων κηλίδων στη φωτόσφαιρα του ήλιου. Για αυτό το λόγο πριν από 100 χρόνια περίπου ο Wolf πρότεινε η ηλιακή δραστηριότητα να εκφράζεται από το συνδυασμό του αριθμού f των μεμονωμένων κηλίδων και του αριθμού g των ομάδων των κηλίδων της φωτόσφαιρας όπου στο g να δίνεται στατιστικό βάρος 10. Έτσι προέκυψε ο αριθμός του Wolf R=k(10g+f) ο οποίος χρησιμοποιείται ευρύτατα σήμερα. Η σταθερά κ εξαρτάται από το όργανο παρατήρησης τον παρατηρητή και τις συνθήκες παρατήρησης.

Μετατόπιση των κηλίδων και περιστροφή του ήλιου

Εικόνα 6, Περιστροφή ηλιακών κηλίδων

Ο ήλιος περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του μια φορά κάθε 27 μέρες περίπου. Αυτό σημαίνει πως οι κηλίδες που περιστρέφονται μαζί του μετακινούνται κατά 13.3 μοίρες ημερήσια από την ανατολική πλευρά προς τη δυτική. Η μετακίνηση αυτή διαπιστώνεται εύκολα και μέσα λίγες ώρες. Μια κηλίδα διαγράφει την ορατή πλευρά του ήλιου μέσα σε 13.5 μέρες περίπου. Η κίνησή της είναι ταχύτερη στον ισημερινό από ότι σε μεγαλύτερα ηλιακά πλάτη. Κατά τη διάρκεια της ζωής τους οι κηλίδες μιας ομάδας παρουσιάζουν επί πλέον μικρές μετατοπίσεις κατά ηλιογραφικό μήκος και πλάτος δηλαδή ίδιες κινήσεις που μπορούν να φτάσουν τις μερικές μοίρες. Η ταχύτητα περιστροφής του ήλιου προσδιορίζεται και με άλλες μεθόδους.

Επιδράσεις των ηλιακών κηλίδων στη Γη

Οι ηλιακές κηλίδες επιδρούν στη διαμόρφωση των γήινων κλιματολογικών συνθηκών καθώς και στην ανάπτυξη των δέντρων. Τα μέγιστα των ηλιακών κηλίδων συμπίπτουν με την μέγιστη ανάπτυξη των δέντρων (θερμή εποχή με άφθονες βροχοπτώσεις). Μια σημαντική αλλά μη αποδεδειγμένη εποχή είναι η εποχή του ελαχίστου Maunder περίοδος μεταξύ των ετών 1645-1715 που θεωρείται ότι συμπίπτει με την παντελή έλλειψη ηλιακών κηλίδων με το δριμύ ψύχος που επικρατούσε τότε σε όλο το βόρειο ημισφαίριο. Η εποχή αυτή τεκμηριώνεται από ιστορικά δεδομένα και ονομάζεται μικρή εποχή των παγετώνων κατά την διάρκεια της οποίας τα ποτάμια πάγωναν και τα χιόνια παρέμεναν και στα χαμηλά υψόμετρα χωρίς να λιώνουν. Υπάρχουν βέβαια αποδείξεις ότι ο ήλιος διένυσε τέτοιες περιόδους και στο πιο μακρινό παρελθόν. Η σχέση μεταξύ της ηλιακής δραστηριότητας και του γήινου κλίματος διερευνάται ακόμη και σήμερα.