Sunčeva rotacija – osnove
Priredili: dr.sc. Dragan Roša i dr.sc. Darije Maričić
Rotacija Sunca je opažena promatranjem prividnih gibanja tamnih tvorevina (Sunčevih pjega) preko Sunčeve ploče. Otkriće se pripisuje Galileiju, koji je početkom 17. stoljeća prvi upotrijebio teleskop za opažanje neba. Bilježenjem promjena položaja Sunčevih pjega iz dana u dan, Galileij je zaključio da naša zvijezda rotira.
Slika 1. Fotosfera Sunca s pjegama. Pjege mogu biti dovoljno velike da ih vidimo golim okom (obično tijekom zalaska Sunca ili kroz djelomično propusne oblake). Spadaju među najstarije zabilježene astronomske pojave (opažane iz drevne Kine). Teleskopska motrenja gibanja pjega preko Sunčeve ploče pokazuju da Sunce rotira.
Sunce rotira u istom smjeru kao i Zemlja. Ono ne rotira kao kruto tijelo, kao što je npr. biljarska kugla, kruti planeti i njihovi mjeseci. Sunce je kugla vrućeg plina (plazme), a brzina rotacije na površini mijenja se s heliografskom širinom. Christopher Scheiner je bio prvi, koji je uočio (oko 1630. godine) da je brzina rotacije sporija na većim heliografskim širinama. Područja oko ekvatora rotiraju brže i imaju period rotacije od oko 25 dana, dok u polarnim područjima period rotacije iznosi 30 dana. Ova se pojava naziva diferencijalna rotacija i osobita je za plinovita tijela, kao npr. zvijezde (Jupiter također pokazuje diferencijalnu rotaciju). Mehanizam ovakve rotacije je još uvijek tema znanstvenih istraživanja.
Iznos diferencijalne rotacije Sunca prvi puta je preciznije odredio Richard Carrington u 19. stoljeću. On je pratio pomake odabranih pjega i pronašao da sinodički rotacijski period na ekvatorskim područjima Sunca iznosi oko 27 dana. Sinodički rotacijski period je vrijeme potrebno da točka na Sunčevoj površini učini jedan ophod gledano sa Zemlje, tj. da se ponovno vrati do iste pozicije s koje je krenula. Siderički period rotacije je određen u odnosu na fiksne zvijezde. Orbitalno gibanje Zemlje oko Sunca uzrokuje da je sinodički period dulji nego siderički. Za jedan potpuni sinodički period, Sunce se gledano sa Zemlje mora zarotirati za jedan siderički period, plus dodatni dio okreta, koji je posljedica revolucije Zemlje u istom smjeru kao što je i smjer rotacije Sunca.
Slika 2. Scheinerovi crteži gibanja pjega preko Sunčeve ploče (dva niza promatranja u razmaku od šest mjeseci). Scheiner je zaključio da je Sunčeva rotacijska os nagnuta za 7° u odnosu na okomicu ekliptike.
Heliografski koordinatni sustav je određen iz opažanja Sunčeve rotacije. Na taj način definirane su Sunčeva rotacijska os i ekvator. Sustav je proizvoljan i odgovara srednjoj rotaciji ekvatorijalnih područja. Za siderički period rotacije Sunčevog ekvatora dogovorno je uzeto da iznosi 25,38 dana (Carringtonov period). Iz povijesnih razloga, pojedina rotacija je određena Carringtonovim brojevima. One se broje od 9. listopada 1853. godine. Rotacijska os je nagnuta za oko 7,25 stupnjeva u odnosu na okomicu na ekliptiku (Zemljinu stazu oko Sunca). U ožujku vidimo više južnih polarnih područja Sunca, a više sjevernih polarnih predjela je vidljivo tijekom rujna.
Slika 3. Prikaz Sunčeve diferencijalne rotacije s položajima sedam zamišljenih pjega. Drugi položaji (desna slika) su približno pet dana nakon početnih (lijeva slika). Područja bliže Sunčevom ekvatoru brže rotiraju.
Osim pjega i grupa pjega, za proučavanje diferencijalne rotacije često se koriste i druga ustrojstva na ili iznad površine (fotosfere) Sunca (kao što su filamenti, nisko-temperaturna mikrovalna područja ili koronine svijetle točke). Diferencijalnu rotaciju možemo mjeriti i neposredno pomoću Dopplerovog učinka uslijed površinskog toka plazme.
Iznos rotacije i toka plina u unutrašnjosti Sunca može se odrediti helioseizmološkim metodama. Detaljna mjerenja Dopplerovog pomaka na površini Sunca (fotosferi) ukazuju da Sunce oscilira na različitim frekvencijama. Postoje milijuni oscilacija, koje nastaju zbog velikog broja različitih valova, koji se šire površinom i kroz unutrašnjost Sunca.
Pažljive analize oscilacija Sunca pomažu znanstvenicima u razumijevanju fizikalnih uvjeta ispod vidljive površine. Kako rotacija utječe na efektivnu brzinu zvučnih valova unutar Sunca, moguće je odrediti iznos rotacije na različitim dubinama ispod fotosfere. Pronađeno je da unutrašnjost Sunca ima otprilike isti iznos rotacije kao i površina. Na udaljenosti od 0,7 polumjera Sunca od središta dolazi do promjene iz diferencijalne rotacije u rotaciju krutog tijela. Različite heliografske širine dubokih slojeva Sunca rotiraju gotovo jednakom brzinom.
Slika 4. Brzina rotacije unutrašnjosti Sunca za tri heliografske širine (0°, 30°, 60°) određena helioseizmologškim metodama. Na horizontalnoj osi je udaljenost od središta Sunca iskazana u Sunčevom polumjeru. Brzina rotacije dana je u jedinicama nHz (nanohertz), kao i frekvencija (f) rotacije. Period rotacije može se jednostavno izračunati iz relacije T = 1/f. Napomenimo da jezgra Sunca (do udaljenosti od 0,7 polumjera) rotira kao kruto tijelo.
Proučavanja Sunčeve rotacije vrlo su značajna u stvaranju dinamo modela, koji objašnjava nastanak magnetskog polja Sunca i 11-godišnji ciklus Sunčeve aktivnosti. Ukoliko bi Sunce rotiralo kao kruto tijelo, magnetsko polje bilo bi slabo i slično Zemljinom dipolnom magnetskom polju (polju štapičastog magneta). Astronomi vjeruju da diferencijalna rotacija Sunca rasteže i usukava magnetske silnice. To je moguće, jer je magnetsko polje Sunca “zamrznuto” u vrućem plinu (plazmi). Ukoliko se plin giba, on “nosi” sa sobom i magnetsko polje.
Slika 5. Zbog diferencijalne rotacije Sunca dipolno magnetsko polje mirnog Sunca na početku Sunčevog ciklusa postaje usukano. Podpovršinske magnetske silnice mijenjaju konfiguraciju iz dipolne u torodialnu. Silnice se zavijaju i prodiru kroz fotosferu, stvarajući aktivna područja zajedno s pjegama i drugim pojavama Sunčeve aktivnosti poput prominencija.
Slika Sunčeve aktivnosti je generalno prihvaćena, ali još uvijek su mnogi detalji misterija. Možemo reći da su istraživanja u ovom polju znanosti upravo počela. Mnogi različiti instrumenti na Zemlji i letjelice u svemiru opažaju u našoj blizini pojave, koje su neposredno uzrokovane djelovanjem Sunčeve aktivnosti. Sunčeva aktivnost utječe na Zemlju i na okruženje u kojem se ona nalazi. Postoje također naznake da su promjene na Suncu i njegovom zračenju u vezi sa Zemljinom klimom i meteorološkim pojavama.
S druge strane slični ciklusi aktivnosti su pronađeni i kod drugih zvijezda u svemiru. Od velike koristi je povezivanje podataka dobivenih opažanjem zvijezda i Sunca.