File

De correlatie tussen de zonneactiviteit
0​
en de levensduur van het D​
meson
Zonneactiviteit Tussenrapport
A.H.J. Schuringa
A. Günaydın
Calandlyceum, Technasium
Pieter Calandlaan 182
Postbus 96051 (postadres)
1006 EB Amsterdam
Contact:
Tel
(A.H.J. Schuringa)
(A. Günaydin)
Email
[email protected]​
(A.H.J. Schuringa)
[email protected]​
(A. Günaydın)
Datum
Januari 2015/Februari 2015
Opgesteld voor
Jacco de Vries, NIKHEF
de​
Rutger Gast, docent 6​
klas O&O
Calandlyceum, Technasium
Zonneactiviteit Tussenrapport
1 van 13
Zonneactiviteit Tussenrapport
2 van 13
1.
Inhoudsopgave
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Inhoudsopgave
Inleiding
De zonneactiviteit & zonnecyclus
Data van de zonneactiviteit
Correlatiecoëfficiënt
Referenties
6.1. Acknowledgements
6.2. Auteurs
7. Begrippen
8. Bijlagen
Zonneactiviteit Tussenrapport
3 van 13
2.
Inleiding
De activiteit van de zon hangt sterk samen met de zonnecyclus. Actieve
gebieden, zonnevlammen, zonnevlekken, coronale gaten of coronale massa
ejecties (CME’s) kunnen de ene keer een belangrijke invloed uitoefenen op
de zonneactiviteit en de andere keer juist minder. De zonnewind kan
verstoord worden of beïnvloed worden door verschillende verschijnselen. Dit
heeft weer invloed op de aardse magnetosfeer.
De geladen deeltjes binnen de magnetosfeer van de aarde worden meer
beïnvloed door het geomagnetisch veld (GMV) dan door welk ander
krachtenveld dan ook. Echter kunnen de verstoringen in de zonnewind
veranderingen aanrichten aan de deeltjesstromen binnen de magnetosfeer
en de magnetosfeer zelf. Dit kan tot een zogenoemd geomagnetische storm
leiden, waar onder andere poollicht het gevolg kan zijn.
Vanuit de buitenste atmosfeer van onze moederster worden er
onophoudelijk interplanetair stroom van geïoniseerde gassen en andere
(geladen) deeltjes geproduceerd. Deze (geladen) deeltjes zijn meestal
elektronen, protonen en neutrino's met gewoonlijk een energie tussen de
1,5 en 10 keV. Dit allemaal wordt gedefinieerd als de
zonnewind. De temperatuur, dichtheid en snelheid van de
zonnewind door ons zonnestelsel heen varieert en is
afhankelijk van de zonneactiviteit en het voorkomen van
coronale gaten.
Een corona is een plasma of een aura wat de zon omringt.
De corona van de zon verspreidt zich miljoenen
kilometers in de ruimte en de corona is meestal het
makkelijkst te zien wanneer er een totale
zonsverduistering is of met een coronagraaf.
Een coronaal gat is een deel van de corona van de zon.
De coronale gaten veranderen constant en vervormen
omdat ze niet uniform zijn. Coronale gaten zijn gebieden
waar corona van de zon donkerder en kouder is en een lagere
plasma-dichtheid heeft dan gemiddeld omdat er lagere energie en gas
niveau’s zijn.
Zonneactiviteit Tussenrapport
4 van 13
3.
De zonneactiviteit & zonnecyclus
De zon is een ster in het centrum van ons zonnestelsel. De zon bevat hete plasma
verweven met magnetische velden. Het heeft een diameter van ongeveer
1,392,684 km en de massa van de zon beslaat 99,86% van de massa van het
zonnestelsel. Chemisch bestaat drie kwart van de zon uit waterstof en de rest
bestaat voornamelijk uit helium. De overgebleven 1,69% bevat zware elementen
zoals: zuurstof, koolstof, neon en ijzer. De zon fuseert ongeveer 620 miljoen ton
waterstof elke seconden. De afstand vanaf de zon naar de aarde is ongeveer 1
astronomische eenheid, hoewel de afstand varieert door de aphelium van de
aarde. Ongeveer op deze afstand zal het licht er 8 minuten en 19 seconden over
doen om de aarde te bereiken. Dit zonlicht is cruciaal voor het leven op de aarde.
Door het zonlicht kan het proces fotosynthese plaatsvinden op aarde.
Zoals eerder al is geschreven hangt de zonneactiviteit sterk samen met de
zonnecyclus. De activiteit van de zon kan ook wel gezien worden als de
versnelling van de zonnewind, licht en energierijke deeltjes die worden vrijgelaten
door de zon zoals zonnevlammen en coronale warmte: evenals zonnevlekken zijn
deze algemeen opgemerkte vormen van zonneactiviteit. De zonnevlekken worden
waargenomen als donkere gebieden op het oppervlak van de zon. De
temperatuur in het centrum van de zonnevlekken kan dalen tot wel 3700 Kelvin
(3426,85​
°C) vergeleken met 5700 Kelvin (5426,85°C) voor de omliggende
fotosfeer​
. Grote zonnevlekken kunnen voor enkele dagen bestaan. Zonnevlekken
zijn magnetische regio’s op de zon met een magnetische veld duizend keer
sterker dan het magnetische veld van de aarde. Zonnevlekken komen gewoonlijk
in paren voor. De ene kant zal een positieve of noord magnetisch veld hebben
terwijl de andere kant een negatieve of zuid magnetisch veld zal hebben. Het veld
is het sterkst in de donkere plekken van de zonnevlekken (de umbra) en het
zwakst in de meer lichtere plekken (de penumbra). Een explosie op het oppervlak
van de zon (zonnevlam) ontstaat door het plotseling vrijkomen van de energie die
wordt vastgehouden in de magnetische velden.
De zonneactiviteit wordt geregeld door de zonnedynamo, dit is de bron van de
polaire magnetische velden en licht dicht tegen het centrum van de zon's massa,
en een chaotisch dynamo, wat kleinere magnetische velden produceert. De
zonneactiviteit en gerelateerde gebeurtenissen worden regelmatig vastgelegd.
Het idee om het aantal zonnevlekken te berekenen werd in 1848 bedacht door de
Zwitserse astronoom Rudolf Wolf. Over een periode van 150 jaar is het Wolf-getal
door onderzoekers verzameld en berekend. De onderzoekers zijn erachter
gekomen dat de zonneactiviteit cyclisch is en ongeveer elke 9,5 tot 11 jaar een
maximum bereikt. De eerste die dit heeft opgemerkt was Heinrich Schwabe in
1843. Deze data zou heel goed van pas kunnen komen in het onderzoek: De
0​
correlatie tussen de zonneactiviteit en de levensduur van het D​
meson.
Zonneactiviteit Tussenrapport
5 van 13
4.
Data van de zonneactiviteit
Er is verschillende data van de
zonneactiviteit verkrijgbaar van de
NASA. Ook is er data van de Solar
Influences Data Analysis Center
(SIDC) in België en de US National
Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA). Hiernaast is
een afbeelding van het maandelijkse
gemiddelde Wolf-getal
(zonnevlekgetal).
Het Wolf-getal is een grootheid die
het aantal zonnevlekken en het
aantal groepen van zonnevlekken
meet die zich op het oppervlak van
de zon bevinden. Dit getal R kan
worden berekend door de
onderstaande formule:
R = k(10g + s)
waar
● k een factor is, die varieert
met het beschikbare instrumentarium en de locatie (het is ook bekend
als de observatoriumfactor of de personele reductiecoëfficiënt K ),
● g het aantal zonnevlekgroepen is en
● s het aantal individuele zonnevlekken is.
Zonneactiviteit Tussenrapport
6 van 13
Deze data is ook verkrijgbaar in een tabelvorm. Hiermee
kun je nauwkeuriger zeggen wat de zonneactiviteit op dat
punt was. Hiernaast is een voorbeeld van de data in
tabelvorm. Deze data is verkrijgbaar van de NASA. In de
tabel staan de jaartallen (YEAR), de maanden (MON), de
Wolf-getallen (SSN) en de
standaardafwijkingen/standaarddeviatie (DEV).
De data in tabelvorm kan worden gebruikt bij het
onderzoek naar de correlatie tussen de zonneactiviteit en
0​
de levensduur van het D​
meson. Om de beste resultaten
te kunnen verkrijgen moet het verschil tussen de twee
maanden qua zonneactiviteit groot zijn. Hierdoor zul je
0​
het verschil in levensduur van het D​
meson beter kunnen
concluderen. Hoe groter het verschil in zonneactiviteit,
hoe beter de resultaten zullen zijn.
In het onderzoek naar de correlatie tussen de
0​
zonneactiviteit en de levensduur van het D​
meson zal er
gebruik worden gemaakt van twee soorten data: de
0​
zonneactiviteit en de levensduur van het D​
meson. De
0​
data van de levensduur van het D​meson is beschikbaar
van het jaartal 2011. Deze data is verkregen door de PhD
student Jacco de Vries. Het rode kader is ook van het
jaartal 2011 alleen dan voor de zonneactiviteit in dat jaar
verdeeld in maanden. Van deze data zal er gebruik
worden gemaakt om te kijken of er een correlatie is
0
tussen de zonneactiviteit en de levensduur van het D​
meson. Zoals te zien is is in januari het gemiddelde
Wolf-getal het laagst en in november het hoogst. Deze
twee maanden zullen een belangrijk rol spelen in het
onderzoek.
Zonneactiviteit Tussenrapport
7 van 13
5.
Correlatiecoëfficiënt
In dit onderzoek wordt gekeken of er een correlatie tussen de zonneactiviteit
0​
en de levensduur van het D​
meson bestaat. Hierbij zal er gebruik worden
gemaakt van het correlatiecoëfficiënt. Het correlatiecoëfficiënt is een maat
voor de sterkte tussen twee variabelen X en Y , deze waarde kan variëren
tussen + 1 en − 1 , waar 1 totale positieve correlatie, 0 is geen correlatie, en
-1 is totale negatieve correlatie. Het wordt vaak gebruikt in de wetenschap
als maat voor de graad van lineaire afhankelijkheid tussen twee variabelen.
Het was ontwikkelt door Karl Pearson van een gerelateerd idee
geïntroduceerd door Francis Galton in de jaren 1880. Hieronder zijn
voorbeelden van spreidingsdiagrammen met verschillende waarden van
correlatiecoëfficiënt ( ρ ).
Als er tussen de beide grootheden een zekere lineaire samenhang is, spreekt
men van een correlatie. Er is bijvoorbeeld een correlatie tussen de
grootheden gewicht en lengte bij (volwassen) mensen. Gemiddeld neemt het
gewicht toe naarmate de lengte toeneemt.
Zonneactiviteit Tussenrapport
8 van 13
De meestgebruikte correlatiecoëfficiënt is die van Karl Pearson. Als beide
grootheden X en Y , op ratioschaal of intervalschaal zijn gemeten, wordt
hun correlatie uitgedrukt in de correlatiecoëfficiënt ρ , gedefinieerd door:
covX,Y
σXσY
, hierin is covX,Y = E[(X − EX)(Y − EY )] de covariantie van X en Y , en zijn σX en
σY de standaardafwijkingen van X en Y .
ρX,Y =
De formule voor ρ kan ook worden uitgedrukt in termen van gemiddelde en
verwachting. Sinds covX,Y = E[(X − μX)(Y − μY )] kan de formule van ρ ook
geschreven worden als
E[(X−μX)(Y −μY )]
σXσY
, hierin zijn cov en σX gedefinieerd als hierboven, is μX het gemiddelde van
X , en is E de verwachting.
ρX,Y =
Uit een steekproef wordt een schatting van de correlatiecoëfficiënt ρ
verkregen door de Pearson correlatiecoëfficiënt. Dit wordt ook wel aangeduid
als Pearsons r of uitgebreider als
Pearsonsproduct-momentcorrelatiecoëfficiënt, gedefinieerd door:
Σi(xi−x)(yi−y)/(n−1)
s(x)s(y)
Er zal gebruik worden gemaakt van de Pearson correlatiecoëfficiënt in het
onderzoek: de correlatie tussen de zonneactiviteit en de levensduur van het
0​
D​
meson. De formule zal worden ingevoerd in een programma, zoals
Microsoft Office Excel, samen met de resultaten van het onderzoek. Hieruit
zal een getal komen met − 1 ≤ ρ ≤+ 1 . Uit dit getal kan worden geconcludeerd
0
of er een correlatie is tussen de zonneactiviteit en de levensduur van het D​
meson.
r=
Zonneactiviteit Tussenrapport
9 van 13
6.
Referenties
http://web.archive.org/web/20150223021947/http://nl.wikipedia.org/wiki/Absolu
ut_nulpunt
http://web.archive.org/web/20150223021845/http://www.astronova.nl/g.html
http://web.archive.org/web/20150223022014/http://nl.wikipedia.org/wiki/Wolf-g
etal
http://web.archive.org/web/20150223022037/http://solarscience.msfc.nasa.gov/
feature1.shtml
http://web.archive.org/web/20150223022102/http://solarscience.msfc.nasa.gov/
SunspotCycle.shtml
http://web.archive.org/web/20150223022244/http://www-ssc.igpp.ucla.edu/pers
onnel/russell/papers/solwind_magsphere/
http://web.archive.org/web/20150223022530/http://www.space.com/19400-sun
-corona-secrets-suborbital-telescope.html
http://web.archive.org/web/20150223022655/http://www.sciencedaily.com/relea
ses/2010/11/101108071925.htm
http://web.archive.org/web/20150223022843/http://sohowww.nascom.nasa.gov/
explore/lessons/sunspots6_8.html
http://web.archive.org/web/20150223022854/http://image.gsfc.nasa.gov/poetry
/workbook/sunspot.html
http://web.archive.org/web/20150223023448/http://www.nasa.gov/mission_pag
es/sunearth/
http://web.archive.org/web/20150223023830/http://static.artis.nl/media/cache/
2f/4a/2f4a2a0b1be65d04e296db9583f12713.jpg
6.1. Acknowledgements
LinkedIn. ​
Rutger Robert Gast.​
Van
http://nl.linkedin.com/pub/rutger-robert-gast/27/406/641
LinkedIn. ​
Jacco de Vries. ​
Van
http://nl.linkedin.com/pub/jacco-de-vries/26/387/698
LinkedIn. ​
Anton van den Berg.​
Van
http://nl.linkedin.com/pub/anton-van-den-berg/27/a4/879
6.2. Auteurs
LinkedIn. ​
Auke Schuringa​
. Van
https://www.linkedin.com/pub/auke-schuringa/a5/a1/196
LinkedIn. ​
Alparslan Günaydın​
. Van
https://www.linkedin.com/pub/alparslan-gunaydin/83/33b/128
Zonneactiviteit Tussenrapport
10 van 13
7.
Begrippen
Verschillende begrippen die zijn gebruikt in dit tussenrapport worden
hieronder verder uitgelegd.
Zonnecyclus
De elfjarige cyclus van zonneactiviteit, en samenhangend daarmee de
periode waarin het aantal zonnevlekken op de zon varieert.
Zonnevlam
Een explosie op het oppervlak van de zon, die ontstaat door het
plotseling vrijkomen van de energie die werd vastgehouden in de
magnetische velden.
Zonnevlek
Dit zijn relatief donkere gebieden op het oppervlak van de zon. De
temperatuur in het centrum van de zonnevlekken kan dalen tot wel
3700 Kelvin (3426,85​
°C) vergeleken met 5700 Kelvin (5426,85°C)
voor de omliggende fotosfeer​
.
Coronale gaten
Een coronaal gat is en deel van de corona van de zon. De coronale
gaten veranderen constant en hervormen omdat ze niet uniform zijn.
Coronale gaten zijn gebieden waar de corona van de zon donkerder en
kouder is en een lagere plasma-dichtheid heeft dan gemiddeld omdat
er lagere energie- en gasniveau’s zijn.
Zonnewind
Een stroom van geladen deeltjes die ontsnappen van het oppervlak
van de zon.
Magnetosfeer
Dit is het gebied rond een hemellichaam binnen de invloedssfeer van
het magnetisch veld veroorzaakt door het hemellichaam zelf.
Geomagnetisch veld
Het magnetisch veld van de aarde. Binnen dit veld bevindt zich een
magnetosfeer.
Zonneactiviteit Tussenrapport
11 van 13
Geomagnetische storm
Een tijdelijke krachtige verstoring van de magnetosfeer van de aarde
als gevolg van fluctuaties in de zonnewind. Tijdens een
geomagnetische storm neemt de stroom van elektrisch geladen
deeltjes in de magnetosfeer en de ionosfeer sterk toe.
Corona
Dit is een plasma of een aura wat de zon omringt. De zon zijn corona
verspreidt zich miljoenen kilometers in de ruimte en de corona is
meestal het makkelijkst te zien wanneer er een totale
zonsverduistering is of met een coronagraaf.
Zonnedynamo
Dit is de bron van de polaire magnetische velden en licht dicht tegen
het centrum van de zon’s massa.
0​
D​
meson
0​
Het D​
meson is het subatomaire deeltje waar in dit onderzoek de data
analyse aan wordt verricht. Het bestaat uit een charm-quark en
-​
+​
up-antiquark en vervalt in het K​
meson en het π​
meson.
Zonneactiviteit Tussenrapport
12 van 13
8.
Bijlagen
Hierboven zijn de zonnevlammen te zien. En daarnaast (rechter) zijn de
zonnevlekken duidelijk te zien in het zwart.
Hierboven is er een afbeelding van het poollicht wat onstaat door de zonnewind.
Zonneactiviteit Tussenrapport
13 van 13