Bezoek aan zonnekoepel Ukkel

Voorstelling van de zonnekoepel te Ukkel aan
bezoekers
1. Inleiding (tijdens de begeleiding van de bezoekers naar de
koepel)
Eén van de hoofdactiviteiten van het Departement voor Zonnefysica is de observatie
van de zon en de analyse van de gegevens om de evolutie van de zonneactiviteit in de
reële tijd op te volgen. De optische waarnemingen worden gemaakt in deze
zonnekoepel, welke één van de twee koepels is die tegenwoordig nog steeds
ononderbroken in werking is .
We gaan een lange trap beklimmen, vermits de koepel is geplaatst op een kleine 10m
hoge toren. Hierdoor staat de telescoop net boven de meest turbulente atmosferische
laag en verbetert de kwaliteit van de beelden. Voor ons, zonneastronomen, is de
turbulentie overdag inderdaad zeer sterk door de opwarming van de grond, muren en
gebouwen door de zon, die per definitie helder schijnt tijdens observaties.
2. Algemene beschrijving van de koepel en de telescoop
(terwijl de groep aankomt bij de telescoop)
2.1.
Koepel
[Vraag de bezoekers een cirkel te vormen rond de telescoop. Zeg hen op te letten voor
kabels en voor de motor van de koepel (boven de trap in de vroege namiddag).]
Zoals alle andere koepels op deze site, dateert deze koperen koepel uit de tijd van de
bouw van het Observatorium eind 19de eeuw. Hij is ongeveer 110 jaar oud.
De zonnetelescoop zelf is nieuwer en werd gebouwd in 1955, ter voorbereiding van
het Internationaal geofysisch Jaar, om een opvolging van de zonneactiviteit uit te
voeren als onderdeel van een internationaal netwerk van zonnewaarnemingen.
2.2.
Opbouw en onderstel van de telescoop
We noemen dit de equatoriale zonnetafel omdat het bestaat uit een grote tafel
steunend op een equatoriaal onderstel, waarop verschillende telescopen gemonteerd
kunnen worden.
Dit onderstel heeft een vreemde schuine as, die eigenlijk exact evenwijdig is met de
rotatie-as van de Aarde. Door eenvoudigweg het onderstel rond deze as te draaien met
een constante snelheid van 1 omwenteling per dag, wordt de rotatie van de Aarde
gecompenseerd. Zo blijft de zon op een handige manier gefixeerd in het beeldveld
van alle instrumenten op de tafel. Je kan het aanhoudende gezoem van de motor horen.
Deze motor moet zeer nauwkeurig werken, maar kan toch heel klein zijn (open de
afsluiting van de motor en toon de kleine zwarte stapmotor). Hoewel de telescoop
ongeveer 2 ton weegt, is hij inderdaad perfect in evenwicht door de plaatsing van
alle tegengewichten (toon de verschillende tegengewichten).
1
De telescoop wordt nu bestuurd en gericht door een computer, geplaatst in een
kamer op de benedenverdieping. Oude motoren worden nu vervangen door
stapmotoren die gebruikt worden in robotica.
3. Visuele waarnemingen van de zon en de zonnevlekken
3.1.
Visuele telescoop
Momenteel zijn er 3 telescopen gemonteerd op de equatoriale zonnetafel.
De middelste is een historische Grubb refractor (15 cm opening) die gebruikt wordt
voor visuele waarnemingen. De telescoop wordt alleen gebruikt als een projector, die
het intense licht van de zon gebruikt om hier (toon het scherm) een 25-cm beeld van
de zonneschijf te projecteren.
Hier kan je de zon “live” zien in wit licht, i.e. zichtbaar licht.
[Nodig de bezoekers uit het beeld te bekijken door rond de telescoop te wandelen.
Herinner hen eraan dat ze moeten opletten dat ze hun hoofd niet stoten en dat ze niet
tegen de telescoop mogen leunen.]
3.2.
De zonnefotosfeer, zonnevlekken en faculae
De laag die het intense licht van de zon uitzendt, noemt men de fotosfeer. Hij heeft een
temperatuur van ongeveer 6000 graden. Het zonneoppervlak is echter niet
homogeen. Er zijn donkere lokale vlekken, de zonnevlekken, die overeenkomen met
gebieden die een beetje koeler zijn dan het gemiddelde zonneoppervlak (ongeveer
4500 graden). De vlekken komen steeds voor in groepen en ontwikkelen zich over
verschillende dagen of weken. Ze duiden de plaatsen aan waar intense magnetische
velden bovenkomen op het zonneoppervlak. Deze velden, die 100 tot 1000 keer
sterker zijn dan het magneetveld van de Aarde, veroorzaken de zonnevlammen, de
meest energetische fenomenen in het zonnestelsel. Bij dergelijke gebeurtenissen
worden deeltjes verhit tot miljoenen graden en uitgestoten in de zonneatmosfeer.
Deze gebeurtenissen kunnen dan storingen veroorzaken in het magneetveld van de
Aarde en onderbrekingen van telecommunicatieverbindingen en ze vormen een
ernstig gevaar voor satellieten en astronauten in de ruimte.
Vaak kan je ook heldere vlekken zien, in het bijzonder dichtbij de rand rond groepen
van zonnevlekken. Deze heldere filamenten noemt men faculae, en worden
geproduceerd door sterk geconcentreerde magnetische velden. Ze duiden dus op
een verhoogde activiteit, maar te zwak om zonnevlekken te veroorzaken.
3.3.
De zonnevlekindex en de zonnecyclus
Het is dus belangrijk om de evolutie van de zonnevlekken op te volgen, ook op lange
termijn. Het aantal zonnevlekken en dus het niveau van de zonneactiviteit varieert
immers over een 11-jarige cyclus. Dit is wellicht het eerste consistent proces dat
gevonden werd op de zon in de 19de eeuw, maar het is tot op heden nog niet
verklaard. Toch is het essentieel om deze seculiere variatie te begrijpen omdat deze
mogelijk een direct verband heeft met de evolutie van het klimaat op Aarde. Er
zijn eigenlijk maar drie factoren die het klimaat bepalen: vulkanische activiteit,
menselijke activiteiten, en de zon. Enkele vroege zonnewaarnemingen tonen
2
bijvoorbeeld aan dat de zonnecyclus verdween en de zon een lage activiteit had
zonder enige zonnevlek gedurende 60 jaar van 1650 tot 1710. De kronieken van die
periode tonen aan dat gedurende dezelfde periode het klimaat in Europa koeler was, met
koude winters en dichtgevroren rivieren (cf. schilderijen).
3.4.
Het Wolfgetal en het SIDC
Om die reden is het belangrijk een consistente opname van de zonneactiviteit bij te
houden op lange termijn. De visuele observatie van zonnevlekken gedurende de
laatste 3 eeuwen voorziet net hierin. Daarom worden dergelijke fundamentele
waarnemingen ook nu nog voortgezet, ondanks het feit dat er meer recentere technieken
bestaan, maar nog maar enkele jaren.
De systematische waarneming van zonnevlekken werd gestart in Zurich door
Rudolf Wolf, die de Wolf zonnevlekindex definieerde. Sinds 1981 wordt de
internationale zonnevlekindex vastgesteld hier in Ukkel. We werken als het World
Data center for the sunspot index, genoemd het SIDC. Onze taak is een wereldwijd
netwerk van ongeveer 80 professionele en amateur waarnemers te leiden, hun
waarnemingen te verzamelen en te verwerken. We onderhouden het archief van de
zonnevlekindex dat 3 eeuwen omvat, en we verstrekken elke maand voorspellingen
voor de evolutie van de zonneactiviteit op korte termijn. Deze gegevens worden
verspreid over tientallen geregistreerde gebruikers (private en publieke instellingen,
onderzoekslaboratoria en particuliere bedrijven die werken in e.g. telecommunicatie,
elektriciteitsdistributie, pijpleidingen).
Het meetstation hier in Ukkel is dus één van de meetstations in het netwerk. We
doen echter meer dan alleen de bepaling van de zonnevlekindex. Van de waarnemingen
gemaakt te Ukkel houden we eveneens een meer gedetailleerd verslag bij van elke
groep zonnevlekken, vanaf het verschijnen tot het definitieve verval. Het is dus één van
de referentiemeetstations van het SIDC.
Merk op dat de zonnetelescopen van Ukkel observaties verschaffen op ongeveer 220
tot 250 dagen per jaar, een redelijk hoge productiviteit gezien het veranderlijke weer
en de sterke bewolking van ons Belgische klimaat. In dit opzicht is het de actiefste
telescoop op deze site.
4. CCD camera’s en zonnevlam observerende telescoop
4.1.
Wit-licht CCD telescoop
De witte telescoop die zich aan de rechterkant van de visuele telescoop bevindt, is een
nieuwe telescoop (15 cm opening van Lichtenknecker) uitgerust met een digitale
CCD camera. Hij maakt beelden van de fotosfeer die gelijkaardig zijn aan de visuele
beelden. Echter, doordat de beelden numeriek in de reële tijd kunnen verkregen worden,
kunnen kwantitatieve metingen afgeleid worden die niet verkregen kunnen
worden door visuele tekeningen: het tellen van de zonnevlekken, plaats, contrast.
Andere kenmerken kunnen ook gemeten worden, zoals de subtiele lage-contrast
faculae, die overeenkomen met zwakkere maar meer geconcentreerde magnetische
velden. Dit was onmogelijk aan de hand van visuele waarnemingen.
3
Wit-licht CCD camera
Optica
Filtering en bandbreedte
Camera
Beeldveld
Methode om beelden te maken
Observatiemethode
4.2.
 Lichtenknecker, doublet objectief,
D=150mm, f=1600mm
 Focal reducer
 Full-aperture metal on glass neutral
density filter (, JMB, 5 densities,
i.e. 1/100000 attenuation)
 Breedband filter (Schott, blauwgroen), Centrale golflengte: 510nm,
bandbreedte: 10nm
DALSA CA-D7, 1024x1024pixels (sensor
area 12 x 12 mm), MPP mode (weinig
ruis) zonder koeling.
12 bit digitale output @ 10MHz
Beeldentempo tot 8 beelden/s (fast
readout)
1.05 zonnestralen
Hoog ritme met beeldselectie in reële tijd
synoptisch (1 tot 10 beelden /dag)
H-alpha chromosferische CCD camera
De telescoop aan de linkerkant van de visuele telescoop heeft als doel CCD beelden te
maken van de chromosfeer in de H-alpha lijn, een prominente absorptielijn van
Waterstof in het rode gebied van het visuele spectrum.
Om het licht geproduceerd door deze smalle spectrale lijn te isoleren, is de telescoop
uitgerust met een Lyot filter (toon de zwarte afsluiting van de filter), een optisch
apparaat dat een smalle golflengteband met breedte 0.7 Angstrom isoleert. Omdat
Waterstof in deze lijn sterk absorbeert en omdat we de zonneatmosfeer waarnemen van
bovenaf, detecteren we op die manier een hogere laag in de zonneatmosfeer, namelijk
de chromosfeer. In deze laag kunnen de zonnevlekken onmiddellijk waargenomen
worden als heldere structuren. Deze telescoop, die uitgerust is met dezelfde camera als
de wit-licht telescoop, kan bijgevolg gebruikt worden als een zonnevlam observerend
instrument om reeksen van zonnevlammen te detecteren en vast te leggen. Die hevige
fenomenen vinden lukraak plaats en hebben een snelle evolutie (ontsteking in minder
dan een minuut, duur tussen 5 tot 45 minuten). In de chromosfeer kan je ook de
protuberansen waarnemen die we voor het eerst ontdekten tijdens zonne-eclipsen.
H-alpha CCD camera
Optica
Filtering
 doublet
objectief,
D=130mm,
f=1440mm
 Lyot filter (Origineel ontwerp,
gebouwd door Levalois-Perret, Item
4
Camera
Beeldveld
Methode om beelden te maken
Observatiemethode
4.3.
N°11, ~1950)
 Golflengte: 656,2 nm)
 Bandbreedte: 0.07nm
 Thermisch gestabiliseerde afsluiting
(40°+/- 0.5°)
DALSA CA-D7, 1024x1024pixels (sensor
area 12 x 12 mm), MPP mode (weinig
ruis) zonder koeling.
12 bit digitale output @ 10MHz
Beeldritme tot 8 beelden/s (fast readout)
1.3 zonnestralen
Hoog ritme met een beeldselectie in reële
tijd
synoptisch (1 tot 10 beelden /dag)
Verwerking en verspreiding van de beelden
We hebben gekozen voor snelle camera’s, die vrij ongebruikelijk zijn in de astronomie,
om de sterke turbulentie te overwinnen die verantwoordelijk is voor het vervagen
van details in beelden van de zon. Er wordt een snelle opeenvolging van beelden
verkregen en een digitale beeldselectie uitgevoerd, om de enkele beelden te kiezen die
gemaakt werden tijdens de toevallige korte stabiele momenten. De details die zo
vastgelegd worden, benaderen wat het menselijke oog kan detecteren in de visuele
waarnemingen. Omwille hiervan waren beelden van de zon tot nu toe steeds van lagere
kwaliteit dan de visuele tekeningen.
De camera’s en de telescopen worden bestuurd vanuit de controlekamer op de
benedenverdieping. Dit zorgt voor gunstige en comfortabele werkomstandigheden
voor de waarnemers. Om turbulentie rond de telescoop te vermijden, is de
temperatuur in de koepel immers steeds de buitentemperatuur, i.e. soms
temperaturen onder 0 graden in de winter.
Eens de beelden zijn vastgelegd, worden ze onmiddellijk opgeslagen in ons centraal
archief, naast de beelden van onze andere projecten die gebruik maken van
instrumenten in de ruimte. Vermits ruimtebeelden andere golflengten tonen en dus
andere lagen van de zonneatmosfeer, vullen de waarnemingen uit de ruimte en die
van op de Aarde elkaar volledig aan. Dergelijke “klassieke” waarnemingen van op
Aarde verzekeren eveneens de continuïteit op lange termijn, aangezien ze de grote
tijdspannen tussen ruimtemissies van korte duur overbruggen.
De beelden worden eveneens op de website van het SIDC geplaatst, zodat ze
wereldwijd toegankelijk zijn bijna onmiddellijk na opname. We zijn één van de
weinige observatoria in de wereld (minder dan 10) die dergelijke “live” gegevens ter
beschikken stellen. Dergelijke gegevens en beelden die nauw aansluiten bij de reële tijd
worden nu uitgebreid gebruikt door verschillende diensten op alle continenten die
de zonneactiviteit voorspellen.
5
5. Toekomstplannen
Hoewel de nieuwe technieken om beelden te maken nu bestaan en meer en meer
verspreid worden, zal de visuele waarneming van zonnevlekken nog vele jaren
worden voortgezet. We moeten inderdaad continuïteit en overeenkomst verzekeren
tussen nieuw ontwikkelde indices gebaseerd op nieuwe instrumenten en het oude
Wolf getal, dat tot op vandaag onze enige meetbare link is met het verre verleden.
Daarom moeten beide technieken naast elkaar gebruikt worden gedurende
minstens 1 zonnecyclus of langer. Vermits we optreden als hoofd van het SIDC,
willen we gebruik maken van onze gemoderniseerde observaties om die toekomstige
cruciale overschakeling voor te bereiden.
F. Clette (2005/08/18)
6