Dlaczego korona słoneczna jest o wiele gorętsza niż powierzchnia Słońca?
Naukowcy przyjrzeli się bliżej zjawisku zwanemu kinetycznymi falami Alfvéna (KAW), aby rozwikłać odwieczną tajemnicę heliofizyki – dlaczego korona słoneczna jest gorętsza od powierzchni naszej gwiazdy.
Naukowcy z University of Alabama in Huntsville (UAH) w badaniu opubliowanym w The Astrophysical Journalpotwierdzili potencjalnie kluczową rolę KAW w ogrzewaniu korony słonecznej, co mogłoby tłumaczyć czemu jest ona dużo gorętsza od powierzchni Słońca.
„Przez dziesięciolecia udowodniono, że fale Alfvéna są najlepszymi kandydatami do transportu energii z jednego miejsca do drugiego. W naszym badaniu wykorzystaliśmy je do modelowania cząstek energetycznych w plazmach kosmicznych, obserwowanych przez satelity takie jak Viking i Freja, aby odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób energia elektromagnetyczna fal, oddziałując z cząstkami, przekształca się w ciepło podczas procesu tłumienia, gdy przemieszczają się one w przestrzeni kosmicznej” – mówi Syed Ayaz z UAH.
Korona, czyli atmosfera słoneczna, to tajemniczy obszar otaczający naszą gwiazdę, który rozciąga się daleko poza widoczny dysk słoneczny, sięga do około 8 milionów kilometrów nad powierzchnią Słońca. Jednak korona słoneczna charakteryzuje się również niezwykle wysokimi temperaturami, co pozostaje zagadką, nad którą astronomowie pracują od prawie siedemdziesięciu lat.
„Badanie skupiło się na odkryciu tego, w jaki sposób energia w polu magnetycznym jest przekształcana w ciepło plazmy składającej się z naładowanych cząstek, takich jak protony i elektrony. Jednym z powodów, dla których jest ono ważne, jest to, że wciąż nie rozumiemy, dlaczego atmosfera Słońca ma ponad 1 milion stopni Celsjusza, w porównaniu z powierzchnią Słońca, która jest stosunkowo chłodna i ma 5500 stopni” – twierdzi dr Gary Zank z UAH.
Kinetyczne fale Alfvéna – powszechne w świecie plazmy – to oscylacje jonów i pola magnetycznego podczas ich przemieszczania się w plazmie słonecznej. Fale te powstają w wyniku ruchów w fotosferze, zewnętrznej powłoce Słońca, która emituje światło widzialne.
„Moje główne zainteresowanie tymi falami zostało zapoczątkowane przez uruchomienie misji Parker Solar Probe i Solar Orbiter, które podniosły kluczowe pytanie o to, w jaki sposób korona słoneczna jest ogrzewana. Jak dotąd żadna misja sondy kosmicznej nie dostarczyła prognoz dotyczących tych zjawisk w pobliżu Słońca. Naszym głównym celem było zbadanie ogrzewanie przez KAW korony słonecznej. Skupiliśmy się na ogrzewaniu i wymianie energii ułatwionej przez KAW. Powodem dużego zainteresowania tymi falami jest ich zdolność do transportu energii. Dane obserwacyjne z licznych statków kosmicznych i badania teoretyczne konsekwentnie wykazały, że KAW rozpraszają i przyczyniają się do ogrzewania korony podczas ich propagacji w przestrzeni kosmicznej” – tłumaczy Ayaz.
Ze względu na te unikalne właściwości, fale te, jak wskazują naukwocy, stanowią ważny mechanizm przenoszenia energii, kluczowy dla zrozumienia wymiany energii między polami elektromagnetycznymi a cząsteczkami plazmy.
„KAW działają w małych skalach kinetycznych i są w stanie wspierać równoległe fluktuacje pola elektrycznego i magnetycznego, umożliwiając transfer energii między polem falowym a cząstkami plazmy poprzez zjawisko zwane interakcjami Landaua. W naszym badaniu wykorzystaliśmy mechanizm tłumienia Landaua, który występuje, gdy cząstki poruszające się równolegle do fali mają prędkości porównywalne z prędkością fazową fali” – zaznacza Ayaz.
„Tłumienie Landaua to wykładniczy spadek w funkcji czasu poszczególnych fal w plazmie. Kiedy cząsteczki wchodzą w interakcję z falą, otrzymują/utracają energię – termin ten nazywany jest – stanem rezonansowym. Może to spowodować, że fala albo dostarczy swoją energię do cząstek, albo zyska od nich energię, powodując tłumienie lub wzrost cząstek. Nasze badania wykazały, że KAW szybko się rozpraszają, całkowicie przenosząc swoją energię na cząstki plazmy w postaci ogrzewania. Ten transfer energii przyspiesza cząstki na większe odległości przestrzenne, znacząco wpływając na dynamikę plazmy” – podsumowuje Ayaz.
Emil Gołoś
