Ukryta siła przegrzewająca koronę słoneczną

W nowym badaniu zagłębiono się w tajemnicze nagrzewanie korony słonecznej, znacznie gorętszej niż powierzchnia Słońca, przez soczewkę kinetycznych fal Alfvéna (KAW).

W badaniach przeprowadzonych na Uniwersytecie Alabama w Huntsville sprawdzano, w jaki sposób fale te przenoszą energię i przyczyniają się do ogrzewania koronowego słońca. W badaniu zbadano rolę energii elektromagnetycznej w plazmie kosmicznej, koncentrując się na interakcji KAW z cząsteczkami, ostatecznie przekształcając tę ​​energię w ciepło. Praca ta może dostarczyć krytycznego wglądu w fizykę Słońca, szczególnie w zrozumieniu różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią Słońca a jego atmosferą.

Odkrywanie tajemnic ogrzewania koronowego słonecznego

W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie naukowiec z Uniwersytetu Alabama w Huntsville (UAH) zbadał krytyczne aspekty zjawiska zwanego kinetycznymi falami Alfvéna (KAW), aby uzyskać nowy wgląd w odwieczną tajemnicę heliofizyki. The Dziennik astrofizyczny. Syed Ayaz, asystent naukowy w Centrum Badań nad Plazmą Kosmiczną i Aeronomią UAH (CSPAR), zbadał potencjalnie kluczową rolę KAW w podgrzewaniu korony słonecznej, przybliżając naukę o krok do rozwiązania zagadki, dlaczego korona jest wielokrotnie gorętsza niż powierzchnia samego Słońca.

Rola kinetycznych fal Alfvéna w fizyce Słońca

„Przez dziesięciolecia udowodniono, że fale Alfvéna są najlepszymi kandydatami do transportu energii z jednego miejsca do drugiego” – mówi Ayaz, zauważając potencjalną rolę KAW w napędzaniu ciepła koronalnego. „W artykule wykorzystano nowatorskie podejście do modelowania cząstek energetycznych w plazmie kosmicznej, obserwowane przez satelity takie jak Viking i Freja, aby odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób energia elektromagnetyczna fal oddziałujących z cząsteczkami przekształca się w ciepło podczas procesu tłumienia, gdy fale przechodzą przez przestrzeń. Nasze badanie bada zaburzone pola elektromagnetyczne, wektor strumienia Poyntinga i szybkość dostarczania mocy przez KAW w atmosferze słonecznej.

Korona, czyli atmosfera słoneczna, to zagadkowy obszar otaczający naszą gwiazdę, który rozciąga się daleko poza widzialny dysk Słońca, rozciągając się na około osiem milionów kilometrów nad powierzchnią Słońca. Jednak koronę charakteryzują także niezwykle wysokie temperatury, co stanowi tajemnicę, która fascynuje astrofizyków od prawie siedemdziesięciu lat.

Badanie fal Alfvéna w skalach kinetycznych

„Syed to jeden z naszych wybitnych studentów, który dopiero rozpoczyna karierę naukową” – mówi dr Gary Zank, dyrektor CSPAR i przewodniczący Aerojet Rocketdyne na Wydziale Nauk o Kosmicznej UAH. „Jego ciągłe zainteresowanie falami Alfvéna, które rozpoczęło się podczas studiów w Pakistanie, podczas pracy ze swoim mentorem, dr Imranem A. Kahnem, zaowocowało obecnie badaniem tych fal w bardzo małych skalach, tak zwanej skali kinetycznej w osocze. Jego praca oferuje ważny wgląd w kluczowy problem przekształcania energii w polu magnetycznym w celu ogrzania plazmy zawierającej naładowane cząstki, takie jak protony i elektrony. Jednym z powodów, dla których praca Syeda jest ważna, jest to, że wciąż nie rozumiemy, dlaczego atmosfera Słońca ma temperaturę ponad miliona stopni w porównaniu z powierzchnią Słońca, która ma stosunkowo chłodne 6500 stopni”.

Kinetyczne fale Alfvéna – obfite w całym plazmowym wszechświecie – to oscylacje jonów i pola magnetycznego przemieszczających się przez plazmę słoneczną. Fale powstają w wyniku ruchu fotosfery – zewnętrznej powłoki Słońca, która emituje światło widzialne.

„Moje główne zainteresowanie tymi falami zostało zapoczątkowane przez wystrzelenie Sonda słoneczna Parkera oraz misje Solar Orbiter, które podniosły kluczowe pytanie o to, w jaki sposób nagrzewa się korona słoneczna” – mówi Ayaz. „Jak dotąd żadna misja statku kosmicznego nie dostarczyła prognoz dotyczących tych zjawisk w pobliżu Słońca, a konkretnie w zakresie promieni słonecznych 0–10. Naszym głównym celem jest zbadanie nagrzewania przez KAW w tych zakresach w koronie słonecznej.”

Wymienniki podgrzewane: KAW i transfer energii

„Skoncentrowaliśmy się na ogrzewaniu i wymianie energii, którą umożliwiają KAW” – zauważa badacz. „Powodem dużego zainteresowania tymi falami jest ich zdolność do przenoszenia energii. Dane obserwacyjne z licznych statków kosmicznych i badania teoretyczne konsekwentnie wykazały, że KAW rozpraszają i przyczyniają się do nagrzewania korony słonecznej podczas ich propagacji w przestrzeni.”

Ze względu na te unikalne właściwości fale stanowią kluczowy mechanizm przenoszenia energii, ważny dla zrozumienia wymiany energii między polami elektromagnetycznymi a cząsteczkami plazmy. „KAW działają w małych skalach kinetycznych i są w stanie wytrzymywać równoległe fluktuacje pola elektrycznego i magnetycznego, umożliwiając transfer energii między polem falowym a cząsteczkami plazmy poprzez zjawisko zwane interakcjami Landaua” – mówi Ayaz. „W niniejszej pracy wykorzystano i zbadano mechanizm tłumienia Landaua, który występuje, gdy cząstki poruszające się równolegle do fali mają prędkości porównywalne z prędkością fazową fali”.

Implikacje dla badań atmosfery słonecznej

Tłumienie Landaua to wykładniczy spadek w funkcji czasu poszczególnych fal w plazmie. „Kiedy cząstki oddziałują z falą, otrzymują/tracą energię – jest to termin nazywany „stanem rezonansowym”” – mówi Ayaz. „Może to spowodować, że fala albo dostarczy swoją energię cząstkom, albo pozyska od nich energię, powodując zawilgocenie lub wzrost cząstek. Nasze badania wykazały, że KAW szybko się rozpraszają, całkowicie przekazując swoją energię cząstkom plazmy w postaci ogrzewania. Ten transfer energii przyspiesza cząstki na większe odległości przestrzenne, znacząco wpływając na dynamikę plazmy.”

Spostrzeżenia analityczne uzyskane w wyniku tego badania znajdą praktyczne zastosowanie w zrozumieniu zjawisk zachodzących w atmosferze słonecznej, w szczególności rzucą światło na znaczącą rolę, jaką odgrywają cząstki nietermiczne w procesach ogrzewania.

Odniesienie: „Solar Coronal Heating by Kinetic Alfvén Waves” autorstwa Syeda Ayaza, Gang Li i Imrana A. Khana, 26 lipca 2024 r., Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad5bdc