Εκατομμύρια μικροσκοπικοί στρόβιλοι στον Ήλιο λύνουν ένα μυστήριο δεκαετιών για τους επιστήμονες
Μια κρυφή πηγή ενέργειας αποκαλύπτεται στην επιφάνεια του Ήλιου
Snapshot
- Η εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου (το στέμμα) φτάνει σε θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών, πολύ υψηλότερες από την επιφάνεια της φωτόσφαιρας.
- Εκατομμύρια μικροσκοπικοί στρόβιλοι πλάσματος στην επιφάνεια του Ήλιου ενδέχεται να μεταφέρουν ενέργεια που θερμαίνει το ηλιακό στέμμα μέσω μαγνητικής επανασύνδεσης.
- Μόνο ένα μικρό ποσοστό (5%-8%) της μηχανικής ενέργειας των στροβίλων πρέπει να φτάσει στο στέμμα για να διατηρήσει τις υψηλές θερμοκρασίες.
- Η μαγνητική επανασύνδεση απελευθερώνει ενέργεια που μετατρέπεται σε θερμότητα και ταχέως κινούμενο πλάσμα, εξηγώντας τη θέρμανση της ατμόσφαιρας του Ήλιου.
- Η κατανόηση αυτού του μηχανισμού μπορεί να βελτιώσει τα μοντέλα για τον ηλιακό άνεμο και τις ηλιακές εκρήξεις που επηρεάζουν τη Γη.
Η εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου φτάνει σε θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών, παρότι η ορατή επιφάνειά του είναι πολύ πιο ψυχρή. Οι επιστήμονες εκτιμούν πλέον ότι εκατομμύρια μικροσκοπικοί στρόβιλοι πλάσματος, με διάμετρο μόλις μερικών δεκάδων χιλιομέτρων ο καθένας, ενδέχεται να δίνουν την απάντηση σε αυτό το εντυπωσιακό φαινόμενο, μεταφέροντας ενέργεια στο ηλιακό στέμμα.
Μια κρυφή πηγή ενέργειας αποκαλύπτεται στην επιφάνεια του Ήλιου
Για δεκαετίες, οι ηλιακοί φυσικοί προσπαθούν να εξηγήσουν ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Ήλιου: γιατί η εξωτερική του ατμόσφαιρα είναι πολύ θερμότερη από την επιφάνεια που βρίσκεται από κάτω της. Η ορατή επιφάνεια του Ήλιου, γνωστή ως φωτόσφαιρα, έχει μέση θερμοκρασία περίπου 5.500 βαθμών Κελσίου. Αντίθετα, το στέμμα, το οποίο εκτείνεται εκατομμύρια χιλιόμετρα στο Διάστημα, φτάνει συχνά σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν το ένα εκατομμύριο βαθμούς Κελσίου.
Μια νέα μελέτη της Καταρίινα Νίκιρι, ερευνήτριας στο Πανεπιστήμιο Αεροναυτικής Εμπρί-Ριντλ, προτείνει έναν μηχανισμό που ενδέχεται να συμβάλει στην επίλυση αυτού του επιστημονικού αινίγματος. Η έρευνά της, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal Letters, υποστηρίζει ότι αμέτρητοι μικροσκοπικοί στρόβιλοι πλάσματος ενδέχεται να παρέχουν την απαραίτητη ενέργεια για τη διατήρηση των ακραίων θερμοκρασιών στο ηλιακό στέμμα.
Η ανακάλυψη βασίζεται σε παρατηρήσεις από το ηλιακό τηλεσκόπιο Ντάνιελ Κ. Ινούι, το οποίο βρίσκεται στην κορυφή του όρους Χαλεακάλα στη Χαβάη. Οι εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης εικόνες του αποκάλυψαν για πρώτη φορά μικροσκοπικές περιστρεφόμενες δομές στην επιφάνεια του Ήλιου, ορισμένες από τις οποίες έχουν διάμετρο μόλις μερικών δεκάδων χιλιομέτρων.
Οι συγκεκριμένες δομές μπορεί να φαίνονται ασήμαντες μπροστά στις τεράστιες διαστάσεις του Ήλιου. Ωστόσο, η συνολική ενέργεια που παράγουν ενδέχεται να είναι αρκετή για να τροφοδοτήσει μία από τις πιο απαιτητικές διεργασίες της ηλιακής φυσικής.
Εκατομμύρια ηλιακοί στρόβιλοι ενδέχεται να τροφοδοτούν το στέμμα
Οι δομές που παρατηρήθηκαν συνδέονται με τις αστάθειες Κέλβιν-Χέλμχολτς, ένα φυσικό φαινόμενο που εμφανίζεται όταν γειτονικές περιοχές ρευστού ή πλάσματος κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες.
Στη Γη, ο ίδιος μηχανισμός μπορεί να δημιουργήσει κυματοειδείς σχηματισμούς στα σύννεφα, αλλά και χαρακτηριστικά μοτίβα στα θαλάσσια ρεύματα. Παρόμοιες αστάθειες επηρεάζουν επίσης τις ατμοσφαιρικές δομές του Δία.
Στον Ήλιο, μπορούν να εμφανιστούν όταν πλάσμα που κινείται με μεγάλη ταχύτητα αλληλεπιδρά με πιο αργό, μαγνητισμένο πλάσμα, δημιουργώντας περιστρεφόμενους στροβίλους που περιέχουν σημαντική κινητική ενέργεια.
Η Νίκιρι υπολόγισε την ενέργεια που συνδέεται με αυτές τις δομές, λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορές στις ταχύτητες, στην πυκνότητα και στις κατακόρυφες διαστάσεις τους. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της, κάθε στρόβιλος περιέχει περίπου δύο σεπτίλιον εργ μηχανικής ενέργειας, ποσότητα που αντιστοιχεί σε περίπου 200 τρισεκατομμύρια τζάουλ.
Σε ολόκληρη την ηλιακή επιφάνεια, εκατομμύρια τέτοιοι στρόβιλοι ενδέχεται να δημιουργούνται και να εξαφανίζονται μέσα σε λίγα λεπτά, μεταφέροντας συνεχώς ενέργεια μέσω ενός πολύπλοκου δικτύου μαγνητικών πεδίων.
Η σημασία της διαδικασίας είναι ιδιαίτερα μεγάλη. Παρότι οι μεμονωμένοι στρόβιλοι είναι μικροσκοπικοί σε σχέση με το μέγεθος του Ήλιου, η ταχύτατη δημιουργία και εξαφάνισή τους θα μπορούσε να εξασφαλίζει μια συνεχή παροχή ενέργειας, συμβάλλοντας στη θέρμανση της ατμόσφαιράς του.
Το βασικό ερώτημα, ωστόσο, δεν είναι μόνο πόση ενέργεια περιέχουν αυτοί οι μικροσκοπικοί στρόβιλοι, αλλά και με ποιον τρόπο αυτή φτάνει μέχρι το ηλιακό στέμμα.
Πώς οι μικροσκοπικές δίνες του Ήλιου μπορούν να παράγουν θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών
Η εξήγηση που προτείνει η Νίκιρι βασίζεται σε μια διαδικασία γνωστή ως μαγνητική επανασύνδεση. Πρόκειται για ένα φαινόμενο κατά το οποίο οι γραμμές των μαγνητικών πεδίων αναδιατάσσονται απότομα, απελευθερώνοντας αποθηκευμένη μαγνητική ενέργεια.
Καθώς οι στρόβιλοι Κέλβιν-Χέλμχολτς περιστρέφονται, παραμορφώνουν και συμπιέζουν τα γύρω μαγνητικά πεδία. Η κίνηση αυτή μπορεί να δημιουργήσει εξαιρετικά λεπτά ηλεκτρικά ρεύματα, με πάχος που σε ορισμένες περιπτώσεις κυμαίνεται από λίγα εκατοστά έως μερικά μέτρα.
Υπό κατάλληλες συνθήκες, αυτές οι διατάξεις γίνονται ασταθείς, επιτρέποντας στις γραμμές των μαγνητικών πεδίων να επανασυνδεθούν και να απελευθερώσουν ενέργεια με τη μορφή θερμότητας και ταχέως κινούμενου πλάσματος.
Η μαγνητική επανασύνδεση αναγνωρίζεται ήδη ως ένας σημαντικός μηχανισμός της ηλιακής δραστηριότητας. Η νέα έρευνα υποστηρίζει ότι οι μικροσκοπικοί στρόβιλοι θα μπορούσαν να αποτελούν μια ευρείας κλίμακας πηγή μηχανικής ενέργειας, η οποία τροφοδοτεί αυτή τη διαδικασία.
Προκύπτει, ωστόσο, ένα ακόμη ερώτημα. Εάν η μαγνητική επανασύνδεση μπορεί να συμβαίνει τόσο κοντά στην ηλιακή επιφάνεια όσο και σε μεγαλύτερα ύψη της ατμόσφαιρας, γιατί το στέμμα αναπτύσσει τόσο υψηλότερες θερμοκρασίες;
Η απάντηση ενδέχεται να βρίσκεται στη μεγάλη διαφορά στην πυκνότητα των σωματιδίων. Κοντά στη φωτόσφαιρα, η ενέργεια που απελευθερώνεται κατανέμεται σε έναν τεράστιο αριθμό σωματιδίων, προκαλώντας σχετικά μικρή αύξηση της θερμοκρασίας. Στο στέμμα, αντίθετα, το πλάσμα έχει πολύ μικρότερη πυκνότητα, με αποτέλεσμα ακόμη και μια αντίστοιχη ποσότητα ενέργειας να μπορεί να προκαλέσει πολύ μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας.
Αυτή η διαφορά προσφέρει μια φυσική εξήγηση για το πώς η ενέργεια που προέρχεται από την ψυχρότερη επιφάνεια του Ήλιου μπορεί να συμβάλλει στη δημιουργία της πολύ θερμότερης ατμόσφαιρας πάνω από αυτήν.
Ένα μικρό ποσοστό της ενέργειας ίσως αρκεί για να εξηγήσει το φαινόμενο
Ένα από τα πιο εντυπωσιακά ευρήματα της μελέτης αφορά το σχετικά μικρό ποσοστό της ενέργειας των στροβίλων που θα πρέπει να φτάσει στο ηλιακό στέμμα.
Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της Νίκιρι, μόλις το 5% έως 8% της μηχανικής ενέργειας των στροβίλων θα πρέπει να μεταφερθεί προς τα ανώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας και να μετατραπεί σε θερμότητα, προκειμένου να αντισταθμιστούν οι εκτιμώμενες ενεργειακές απώλειες του στέμματος.
Ακόμη και στις στεμματικές οπές, δηλαδή στις περιοχές όπου οι μαγνητικές γραμμές είναι ανοιχτές και η πυκνότητα του πλάσματος είναι μειωμένη, το απαιτούμενο ποσοστό θα μπορούσε να παραμένει ίσο ή μικρότερο από περίπου 21%.
Οι εκτιμήσεις αυτές δείχνουν ότι ο προτεινόμενος μηχανισμός διαθέτει επαρκή ενεργειακά αποθέματα ώστε να συμβάλει ουσιαστικά στη θέρμανση του στέμματος. Δεν αποδεικνύουν, ωστόσο, ότι η μεταφορά της ενέργειας πραγματοποιείται πράγματι με την προβλεπόμενη αποτελεσματικότητα.
Οι επιστήμονες πρέπει ακόμη να διαπιστώσουν πώς οι διαταραχές διαδίδονται μέσα από τη χρωμόσφαιρα, το ατμοσφαιρικό στρώμα που βρίσκεται ανάμεσα στη φωτόσφαιρα και το στέμμα.
Η μέτρηση της μετάδοσης των κυμάτων, της πόλωσης και της απώλειας ενέργειας θα βοηθήσει να εξακριβωθεί εάν επαρκής ενέργεια φτάνει πράγματι στα ανώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας.
Επομένως, τα ευρήματα προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη θεωρητική εξήγηση, αλλά όχι ακόμη την οριστική απόδειξη ότι οι ηλιακοί στρόβιλοι λύνουν πλήρως το μυστήριο της θέρμανσης του στέμματος.
Γιατί η ανακάλυψη μπορεί να αλλάξει όσα γνωρίζουμε για την ηλιακή δραστηριότητα
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο θερμαίνεται το ηλιακό στέμμα έχει σημασία πέρα από την εξήγηση της ασυνήθιστης θερμοκρασιακής διαφοράς στον Ήλιο.
Το στέμμα αποτελεί την περιοχή από την οποία προέρχεται ο ηλιακός άνεμος, ένα συνεχές ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων που ταξιδεύει σε ολόκληρο το ηλιακό σύστημα. Παράλληλα, οι μαγνητικές διεργασίες στην ηλιακή ατμόσφαιρα επηρεάζουν τις εκρήξεις και τις εκτινάξεις ηλιακής μάζας, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα στους δορυφόρους, στα συστήματα επικοινωνιών και στα δίκτυα ηλεκτροδότησης της Γης.
Η αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο μεταφέρεται η ενέργεια στην ατμόσφαιρα του Ήλιου θα μπορούσε μελλοντικά να βελτιώσει τα επιστημονικά μοντέλα που περιγράφουν αυτές τις διεργασίες.
Οι επόμενες παρατηρήσεις από το τηλεσκόπιο Ντάνιελ Κ. Ινούι και άλλες διαστημικές αποστολές ενδέχεται να αποκαλύψουν εάν οι μικροσκοπικοί στρόβιλοι πλάσματος δημιουργούν συστηματικά τις μαγνητικές διαταραχές που απαιτούνται για να επιβεβαιωθεί το μοντέλο της Νίκιρι.
Προς το παρόν, η έρευνα παρουσιάζει ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον ενδεχόμενο: ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Ήλιου μπορεί να εξαρτάται από μερικές από τις μικρότερες δομές που έχουν παρατηρηθεί στην επιφάνειά του.
Αντί να απαιτείται μία και μοναδική, τεράστια πηγή θερμότητας, το ηλιακό στέμμα ενδέχεται να διατηρεί τις ακραίες θερμοκρασίες του, τουλάχιστον εν μέρει, χάρη σε εκατομμύρια μικροσκοπικές μαγνητικές αλληλεπιδράσεις που εξελίσσονται διαρκώς στην επιφάνεια του Ήλιου.
