Вот почему атмосфера Солнца в сотни раз горячее его поверхности
Видимая поверхность Солнца, или фотосфера, имеет температуру около 6 000 °C. Но на высоте нескольких тысяч километров над ней — небольшое расстояние, если учесть размеры Солнца — солнечная атмосфера, называемая также короной, в сотни раз горячее, достигает миллиона градусов Цельсия и выше.
Такой скачок температуры, несмотря на увеличение расстояния от основного источника энергии Солнца, наблюдается у большинства звезд и представляет собой фундаментальную загадку, над которой астрофизики размышляли десятилетиями.
Волны Альфвена
В 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен предложил объяснение. Он предположил, что намагниченные волны плазмы могут переносить огромное количество энергии вдоль магнитного поля Солнца из его недр в корону, минуя фотосферу, прежде чем взорваться с выделением тепла в верхней атмосфере Солнца.
Теория была предварительно принята, но нам все еще требовалось доказательство в виде эмпирического наблюдения, что эти волны существуют. Результаты недавнего исследования наконец-то подтвердили 80-летнюю теорию Альфвена и приблизили нас на шаг к использованию этого высокоэнергетического явления на Земле.
Проблема коронального нагрева существует с конца 1930-х годов, когда шведский спектроскопист Бенгт Эдлен и немецкий астрофизик Вальтер Гротриан впервые наблюдали явления в короне Солнца, которые могли наблюдаться только при температуре в несколько миллионов градусов Цельсия.
Это означает, что температура в 1000 раз выше, чем в расположенной под ней фотосфере — поверхности Солнца, которую мы можем видеть с Земли. Оценить тепло фотосферы всегда было относительно просто: нужно лишь измерить свет, который доходит до нас от Солнца, и сравнить его со спектральными моделями, предсказывающими температуру источника света.
За многие десятилетия исследований температура фотосферы неизменно оценивалась примерно в 6000°C. Вывод Эдлена и Гротриана о том, что корона Солнца намного горячее фотосферы — несмотря на то, что она находится дальше от ядра Солнца, его конечного источника энергии, — вызвал много недоумений в научном сообществе.
Ученые обратились к свойствам Солнца, чтобы объяснить это несоответствие. Солнце почти полностью состоит из плазмы, которая представляет собой высокоионизированный газ, несущий электрический заряд. Движение этой плазмы в зоне конвекции — верхней части солнечной атмосферы — создает огромные электрические токи и сильные магнитные поля.
Эти поля затем затягиваются из недр Солнца конвекцией и вырываются на его видимую поверхность в виде темных солнечных пятен — скоплений магнитных полей, которые могут образовывать различные магнитные структуры в солнечной атмосфере.
Именно здесь и возникает теория Альфвена. Он рассудил, что в намагниченной плазме Солнца любые объемные движения электрически заряженных частиц будут нарушать магнитное поле, создавая волны, которые могут переносить огромное количество энергии на огромные расстояния — от поверхности Солнца до его верхних слоев атмосферы. Тепло перемещается по так называемым солнечным магнитным потоковым трубам, а затем прорывается в корону, создавая ее высокую температуру.
Эти магнитные плазменные волны теперь называются волнами Альфвена, и их роль в объяснении коронального нагрева привела к тому, что Альфвену была присуждена Нобелевская премия по физике в 1970 году.
Но оставалась проблема реального наблюдения этих волн. На поверхности Солнца и в его атмосфере происходит так много всего — от явлений, во много раз превышающих земные масштабы, до небольших изменений, не поддающихся разрешению наших приборов, — что прямых наблюдательных доказательств существования волн Альфвена в фотосфере до сих пор не было.
Но последние достижения в области измерительных приборов открыли новое окно, через которое мы можем изучать физику Солнца. Одним из таких приборов является интерферометрический двумерный спектрополяриметр (IBIS) для спектроскопии изображений, установленный на солнечном телескопе Данна в американском штате Нью-Мексико. Этот прибор позволил нам проводить гораздо более детальные наблюдения и измерения Солнца.
В сочетании с хорошими условиями наблюдения, передовым компьютерным моделированием и усилиями международной группы ученых из семи исследовательских институтов мы использовали IBIS, чтобы впервые подтвердить существование волн Альфвена в солнечных трубах магнитного потока.
Прямое открытие волн Альфвена в солнечной фотосфере является важным шагом к использованию их высокого энергетического потенциала здесь, на Земле. Например, они могут помочь нам в исследовании ядерного синтеза — процесса, происходящего внутри Солнца, в ходе которого небольшое количество материи преобразуется в огромное количество энергии. Наши нынешние атомные электростанции используют деление ядер, которое, по мнению критиков, приводит к образованию опасных ядерных отходов — особенно в случае катастроф, подобных той, что произошла в Фукусиме в 2011 году.
Создание чистой энергии путем воспроизведения ядерного синтеза на Земле, как это происходит на Солнце, остается огромной проблемой, поскольку для того, чтобы произошел термоядерный синтез, нам все равно потребуется быстро создать температуру в 100 миллионов градусов Цельсия. Одним из способов сделать это могут быть волны Альфвена. Наши растущие знания о Солнце показывают, что это, безусловно, возможно — при соответствующих условиях.
Мы также ожидаем новых солнечных открытий в ближайшее время благодаря новым, новаторским миссиям и приборам. Спутник Европейского космического агентства Solar Orbiter сейчас находится на орбите вокруг Солнца, передавая изображения и проводя измерения неизведанных полярных областей звезды. В наземных условиях открытие новых высокопроизводительных солнечных телескопов также должно улучшить наши наблюдения за Солнцем с Земли.
Поскольку многие тайны Солнца еще предстоит открыть, включая свойства магнитного поля Солнца, это захватывающее время для изучения Солнца. Обнаружение волн Альфвена — лишь один из вкладов в более широкую область, которая стремится раскрыть оставшиеся тайны Солнца для практического применения на Земле. опубликовано econet.ru по материалам theconversation.com
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Источник
Теперь мы точно знаем, почему атмосфера Солнца в сотни раз горячее его поверхности — на шаг ближе к безграничной чистой энергии
Температура видимой поверхности Солнца, фотосферы, составляет около 6300°C. Но всего в нескольких тысячах километров над ней температура солнечной атмосферы, короны, достигает миллиона градусов по Цельсию и даше больше.
Этот скачок температуры наблюдается у большинства звёзд и представляет собой фундаментальную загадку, над которой астрофизики размышляли в течение десятилетий.
В 1942 году шведский учёный Ханнес Альфвен предположил, что намагниченные волны плазмы могут переносить огромное количество энергии вдоль магнитного поля Солнца от его внутренней части к короне, минуя фотосферу, прежде чем взорваться с выделением огромного количества тепла в верхних слоях атмосферы Солнца.
Эта гипотеза, высказанная около 80 лет назад, стала наиболее популярной в научном сообществе, но требовались доказательства. Недавно опубликованное исследование не только подтвердило её, но и приблизило человечество на шаг к освоению этого высокоэнергетического феномена здесь, на Земле.
Солнце почти полностью состоит из плазмы — высокоионизированного газа, несущего электрический заряд. Движение этой плазмы в конвекционной зоне – верхней части солнечного пространства – создаёт огромные электрические токи и сильные магнитные поля.
Эти поля затем вытягиваются из недр Солнца конвекцией и попадают на его видимую поверхность в виде тёмных солнечных пятен, представляющих собой скопления магнитных полей, которые могут образовывать различные магнитные структуры в солнечной атмосфере.
Вот тут-то и возникает теория Альфвена, который получил за неё Нобелевскую премию в 1970 году. Он пришёл к выводу, что внутри намагниченной плазмы Солнца любое объёмное движение электрически заряженных частиц будет нарушать магнитное поле, создавая волны, которые могут переносить огромное количество энергии на огромные расстояния от поверхности Солнца до верхних слоев его атмосферы. Тепло проходит по так называемым «трубкам солнечного магнитного потока», значительно повышая температуру его короны.
Проблема в том, что это долго оставалось лишь гипотезой, ведь на поверхности Солнца и в его атмосфере происходит так много событий – от явлений, во много раз больших, чем Земля, до небольших изменений ниже разрешения наших приборов, – что прямых наблюдательных доказательств волн Альфвена в фотосфере до сих пор не было получено.
На выручку пришли современные приборы, в частности, интерферометрический двумерный спектрополяриметр для спектроскопии изображений (IBIS). Этот прибор позволил нам проводить гораздо более детальные наблюдения и измерения Солнца. Именно с его помощью, в сочетании с хорошими условиями наблюдения, передовым компьютерным моделированием и усилиями международной команды учёных из семи исследовательских институтов, удалось подтвердить существование волн Альфвена в трубках солнечного магнитного потока.
Прямое открытие волн Альфвена в солнечной фотосфере является важным шагом к использованию их высокого энергетического потенциала здесь, на Земле. Они могли бы помочь нам исследовать ядерный синтез — Святой Грааль науки, открывающий путь к безграничной чистой энергии.
Только представьте, что мы можем стать свидетелями столь грандиозного прорыва человечества.
1. Работа , о которой речь в публикации.
Подписывайтесь на S&F , канал в Telegram и чат для дискуссий на научные темы.
Источник
Что намного горячее поверхности Солнца?
В последние минуты перед полным солнечным затмением температура падает, а окружающий свет меркнет. День превращается в сумерки, и там, где когда-то висело солнце, черная дыра пробивает небо, покрытое белым эфирным сиянием.
Это свечение — солнечная корона, тонкая верхняя атмосфера солнца из ионизированного газа. Состоящая в основном из электронов и голых ядер атомов водорода и гелия, она является стартовой площадкой для солнечного ветра — потока заряженных частиц, которые покидают корону и омывают планеты, в конечном итоге исчезая на пороге межзвездного пространства. События в короне затрагивают все солнечные миры, включая Землю и технологическое общество, которое люди построили на нем.
И все же, несмотря на примерно 80 лет изучения, многое о короне остается загадкой. Солнечный ветер не замедляется, когда покидает солнце — он ускоряется. Некоторые частицы вылетают из короны с такой энергией, что приближаются к скорости света. И, пожалуй, самое удивительное то, что корона в сотни раз горячее солнечной поверхности.
Выяснить, как эта избыточная энергия попадает в корону, — не просто задание. Эта энергия часто влияет на Землю, иногда приводя к катастрофическим последствиям. Самые большие вспышки от короны могут нанести ущерб сетям электроснабжения, беспроводной связи и спутникам.
По мере того, как мы становимся больше «космическими», культура, понимание Солнца и его взаимодействия с Землей стают более важными.
В то время как разрушающие вспышки являются крайним примером, исследователи надеются, что если они смогут лучше понять, как энергия попадает в корону, то мы сможем предсказать опасные извержения для защиты жизненно важного оборудования.
Изучать корону нелегко. Она излучает большую часть света на ультрафиолетовых и рентгеновских волнах с высокой энергией, которые блокируются атмосферой Земли. То малое количество видимого солнечного света, который отражает корона, значительно затмевает поверхность солнца. Чтобы увидеть корону, вам нужно затмение или телескоп, оборудованный солнцезащитным диском.
Именно благодаря затмениям люди с древности знали, что белое свечение окружало солнце. Даже те ранние наблюдения намекали на что-то очень странное в короне. Температура в короне составляет около миллиона градусов по Цельсию. Но температура на поверхности солнца — источника этой энергии — составляет примерно 5500 градусов.
Это очень странно и сравнимо с тем, что уходя от костра, нам становится холоднее, пока вдруг не станет очень жарко.
Одна теория возлагает вину на нанофлаеры, предполагаемое соединение крошечных взрывов, спровоцированных завязанными линиями магнитного поля. Другая идея состоит в том, что волны, распространяющиеся вдоль линий магнитного поля, переносят энергию от поверхности солнца к короне.
Обе идеи феноменально сложно проверить. Компьютерное моделирование и расчеты показывают, что любые механизмы, которые направляют энергию в корону, вероятно, делают это в масштабах, которые слишком малы и слишком быстры, чтобы зафиксировать их с Земли. Разгадка придет от космического корабля, который приблизится близко к солнцу. Вот тут-то и появляется NASA Parker Solar Probe.
Паркер запустил в 2018 году семилетнюю миссию для многократного погружения через корону. С каждой орбитой гравитационное движение с Венеры постепенно приближает космический корабль к Солнцу. В конечном итоге зонд выйдет на орбиту чуть более 6 миллионов километров от поверхности Солнца — в семь раз ближе, чем любой космический корабль раньше.
На этом расстоянии обращенная к солнцу сторона космического корабля будет обжарена до температуры более 1300 градусов по Цельсию, его набор инструментов защищен углеродно-композитным экраном толщиной 11 сантиметров. (Хотя корона имеет очень высокую температуру, ее частицы относительно редки — эта низкая плотность препятствует тому, чтобы аппарат сам по себе сильно нагревался)
С его уникальной позиции глубоко внутри короны Паркер уже снимает фотографии, измеряет электромагнитные поля и частицы.
С данными первых двух орбит, на которых Паркер пролетел всего 24 миллиона километров от Солнца, научная группа готовится опубликовать первые результаты в нескольких статьях этой осенью. Еще несколько десятков последуют в январе. Пока команда молчит о том, что зафиксировал космический корабль.
В ближайшие месяцы к Паркеру присоединятся еще два проекта. Позже в этом году откроется новый солнечный телескоп в Мауи. Солнечный телескоп будет делать снимки, достаточно четкие, чтобы различить детали на поверхности Солнца диаметром около 30 километров — достаточно маленькие, чтобы можно было делать анализ магнитного поля Солнца.
Затем, в феврале, Европейское космическое агентство запустит Solar Orbiter, миссию, чтобы взлететь над плоскостью солнечной системы и посмотреть «вниз» на солнце. За исключением ныне не существующего зонда Ulysses, на борту которого не было камеры, ни один космический корабль не исследовал Солнце с этой точки зрения. Находясь высоко над солнечной системой, Solar Orbiter может помочь исследователям собрать воедино трехмерную структуру элементов в короне и солнечном ветре.
Совместно с этими тремя миссиями исследователи надеются раскрыть некоторые корональные загадки, которые могут обогатить наше понимание взаимодействия Земля-Солнце.
Как единственная звезда во вселенной, которую мы можем видеть вблизи, Солнце может научить ученых тому, как более отдаленные звезды могут взаимодействовать с соседними мирами. Ученые считают, что солнечный ветер лишил Марс его защитной атмосферы, и другие звезды могут действовать аналогичным образом.
Источник