Почему солнечная корона намного горячее поверхности Солнца

Корона, или солнечная атмосфера, — область, простирающаяся на 8 миллионов километров над поверхностью Солнца и характеризующаяся необычайно высокими температурами. Автор: CSPAR

В новом исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal, исследователь из Университета Алабамы в Хантсвилле (UAH), входящего в систему Университета Алабамы, исследует критические аспекты явления, называемого кинетическими альфвеновскими волнами (KAW), чтобы дать новое представление о древняя загадка гелиофизики.

Сайед Аяз, научный сотрудник Центра космической плазмы и аэрономических исследований (CSPAR), исследовал потенциально решающую роль KAW в нагреве солнечной короны, приближая науку на шаг ближе к решению загадки того, почему корона во много раз горячее, чем поверхность самого Солнца.

«На протяжении десятилетий было доказано, что альфвеновские волны являются лучшими кандидатами для транспортировки энергии из одного места в другое», — говорит Аяз, отмечая потенциальную роль KAW в распространении коронального тепла.

«В этой статье используется новый подход к моделированию энергичных частиц в космической плазме, наблюдаемой такими спутниками, как «Викинг» и «Фрея», чтобы ответить на вопрос, как электромагнитная энергия волн, взаимодействующих с частицами, преобразуется в тепло во время процесса затухания по мере движения волн. космос.

«Наше исследование исследует возмущенные электромагнитные поля, вектор потока Пойнтинга и скорость передачи энергии KAW в солнечной атмосфере».

Корона, или солнечная атмосфера, — это загадочная область, окружающая нашу родную звезду, которая простирается далеко за пределы видимого диска Солнца и простирается примерно на 8 миллионов километров над поверхностью Солнца. Тем не менее, корона также характеризуется необычайно высокими температурами — загадка, которая занимала астрофизиков почти семьдесят лет.

«Сайед — один из наших выдающихся студентов, который только начинает свою исследовательскую карьеру», — говорит доктор Гэри Занк, директор CSPAR и председатель Aerojet Rocketdyne Департамента космических наук UAH. «Его постоянный интерес к альфвеновским волнам, возникший во время учебы в Пакистане, когда он работал со своим наставником, доктором Имраном А. Каном, теперь привел к исследованию этих волн в очень малых масштабах, так называемом кинетическом масштабе в плазме..

«Его работа предлагает важное понимание критической проблемы того, как энергия в магнитном поле преобразуется для нагрева плазмы, состоящей из заряженных частиц, таких как протоны и электроны. Одна из причин, по которой работа Сайеда важна, заключается в том, что мы до сих пор не понимаем, почему атмосфера Солнца составляет более 1 миллиона градусов по сравнению с поверхностью Солнца, температура которой составляет сравнительно прохладные 6500 градусов».

Кинетические альфвеновские волны, широко распространенные во всей плазменной Вселенной, представляют собой колебания ионов и магнитного поля при их движении через солнечную плазму. Волны формируются движениями в фотосфере — внешней оболочке Солнца, излучающей видимый свет.

«Мой основной интерес к этим волнам был вызван запусками миссий Parker Solar Probe и Solar Orbiter, которые подняли важнейший вопрос о том, как нагревается солнечная корона», — говорит Аяз. «До сих пор ни одна миссия космического корабля не предоставила прогнозов относительно этих явлений вблизи Солнца, в частности, в диапазоне солнечных радиусов 0–10. Наша основная задача — исследовать нагрев KAW в этих диапазонах солнечной короны».

«Мы сосредоточились на обмене тепла и энергии, осуществляемом с помощью KAW», — отмечает исследователь. «Причина большого интереса к этим волнам заключается в их способности переносить энергию. Данные наблюдений с многочисленных космических аппаратов и теоретические исследования последовательно демонстрируют, что KAW рассеиваются и способствуют нагреву солнечной короны во время их распространения в космосе».

Благодаря этим уникальным свойствам волны обеспечивают критический механизм передачи энергии, важный для понимания обмена энергией между электромагнитными полями и частицами плазмы.

«KAW работают в небольших кинетических масштабах и способны поддерживать параллельные флуктуации электрического и магнитного поля, обеспечивая передачу энергии между волновым полем и частицами плазмы посредством явления, называемого взаимодействием Ландау», — говорит Аяз.

«В настоящей работе используется и исследуется механизм затухания Ландау, который возникает, когда частицы, движущиеся параллельно волне, имеют скорости, сравнимые с фазовой скоростью волны».

Затухание Ландау — это экспоненциальное убывание в зависимости от времени отдельных волн в плазме. «Когда частицы взаимодействуют с волной, они получают/теряют энергию — термин, называемый «резонансным состоянием», — говорит Аяз.

«Это может привести к тому, что волна либо отдаст свою энергию частицам, либо получит энергию от них, заставляя частицы либо затухать, либо расти. Наши исследования показывают, что KAW быстро рассеиваются, полностью передавая свою энергию частицам плазмы в виде нагрева. Эта передача энергии ускоряет частицы на больших пространственных расстояниях, существенно влияя на динамику плазмы».

Аналитические выводы, полученные в результате этого исследования, найдут практическое применение для понимания явлений в солнечной атмосфере, в частности, прольют свет на важную роль, которую играют нетепловые частицы в процессах нагрева.

Больше информации: Syed Ayaz et al, Solar Coronal Heating by Kinetic Alfvén Waves, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad5bdc

Источник: University of Alabama in Huntsville