Орбитальный прибор намекает, что накопленная магнитная энергия нагревает солнечную атмосферу

Явление, впервые обнаруженное в солнечном ветре, может помочь решить давнюю загадку Солнца:почему солнечная атмосфера на миллионы градусов горячее поверхности. Снимки, полученные с помощью спектрографа для формирования изображения области контакта на околоземной орбите (IRIS) и сборки изображений атмосферы (AIA), свидетельствуют о том, что нижние магнитные петли нагреваются до миллионов градусов Кельвина.

Исследователи из Университета Райса, Университета Колорадо в Боулдере и Центра космических полетов имени Маршалла НАСА утверждают, что более тяжелые ионы, такие как кремний, предпочтительно нагреваются как в солнечном ветре, так и в переходной области между солнечной хромосферой и короной. Там непрерывно дуга дуги намагниченной плазмы мало чем отличается от их кузенов в короне наверху. Они намного меньше, и их трудно анализировать, но долгое время считалось, что они содержат магнитный механизм, который высвобождает всплески энергии в виде нановспышек. Солнечный физик из Райса Стивен Брэдшоу и его коллеги были среди тех, кто подозревал это, но ни у кого не было достаточных доказательств до IRIS.

Высоколетящий спектрометр был построен специально для наблюдения за переходной областью. В исследовании, финансируемом НАСА, исследователи описывают «осветление» в петлях воссоединения, которые содержат сильные спектральные признаки кислорода и, особенно, более тяжелых ионов кремния.

Группа Брэдшоу, его бывшего ученика Шаха Мохаммада Бахауддина, ныне работающего научным сотрудником в Лаборатории физики атмосферы и космоса в Колорадо, и астрофизика НАСА Эми Уайнбаргер изучили изображения IRIS, способные разрешить детали этих петель переходной области и обнаружить карманы сверхвысоких температур. -горячая плазма. Изображения позволяют им анализировать движение и температуру ионов внутри петель по излучаемому ими свету, читаемому как спектральные линии, которые служат химическими «отпечатками пальцев».

«Именно в эмиссионных линиях запечатлена вся физика», — сказал Брэдшоу, доцент кафедры физики и астрономии. «Идея заключалась в том, чтобы узнать, как нагреваются эти крошечные структуры, и надеяться сказать что-то о том, как нагревается сама корона. Это может быть повсеместный механизм, работающий во всей солнечной атмосфере».

На изображениях были обнаружены спектры горячих точек, где линии были уширены из-за теплового и доплеровского эффектов, что указывает не только на элементы, участвующие в нановспышках, но также на их температуры и скорости. В горячих точках они обнаружили воссоединяющиеся струи, содержащие ионы кремния, движущиеся к (синее смещение) и от (красное смещение) к наблюдателю (IRIS) со скоростью до 100 километров в секунду. Для более легких ионов кислорода Доплеровский сдвиг не обнаружен.

Исследователи изучили два компонента механизма:как энергия выходит из магнитного поля, а затем как она на самом деле нагревает плазму. По словам Брэдшоу, переходная область составляет всего около 10 000 градусов по Фаренгейту, но конвекция на поверхности Солнца влияет на петли, скручивая и сплетая тонкие магнитные нити, из которых они состоят, и добавляет энергию магнитным полям, которые в конечном итоге нагревают плазму. «Наблюдения IRIS показали, что этот процесс имеет место, и мы достаточно уверены, что по крайней мере один ответ на первую часть связан с магнитным пересоединением, ключевым признаком которого являются джеты», — сказал он.

В этом процессе магнитные поля плазменных нитей разрываются и воссоединяются в местах плетения в более низкие энергетические состояния, высвобождая накопленную магнитную энергию. Там, где это происходит, плазма перегревается. Но как плазма нагревается за счет выделяемой магнитной энергии, до сих пор оставалось загадкой. «Мы посмотрели на области в этих маленьких петлевых структурах, где происходило пересоединение, и измерили эмиссионные линии ионов, в основном кремния и кислорода», — сказал он. «Мы обнаружили, что спектральные линии ионов кремния намного шире, чем линии кислорода».

Это указывало на преимущественный нагрев ионов кремния. «Нам нужно было объяснить это», — сказал Брэдшоу. «Мы посмотрели и подумали, и оказалось, что существует кинетический процесс, называемый ионно-циклотронным нагревом, который способствует нагреву тяжелых ионов по сравнению с более легкими». Он сказал, что ионные циклотронные волны генерируются в местах пересоединения. Волны, переносимые более тяжелыми ионами, более подвержены нестабильности, которая заставляет волны «разбиваться» и создавать турбулентность, которая рассеивает ионы и возбуждает их. Это расширяет их спектральные линии сверх того, что можно было бы ожидать только от локальной температуры плазмы. В случае с более легкими ионами может не хватить энергии для их нагрева. «В противном случае они не превысят критическую скорость, необходимую для запуска нестабильности, которая быстрее для более легких ионов», — сказал он.

«В солнечном ветре более тяжелые ионы значительно горячее, чем более легкие ионы», — сказал Брэдшоу. «Это было окончательно измерено. Наше исследование впервые показывает, что это также свойство переходной области и, следовательно, может сохраняться во всей атмосфере благодаря выявленному нами механизму, включая нагрев солнечной короны, тем более что солнечный ветер является проявлением короны. расширяется в межпланетное пространство».

Следующий вопрос, сказал Бахауддин, заключается в том, происходят ли такие явления с одинаковой скоростью по всему Солнцу. «Скорее всего, ответ — нет», — сказал он. «Тогда вопрос в том, насколько они способствуют проблеме нагрева короны? Могут ли они снабжать верхние слои атмосферы энергией, достаточной для поддержания многомиллионной короны?