Изследвания на слънчевата атмосфера Understand article

Превод: Петя Божкова. Чудили ли сте се някога какво влияние оказва на нас, на Земята, слънчевият вятър или какво се случва, когато повърхността на Слънцето…

В момента тече програма за изследване на Слънцето и неговото влияние върху Слънчевата система. Програмата е инциирана от Организацията на обединените нации (ООН), казва се Международна хелиофизична година^w1 и в нея вземат участие учени от цяла Европа. Една от изследваните теми е слънчевата атмосфера – съществуват много въпроси за нашата звезда, които търсят все още своя отговор.

Един от тези въпроси възниква през 1869 г., когато спектроскопски наблюдения на пълно слънчево затъмнение очертават спектрална линия, която остава неразгадана в лабораториите. Първоначално било прието, че това е линия на нов елемент, наречен „короний”, но по-късно е установено, че линията е съставена от силно йонизирани железни йони, които се образуват при много високи температури (от порядъка на 1 милион келвина). Това откритие, направено през 1939 г. дава идеята, че газовете в слънчевата атмосфера са много по-горещи от температурата на повърхността на Слънцето – 6000 келвина. Това представлявало загадка. С отдалечаването от източника на топлина (ядрото на слънцето), температурата би трябвало да се понижава. Това е така докато не се достигне горната граница на фотосферата, след което температурата започва да се повишава с изминатото разстояние от ядрото. Това противоречи на втория закона на термодинамиката, който гласи, че не може едно по-хладно тяло да нагрява друго, по-горещо. Тогава възниква въпросът – какво нагрява слънчевата корона? Това е познато като проблем на нагряването на короната.

Въпреки откриването на първата емисионна линия на короната във видимия спектър, повечето от лъченията на короната са в ултравиолетовия и рентгеновия спектър. С настъпването на космическата ера през 1957г., рентгенови телескопи на ракети и спътници събират данни извън поглъщащата земна атмосфера и позволяват на учените да започват изучаването на случващите се процеси. Наблюденията бързо показват, че силно рентгеново излъчване се намира в районите на слънчевата атмосфера с най-голяма концентрация на магнитни полета. Има ли връзка между магнитните полета и нагряването?

За да се проверят много от теориите, се използват наблюдения от космически апарати като този от мисията SOHO през 1995г. на Европейската космическа агенция (ESA) и Национална въздухоплавателна и космическа администрация на САЩ (NASA). Теориите попадат в две категории – стресови модели, в които енергията се извлича от магнитните полета, обграждащи короната и; вълнови модели, при които енергията се натрупва от вълни, разпорстраняващи се отгоре надолу. Водещата идея сред учените в момента гласи, че енергията се извлича от магнитните полета, които непрестанно се блъскат и разместват помежду си, но изследванията в тази насока все още продължават.Следствие от горещата корона на Слънцето, заедно с нейната висока топлопроводимост, е фактът на нейното постоянно разширяване в пространството. Разширяването е наречено слънчев вятър, като съществуват два вида – бавен вятър, който се движи с около 400 км/сек. и бърз слънчев вятър, който се движи с около 800 км/сек. За момента, нито механизмите на ускорението, нито местоположението на тези два вида ветрове са разгадани, но изследванията в тази насока продължават.

Слънчевият вятър духа около всички планети и други тела в Слънчевата система. Някои планети, като Земята, имат свое собствено магнитно поле – тези, които имат ядро от разтопено желязо (като Земята) или атмосфера от водород, който е толкова сгъстен, че действа като метал (като Юпитер). Полето създава магнитен балон около планетата, отвъд който слънчевият вятър по принцип се разпространява. Планетата и нейното магнитно поле действа като голям речен камък, отклоняващ потока. Слънчевият вятър също носи със себе си магнитно поле и когато е със силно изразена южна ориентация, то се наслагва върху земното. Това предизвиква появата на сюреалистични и много красиви сияния (северното и южното сияния). Учените работят върху това, как енергията от слънчевия вятър се пренася върху земното магнитно поле и атмосфера.

Интересен е и въпросът как слънчевият вятър засяга планети без магнитно поле. Мисията Venus Express в момента е в орбита около Венера и измерва ерозията на планетната атмосфера, причинена от слънчевия вятър.

Най-драматичната форма на активност в слънчевата атмосфера са гигнтските изригвания от плазма и магнитно поле, познати като слънчеви изригвания. Открити през 70-те години на миналия век, оттогава е доказано, че тяхната честота се мени циклично (заедно с така наречения слънчев цикъл): слънчеви изригвания има поне веднъж на всеки три дни и максимум от 3 до 5 пъти на ден. Тези изригвания могат да бъдат насочени директно към Земята и точно както при слънчвия вятър, може да се съединят със земното магнитно поле. В тези случаи се усещат тежки последствия на Земята – нагорещяването и разширяването на земната атмосфера води до промяна на спътниковите орбити. Разкриването на цялостния ефект от изригванията ги прави неустоими за изследване – в момента има флотилия от космически апарати, наблюдаващи Слънцето и Земята, и изследващи единствено тях.

Знае се, че причината за слънчевите изригвания е свързана със слънчевите магнитни полета, които се създават от електрически ток във вътрешността на Слънцето, в така нареченото слънчево динамо. Купове от концентрирани полета се издигат и излизат през фотосферата, намирайки мястото си в короната. Това магнитно поле постоянно прониква в атмосферата и се смята, че изригванията представляват начин за предотвратяване на неговото натрупване. Изследвания, провеждани от космическите апарати SOHO, TRACE, STEREO и „Хиноде” търсят как структурата на магнитното поле се променя с времето.

Мисията STEREO се състои от два космически апарата, които обикалят около Слънцето по начин, който им позволява да се отдалечат от Земята  (орбитата на единия се намира малко по-близо до Слънцето отколкото до Земята, а другият е по-отдалечен в космоса.). Така двата апарата наблюдават Слънцето от различни положения в пространството  и както очите дават дълбочина и перспектива на погледа, така и корабите на STEREO  дават триизмерна картина на изригващите магнитни структури (вж. стр.53 долу).Триизмерните образи се използват за изучаване на същността на изригванията, като се използва знанията за устройството на магнитните полета. STEREO помага да се предскаже кои изригвания ще повлияят на Земята. Тези данни могат да се използват от организации, които управляват спътници или ектропреносни мрежи. Орбитите на спътниците, например, могат внимателно да бъдат наблюдавани, когато се очаква, че слънчево изригване  ще повлияе на Земята.

Космическият апарат “Хиноде” е еквивалентът на космическия телескоп „Хъбъл” за Слънцето и позволява най-детайлно изучаване на еволюцията на необятните атмосферни магнитни структури във времето. Счита се, че единствения начин да се акумулира достатъчно енергия, която да изхвърли милиарди тонове слънчева материя, съставляваща слънчево изригване, е да се използва енергията на заплетените и изкривени магнитни полета. „Хиноде” прави измервания доколко  усукано е дадено поле и получените резултати се сравняват с тези от STEREO. Щом разберем защо се случват слънчевите изригвания, ще можем да започнем да прогнозираме кои магнитни структури ще изригнат и – по възможност – кои точно ще имат най-голямо влияние върху Земята.

Постоянно духащият слънчев вятър и спорадичните слънчеви изригвания  означават, че Земята постоянно усеща присъствието на Слънцето. Може да се твърди дори, че се намираме вътре в слънчевата атмосфера, която се разпростира в Слънчевата система. Така, заедно със сериозните изследвания на нашата звезда, искаме да разберем и нашето място в Слънчевата система.

Download

Download this article as a PDF