Wenn Sie auf einem Gasherd kochen, erwärmt sich das Essen schneller, wenn es näher an der Flamme ist. Aber wenn man sich der Thermodynamik zu widersetzen scheint, funktioniert das nicht, wenn man von der Sonne spricht. Während die Sonnenoberfläche etwa 10.000 Grad Fahrenheit beträgt, kann die Atmosphäre in ihrem äußeren Bereich, der so genannten Corona, satte 9 Millionen Grad erreichen, und Wissenschaftler haben gefragt: "Was ist damit los?" für Jahrzehnte.
Verwandte Inhalte
- Warum die Sonne so lange so ruhig war
- Bild der Woche - Eisen in der Sonnenkorona
Jetzt glaubt ein Team an der École Polytechnique in Frankreich, zumindest einen Teil der Antwort zu haben. Mithilfe neuer Computermodelle stellen sie fest, dass die ultimative Quelle der sengenden Hitze der Corona ein "Mangrovenwald" des Magnetismus ist, der direkt unter der Oberfläche liegt, die wir als Photosphäre bezeichnen.
"Jeder weiß, dass die Energie von unten kommt, und wir wissen, dass es viel Energie ist", sagt Studienleiter Tahar Amari. Die Frage war, was diese Energie erzeugt und wie sie von der Oberfläche zur Korona gelangt. Hier setzt das neue Modell an, das diese Woche in Nature beschrieben wurde.
Die Sonne besteht hauptsächlich aus Plasma, heißem Gas aus Atomen, deren Elektronen entfernt wurden und eine Ladung bilden. Wenn sich diese Art von Gas dreht, wirkt es wie ein elektrischer Generator oder ein Dynamo. In dem neuen Modell erzeugt das Plasma der Sonne diese Dynamos, während es herumwirbelt und herumwirbelt. Die Dynamos wiederum erzeugen Magnetfelder, die Energie speichern können. All dies geschieht in den oberen 900 Meilen der Sonne - ein kleiner Bruchteil ihres Radius von 432.000 Meilen. Die Dynamos halten nicht lange, im Durchschnitt etwa acht Minuten, aber es reicht aus, dass sie manchmal größere Strukturen speisen können.
Wenn sich die resultierenden Magnetfelder verdrehen, drehen und kreuzen, können sie ihre Energie in einem Phänomen abgeben, das als Wiederverbindung bezeichnet wird. Stellen Sie zwei oder mehr Felder nebeneinander, und die Pole dieser Felder versuchen, neue Magnetfeldlinien mit ihren nächsten Nachbarn zu erzeugen, wobei die Formen der Felder neu angeordnet werden. Überschüssige Energie wird dann in Form von Wärme, elektromagnetischen Wellen oder kinetischer Energie ausgestoßen und diese wiederum in die Chromosphäre gepumpt. Die Schicht erstreckt sich ungefähr 1200 Meilen von der Photosphäre bis zu einer Region, die in die Korona übergeht.
Dem Modell zufolge treibt die Energieabgabe Plasmaausbrüche in die Chromosphäre, wodurch Wellen entstehen, die Schallwellen ähneln, die sich durch die Luft bewegen. Diese Wellen heißen Alfvén-Wellen, nach dem Physiker Hannes Alfvén, der ihre Existenz erstmals in den 1940er Jahren vorschlug. Die Energie der Alfvén-Wellen wird in der Korona zerstreut, die dann heiß genug wird, um die von uns beobachteten Millionen von Grad zu erreichen.
Ein Modell des komplexen Magnetfelds, das von der Sonnenoberfläche ausgeht, zeigt die Ähnlichkeit mit den Wurzeln und Zweigen von Mangrovenbäumen. (Tahar Amari / Centre de physique théorique.CNRS-Ecole Polytechnique.FRANCE) Amari vergleicht das ganze System mit einem Mangrovenwald. Am unteren Rand befinden sich die Wurzeln, die sich zu den Baumstämmen zusammenschließen. An der Spitze der Bäume wird die Energie abgelagert. Er bemerkte, dass man für die Art von koronaler Erwärmung ungefähr 4.500 Watt pro Quadratmeter von der Oberfläche benötigt, und das ist, was sein Modell produziert.
Im Moment ist die Arbeit nur eine Computersimulation und es gibt noch keinen direkten Weg, um zu beobachten, was passiert, sagt Amari. Vorhandene indirekte Sonnenbeobachtungen machen sein Modell jedoch plausibel. Zum Beispiel scheint die koronale Temperatur mit dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus nicht sehr zu variieren. "Sonnenflecken sind empfindlich gegenüber dem Zyklus - dieses Magnetfeld ist es nicht", sagt Amari. Sonnenflecken sind magnetische Störungen, die tiefer in der Sonne verwurzelt sind. Wenn also die beiden Phänomene nicht zusammenhängen, würde dies Amaris Modell eines relativ flachen Treibers für die koronale Erwärmung unterstützen.
Ein weiterer Faktor ist die Entdeckung von Solartornados, die zeigen, dass einige Phänomene Energie von der Oberfläche in die Chromosphäre und in die Korona transportieren und das Modell unterstützen können. Beobachtungen der Sonnenoberfläche zeigen außerdem, dass die Spektrallinien einiger Elemente in zwei oder mehr Komponenten aufgeteilt sind. Dies geschieht, wenn ein starkes lokales Magnetfeld wie das im Modell beschriebene vorhanden ist.
Im vergangenen Jahr schlug Jeff Brosius, Sonnenphysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, vor, dass winzige Fackeln, sogenannte Nanoflares, für die Erhitzung der Koronen verantwortlich seien. Nanoflares werden durch riesige Magnetfelder verursacht, die sich durch die Korona schlängeln. Die Magnetfeldlinien kreuzen sich manchmal und erzeugen Strombahnen, die Energie als Wärme abgeben.
Obwohl sich die beiden Versionen in ihren Besonderheiten unterscheiden, sind sie nicht unbedingt widersprüchlich. "Der Mechanismus der Nanoflares ist eine offene Frage", sagt Jim Klimchuk, ein wissenschaftlicher Astrophysiker bei Goddard, der an keiner der beiden Studien beteiligt war. "Es könnte sich um die Wiederverbindung von Magnetfeldern in der Korona handeln (derselbe Prozess, der Amaris Mini-Eruptionen unter der Sonnenoberfläche hervorruft und sie dazu veranlasst, den größten Teil ihrer Energie in der Chromosphäre abzulegen), oder es könnte sich um die Dissipation von Wellen handeln Ich bin sicher, dass beide Dinge passieren. Es ist nur eine Frage der Proportionen. "
Laut Klimchuk ist das neue Modell ein wichtiger Schritt, um dieses lästige solare Rätsel zu verstehen. "Meines Wissens nach wurden [die Dynamos, die Eruptionen in der Chromosphäre hervorrufen] in anderen Simulationen nicht beobachtet. Es wird daher wichtig sein, die Details dieses Verhaltens herauszufinden und zu überprüfen, ob es korrekt ist", sagt er. "Das Problem der Erwärmung der Chromosphäre und der Herzkranzgefäße ist nicht gelöst, aber diese Ergebnisse können wichtige Hinweise auf den weiteren Weg liefern."
Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um zu verdeutlichen, dass Dynamos bereits in Solarmodellen verwendet wurden.
