Εκσφενδονίσεις πλάσματος στον Ήλιο

Από την ιστοσελίδα Focus του περιοδικού Physical Review Letters,  Μάιος 2003

Ενώ ο Ήλιος θεωρείται εξαιρετικά θερμός, η επιφάνειά του έχει θερμοκρασία μόλις 6000 βαθμούς Kelvin. Οι πραγματικά θερμές περιοχές στο εξωτερικό μέρος του Ήλιου βρίσκονται στην εξωτερική ατμόσφαιρά του, το στέμμα ή κορώνα, όπου εκεί η θερμοκρασία υπερβαίνει το 1.000.000 βαθμούς. Η εξήγηση της μεγάλης θερμοκρασίας του στέμματος παραμένει ένα μυστήριο για τους φυσικούς. Τώρα κάποιοι ηλιακοί φυσικοί προτείνουν ένα πρώτο βήμα για την εξήγησή του. 

Η θεωρία τους που υποστηρίζεται από παρατηρήσεις δύο δορυφόρων εξηγεί τη δραματική αύξηση θερμοκρασίας που παρατηρείται σε ένα στενό στρώμα κάτω από το στέμμα. Σύμφωνα με την θεωρία, καταιγισμοί ωστικών κυμάτων εκτοξεύονται προς τα επάνω, μέσα από πυκνά αέρια της ηλιακής ατμόσφαιρας, και τα κύματα αυτά εκτοξεύονται και καμπυλώνονται από μαγνητικά πεδία, σα να τα εκσφενδονίζει μια γιγαντιαία σφεντόνα.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, ερευνητές που χρησιμοποίησαν τον δορυφόρο SOHO για την παρατήρηση του Ήλιου, προσδιόρισαν ένα δίκτυο μαγνητικών δυναμικών γραμμών που ξεκινούσαν από την επιφάνεια του Ήλιου, την φωτόσφαιρα. Οι γραμμές αυτές είχαν και τα δύο άκρα τους κάτω από την επιφάνεια και σχημάτιζαν βρόχους. Αυτοί οι βρόχοι δημιουργούνταν, πύκνωναν εκρηκτικά, και εξαφανίζονταν. Οι φυσικοί που ασχολούνται με τα ηλιακά φαινόμενα, υποπτεύονταν ότι η ανάπτυξη αυτών των βρόχων σχετίζεται κάπως με τη θέρμανση της βάσης του στέμματος, αλλά δεν ήταν καθαρό πως εκτοξευόταν τόση ενέργεια μέσω της ηλιακής ζώνης μετάβασης, μιας περιοχής όπου η θερμοκρασία ανυψώνεται απότομα κατά ένα παράγοντα 100. 

Μαγνητική έξαρση. Τα μαγνητικά πεδία του Ήλιου δημιουργούν πολύπλοκες μορφές φορτισμένων αερίων. Μια νέα θεωρία εξηγεί πως αυτά τα πεδία θα μπορούσαν να θερμάνουν την βάση του στέμματος. Αυτό πιθανόν αποτελεί ένα πρώτο βήμα για την εξήγηση του μυστηρίου της θερμοκρασίας των εκατομμυρίων βαθμών του στέμματος.

Τώρα οι παρατηρήσεις με τους δορυφόρους SOHO και TRACE ((Transition Region and Coronal Explorer), μπορεί να λύσουν το μυστήριο. Ο Trace εκτοξεύθηκε τον Απρίλιο του 1998 για να ανακαλύψει την ενδιάμεση περιοχή της ατμόσφαιρας του Ήλιου, που είναι ανάμεσα στην σχετικά ψυχρή επιφάνεια και την θερμή εξωτερική ατμόσφαιρα.

Με τη βοήθεια του TRACE οι επιστήμονες παρατήρησαν την εξωτερική ατμόσφαιρα του ήλιου, γνωστή ως ''ηλιακό στέμμα'' ή κορώνα. Είναι η περιοχή όπου συμβαίνουν εκρήξεις με αποτέλεσμα την απελευθέρωση τεράστιων ποσών ύλης στο διαπλανητικό χώρο με ταχύτητες, που φτάνουν μέχρι και 2.000km/sec. Αυτά τα τεράστια ποσά ενέργειας που κατευθύνονται προς τη γη, δημιουργούν τις ηλιακές καταιγίδες οι οποίες είναι δυνατό να βλάψουν συστήματα υψηλής τεχνολογίας. 

Οι δορυφόροι εστίασαν στο ίδιο σημείο του Ήλιου για 2,2 ώρες. Τα όργανα κατέγραψαν τα μαγνητικά πεδία στην επιφάνεια και παλμούς φωτός από τρία διαφορετικά στρώματα πάνω από την επιφάνεια. Για παράδειγμα, καταγράφηκαν μικρής διάρκειας αναλαμπές υπεριώδους φωτός, προερχόμενοι από άτομα Οξυγόνου, απογυμνωμένα από πέντε ηλεκτρόνια. Οι αναλαμπές αυτές έδειχναν σημεία όπου η περιοχή θερμαινόταν σύντομα στους 300.000 βαθμούς Κέλβιν. Τα συνδυασμένα αυτά δεδομένα επέτρεψαν στην  Margarita Ryutova του Εθνικού Αμερικανικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore, στην California και στον  Theodore Tarbell του ηλιακού και αστροφυσικού εργαστηρίου Lockheed Martin στο Palo Alto, της California, να καθορίσουν πως η θερμότητα εκσφενδονίζεται προς τα επάνω, προς την Κορώνα. 

Όταν δύο μαγνητικοί βρόχοι αντίθετης πολικότητας, πλησιάζουν και ενώνονται, μπορούν να σχηματίσουν ένα ζεύγος διπλανών τόξων, όπως τα χρυσά τόξα στο μονόγραμμα της φίρμας McDonald. Αλλά η ισχυρή τάση στις δυναμικές γραμμές, σύντομα σπάζει απότομα τον κόμπο στο κέντρο αυτού του νοητού "Μ", εκτοξεύοντας πλάσμα προς τα επάνω με υπερηχητικές ταχύτητες. Τα ωστικά κύματα από το εκτοξευόμενο πλάσμα απλώνονται και παραμορφώνονται καθώς ταξιδεύουν προς την Κορόνα. 

Με τον ασταμάτητο ρυθμό των μαγνητικών συγχωνεύσεων, η μεταβατική περιοχή κάτω από το στέμμα συνεχώς βομβαρδίζεται από τα ωστικά κύματα, τα οποία συντρίβονται το ένα πάνω στο άλλο. Σύμφωνα με το μοντέλο της ομάδας, η θέρμανση της μεταβατικής ζώνης προέρχεται από τις συγκρούσεις των κυμάτων αυτών. 

Το σενάριο αυτό ακούγεται λογικό, λέει ο ηλιακός φυσικός  Barry LaBonte του εργαστηρίου εφαρμοσμένης φυσικής του πανεπιστημίου Johns Hopkins στο Maryland. "είναι μια ενδιαφέρουσα προοπτική και η πιο πλήρης και ποσοτική περιγραφή απ' όσες είχαμε ως τώρα" λέει ο ίδιος. Μια ταυτόχρονη μελέτη του Ήλιου σε πολλά μήκη κύματος θα ελέγξει την ορθότητα του μοντέλου, παρατηρεί ο LaBonte. 

Αναφορά: MHD Shocks and the Origin of the Solar Transition Region
Margarita Ryutova and Theodore Tarbell
Phys. Rev. Lett. 90, 191101

Οι εκτινάξεις στεμματικής μάζας (CME) γίνονται επειδή ο ισημερινός του ήλιου περιστρέφεται γρηγορότερα από τους πόλους του. Αυτή η διαφορική περιστροφή συστρέφει το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται στο κέντρο του ήλιου. Αναγκάζει έτσι τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου να μπλεχτούν μεταξύ τους. Όταν δε αυτές οι γραμμές γίνουν τόσο πεπλεγμένες που φθάσουν στο σημείο να διασπαστούν, τότε αποδεσμεύουν τεράστια ποσά ενέργειας υπό μορφή CME, οι οποίες μπορούν να εκτινάξουν δισεκατομμύρια τόνων πλάσματος, 'δεμένες' με τις γραμμές των μαγνητικών πεδίων προς το διάστημα με μια ταχύτητα εκατομμύρια χιλιομέτρων την ώρα.

Αυτό το πλάσμα μπορεί να δημιουργήσει την καταστροφή με δύο τρόπους. Αρχικά, συμπιέζει τη γήινη μαγνητική ασπίδα, γνωστή ως μαγνητόσφαιρα, η οποία μπορεί να επιτρέψει στα σωματίδια υψηλής ενέργειας να διαπεράσουν το εξωτερικό περίβλημα των γεωστατικών δορυφόρων και να αναστατώσουν τα ηλεκτρονικά τους. Αφετέρου, οι γραμμές των πεδίων μέσα στο πλάσμα συνδέονται με τις γραμμές στη μαγνητόσφαιρα της Γης, δημιουργώντας ισχυρά ηλεκτρικά ρεύματα που μπορούν επίσης να έχουν επιπτώσεις στους δορυφόρους, καθώς επίσης και στα δίκτυα του ηλεκτρικού ρεύματος πάνω στη γήινη επιφάνεια.