Солнце кажется самым горячим у своей яркой поверхности, но внешняя атмосфера над ней гораздо горячее. Фотосфера — слой, который мы воспринимаем как солнечную поверхность, — имеет температуру около 5500 градусов Цельсия. Корона же может достигать примерно двух миллионов градусов.
Этот перевёрнутый температурный профиль ставил физиков-солнечников в тупик больше столетия. Тепло в обычных условиях распространяется от горячего источника и остывает с расстоянием. Солнечная корона не ведёт себя как простой костёр: энергия передаётся в тонкую плазму над фотосферой благодаря процессам, связанным с магнитным полем Солнца.
Что считать поверхностью Солнца?
Фотосфера — это не твёрдая оболочка, а первый слой солнечной атмосферы, откуда выходит большая часть видимого света. Под ней конвекция поднимает горячую плазму наверх. Над ней лежат хромосфера, тонкий переходный слой и корона. Корона гораздо менее плотна, чем фотосфера: термометр, помещённый туда, повёл бы себя совсем не так, как обычный градусник в воздухе, потому что температура измеряет энергию отдельных частиц, тогда как общее количество вещества там ничтожно. В короне могут присутствовать очень энергичные частицы, но при этом она не несёт такого же суммарного тепла, как более плотные слои внизу.
Именно поэтому к фразе «горячее поверхности» нужно относиться с осторожностью. Частицы в короне движутся с колоссальными энергиями, но их там во много раз меньше. Загадка состоит в том, откуда эти частицы берут свою энергию, а не в том, что некая твёрдая внешняя скорлупа каким-то образом светится ярче, чем Солнце под ней.
Магнитные поля несут энергию наверх
Конвекция во внешних слоях Солнца скручивает и растягивает силовые линии магнитного поля, и эти поля поднимаются в корону в виде петель и арок. Изменение их формы способно передавать механическую энергию в плазму над поверхностью. Одна из ведущих идей связана с волнами Альвена — возмущениями, которые движутся вдоль магнитных полей сквозь плазму. По мере движения наружу эти волны могут ускорять частицы и выделять энергию в виде тепла. Измерить этот процесс с Земли трудно, потому что солнечный ветер смешивается с другими частицами на протяжении 150 миллионов километров пути от Солнца до нашей планеты.
Другое объяснение связано с нановспышками — крошечными выбросами энергии, вызванными магнитным пересоединением, когда напряжённые силовые линии перестраиваются и щелчком переходят в конфигурацию с более низкой энергией. Одна отдельная нановспышка слишком мала, чтобы её можно было заметить с Земли, но бесчисленные события такого рода способны поддерживать корону горячей. Эти две идеи не исключают друг друга: магнитное пересоединение может выделять тепло непосредственно и одновременно запускать волны, уносящие энергию дальше в корону. Исследователи до сих пор выясняют, как часто происходит каждый из этих процессов и какой вклад в нагрев он вносит.
Почему Parker Solar Probe так важен
Солнечный зонд NASA Parker Solar Probe пролетает сквозь корону, измеряя частицы и магнитные поля вблизи от того места, где они нагреваются. Это решающее преимущество: приборы вблизи Солнца могут брать пробы плазмы до того, как она проделает долгий путь сквозь пространство и утратит детали своего происхождения. Полные солнечные затмения дают ещё один ценный ракурс: когда Луна перекрывает фотосферу, тусклая корона становится видимой с Земли. Современные космические аппараты наблюдают её ежедневно, но затменные наблюдения по-прежнему выявляют крупномасштабные структуры и помогают связать магнитную активность Солнца с тем, что Parker измеряет локально.
У учёных пока нет одного окончательного ответа, объясняющего все наблюдения. Волны, пересоединение и мелкомасштабные извержения, вероятно, являются частью единой системы нагрева. Данные указывают на то, что энергия поступает в корону через магнитную и конвективную активность Солнца, а не через солнечный свет, просто уходящий из фотосферы наружу. Именно поэтому корона может быть на миллионы градусов горячее слоя, лежащего под ней, — и именно поэтому Солнце остаётся действующей лабораторией, а не решённой задачей из учебника.
Источники:
Материал подготовлен на основе данных миссии NASA Parker Solar Probe, наблюдений солнечных затмений, исследований магнитного пересоединения, волн Альвена и нановспышек, а также сравнительного анализа температур фотосферы и короны.
Ваш комментарий