Zdjęcie w tle: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Odkrycia sondy Solar Orbiter
W ciągu ostatniego miesiąca sonda Solar Orbiter należąca do ESA dostarczyła nam kluczowych informacji, dzięki którym jesteśmy w stanie odpowiedzieć na frustrujące nas pytanie; „Skąd bierze się energia do ogrzewania i zmiany prędkości wiatru słonecznego?”. Korzystając ze współpracy z sondą NASA; Parker Solar Probe (wysłaną w 2018 roku ze zleceniem badania rozbłysków słonecznych), sonda Solar Orbiter ujawniła, że energia potrzebna do zajścia owego zjawiska wiatru słonecznego, pochodzi z fluktuacji (nieregularnej zmienności nasilenia) pola magnetycznego słońca.
Czym właściwie są wiatry słoneczne?
Wiatry słoneczne w skrócie, to pochodzące od atmosfery Słońca (a dokładniej korony słonecznej) strumienie plazmy, składające się z elektronów, protonów i przede wszystkim cząstek alfa. Przemieszczając się promieniście we wszystkich kierunkach, cząstki wiatru są zniekształcane przez magnetosferę samego słońca, więc wytwarzana przez nie heliosfera, nie jest idealną kulą (nie ma zachowanej symetrii sferycznej).
Najważniejsze właściwości wiatru słonecznego są to gęstość, temperatura i prędkość. Wszystkie te wartości są zmienne, lecz można je określić dla danego momentu podróży. Gęstość wiatru w momencie dotarcia do Ziemi jest to przeważnie od 3 do 10 cząstek na centymetr sześcienny. Im dalej od Słońca, tym bardziej wartość ta maleje. Temperatura tych cząstek drastycznie rośnie na w momencie ucieczki ze Słońca, lecz ostatecznie również maleje wraz z odległością. W momencie, gdy jest niedaleko Ziemi, ma wartość około stu tysięcy Kelwinów. Prędkość blisko Ziemi natomiast wynosi, w przybliżeniu, 500 km/s (czyli 1,8 miliona km/h). Jak wykazały badania, zwiększa się pod wpływem pewnej energii gdy wiatr opuszcza koronę Słoneczną.
Na ilustracji widoczny jest rozbieg wiatru słonecznego wokół ziemi oraz nierówność symetrii sferycznej cząstek.
Skąd bierze się owa energia?
Jak wykazały dane z wcześniej wspomnianych sond, Solar Orbiter oraz Parker Solar Probe, szybko wzrastająca temperatura (aż do miliona stopni) oraz tak duże prędkości wiatru, biorą się z wielkoskalowej oscylacji pola magnetycznego Słońca – inaczej z fal Alfvéna. Fale te pochodzą z magnetosfery Słońca, rozchodzą się w przestrzeń kosmiczną, magazynują energię poprzez plazmę i właśnie dzięki niej mogą ją skutecznie przenosić.
Wchodząc w szczegóły, fale Alfvéna są to fale poprzeczne w zjonizowanym gazie (inaczej w plazmie) znajdującym się w obszarze pola magnetycznego. Kiedy plazma podgrzewana jest do wysokich temperatur, wchodzi w stan naelektryzowania i reaguje na pola magnetyczne. Dzięki temu procesowi tworzą się wcześniej wymienione fale, które kumulują w sobie energię i odpowiadają za efektywne jej przenoszenie za pomocą zjonizowanego gazu.
Nie tylko plazma gromadzi w sobie energię, ale robi to też jej pole elektromagnetyczne. Za pośrednictwem sond Orbiter i Probe jesteśmy w stanie zmierzyć ich właściwości i dowiedzieć się więcej o wiatrach słonecznych.
„Przed tą pracą fale Alfvéna były sugerowane jako potencjalne źródło energii, ale nie mieliśmy na to ostatecznego dowodu” – mówi współautor pracy Yeimy Rivera z Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian w Massachusetts.
Fale magnetyczne napędzają wiatr słoneczny.
Serpentyny i badania strumienia wiatru słonecznego
W lutym 2022 roku, dwie sondy Parker Solar Probe oraz Solar Orbiter, (choć obie są umiejscowione na bardzo różnych orbitach) ustawiły się na tym samym strumieniu wiatru słonecznego. Parker wykonujący misję na obszarze korony słonecznej pojawił się tam jako pierwszy, a Orbiter badający Słońce z wysokości 82 milionów kilometrów, jako drugi (dzień czy dwa później).
Wykorzystując tę okazję łączności między obiektami, zespół porównał pomiar strumienia z dwóch obszarów. Sonda Parker wykazała, że ok. 10% całkowitej energii (temperatura protonów wyniosła 1 400 000°C) pochodzi z pola magnetycznego, jednak Orbiter ukazał, że ilość energii spadł do 1% (protony o temperaturze 200 000°C) – co później uznano za skutek ochłodzenia się plazmy oraz zwiększenia jej prędkości (aż o 120 km/s). Porównując te wyniki, naukowcy doszli do wniosku, że tracona energia magnetyczna przyśpieszała lub spowalniała chłodzenie plazmy, dostarczając jej własne ogrzewanie.
Proces tworzenia się serpentyn wg prof. Gary’ego Zanka z University of Alabama.
Dane dostarczone przez dwie sondy badające słońce, pokazały jak ważne są tzw. serpentyny (ang. switchbacks) – czyli konfiguracje magnetyczne przyśpieszenia wiatru. Serpentyny to duże odchylenia w magnetosferze słońca (przykładem tego zjawiska są właśnie fale Alfvéna) obserwowane już w latach 70. Dzięki nowoczesnym badaniom z sondy Parker dowiedzieliśmy się, że pasma serpentyn zawierają wystarczająco dużo energii, aby być odpowiedzialne za brakującą część przyspieszania i ogrzewania wiatru słonecznego.
Informacja ta dopełniła kosmiczną układankę, jak sam stwierdził naukowiec ESA ds. projektu Solar Orbiter; Daniel Müller.
„Ta nowa praca w mistrzowski sposób łączy w całość kilka dużych elementów słonecznej układanki. Coraz więcej danych zebranych przez Solar Orbiter, Parker Solar Probe i inne misje pokazuje nam, że różne zjawiska słoneczne faktycznie współpracują ze sobą, aby zbudować to niezwykłe środowisko magnetyczne ”
Korekta – Alex Rymarski
