Ανάδυση μαγνητικής ροής και εκρηκτικά φαινόμενα στον Ήλιο

Ανάδυση μαγνητικής ροής και εκρηκτικά φαινόμενα στον Ήλιο

Ο Ήλιος είναι ένα δυναμικό και συνεχώς μεταβαλλόμενο αστέρι. Ένα από τα πιο συναρπαστικά φαινόμενα που συμβαίνουν στον Ήλιο είναι η ανάδυση μαγνητικής ροής, η οποία είναι η διαδικασία με την οποία τα μαγνητικά πεδία αναδύονται από το εσωτερικό του και διαπερνούν την επιφάνειά του [1]. Αυτή η διαδικασία σχετίζεται με εκρηκτικά γεγονότα όπως οι εκλάμψεις (flares), οι ηλιακοί πίδακες (solar jets) και οι στεμματικές εκτινάξεις μάζας (CME, από το coronal mass ejections), που μπορεί να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στο περιβάλλον της Γης διαταράσσοντας τη μαγνητόσφαιρα της. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μια πληθώρα προβλημάτων κυρίως στη λειτουργία των δορυφόρων αλλά και να θέσει σε κίνδυνο την υγεία των αστροναυτών που βρίσκονται σε τροχιά. Αυτό κάνει τη μελέτη του διαστημικού καιρού και των ηλιακών εκρήξεων πολύ σημαντική. Σε αυτό το άρθρο θα αναφερθούμε σε αυτά τα εκρηκτικά φαινόμενα και θα δείξουμε ένα παράδειγμα δημιουργίας ηλιακού πίδακα μέσα από προσομοιώσεις.
Η ανάδυση μαγνητικής ροής είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση των μαγνητικών πεδίων και του πλάσματος (ιονισμένο αέριο) στο εσωτερικό του Ήλιου. Τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται από την επαγωγική κίνηση του πλάσματος στα ανώτερα στρώματα του εσωτερικού του Ήλιου και μπορούν να συστραφούν και να παραμορφωθούν καθώς αναδύονται (βλέπε Εικόνα 1, [2]). Όταν τα μαγνητικά πεδία φτάσουν στην επιφάνεια του Ήλιου, μπορούν να δημιουργήσουν ηλιακές κηλίδες, οι οποίες είναι περιοχές συγκέντρωσης ισχυρών μαγνητικών πεδίων που εμφανίζονται ως σκοτεινά σημεία (Εικόνα 2) στην επιφάνεια του Ήλιου

Εικόνα 1: Ανάδυση ενός μαγνητικού σωλήνα ροής από τη ζώνη μεταφοράς (convection zone) του Ήλιου στην επιφάνεια του. Στη δεξιά εικόνα βλέπουμε πώς ο αναδυόμενος σωλήνας ροής δημιουργεί το ζευγάρι σκοτεινών κηλίδων στην επιφάνεια του Ήλιου. Image Credit: Solar Physics: Overview, E. E. Priest, 2020.
Εικόνα 2: Εικόνα μιας ενεργής περιοχής στον Ήλιο όπως παρατηρήθηκε τον Σεπτέμβριο του 2011. Στην εικόνα φαίνονται οι σκοτεινές περιοχές που είναι σημεία συγκέντρωσης πολύ ισχυρών μαγνητικών πεδίων. Οι περιοχές αυτές εμφανίζονται σαν μαγνητικά δίπολα όπου η μια περιοχή έχει θετικό μαγνητικό πεδίο και η άλλη αρνητικό. Image Credit: NASA.

Οι εκλάμψεις, οι πίδακες και τα CMEs είναι εκρηκτικά γεγονότα που προκαλούνται από την απελευθέρωση ενέργειας από αυτά τα συγκεντρωμένα ισχυρά μαγνητικά πεδία. Οι εκλάμψεις είναι έντονες εκρήξεις ακτινοβολίας που μπορεί να διαρκέσουν από λεπτά έως ώρες και συνήθως συνδέονται με τη θέρμανση του στέμματος του Ήλιου (το πιο εξωτερικό στρώμα της ατμόσφαιρας του Ήλιου). Τα CMEs, από την άλλη πλευρά, είναι μεγάλης έκτασης και ενέργειας εκτοξεύσεις πλάσματος και μαγνητικών πεδίων που μπορούν να ταξιδέψουν στο διάστημα με πολύ μεγάλες ταχύτητες και να αλληλεπιδράσουν με το μαγνητικό πεδίο της Γης, προκαλώντας δυνητικά γεωμαγνητικές καταιγίδες. Οι ηλιακοί πίδακες, τέλος, είναι υψηλής ταχύτητας εκτοξεύσεις πλάσματος από την επιφάνεια του Ήλιου. Συνήθως παρατηρούνται ως στενές, επιμήκεις δομές που εκτείνονται αρκετά χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια του Ήλιου (Εικόνα 3, [3]). Οι ηλιακοί πίδακες σχετίζονται στενά με το αναδυόμενο μαγνητικό πεδίο και πιστεύεται ότι προκαλούνται από γεγονότα μαγνητικής επανασύνδεσης με κάποιο προϋπάρχον εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ως αποτέλεσμα απελευθερώνονται μεγάλες ποσότητες ενέργειας και πλάσματος στην ηλιακή ατμόσφαιρα. Σε αντίθεση με τα CMEs, οι ηλιακοί πίδακες είναι πολύ μικρότερης έκτασης και επηρεάζουν κυρίως την ανώτερη ατμόσφαιρα του Ήλιου.

Εικόνα 3: Παρατηρήσεις ενός ηλιακού πίδακα με τη συσκευή STEREO το οποίο αποτελείται από 2 διαστημόπλοια, το STEREO A και το STEREO B που αντιστοιχούν στις εικόνες στην πανω και στην κάτω σειρά αντίστοιχα. Από τα αριστερά προς τα δεξιά έχουμε παρατηρήσεις σε διάφορες συχνότητες ξεκινώντας από 195 Å, 171 Å και 304 Å (1Å = 10-10 μέτρα ή αλλιώς ίσο με 0,1 δισεκατομμυριοστά του μέτρου!), αντίστοιχα. Οι διάφορες συχνότητες αντιστοιχούν σε διάφορες τιμές της θερμοκρασίας. Image Credit: Raouafi et al. 2016.

Τα θεωρητικά μοντέλα έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην κατανόηση μας για την ανάδυση της μαγνητικής ροής και τα συσχετιζόμενα εκρηκτικά φαινόμενα. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί αρκετά τέτοια μοντέλα μελέτης της ανάδυσης του μαγνητικού πεδίου και της αλληλεπίδρασης με το πλάσμα [4]. Αυτά τα μοντέλα έχουν βοηθήσει να εξηγηθεί ο σχηματισμός των ηλιακών κηλίδων και η δημιουργία εκλάμψεων, πιδάκων  και CME.  Σε αυτό το άρθρο δείχνουμε ένα παράδειγμα δημιουργίας ενός πίδακα μέσα από προσομοιώσεις. Έχουμε χρησιμοποιήσει των κώδικα Lare3D [5] ο οποίος λύνει αριθμητικά τις εξισώσεις της μαγνητοϋδροδυναμικής. Σε αυτό το παράδειγμα έχουμε τοποθετήσει ένα σωλήνα μαγνητικής ροής στο εσωτερικό του Ηλίου ο οποίος και αναδύεται λόγω άνωσης στην επιφάνεια και εκεί συναντά ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Λόγω μαγνητικής επανασύνδεσης έχουμε τη δημιουργία ενός πίδακα. Στο βίντεο από την προσομοίωση (Εικόνα 4) δείχνουμε τη θερμοκρασία και βλέπουμε ότι όταν το μαγνητικό πεδίο αναδύεται και δημιουργείται η μαγνητική επανασύνδεση έχουμε μια βίαια εκτόξευση πλάσματος αλλά και μια σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας, που μπορεί να φτάσει και τιμές πάνω από 1 εκατομμύριο βαθμούς Κελσίου.

4) Δημιουργία πίδακα από προσομοιώσεις. Στο βίντεο δείχνουμε τη θερμοκρασία σε λογαριθμική κλίμακα στον x-z άξονα.  Η κόκκινη διακεκομμένη γραμμή δείχνει το ύψος της φωτόσφαιρας. Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε με τον κώδικα Lare3D (Arber et al. 2001) στα πλαίσια της μεταδιδακτορικής μου έρευνας στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Image Credit: Γιουτζίν Ζουλέκου.

Συγκρίνοντας τις προσομοιώσεις με τις παρατηρήσεις βλέπουμε ότι τα αριθμητικά μοντέλα προσεγγίζουν αρκετά καλά τη διαδικασία δημιουργίας ενός ηλιακού πίδακα. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμα πολλά ανοιχτά θέματα που δεν είναι κατανοητά σχετικά με αυτά τα πολύπλοκα φαινόμενα και η συνεχιζόμενη έρευνα επικεντρώνεται στη βελτίωση της κατανόησης μας για τις διαδικασίες που οδηγούν στην ανάδυση της μαγνητικής ροής και τη συσχέτιση με τα εκρηκτικά γεγονότα. Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη μαγνητική δραστηριότητα του Ήλιου και στο διάστημα γύρω του. Η κατανόηση τους θα μας βοηθήσει να προστατευτούμε καλύτερα και έγκαιρα καθώς συμβαίνουν αρκετά συχνά κατά τη διάρκεια του ηλιακού κύκλου. Με την ανάπτυξη καλύτερων υπολογιστικών συστημάτων αλλά και της γνώσης μας πάνω στο αντικείμενο στο μέλλον θα καταφέρουμε πιθανόν όχι μόνο να κατανοήσουμε πλήρως αυτά τα φαινόμενα αλλά να προβλέπουμε τη συμπεριφορά τους εγκαίρως.

Βιβλιογραφία:

1) Flux Emergence (Theory) ,  Cheung and Isobe, 2014, Living Rev. Solar Phys., 11, (2014), 3, DOI:10.12942/lrsp-2014-3

2) Solar Physics: Overview, E.R. Priest, 2020, doi.org/10.1093/acrefore/9780190871994.013.21

3) Solar Coronal Jets: Observations, Theory, and Modeling, Raouafi et al. 2016, Space Sci Rev (2016) 201:1–53 DOI 10.1007/s11214-016-0260-5

4) Emergence of magnetic flux from the convection zone into the corona , Archontis et al. 2004, A&A 426, 1047–1063 (2004), DOI: 10.1051/0004-6361:20035934

5) A Staggered Grid, Lagrangian–Eulerian Remap Code for 3-D MHD Simulations , Arber, T., Longbottom et al. 2001, JCoPh, 171, 151, DOI:10.1006/jcph.2001.6780

Tags: Ήλιος, εκλάμψεις, εκτοξεύσεις στεμματικής μάζας