В солнечной короне наконец обнаружены альфвеновские волны
|
Американские астрофизики нащупали путь к объяснению чрезвычайно высокой температуры солнечной короны. Уже давно предполагалось, что приток энергии обеспечивают какие-то нетепловые процессы, в которых участвуют электромагнитные поля, возникающие в солнечной плазме. И вот предсказанные Альфвеном еще в 1942 году поперечные плазменные волны наконец зарегистрированы. Правда, пока еще не ясно, не окажется ли этот путь тупиковым.
Давно известно, что тайна сия велика есть. Температура поверхности Солнца, фотосферы, не превышает 5800 кельвинов. А вот внешняя часть атмосферы нашего светила, солнечная корона, куда горячее. Она состоит из разреженной плазмы, которая по плотности уступает фотосфере примерно в триллион раз, но зато в среднем нагрета до 1,8 миллиона кельвинов. Более того, отдельные участки короны могут на время разогреваться в несколько раз сильнее. Корональное свечение обладает уникальными спектральными характеристиками, которые когда-то приписывали гипотетическому химическому элементу — коронию. Сейчас известно, что структура коронального спектра объясняется наличием сильно ионизированных ионов железа.
Чтобы температура корональной плазмы достигала столь исполинских значений, в корону должна непрерывно закачиваться энергия из фотосферы. Требуемая мощность давно просчитана — примерно 1 киловатт на квадратный метр солнечной поверхности.
Встает естественный вопрос: как эта энергия передается? Очевидно, что прямой нагрев короны сравнительно холодной фотосферой невозможен, это было бы прямым нарушением второго закона термодинамики. Это означает, что приток энергии обеспечивают какие-то нетепловые процессы, в которых участвуют электромагнитные поля, возникающие в плазме. Для их теоретического описания одной термодинамикой не обойдешься, надо привлекать уравнения магнитной гидродинамики.
Поскольку проблема стара, то и решений для нее придумано много. Обо всех моделях коронального нагрева здесь не расскажешь. В целом они распадаются на два класса. В одном варианте энергия уносится от фотосферы теми или иными плазменными волнами, во втором корону нагревают индукционные токи, которые в ней возбуждает солнечное магнитное поле.
В плазме может распространяться немало различных волн. Одни из них не требуют наличия магнитного поля, другие возбуждаются лишь в его присутствии. Специалисты по физике Солнца связывают нагрев короны лишь с волнами второго типа, поскольку именно они могут эффективно канализировать энергию. Наилучшим кандидатом считаются поперечные плазменные волны, которые в 1942 году теоретически предсказал шведский астрофизик Ханнес Альфвен (Альвен). Они распространяются в плазме вдоль силовых линий магнитного поля и переносят энергию с очень малыми потерями. Альфвен в 1947 году первым предположил, что эти волны зарождаются в солнечной фотосфере и идут оттуда в корону, вливая в нее энергию. Правда, волны Альфвена (Alfven wave) в первом приближении не диссипируют и потому сами по себе не могут нагреть корональную плазму. Однако можно допустить, что они возбуждают в ней другие волны, которые на это уже способны.
Эта концепция теоретически очень убедительна, но до сих пор ее никак не удавалось подтвердить на опыте. Альфвеновские волны действительно наблюдались и в земных лабораториях, и в плазме солнечного ветра, однако их многолетние поиски в самой короне до сих пор ни к чему не приводили. Однако 31 августа 2007 года исследователи из США сообщили в журнале Science, что регистрация корональных волн Альфвена наконец-то состоялась. Эта работа выполнена под руководством сотрудников Национального центра атмосферных исследований в Боулдере (штат Колорадо, США) Стива Томчика (Steve Tomczyk) и Скотта Макинтоша (Scott McIntosh).
Альфвеновские волны обнаружить очень непросто. Дело в том, что они не вызывают сильных смещений плотности, так что их, в отличие от других плазменных колебаний, не удается выявить по изменениям оптической яркости короны. Стив Томчик и его коллеги использовали очень чувствительный прибор — многоканальный корональный поляриметр, который был недавно установлен на телескопе Национальной солнечной обсерватории, расположенном на пике Сакраменто в штате Нью-Мексико. С его помощью они смогли измерить допплеровские сдвиги спектральных линий корональных ионов железа, которые, по мнению ученых, как раз и были вызваны прохождением альфвеновских волн. Выявленные изменения скорости оказались весьма невелики, не более 300 метров в секунду, но их всё же удалось зарегистрировать (см. видео).
Собранные данные позволяют утверждать, что новооткрытые волны действительно движутся вдоль магнитного поля, причем их скорость достигает 4000 километров в секунду. Как и ожидалось, их частота совпадает с частотой мощных фотосферных плазменных течений, которые вынуждают магнитные силовые линии вибрировать наподобие натянутых струн. Такие вибрации уходят в корону в виде альфвеновских волн. В общем, как и предсказывали теоретики, корона вроде бы действительно греется за счет энергии конвективных течений фотосферной плазмы, которая передается вверх от Солнца с помощью волн Альфвена.
Однако загадка корональной температуры всё еще не имеет окончательного ответа. Отловленные альфвеновские волны слишком слабы, чтобы обеспечить нагрев короны до нужных температур. Причем отличие зарегистрированных амплитуд от требуемых очень велико, целых четыре порядка. Тем не менее Томчик и Макинтош полагают, что эта проблема разрешима. По их мнению, в короне, скорее всего, распространяются и альфвеновские волны с куда большими амплитудами, которые пока не удалось обнаружить из-за недостаточной разрешающей способности поляриметра. Если это и в самом деле так, со временем эти волны непременно будут зарегистрированы.
Источник: S. Tomczyk, S. W. McIntosh, S. L. Keil, P. G. Judge, T. Schad, D. H. Seeley, J. Edmondson. Alfven Waves in the Solar Corona // Science. V. 317. P. 1192–1196.
Алексей Левин
