Przejdź do treści

Badania wyjaśniają, dlaczego wiatr słoneczny jest cieplejszy niż oczekiwano

zorza polarna

W badaniach opublikowanych w kwietniu tego roku fizycy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison wyjaśniają rozbieżności w obserwowanej i wynikającej z teorii temperaturze wiatru słonecznego. Ich odkrycia pokazują nowe sposoby badania zjawisk związanych z wiatrem w warunkach laboratoryjnych. Czy dzięki nim poznamy też właściwości wiatru gwiazdowego innych gwiazd?

Po uruchomieniu gaśnicy sprężony dwutlenek węgla tworzy kryształki lodu wokół jej dyszy. To dobry praktyczny przykład fizycznej zasady, zgodnie z którą gaz i plazma ochładzają się podczas rozszerzania. Gdy nasze Słońce wyrzuca w kosmos plazmę w postaci wiatru słonecznego, wiatr ten również chłodzi się, gdy rozszerza się swobodnie w przestrzeni - ale nie w aż tak wysokim stopniu, jak przewidują prawa fizyki.

- Uczeni badają wiatr słoneczny od czasu jego odkrycia w 1959 roku, ale istnieje wiele ważnych właściwości tej plazmy, które wciąż nie są dobrze poznane - mówi Stas Boldyrev, profesor fizyki i główny autor omawianych badań - Początkowo naukowcy sądzili, że wiatr słoneczny musi bardzo szybko stygnąć, gdy rozszerza się po wyrzuceniu ze Słońca, ale pomiary satelitarne pokazują, że gdy dociera on do Ziemi, jego temperatura jest nawet 10 razy wyższa niż oczekiwano. Podstawowe pytanie jest zatem następujące: dlaczego on nie ochładza się bardziej?

Plazma słoneczna jest mieszanką ujemnie naładowanych elektronów i dodatnio naładowanych jonów. Z powodu swego nie zerowego ładunku elektrycznego może oddziaływać z polami magnetycznymi rozciągającymi się daleko w przestrzeni kosmicznej, generowanymi pod powierzchnią Słońca. Gdy gorąca plazma ucieka z najbardziej zewnętrznej atmosfery Słońca, czyli  korony, wypływa przez przestrzeń kosmiczna właśnie jako wiatr słoneczny. Elektrony obecne w plazmie są znacznie lżejszymi cząsteczkami niż jony, przez co poruszają się tam około 40 razy szybciej.

W sytuacji, gdy więcej ujemnie naładowanych elektronów oddala się, samo Słońce zaczyna mieć szybko ładunek dodatni. Utrudnia to elektronom ucieczkę przed jego elektrycznym oddziaływaniem. Niektóre elektrony mają dużo energii i podróżują na bardzo znaczne odległości. Te o mniejszych energiach nie mogą jednak uciec przed ładunkiem dodatnim Słońca i są do niego przyciągane z powrotem. Wówczas niektóre z nich mogą być bardzo lekko odchylane na swych trajektoriach poprzez zderzenia z otaczającą je plazmą.

- Istnieje podstawowy proces dynamiczny, w którym cząstki, których prędkości nie są wyraźnie zrównane z liniami pola magnetycznego, nie są w stanie przenieść się w obszar silnego pola magnetycznego - wyjaśnia Boldyrev. - Te powracające elektrony odbijają się wówczas w taki sposób, że oddalają się od Słońca, ale znowu nie mogą od niego całkiem uciec z powodu jego przyciągającej siły elektrycznej. Tak więc ich przeznaczeniem jest odbijanie się tam i z powrotem, i w ten sposób tworzą one dużą populację tak zwanych elektronów uwięzionych.

Próbując wyjaśnić wyniki rzeczywistych obserwacji temperatury wiatru słonecznego, Boldyrev i jego współpracownicy zaczęli poszukiwać możliwego wyjaśnienia na gruncie pokrewnej, ale odrębnej dziedziny fizyki - tak zwanej fizyki plazmy. Wiadomo, że gdy naładowane cząsteczki w plazmie przemieszczają się wzdłuż linii pola magnetycznego, docierają w pewnym momencie do tak zwanego wąskiego gardła, gdzie linie tego pola są bardzo ściśnięte. Obszar ten działa wówczas niczym lustro, odbijając takie cząstki z powrotem.

Ale nawet wówczas niektóre cząstki mogą uciec. Przepływają one wzdłuż rozszerzających się linii pola magnetycznego na zewnątrz “wąskiego gardła”.

Jednym z zadań współczesnej fizyki plazmy jest właśnie technika utrzymywania plazmy w bardzo wysokiej temperaturze w laboratorium. Fizycy chcą więc zrozumieć, w jaki sposób temperatura elektronów uciekających z takiego obszaru wąskiego gardła obniża się już poza tym obszarem. To - zdaniem Boldyreva - sytuacja analogiczna do tego, co zachodzi w wietrze słonecznym, który ekspanduje poza Słońcem.

Boldyrev i jego koledzy uznali, że mogliby zastosować tę samą teorię do opisu wiatru słonecznego. Już wcześniej fizycy plazmy odkryli, że bardzo gorące elektrony uciekające z “wąskich gardeł” pól magnetycznych były w stanie powoli rozprowadzać swoją energię cieplną do uwięzionych tam elektronów.

- W przypadku wiatru słonecznego strumienie gorących elektronów oddalają się od Słońca na duże odległości, a ich energia wytraca się powoli i zostaje przekazana do populacji elektronów uwięzionych w polu magnetycznym - dodaje Boldyrev. - Okazuje się, że nasze wyniki zgadzają się bardzo dobrze z pomiarami obserwowanych profili temperatury w wietrze słonecznym i jednocześnie mogą wyjaśniać, dlaczego temperatura elektronów spada tak bardzo powoli wraz z odległością od Słońca.


Czytaj więcej:

Źródło: Wisc.edu

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na zdjęciu: Wiatr słoneczny powoduje zjawiska takie jak zorze polarne. Tę konkretną zarejestrowali astronauci z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS. Wiatr może też zakłócać pracę satelitów telekomunikacyjnych i zniekształcać własne pole magnetyczne Ziemi. Źródło: NASA