Нове дослідження Університету Колорадо в Боулдері може допомогти вченим краще зрозуміти явища, що стоять за «сонячними плямами».
Сонце вже давно інтригує вчених. Однак ця сфера перегріта плазма— найближчу до Землі зірку — також, як відомо, важко досліджувати, залишаючи багато питань без відповіді.
Тепер у дослідників є одна можлива відповідь на довгострокове сонячне явище під назвою «конвективна головоломка». Висновки, нещодавно опубліковані в Праці Національної академії наук, пропонують нове вікно в таємничу внутрішню роботу Сонця та можуть мати майбутні наслідки для розуміння космічної погоди, яка впливає на все, від супутників до електричної мережі.
Сонце має кілька чітких областей. Одна з них, конвективна зона, охоплює приблизно 200,000 200 кілометрів (30 мегаметрів) і становить зовнішні XNUMX% Сонця. Енергія, що утворюється в результаті ядерного синтезу в ядрі Сонця, рухається назовні до поверхні. Коли енергія досягає конвективної зони, рідина починає завихрюватися у вирах і спіралях, які називаються конвективними потоками.
Вчені вважали, що найбільший із цих вирів має бути приблизно такого ж розміру, як сама конвективна зона — 200,000 XNUMX кілометрів — і почали шукати ці так звані «гігантські клітини». Незважаючи на багаторічні пошуки, дослідники не змогли спостерігати такі великі конвективні потоки, отже, головоломка.
«Чому класичні гігантські клітини не спостерігаються? І чому і як спостереження суперечать числовим моделям?» сказав Кейт Джулієн, професор Університету Колорадо в Боулдері та завідувач кафедри прикладної математики та один із співавторів дослідження.
Нове дослідження Джефрі Василя з Університету Сіднея (PhDAstroPhys/Atmos'08), Ніколаса Фезерстоуна (PhDAstroPhys'10) з Південно-західного науково-дослідного інституту (PhDAstroPhys'30,000) і Джульєна свідчить про те, що обертання Сонця важливіше, ніж вважали дослідники раніше. Сильне обертання створює подовжені конвективні потоки овальної форми, які насправді мають розмір 30 200,000 кілометрів (XNUMX мегаметрів), а не XNUMX XNUMX.
Вони зробили це теоретичне передбачення, спираючись на мультидисциплінарні рівняння та теорії, що використовуються в галузях фізики, математики, метеорології та океанографії.
«По суті, гігантських клітин не існує», — сказав Жульєн. «Ця давня віра або полювання на них, можливо, були трохи червоним оселедцем. Обертання дає іншу структуру потоку рідини, максимальна в цих масштабах 30 мегаметрів».
Ці знахідки важливі, оскільки вони пропонують вирішення наукової проблеми, яка існувала десятиліттями, сказав Жульєн.
Крім того, знання про зону конвекції Сонця може допомогти вченим краще зрозуміти магнітне поле Сонця, явище, яке називають глобальним сонячним динамо.
«Глобальне динамічне магнітне поле Сонця відповідає за космічну погоду, і це справді велика справа», — сказав Жульєн. «Ми не зможемо багато сказати про космічну погоду, не зрозумівши більше того, як працює динамо».
Магнітне поле Сонця становить особливий інтерес для дослідників, урядів і компаній, оскільки воно впливає на опір супутників і Міжнародної космічної станції.
Це також може спричинити катастрофічну шкоду. Магнітні поля Сонця виходять на його поверхню у вигляді сонячних плям, які іноді вибухають і викидають на Землю радіоактивну плазму.
«Глобальне динамічне магнітне поле Сонця відповідає за космічну погоду, і це справді велика справа». — Кіт Жульєн
«Велика сонячна подія може легко знищити глобальну інфраструктуру на 10 трильйонів доларів за лічені дні», — сказав Василь. «І ми мали б лише кілька годин, щоб щось з цим зробити. У порівнянні з цим пандемія, яка зараз тримає владу над земною кулею, може виглядати малою. Велика сонячна подія може призвести до відсутності зв’язку чи електрики в усьому світі. Це величезний ризик, і майже ніхто про це не знає».
Ці відкриття не дають прямої відповіді на наші запитання про магнітне поле Сонця, але вони є важливим кроком на шляху до розуміння глобального сонячного динамо, на якому інші дослідники можуть спиратися.
У найближчій перспективі ці відкриття створюють нове обмеження для дослідників, які займаються чисельним моделюванням Сонця, і тепер вони можуть краще зрозуміти проблеми моделювання обертання.
«До цього моменту моделі динамо не враховували належним чином обертання», — сказав Василь.
Дослідники сподіваються, що вони або інші вчені зможуть підтвердити свої прогнози математично і врешті-решт реально спостерігати конвективні потоки на сонці.
«З багатьох причин важко виміряти види потоків, які ми прогнозуємо у внутрішній частині», — сказав Василь. «Частково причина полягає в тому, що на поверхні є багато шуму, який приблизно такого ж розміру, як ми очікуємо глибше. Ми вважаємо, що це лише збіг обставин. Але це означає, що спостерігачам знадобиться набагато більше даних, щоб побачити, що відбувається».
Якщо говорити ширше, то відкриття робить нас на один крок ближче до демістифікації Сонця, яке підтримує наше існування та містить багато підказок про еволюцію самого Всесвіту.
«Сонце дарує життя, але воно також має багато цікавинок», — сказав Жульєн. «Наш Всесвіт складається із зірок, і ми знаємо, що зірки також пов’язані з планетними системами, тому розуміння нашої найближчої планетарної системи та нашої найближчої зірки є досить важливим із загальної наукової точки зору — звідки ми? Як ми сюди потрапили?»
Довідка: «Обертання пригнічує сонячну конвекцію гігантського масштабу» Джеффрі М. Василь, Кіт Джулієн і Ніколас А. Фезерстоун, 29 липня 2021 р., Праці Національної академії наук.
DOI: 10.1073 / pnas.2022518118