Untersuchen, wie Magnetfelder Gase auf der Sonne erhitzen, indem Turbulenz- und Wellentheorie untersucht werden

Je weiter wir uns von einer Wärmequelle entfernen, desto kühler wird die Luft. Seltsamerweise kann man das nicht von der Sonne sagen, aber Wissenschaftler der University of Otago haben vielleicht gerade einen wichtigen Teil des Grundes erklärt.

Studienleiter Dr. Jonathan Squire von der Fakultät für Physik sagt, dass die Oberfläche der Sonne bei 6.000 °C beginnt, sich aber über eine kurze Distanz von nur wenigen hundert Kilometern plötzlich auf mehr als eine Million Grad aufheizt und zu ihrer Atmosphäre wird , oder Korona.

„Das ist so heiß, dass das Gas als ‚Sonnenwind‘ der Schwerkraft der Sonne entkommt, ins All fliegt und auf die Erde und andere Planeten prallt.

„Wir wissen aus Messungen und Theorien, dass der plötzliche Temperatursprung mit Magnetfeldern zusammenhängt, die von der Sonnenoberfläche ausgehen. Aber wie diese das Gas erhitzen, ist nicht genau verstanden – dies ist als das koronale Erwärmungsproblem bekannt.

„Astrophysiker haben verschiedene Vorstellungen darüber, wie die Magnetfeldenergie in Wärme umgewandelt werden könnte, um die Erwärmung zu erklären, aber die meisten haben Schwierigkeiten, einige Aspekte der Beobachtungen zu erklären“, sagt er.

Dr. Squire und Co-Autor Dr. Romain Meyrand haben mit Wissenschaftlern der Princeton University und der University of Oxford zusammengearbeitet und festgestellt, dass zwei frühere Theorien zu einer verschmolzen werden können, um einen Schlüsselteil des „Problems“ zu lösen. Die Ergebnisse der Gruppe wurden gerade in veröffentlicht Naturastronomie.

Die populären Theorien basieren auf einer durch Turbulenz verursachten Erwärmung und einer Erwärmung, die durch eine Art magnetischer Welle, die als Ionenzyklotronwellen bezeichnet wird, verursacht wird.

„Beide haben jedoch ein Problem – Turbulenzen kämpfen darum zu erklären, warum Wasserstoff, Helium und Sauerstoff im Gas so heiß werden wie sie es tun, während Elektronen überraschend kalt bleiben; während die Magnetwellentheorie dieses Merkmal erklären könnte, scheint es nicht genug von den Wellen, die von der Sonnenoberfläche kommen, um das Gas aufzuheizen“, sagt Dr. Meyrand.

Die Gruppe verwendete sechsdimensionale Supercomputer-Simulationen des koronalen Gases, um zu zeigen, wie diese beiden Theorien tatsächlich Teil desselben Prozesses sind, der durch einen bizarren Effekt namens „Helizitätsbarriere“ miteinander verbunden ist.

Dieses faszinierende Ereignis wurde in einer früheren Otago-Studie unter der Leitung von Dr. Meyrand entdeckt.

„Stellen wir uns die Plasmaerwärmung so vor, als ob Wasser einen Hügel hinunterfließt, mit Elektronen, die ganz unten erhitzt werden, dann wirkt die Helizitätsbarriere wie ein Damm, der den Fluss stoppt und seine Energie in Ionenzyklotronwellen umleitet. Die Helizitätsbarriere verbindet die beiden Theorien und löst jedes ihrer individuellen Probleme“, erklärt er.

Für diese neueste Studie rührte die Gruppe die Magnetfeldlinien in Simulationen und stellte fest, dass die Turbulenzen die Wellen erzeugten, die dann die Erwärmung verursachten.

„Während dies geschieht, sehen die sich bildenden Strukturen und Wirbel extrem ähnlich aus wie hochmoderne Messungen der Raumsonde Parker Solar Probe der NASA, die kürzlich als erstes von Menschenhand geschaffenes Objekt tatsächlich in die Korona geflogen ist.

„Dies gibt uns die Zuversicht, dass wir die Schlüsselphysik in der Korona genau erfassen, was – in Verbindung mit den theoretischen Erkenntnissen über die Erwärmungsmechanismen – ein vielversprechender Weg zum Verständnis des Problems der koronalen Erwärmung ist“, sagt Dr. Meyrand.

„Es ist wichtig, mehr über die Atmosphäre der Sonne und den daraus resultierenden Sonnenwind zu verstehen, da sie tiefgreifende Auswirkungen auf die Erde haben“, erklärt Dr. Squire.

„Effekte, die aus der Wechselwirkung des Sonnenwinds mit dem Magnetfeld der Erde resultieren, werden ‚Weltraumwetter‘ genannt, das alles von Aurora bis zu satellitenzerstörender Strahlung und geomagnetischen Strömen verursacht, die das Stromnetz beschädigen.

„All dies wird im Wesentlichen durch die Korona und ihre Erwärmung durch Magnetfelder verursacht, sodass die Dynamik der Sonnenkorona nicht nur für unser allgemeines Verständnis des Sonnensystems interessant ist, sondern auch tiefgreifende Auswirkungen auf die Erde haben kann.

„Vielleicht werden wir mit einem besseren Verständnis der grundlegenden Physik in der Lage sein, bessere Modelle zur Vorhersage des Weltraumwetters in der Zukunft zu bauen und so die Implementierung von Schutzstrategien zu ermöglichen, die – buchstäblich – Schäden in Milliardenhöhe abwenden könnten.“