Coronale lussen, de elegante en heldere structuren die door het zonneoppervlak en in de zonnesfeer lopen, zijn essentieel om te begrijpen waarom de corona zo heet is. Ja, het is de zon en ja, het is heet, maar de sfeer is dat te heet. De puzzel waarom de zonnecorona heter is dan de fotosfeer van de zon heeft zonnefysici sinds het midden van de twintigste eeuw bezig gehouden, maar met de hulp van moderne observatoria en geavanceerde theoretische modellen hebben we nu een redelijk goed idee wat dit veroorzaakt. Is het probleem dus opgelost? Niet helemaal…
Dus waarom zijn zonnefysici zo geïnteresseerd in de zonnecorona? Om dit te beantwoorden, trek ik een fragment uit mijn allereerste Space Magazine-artikel:
…metingen van coronale deeltjes vertellen ons dat de atmosfeer van de zon eigenlijk warmer is dan het oppervlak van de zon. Traditioneel denken zou suggereren dat dit verkeerd is; allerlei fysieke wetten zouden worden overtreden. De lucht rond een gloeilamp is niet heter dan de gloeilamp zelf, de warmte van een object zal afnemen naarmate je verder weg de temperatuur meet (overduidelijk eigenlijk). Als je het koud hebt, ga je niet weg van het vuur, je komt er dichter bij! - van "Hinode ontdekt de verborgen schittering van de zon", Space Magazine, 21 december 2007
Dit is niet alleen een academische nieuwsgierigheid. Ruimteweer is afkomstig van de lagere zonnecorona; het begrijpen van de mechanismen achter coronale verwarming heeft verstrekkende gevolgen voor het voorspellen van energetische (en schadelijke) zonnevlammen en het voorspellen van interplanetaire omstandigheden.
Het probleem van coronale verwarming is dus een interessant probleem en zonnefysici volgen het antwoord op de vraag waarom de corona zo heet is. Magnetische coronale lussen staan centraal in dit fenomeen; ze staan aan de basis van de zonneatmosfeer en ervaren snelle verhitting met een temperatuurgradiënt van tienduizenden Kelvin (in de chromosfeer) tot tientallen miljoenen Kelvin (in de corona) over een zeer korte afstand. De temperatuurgradiënt werkt over een dun overgangsgebied (TR), dat in dikte varieert, maar op sommige plaatsen slechts enkele honderden kilometers dik kan zijn.
Deze heldere lussen van heet zonneplasma zijn misschien gemakkelijk te zien, maar er zijn veel verschillen tussen de waarneming van de corona en de coronale theorie. De mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het verwarmen van de lussen blijken moeilijk vast te pinnen, vooral wanneer men probeert de dynamiek van coronale lussen met "gemiddelde temperatuur" (ook bekend als "warme") te begrijpen met plasma dat tot ongeveer een miljoen Kelvin is verwarmd. We komen dichter bij het oplossen van deze puzzel die ruimteweervoorspellingen van de zon naar de aarde zal helpen, maar we moeten uitzoeken waarom de theorie niet hetzelfde is als wat we zien.
Zonnefysici zijn al geruime tijd verdeeld over dit onderwerp. Wordt coronaal lusplasma verwarmd door intermitterende magnetische herverbindingsgebeurtenissen over de lengte van een coronale lus? Of worden ze verwarmd door een andere constante verwarming die erg laag staat in de corona? Of is het een beetje van beide?
Ik heb eigenlijk vier jaar met dit probleem geworsteld terwijl ik met de Solar Group aan de Universiteit van Wales, Aberystwyth werkte, maar ik stond aan de kant van "gestage verwarming". Er zijn verschillende mogelijkheden bij het beschouwen van de mechanismen achter gestage coronale verwarming, mijn specifieke studiegebied was Alfvén-golfproductie en golf-deeltje-interacties (schaamteloze zelfpromotie ... mijn proefschrift uit 2006: Rustige coronale lussen verwarmd door turbulentie, voor het geval je een vrij saai weekend voor de boeg hebt).
James Klimchuk van het Godfard Space Flight Center's Solar Physics Laboratory in Greenbelt, Md., Heeft een andere mening en is voorstander van het nanoflare, impulsieve verwarmingsmechanisme, maar hij is zich er zeer van bewust dat er andere factoren kunnen spelen:
“Het is de afgelopen jaren duidelijk geworden dat coronale verwarming een zeer dynamisch proces is, maar inconsistenties tussen waarnemingen en theoretische modellen zijn een belangrijke bron van brandend maagzuur geweest. We hebben nu twee mogelijke oplossingen voor dit dilemma ontdekt: energie wordt impulsief afgegeven met de juiste mix van deeltjesversnelling en directe verwarming, of energie komt geleidelijk vrij dicht bij het zonnevlak.”- James Klimchuk
Van nanoflares wordt voorspeld dat ze warme coronale lussen behouden op hun redelijk stabiele 1 miljoen Kelvin. We weten dat de lussen deze temperatuur hebben omdat ze straling uitzenden in de extreme ultraviolette (EUV) golflengten, en een groot aantal observatoria zijn gebouwd of de ruimte ingestuurd met instrumenten die gevoelig zijn voor deze golflengte. Ruimtegebaseerde instrumenten zoals de EUV Imaging Telescope (EIT; aan boord van de NASA / ESA Zonne- en heliosferisch observatorium), NASA's Overgangsgebied en Coronal Explorer (SPOOR), en het onlangs operationele Japans Hinode missie hebben allemaal hun successen gekend, maar na de lancering van SPOOR in 1998. Nanoflares zijn zeer moeilijk direct waar te nemen omdat ze voorkomen op ruimtelijke schaal zo klein dat ze niet kunnen worden opgelost door de huidige instrumentatie. We zijn echter dichtbij en er is een spoor van coronaal bewijs dat naar deze energetische gebeurtenissen wijst.
“Nanoflares kunnen hun energie op verschillende manieren vrijgeven, waaronder de versnelling van deeltjes, en we begrijpen nu dat de juiste mix van deeltjesversnelling en directe verwarming een manier is om de waarnemingen te verklaren.”- Klimchuk.
Langzaam maar zeker komen theoretische modellen en waarneming samen en het lijkt erop dat zonnefysici na 60 jaar proberen de verwarmingsmechanismen achter de corona bijna te begrijpen. Door te kijken hoe nanoflares en andere verwarmingsmechanismen elkaar kunnen beïnvloeden, is het zeer waarschijnlijk dat er meer dan één coronaal verwarmingsmechanisme in het spel is ...
Terzijde: Uit interesse zullen nanoflares op elke hoogte langs de coronale lus voorkomen. Hoewel ze kunnen worden genoemd nanoflaresnaar aardse maatstaven zijn het enorme explosies. Nanoflares geven een energie van 10 af24-1026 erg (dat is 1017-1019 Joules). Dit komt overeen met ongeveer 1.600 tot 160.000 atoombommen van Hiroshima-formaat (met de explosieve energie van 15 kiloton), dus er is niets nano over deze coronale explosies! Maar in vergelijking met de standaard röntgenfakkels genereert de zon van tijd tot tijd een totale energie van 6 × 1025 Joules (meer dan 100 miljard atoombommen), je kunt zien hoe nanofakkels krijgen hun naam ...
Oorspronkelijke bron: NASA
