| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Urychlování slunečního větru
Petr Kulhánek
S nástupem nových slunečních sond se naše znalosti o slunečním větru stále zpřesňují. V roce 2024 byla zpracována unikátní data ze sond Parker Solar ProbePSP – Parker Solar Probe, sonda americké NASA určená pro výzkum Slunce z těsné blízkosti. Startovala v srpnu 2018, mise byla plánována do roku 2025, ale stále probíhá. Perihelium sondy se postupně přibližovalo ke Slunci, nyní je ve vzdálenosti 6 milionu kilometrů od slunečního povrchu. Z dosavadních objevů jmenujme alespoň pozorování nehomogenity a turbulencí slunečního větru, objev bezprašné zóny a objev záhybů tvaru písmene S ve slunečním větru. a Solar OrbiterSO – Solar Orbiter, sluneční sonda Evropské kosmické agentury, která startovala v roce 2020. Sonda je na protáhlé heliocentrické dráze s periheliem 0,28 au a aféliem 0,91 au. Oběžná doba je 168 dní. Zkoumá sluneční vítr, korónu a sluneční aktivitu ve viditelném spektru, ultrafialovém a rentgenovém oboru., která byla pořízena v únoru 2022. Velké zpoždění mezi měřením a zpracováním dat je pro současnou fyziku typické. Obě sondy pozorují ve velké blízkosti Slunce korónu a z ní vyvrhované proudy slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm3. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera.. V únoru 2022 pozorovaly obě sondy výrazný proud slunečního větru. PSPPSP – Parker Solar Probe, sonda americké NASA určená pro výzkum Slunce z těsné blízkosti. Startovala v srpnu 2018, mise byla plánována do roku 2025, ale stále probíhá. Perihelium sondy se postupně přibližovalo ke Slunci, nyní je ve vzdálenosti 6 milionu kilometrů od slunečního povrchu. Z dosavadních objevů jmenujme alespoň pozorování nehomogenity a turbulencí slunečního větru, objev bezprašné zóny a objev záhybů tvaru písmene S ve slunečním větru. pořídila záznam proudu dne 26. února 2022 ve vzdálenosti 13,3 slunečního poloměru a sonda SOSO – Solar Orbiter, sluneční sonda Evropské kosmické agentury, která startovala v roce 2020. Sonda je na protáhlé heliocentrické dráze s periheliem 0,28 au a aféliem 0,91 au. Oběžná doba je 168 dní. Zkoumá sluneční vítr, korónu a sluneční aktivitu ve viditelném spektru, ultrafialovém a rentgenovém oboru. pozorovala stejnou oblast proudícího plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. o dva dny později ve vzdálenosti 127,7 slunečního poloměru. Ukázalo se, že při druhém pozorování je sluneční vítr teplejší a rychlejší, než by měl podle našich modelů být. Co ohřívá a zrychluje sluneční vítr na jeho pouti od Slunce?
Vznik slunečního větru v přímém přenosu natočila sonda Parker Solar Probe. Sekvence byla zaznamenána přístrojem WISPR v prosinci 2024. Zdroj: NASA/PSP.
|
PSP – Parker Solar Probe, sonda americké NASA určená pro výzkum Slunce z těsné blízkosti. Startovala v srpnu 2018, mise byla plánována do roku 2025, ale stále probíhá. Perihelium sondy se postupně přibližovalo ke Slunci, nyní je ve vzdálenosti 6 milionu kilometrů od slunečního povrchu. Z dosavadních objevů jmenujme alespoň pozorování nehomogenity a turbulencí slunečního větru, objev bezprašné zóny a objev záhybů tvaru písmene S ve slunečním větru. SO – Solar Orbiter, sluneční sonda Evropské kosmické agentury, která startovala v roce 2020. Sonda je na protáhlé heliocentrické dráze s periheliem 0,28 au a aféliem 0,91 au. Oběžná doba je 168 dní. Zkoumá sluneční vítr, korónu a sluneční aktivitu ve viditelném spektru, ultrafialovém a rentgenovém oboru. Sluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm3. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. Alfvénova vlna – jedna ze tří magnetozvukových vln, které se mohou šířit plazmatem. Pro Alfvénovu vlnu je typická anizotropie, dominantně se šíří podél magnetického pole. Magnetické siločáry se rozvlní kolmo na svůj směr, což připomíná pohyby trávy ve větru. Alfvénova vlna se šíří Alfvénovou rychlostí a je pojmenována podle švédského fyzika Hannese Alfvéna. Magnetická siločára – linie, podél níž míří magnetické pole. Ve směru siločar se například zorientují magnetické piliny ve známém školním experimentu. Zdroje magnetického pole mají jak uzavřené siločáry, které se do zdroje vracejí, tak otevřené siločáry, které zajišťují komunikaci zdroje pole s okolím. Síla míří ve skutečnosti kolmo na siločáry, proto je slovo „siločára“ považováno za slangový výraz, správný název je magnetická indukční čára. |
Sluneční sondy
Slunce v současnosti pozoruje celá flotila sond, do jeho těsné blízkosti se dostávají pouze dvě. První z nich je americká sonda Parker Solar ProbePSP – Parker Solar Probe, sonda americké NASA určená pro výzkum Slunce z těsné blízkosti. Startovala v srpnu 2018, mise byla plánována do roku 2025, ale stále probíhá. Perihelium sondy se postupně přibližovalo ke Slunci, nyní je ve vzdálenosti 6 milionu kilometrů od slunečního povrchu. Z dosavadních objevů jmenujme alespoň pozorování nehomogenity a turbulencí slunečního větru, objev bezprašné zóny a objev záhybů tvaru písmene S ve slunečním větru., která je pojmenována podle Eugena Parkera, významného slunečního fyzika, jenž jako první použil sousloví „sluneční vítr“pro proud částic unikajících ze Slunce. Sonda startovala v roce 2018 a její periheliumPerihelium – přísluní, bod na eliptické dráze kolem Slunce, který je Slunci nejblíže. Obdobně perigeum je stejný bod na orbitě kolem Země a periluna na orbitě kolem Měsíce. se postupně přibližuje ke slunečnímu povrchu. V současnosti se opakovaně dostává ke Slunci na 6,2 milionu kilometrů (průměr Slunce je 1,4 milionu kilometrů). Má za sebou celou řadu objevů, o nichž si podrobněji můžete přečíst v AB 18/2024. V roce 2020 startovala evropská sonda Solar OrbiterSO – Solar Orbiter, sluneční sonda Evropské kosmické agentury, která startovala v roce 2020. Sonda je na protáhlé heliocentrické dráze s periheliem 0,28 au a aféliem 0,91 au. Oběžná doba je 168 dní. Zkoumá sluneční vítr, korónu a sluneční aktivitu ve viditelném spektru, ultrafialovém a rentgenovém oboru., která se na velmi protáhlé heliocentrické drázeHeliocentrická dráha – oběžná dráha kolem barycentra sluneční soustavy, které se obvykle nachází uvnitř Slunce. V naší sluneční soustavě mají heliocentrickou dráhu všechny planety, planetky, komety a některé umělé družice. dostává přibližně jednou za půl roku do vzdálenosti 42 milionu kilometrů (0,28 auAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů.) od Slunce. Na rozdíl od sondy PSP je tedy podstatně dále od povrchu, dokáže však Slunce snímat i v rentgenovém oboru. Měření obou sond se doplňují a umožňují získat komplexnější pohled na děje v okolí Slunce.
Sluneční sonda Parker Solar Probe. Zdroj: NASA/PSP.
Sluneční sonda Solar Orbiter. Zdroj: ESA/SO, ATG Medialab.
Urychlení slunečního větru
K unikátnímu pozorování slunečního větru došlo v únoru 2022, data byla zpracována až loni (2024). Sonda Parker Solar Probe, která je Slunci blíže, zachytila vyvěrající hustou oblast plazmatu o dva dny dříve než vzdálenější Solar Orbiter. Tatáž oblast slunečního větru měla ve vzdálenosti 13,3 slunečního poloměru rychlost 400 kilometrů za sekundu (PSPPSP – Parker Solar Probe, sonda americké NASA určená pro výzkum Slunce z těsné blízkosti. Startovala v srpnu 2018, mise byla plánována do roku 2025, ale stále probíhá. Perihelium sondy se postupně přibližovalo ke Slunci, nyní je ve vzdálenosti 6 milionu kilometrů od slunečního povrchu. Z dosavadních objevů jmenujme alespoň pozorování nehomogenity a turbulencí slunečního větru, objev bezprašné zóny a objev záhybů tvaru písmene S ve slunečním větru.) a ve vzdálenosti 127, 7 slunečního poloměru rychlost 500 kilometrů za sekundu (SOSO – Solar Orbiter, sluneční sonda Evropské kosmické agentury, která startovala v roce 2020. Sonda je na protáhlé heliocentrické dráze s periheliem 0,28 au a aféliem 0,91 au. Oběžná doba je 168 dní. Zkoumá sluneční vítr, korónu a sluneční aktivitu ve viditelném spektru, ultrafialovém a rentgenovém oboru.), tedy o 25 % vyšší. Měření odporuje představě adiabatické (tj. bez výměny energie s okolím) expanze slunečního větru. Sluneční vítr musí „cosi“ zahřívat a zrychlovat. Po podrobné analýze dospěla skupina vědců z Centra pro astrofyziku na Harvardově univerzitě k závěru, že na vině jsou Alfvénovy vlny vznikající v blízkosti slunečního povrchu. Tyto vlny odnášejí energii v podobě příčně kmitajícího magnetického pole, které připomíná pohyby trávy vlnící se ve větru. Energie vlnícího se pole je postupně předávána slunečnímu větru a v dosti velké vzdálenosti od Slunce Alfvénova vlna zaniká. Záhada tedy byla poměrně rychle vyřešena a Alfvénovy vlny, jako i v dalších případech, mění chování plazmatu v okolí Slunce.
Měření rychlosti slunečního větru ve dvou polohách ze sond PSP a SO.
Zdroj: ESA/NASA/Science.
Schéma urychlování slunečního větru Alfvénovými vlnami.
Zdroj: Secrets of the Universe (SOU).
Alfvénovy vlny
Alfvénovy vlny jsou obdobou zvukových vln v plynech. Situace v plazmatu je ale složitější. Namísto neutrálních atomů jsou nositeli zvuku nabité ionty, které nepodléhají přímým srážkám jako běžné atomy, ale interagují „na dálku“ prostřednictvím elektrických a magnetických polí. Proto se v plazmatu mohou zvukové vlny šířit i v natolik řídkém prostředí, jakým je sluneční vítrSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm3. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera.. Zvukové vlny v plazmatu s sebou vždy nesou rozvlnění magnetických siločarMagnetická siločára – linie, podél níž míří magnetické pole. Ve směru siločar se například zorientují magnetické piliny ve známém školním experimentu. Zdroje magnetického pole mají jak uzavřené siločáry, které se do zdroje vracejí, tak otevřené siločáry, které zajišťují komunikaci zdroje pole s okolím. Síla míří ve skutečnosti kolmo na siločáry, proto je slovo „siločára“ považováno za slangový výraz, správný název je magnetická indukční čára., které může být dvojího typu (viz následující obrázek). Buď vznikají oblasti zhuštění a zředění siločar (pak hovoříme o kompresní vlně), nebo příčné zvlnění siločar (pak hovoříme o příčném módu). Magnetozvukové vlnyMagnetozvuková vlna – obdoba zvukové vlny šířící se v ionizovaném prostředí za přítomnosti magnetického pole. Vlna se šíří anizotropně, a to ve třech vlnoplochách (rychlé, pomalé a Alfvénově). Dochází k přelévání energie mezi kinetickou energií částic, tlakovou energií látky a energií magnetického pole. Nejznámější magnetozvukovou vlnou je Alfvénova vlna, ve které se magnetické silokřivky rozvlní napříč směru šíření. Vlna se šíří Alfvénovou rychlostí B/(μρ)1/2., jak se správně nazývají zvukové vlny v plazmatu, jsou silně anizotropní. Zvuk se ze zdroje nešíří v kulových vlnoplochách, ale vytváří komplex tří druhů vlnění (posluchač by v některých směrech mohl slyšet zvuk dokonce natřikrát). V různých směrech mají vlny různé rychlosti a dva z módů se dokonce ve směru kolmém na magnetické pole nešíří vůbec. Magnetozvukové vlny jsou směsicí kompresních a příčných módů. Jen Alfvénova vlnaAlfvénova vlna – jedna ze tří magnetozvukových vln, které se mohou šířit plazmatem. Pro Alfvénovu vlnu je typická anizotropie, dominantně se šíří podél magnetického pole. Magnetické siločáry se rozvlní kolmo na svůj směr, což připomíná pohyby trávy ve větru. Alfvénova vlna se šíří Alfvénovou rychlostí a je pojmenována podle švédského fyzika Hannese Alfvéna., která je jedním ze tří módů magnetozvukových vln, je vždy příčná, polní linie tedy připomínají výše zmíněnou trávu vlnící se ve větru.
Alfvénovy vlny poprvé popsal švédský fyzik Hannes Alfvén, proto nesou jeho jméno. Ze Slunce odnášejí energii do sluneční atmosféry a sluneční koróny, kterou zahřívají. Ohřev koróny na několik milionů kelvinů je ale složitější proces, na němž se podílejí jak Alfvénovy vlny, tak mikrorekonekce (drobná přepojování magnetických siločar) a také rozpadající se turbulence plazmatu. Současné experimenty ukázaly, že Alfvénovy vlny nemají na kontě jen ohřev koróny, ale i neadiabatickém urychlování slunečního větru.
Alfvénova (nalevo) a kompresní vlna (napravo). Kresba: Ivan Havlíček.
Komplex Alfvénových magnetozvukových vln. Jednotlivé módy se
nazývají:
Alfvénův (A), rychlý (F, Fast) a pomalý (S, Slow). Kresba: Ivan Havlíček.
Odkazy
- Yeimy J. Rivera et al.: In situ observations of large amplitude Alfvén waves heating and accelerating the solar wind; Science 385/6712, 29 Aug 2024
- ESA: Solar Orbiter Discovers Mysterious Alfvén Waves Fueling the Solar Wind; SciTechDaily; 28 Sep 2024
- Adam Mann: Two spacecraft caught the waves that might heat and accelerate the solar wind; Science News; 29 Aug 2024
