Z Plazmawiki
Skocz do: nawigacja, szukaj
Rozbłysk słoneczny przyjmuje kształt podobny do elektrycznego prądu Birkelanda.
Birkeland.gif
Zobacz również: formowanie gwiazd

Gwiazda, a zatem również Słońce, jest, przynajmniej na powierzchni, niemal w całości zjonizowaną kulą plazmy, zawierającą jony i elektrony, pozbawioną praktycznie atomów obojętnych. Ruchy plazmy powodują silne pola magnetyczne, oraz odpowiednie prądy elektryczne.

Uważa się, że struktura naszego Słońca, to (idąc od środka na zewnątrz) jądro, strefa radiacyjna, strefa konwekcyjna, fotosfera (widoczna powierzchnia), oraz atmosfera, złożona z pięciu głównych stref: minimum temperatury, chromosfery, strefy przejściowej, korony, oraz heliosfery.

Ze Słońcem związane są również plamy słoneczne, rozbłyski i koronalne wyrzuty masy.

Skład

Słońce i gwiazdy składają się w niewielkim stopniu z gazu wodorowego i helowego. Ze względu na wysokie temperatury, atomy są niemal całkowicie zjonizowane do jonów, czyli plazmy. Jony są różne od atomów gazu, i odmiennie się zachowują.

Większość atomów w Słońcu jest zjonizowana. Jest to szczególnie prawdziwe w gęstym, gorącym wnętrzu, gdzie wszystkie atomy helu i wodoru są zjonizowane. Taki wysoko zjonizowany gaz nazywany jest plazmą. Zatem, chociaż powszechnie nazywa się Słońce ciałem gazowym, bardziej poprawny opis mówi, że jest ono złożone z plazmy. W tym przypadku, plazma składa się z jonów wodoru i helu, wraz z uwolnionymi z tych atomów elektronami.[1]

Model stałej powierzchni

Istnieją dowody na to, że Słońce, pod swoją wierzchnią warstwą, składa się z pierwiastków cięższych od helu, nie zawsze zjonizowanych. Istnieje hipoteza, wg której kolejne warstwy Słońca pod fotosferą składają się z krzemu, neonu i wapnia, a pod spodem znajduje się twarda, ferrytowa skorupa, złożona głównie z żelaza. Hipoteza ta opiera się na obserwacjach satelitarnych powierzchni Słońca.[2]


Pole magnetyczne

Wpływ obracającego się pola magnetycznego Słońca na otaczającą je plazmę w ośrodku międzyplanetarnym tworzy heliosferyczną warstwę prądową, która oddziela obszary pola magnetycznego, skierowanego w różnych kierunkach. Plazma w ośrodku międzyplanetarnym odpowiada również za natężenie słonecznego pola magnetycznego na orbicie Ziemi. Gdyby przestrzeń była próżnią, pole magnetyczne Słońca, o natężeniu 10-4 tesli, zredukowałoby się, zgodnie z odwrotnością kwadratu odległości, do około 10-11 tesli. Jednak obserwacje satelitarne wskazują, że jest ono około stokrotnie silniejsze, ~10-9 tesli. Teoria magnetohydrofdynamiczna (MHD) przewiduje, że ruch przewodzącego płynu (np. ośrodka międzyplanetarnego) w polu magnetycznym generuje prąd elektryczny, który z kolei generuje pole magnetyczne, i z tego powodu zachowuje się jak dynamo MHD.

Generator jednobiegunowy

Według jednej z teorii, ponieważ przewodnik obracający się w polu magnetycznym wytwarza prąd elektryczny, Słońce zachowuje się jak generator jednobiegunowy:

Ciało centralne działa jak generator jednobiegunowy, a EMF produkowany jest w regionie A (patrz ilustracja III.7). Siła mechaniczna w atmosferze słonecznej dF = I ds x B stara się spowolnić obrót ciała centralnego. Prąd przekierowuje moment kątowy z ciała centralnego do otaczającej je plazmy. Mamy zatem siłę spowalniającą przyłożoną do atmosfery słonecznej w rejonach biegunowych. Powinno to spowodować niejednorodny obrót Słońca w rodzaju, jaki obserwujemy (prędkość kątowa maleje wraz ze wzrostem szerokości geograficznej). Czy interpretacja ta jest poprawnym wyjaśnieniem ilościowym niejednorodnej rotacji, jak na razie nie wiadomo.[3]

Prądy elektryczne

Plazma o wysokiej gęstości, zawarta w Słońcu (oraz innych gwiazdach), jest znana z wytwarzania pętli prądowych w rozbłyskach słonecznych[4] [5] [6] [7], arkuszy prądowych w koronie[8], i ogólnie skręconych prądów elektrycznych w atmosferze słonecznej[9]. Rozrzedzony ośrodek międzyplanetarny (pomiędzy Słońcem a planetami) produkuje heliosferyczną warstwę prądową, której prądy są reprezentowane przez heliosferyczny obwód prądowy. Bardziej rozrzedzone medium międzygwiezdne (pomiędzy układami gwiezdnymi) wytwarza warstwę prądową[10], a prądy elektryczne są również obecne w międzygwiezdnych obłokach molekularnych[11].

Hannes Alfvén obserwował obrazy rentgenowskie Słońca z programu Skylab, powiązał owe pętle o milionach stopni z aktywnością elektryczną w słonecznej atmosferze.[12] Podobny proces został opisany przez Jacobsena i Carlqvista w 1964[13]. Alfvén rozważał również, że heliosferyczna warstwa prądowa jest częścią heliosferycznego obwodu prądowego, oraz wierzył, że cała plazma kosmiczna jest częścią "obwodu plazmowego".[14] [15]

Eksperymenty Kristiana Birkelanda z terrellą dostarczyły dowodów, że Słońce jest aktywne elektrycznie. Działo się to poprzez zreplikowanie wielu charakterystyk słonecznych w testach na Ziemi (zobacz dodatkowe linki poniżej). W ramach eksperymentów występował namagnesowany glob, służący za katodę, w dużym pojemniku próżniowym. Birkeland był w stanie zreplikować wiele aspektów Słońca, w tym koronę, torus plazmowy, plamy, oraz tak zwaną rekoneksję magnetyczną, która jest lepiej określona w fizyce plazmy jako włóknisty skurcz.[16] Eksperymenty z terrellą były potem przeprowadzone przez różnych naukowców, studiujących różne aspekty oddziaływania ziemskiego pola magnetycznego w kosmosie. Jednak w widoczny sposób eksperymenty takie są trudne w interpretacji, na skutek czego obecnie zostały całkowicie zastąpione symulacjami komputerowymi.

Istnieje sporo innych obserwacji silnej aktywności elektrycznej na powierzchni Słońca, oraz w wietrze słonecznym[17]. Naukowcy, używający Obserwatorium Słonecznego i Heliosferycznego (SOHO) odkryli strumienie lub rzeki gorącego, naładowanego elektrycznie gazu, płynącego ponad powierzchnią Słońca[18].

Gwiazdowe wiatry i ogrzewanie korony

Wiatr gwiazdowy jest strumieniem naładowanych cząstek, wyrzuconym z górnej atmosfery gwiazdy. Składa się głównie z elektronów i protonów, o energiach ok. 1 keV. Cząstki te są w stanie przezwyciężyć grawitację Słońca, częściowo dzięki wysokiej temperaturze korony, a częściowo dzięki nieznanemu dotąd procesowi. Ze zjawiskiem tym wiązane jest inne, również jedno z najdłużej pozostających zagadkowym: inwersja temperatury korony, od 5000K na powierzchni Słońca, do 2 milionów K w dolnej koronie.

Z wiatrem słonecznym wiąże się bezpośrednio wiele zjawisk, między innymi burze geomagnetyczne, mogące zaburzać pracę sieci zasilających na Ziemi, zorza, oraz plazmowe warkocze komet (biegnące zawsze w kierunku od Słońca). Chociaż wczesne modele wiatru słonecznego używały głównie energii termicznej jako przyspieszacza, w latach 60-tych XX wieku stało się jasne, że sama akceleracja termiczna nie jest w stanie wystarczająco rozpędzić cząstek. Większość uważa, że pochodzenie wiatru słonecznego, jak i temperatura korony, są ze sobą powiązane, i najbardziej potencjalne rozwiązania dotąd zaproponowane próbują rozwiązać oba problemy w ramach jednej teorii.[19][20]

Jednym z takich zaproponowanych mechanizmów jest formacja warstwy podwójnej na powierzchni Słońca, działającej podobnie jak tranzystor pnp.[21] Sugeruje on, że jony w pobliżu Słońca są przyspieszane silnym polem elektrycznym, wytwarzanym warstwą podwójną, i w regionie przejściowym ich ruch staje się mocno zorganizowany (równoległy), co redukuje ruchy Browna, a tym samym daje minimum temperatury. Może to również wyjaśniać obserwowane fluktuacje wiatru słonecznego, oraz tajemniczy okres dwóch dni, w których zanikł on niemal całkowicie (zmniejszenie o 97%)[22]. Innym możliwym rozwiązaniem zaproponowanym dla obu problemów są fale Alfvéna, które są w stanie nadać jonom znaczne przyspieszenia, oraz również mogą wyjaśni temperaturę minimum[23].

Pozostałe zagadnienia

Promieniowanie kosmiczne

Model elektryczny gwiazd wyjaśnia bardzo wysokie energie cząstek, przybywających z kosmosu. Hannes Alfven wypowiedział się na ich temat: Żadna znana reakcja jądrowa nie może odpowiadać za ciskanie cząstkami o tak wysokiej energii. Jeżeli elektryczny model gwiazd jest poprawny, i Słońce posiada tak wysoki woltaż, protony dość energetyczne, by wejść w reakcję z powierzchnią Słońca zostałyby odrzucone z wieloma elektronowoltami energii zapasu. Takie jony kosmiczne, gdy kolidują z górną atmosferą Ziemi, wytwarzają obserwowane wysoko energetyczne neutrina mu.

Włóknistość

Włóknistość jest bardzo dobrze widoczna w koronie słonecznej[24], jak i w innych ciałach kosmicznych. Włókna są w kosmosie często obserwowane, w koronie, rozbłyskach słonecznych, penumbrze plam oraz w pączkach fotosferycznych, a także obłokach międzygwiezdnych, warkoczach komet oraz łańcuchach galaktyk. Wewnętrzna tendencja do wytwarzania włókien jest dobrze znaną i fundamentalną własnością plazmy kosmicznej. Nie tylko w koronie, lecz również struktura włókien w zewnętrznych regionach Słońca jest wyraźnie zjawiskiem elektrycznym/plazmowym.

Fuzja jądrowa

Nie udało się jak podtrzymać na Ziemi fuzji jądrowej. Aczkolwiek testuje się w tym celu efekt skurczu-z w łuku plazmy, który jest bardzo silny, a efekty tej siły na Słońcu byłyby dość silne, aby łączyć atomy (zobacz: Maszyna Z). Jeżeli fuzja jądrowa zachodzi na Słońcu, ma ona najprawdopodobniej miejsce w warstwie podwójnej, ponad fotosferą, oraz przez całe Słońce, niekoniecznie tylko w rdzeniu. Produkty fuzji byłyby 'metalami' widocznymi w widmie absorpcyjnym Słońca.

Ciężkie pierwiastki

Obecny model fuzyjny nie wyjaśnia, skąd pochodzą ciężkie pierwiastki, emanujące ze Słońca. Zwykle fizycy wyjaśniają, że wszystkie one pochodzą z odległych supernowych, których pył został rozrzucony po Wszechświecie. Słońce po prostu ukształtowało się z tego pyłu.

Ogólna rola elektryczności

Waga elektryczności w modelowaniu zachowania Słońca została podkreślona przez szereg naukowców. Interpretacje roli elektryczności są różnorakie. Wiąże się ją z rozbłyskami słonecznymi[25], plamami[26][27] oraz różnymi innymi zjawiskami słonecznymi. Niektórzy kosmologowie plazmowi zaproponowali niedawno, że Słońce może nie być odizolowanym ciałem, które z wiekiem spala samo siebie, lecz może otrzymywać energię od środowiska galaktycznego, zewnętrznego obwodu elektrycznego, poprzez obwód opisany po raz pierwszy przez Hannesa Alfvena[28].

IEEE opublikowało nieco prac traktujących o elektrycznym modelu gwiazd. Wallace Thornhill zaproponował, że potrzebne są nowe elektryczne koncepcje, wyjaśniające istnienie supernowych i mgławic planetarnych.[29] Nowa dyscyplina plazmowej kosmologii dostarcza precyzyjnej analogii w postaci wyładowania skurczu-z plazmy. Zjawisko to pasuje tak dobrze, że można dzięki niemu wytłumaczyć i przewidzieć szereg jasnych punktów. Jeśli supernowe są zjawiskami wyładowania plazmowego, teoretyczne warunki do formowania się gwiazd neutronowych nie są spełnione, i w celu wyjaśnienia pulsarowych pozostałości supernowej, należy wprowadzić koncepcje plazmowe. Skoro zaś w celu wyjaśnienia supernowych i mgławic planetarnych wprowadzi się dwubiegunowy skurcz-z, potrzeba jest nowa, elektryczna teoria narodzin gwiazd.

Przypisy

  1. Simon F. Green, Mark H. Jones, S. Jocelyn Burnell, An Introduction to the Sun and Stars 2004, Cambridge University Press, 2004, ISBN 0521546222, 9780521546225, 373 pages. Page 46
  2. Michael Mozina: The Surface of the Sun., po polsku: Stała powierzchnia Słońca.
  3. Hannes Alfvén, "Cosmic Plasma", Ch.III.4.3. "Properties of the Heliospheric Current Circuit (page 56)
  4. Hannes Alfvén, per Carlqvist "Currents in the Solar Atmosphere and a Theory of Solar Flares" FULL TEXT (1967) Solar Physics, Vol. 1, p.220 PEERREVIEWED
  5. Carlqvist, P., "Current Limitation and Solar Flares" FULL TEXT (1969) Solar Physics, Vol. 7, p.377 PEERREVIEWED
  6. Karlicky, M., "Evolution of force-free electric currents in the solar atmosphere" FULL TEXT (1997) Astronomy and Astrophysics, v.318, p.289-292 PEERREVIEWED
  7. Zaitsev, V. V.; Stepanov, A. V., "Towards the circuit theory of solar flares" FULL TEXT (1992) Solar Physics (ISSN 0038-0938), vol. 139, no. 2, June 1992, p. 343-356 PEERREVIEWED
  8. Strauss, H. R.; Otani, N. F., "Current sheets in the solar corona" FULL TEXT (1988) Astrophysical Journal, Part 1 (ISSN 0004-637X), vol. 326, March 1, 1988, p. 418-424 PEERREVIEWED
  9. Seehafer, N., "Electric current helicity in the solar atmosphere" FULL TEXT (1990) Solar Physics (ISSN 0038-0938), vol. 125, Feb. 1990, p. 219-232. PEERREVIEWED
  10. Zweibel, Ellen G.; Brandenburg, Axel, "Current Sheet Formation in the Interstellar Medium" (1997) Astrophysical Journal v.478, p.563 PEERREVIEWED. See also Erratum.
  11. Carlqvist, Per; Gahm, Gosta F., "Manifestations of electric currents in interstellar molecular clouds" (1992) IEEE Transactions on Plasma Science vol. 20, no. 6, p. 867-873. PEERREVIEWED
  12. Alfven, Hannes Double layers and circuits in astrophysics (1986) Space Technology Plasma Issues in 2001 p 409-463 PEERREVIEWED
  13. Jacobsen, C; Carlqvist, P Solar Flares Caused by Circuit Interruptions (1964) Icarus, vol. 3, p.270. PEERREVIEWED
  14. Alfven, H., "Double radio sources and the new approach to cosmical plasma physics" FULL TEXT (1978) Astrophysics and Space Science, vol. 54, no. 2, Apr. 1978, p. 279-292. PEERREVIEWED
  15. Hannes Alfvén, "The Heliospheric Current System (sec III:4)" in Cosmic Plasma, Astrophysics and Space Science Library, Vol. 82 (1981) Springer Verlag. ISBN 90-277-1151-8 ACADEMIC BOOK
  16. K. Rypdal i T. Brundtland. The Birkeland Terrella Experiments and their Importance for the Modern Synergy of Laboratory and Space Plasma Physics. „J. PHYS IV FRANCE”. C4-113, 7-1997. Department of Physics, University of Troms0, 9037 Troms0, Norway. 
  17. Coleman, P. J. Electric currents in the solar wind (1975) Journal of Geophysical Research. PEERREVIEWED
  18. NASA Jet Stream Runs Swiftly Inside the Sun (1997) NASA Headquarters Washington DC. N97-60.
  19. Marsch, E. & Tu, C.-Y The effects of high-frequency Alfven waves on coronal heating and solar wind acceleration. 03/1997 Astronomy and Astrophysics, v.319, p.L17-L20 PEERREVIEWED
  20. McComas, D. J. Velli, M. Lewis, W. S. Acton, L. W. Balat-Pichelin, M. Bothmer, V. Dirling, R. B. Feldman, W. C. Gloeckler, G. Habbal, S. R. Understanding Coronal Heating And Solar Wind Acceleration: Case For In Situ Near-Sun Measurements (2007) Reviews Of Geophysics, VOL 45; NUMB 1, pages RG1004 PEERREVIEWED
  21. Scott, D.E. A Solar Junction Transistor Mechanism 17-22 June 2007, IEEE Pulsed Power Plasma Science, 10.1109/PPPS.2007.4346305PEERREVIEWEDFULL TEXT
  22. NASA The Day the Solar Wind Disappeared (1999) NASA/GSFC Press release. Dec. 13,
  23. S. Tomczyk, S. W. McIntosh, S. L. Keil, P. G. Judge, T. Schad, D. H. Seeley and J. Edmondson, "Waves in the Solar Corona" (2007) Science Magazine, Vol. 317. no. 5842, pp. 1192-1196,PEERREVIEWEDFULL TEXT
  24. Alfvén, Hannes On the Filamentary Structure of the Solar Corona. (1963) The Solar Corona; Proceedings of IAU Symposium no. 16PEERREVIEWED
  25. A. I. Podgorny and I. M. Podgorny A solar flare model including the formation and destruction of the current sheet in the corona (1992) Journal of Solar Physics, Volume 139 PEERREVIEWED
  26. A. I. Podgorny Numerical simulation of the current sheet above solar spots (1994) Journal of Solar Physics Volume 156
  27. Socas-Navarro, H. Are Electric Currents Heating the Magnetic Chromosphere? FULL TEXT (2005) The Astrophysical Journal, Volume 633 PEERREVIEWED
  28. Alfven Hannes Cosmic Plasma (1981) Astrophysics and Space Science Library, Vol. 82 (1981) Springer Verlag. ISBN 90-277-1151-8 ACADEMIC BOOK
  29. Thornhill, W The Z-Pinch Morphology of Supernova 1987A and Electric Stars (Aug. 2007) Plasma Science, IEEE Transactions on Volume 35, Issue 4 PEERREVIEWED

Linki zewnętrzne