چرا اتمسفر خورشید از سطح آن گرمتر است؟
به این دلیل که اتمسفر خورشید صدها برابر گرمتر از سطح آن است.
اتمسفر خورشید Mongta Studio / Shutterstock.
توسط ماریانا کورسوس، دانشگاه ابریستویث و هو مورگان، دانشگاه ابریستوایث
سوالاتی در مورد جو خورشید
سطح مرئی خورشید یا فوتوسفر در حدود 6000 درجه سانتیگراد (11000 درجه فارنهایت) است. اما چند هزار کیلومتر بالاتر از آن اتمسفر خورشید که تاج نیز نامیده می‌شود، صدها برابر گرمتر است. تاج به یک میلیون درجه سانتیگراد یا بالاتر می‌رسد (بیش از 1.8 میلیون درجه فارنهایت).
این افزایش دما علی‌رغم افزایش فاصله از منبع اصلی انرژی خورشید، در بیشتر ستارگان مشاهده شده است. این امر نشان دهنده یک معمای اساسی است که طی ده‌ها سال مورد بحث بوده است.
در سال 1942، دانشمند سوئدی، هانس آلفون توضیحاتی را ارائه داد. وی این نظریه را مطرح كرد كه امواج مغناطیسی پلاسما می‌توانند مقادیر زیادی انرژی را در امتداد میدان مغناطیسی خورشید از قسمت داخلی آن تا تاج حمل كنند. این انرژی قبل از منفجر شدن با گرما در اتمسفر فوقانی خورشید، فوتوسفر را دور می‌زند.
اثبات مدرن برای یک نظریه قدیمی
دانشمندان موقتاً این نظریه را پذیرفته بودند، اما ما هنوز به اثبات احتیاج داشتیم. ما به مشاهده تجربی نیاز داشتیم که این امواج وجود دارند. مطالعه اخیر ما سرانجام به این مهم دست یافته است. این نظریه 80 ساله را تأیید کرده است و ما را یک قدم نزدیکتر به سمت مهار این پدیده پرانرژی در زمین می‌برد.
مشکل گرمای تاجی از اواخر دهه 1930 ثابت شده است. آن زمان بود که بنگت ادلن، طیف‌سنج سوئدی و والتر گروتریان، اخترفیزیکدان آلمانی، برای اولین بار پدیده‌هایی را در تاج خورشید مشاهده کردند که فقط در صورت وجود دمای آن می‌توانست چند میلیون درجه سانتیگراد باشد.
این نشان دهنده وجود دما تا 1000 برابر گرمتر از فوتوسفر زیر آن است، یعنی همان سطح خورشیدی که از زمین می‌توانیم ببینیم. تخمین گرمای فوتوسفر همیشه نسبتاً ساده بوده است. ما فقط باید نوری را که از خورشید به ما می‌رسد را اندازه گیری کنیم و آن را با مدلهای طیفی مقایسه کنیم که دمای منبع نور را پیش بینی می‌کنند.
طی چندین دهه مطالعه، دانشمندان دائماً دمای فوتوسفر را در حدود 6000 درجه سانتیگراد (11000 درجه فارنهایت) تخمین زده‌اند. ادلن و گروتریان دریافتند که تاج خورشید بسیار گرمتر از فوتوسفر است.
همرفت و جو خورشید
دانشمندان به دنبال خواص خورشید برای توضیح این اختلاف بودند. خورشید تقریباً به طور کامل از پلاسما تشکیل شده است که یک گاز بسیار یونیزه است و یک بار الکتریکی را با خود حمل می‌کند. حرکت این پلاسما در منطقه همرفت – قسمت فوقانی اتمسفر داخلی خورشید – جریانهای الکتریکی عظیم و میدانهای مغناطیسی قوی ایجاد می‌کند.
جریان همرفتی این قسمتها را از قسمت داخلی خورشید به سمت بالا می‌کشد. آنها بر روی سطح مرئی آن به صورت لکه‌های تاریک خورشید ظاهر می‌شوند که خوشه‌هایی از میدانهای مغناطیسی هستند و می‌توانند ساختارهای مغناطیسی مختلفی را در اتسمفر خورشید تشکیل دهند.
اینجا است که نظریه آلفون مطرح می‌شود. وی استدلال کرد که در درون پلاسمای مغناطیسی خورشید هرگونه حرکت ذرات دارای بار الکتریکی باعث اختلال در میدان مغناطیسی می‌شود. این امر امواجی ایجاد می‌کند که می‌تواند مقدار زیادی انرژی را در فواصل وسیع – از سطح خورشید به بالای اتسمفر آن حمل کند. گرما قبل از انفجار در تاج، در امتداد لوله‌های شار مغناطیسی خورشیدی حرکت می‌کند و باعث تولید دمای بالا می‌شود.
لکه‌های خورشید، قسمتهای تیره‌تری روی سطح خورشید هستند. این نمودار چندین لایه از جمله اتمسفر خورشید را نشان می‌دهد. تصویر از هنر سیبری / Shutterstock.
این امواج پلاسمای مغناطیسی اکنون امواج Alfvén نامیده می‌شوند و سهم آنها در توضیح حرارت تاجی باعث شد که آلفون در سال 1970 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کند.
مشاهده امواج آلفون
اما مشکل مشاهده واقعی این امواج همچنان وجود داشت. در سطح خورشید و اتمسفر آن اتفاقات زیادی رخ داده است – از پدیده‌های چندین برابر بزرگتر از زمین تا تغییرات کوچک در زیر وضوح ابزار دقیق ما – به طوری که قبلاً شواهد مشاهده مستقیم امواج آلفون در فوتوسفر حاصل نشده است.
اما پیشرفتهای اخیر در ابزار دقیق، دریچه جدیدی را گشوده است که از طریق آن می‌توانیم فیزیک خورشید را بررسی کنیم. یکی از این ابزارها طیف‌سنجی دو بعدی با اندازه‌گیری تداخل (IBIS) برای طیف‌سنجی تصویربرداری است که در تلسکوپ خورشیدی Dunn در ایالت نیومکزیکو ایالات متحده نصب شده است. این ابزار به ما امکان داده است که مشاهدات و اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق‌تری از خورشید را انجام دهیم.
همراه با شرایط خوب مشاهده، شبیه‌سازی پیشرفته رایانه‌ای و تلاش تیم بین‌المللی دانشمندان از هفت موسسه تحقیقاتی، ما از IBIS استفاده کردیم تا سرانجام برای اولین بار وجود امواج آلفون در لوله‌های شار مغناطیسی خورشیدی را تأیید کنیم.
منبع انرژی جدید
کشف مستقیم امواج آلفون در فوتوسفر خورشیدی گام مهمی در جهت بهره‌برداری از پتانسیل بالای انرژی آنها در زمین است. به عنوان مثال، این فرآیند در داخل خورشید انجام می‌شود که شامل مقادیر کمی از ماده به مقدار زیادی انرژی است. نیروگاه‌های هسته‌ای فعلی ما از شکافت هسته‌ای استفاده می‌کنند که به گفته منتقدان، زباله‌های هسته‌ای خطرناکی تولید می‌کند، به ویژه در مورد بلایایی از جمله فاجعه‌ای که در فوکوشیما در سال 2011 اتفاق افتاد.
ایجاد انرژی پاک با تکرار همجوشی هسته‌ای خورشید در زمین همچنان یک چالش بزرگ است. برای تولید همجوشی هنوز باید به سرعت 100 میلیون درجه سانتیگراد تولید کنیم. امواج آلفون می‌تواند یکی از راههای انجام این کار باشد. دانش روزافزون ما درباره خورشید نشان می‌دهد که در شرایط مناسب مطمئناً امکان‌پذیر است.
ما به لطف ماموریت‌ها و ابزارهای جدید و پیشگامانه جدید، به زودی انتظار افشای اسرار خورشیدی بیشتری را نیز داریم. ماهواره مدار خورشیدی آژانس فضایی اروپا اکنون در مدار دور خورشید است و تصاویری را ارائه می‌دهد و از مناطق قطبی ثبت نشده ستاره اندازه‌گیری می‌کند. از نظر زمینی، انتظار می‌رود رونمایی از تلسکوپ‌های خورشیدی جدید با کارایی بالا، باعث افزایش مشاهدات ما از خورشید از زمین شود.
بسیاری از اسرار خورشید، از جمله خواص میدان مغناطیسی خورشید هنوز باید کشف شود. بنابراین این زمان مهیج برای مطالعات خورشیدی است. تشخیص ما از امواج آلفون تنها یک کمک به یک میدان گسترده‌تر است که به دنبال باز کردن رمز و رازهای باقی‌مانده خورشید برای کاربردهای عملی روی زمین است.
ترجمه سارا سیدحاتمی
منبع:
Why Is The Sun’s Atmosphere Hotter Than Its Surface?
Posted by
EarthSky Voices May 30, 2021
https://earthsky.org/sun/why-suns-atmosphere-hotter-than-its-surface/