Группа норвежских астрофизиков зарегистрировала на Солнце новую группу огромных магнитных торнадо, которые могут быть ответственны за аномальную температуру солнечной короны. По мнению исследователей, механизм подогрева короны этими магнитными вихрями может пригодиться в разрабатываемых термоядерных реакторах.

Температура поверхности Солнца — всего 5 800 К, в то время как корона (внешние слои атмосферы светила) в 70 км от солнечной глади разогревается до 1 000 000 — 3 000 000 К, а изредка — и до 10 000 000 К.

Проблема ещё и в том, что второй закон термодинамики прямо противоречит идее о нагреве короны за счёт прямой теплопередачи от поверхности звезды. Природа этого явления всегда вызывала оживлённую научную дискуссию — не принёсшую, впрочем, конкретного решения. Группа астрофизиков под руководством Свена Ведемейера-Бома из Университета Осло (Норвегия) предложила объяснение, основывающееся на собственных наблюдениях за поверхностью Солнца и его атмосферой при помощи инструментов Atmospheric Imaging Assembly, которые находятся на борту орбитальной Обсерватории солнечной динамики (Solar Dynamics Observatory).

Корона разогревается огромными короткоживущими вихрями неправильной формы, в которых плазма разгоняется альфеновскими волнами. (Здесь и ниже иллюстрации Scullion, Wedemeyer-Böhm et al.)

Г-на Ведемейера-Бома и его коллег привлекли сверхмощные торнадо, вихри в хромосфере, одном из верхних слоёв атмосферы Солнца. Астрофизикам удалось обнаружить 14 таких объектов на свободных от пятен участках и проследить за их развитием.

Оказалось, что вокруг каждого из этих вертикальных столбов плазмы наличествует мощнейшая магнитная буря размерами с Европу, также поднимающаяся вверх вместе с плазмой. Похоже, по мере движения плазмы она перемещается вдоль линий магнитного поля; при этом происходит дополнительный разогрев до 1 000 000 К. По сути, это процесс, обратный получению энергии в МГД-генераторах, где при движении плазмы перпендикулярно линиям магнитного поля скорость её перемещения замедляется и энергия передаётся посредством магнитного поля обмотке устройства. Здесь же, двигаясь вдоль линий магнитного поля, плазма, наоборот, резко ускоряется и, соответственно, разогревается.

Каждый такой вихрь существует лишь около 13 минут, достигая скорости в 14–15 тыс. км/ч. Компьютерное моделирование показало, что одновременно на всей поверхности Солнца может быть до 1 000 таких торнадо диаметром в 1 500 км. Вот 3D-симуляция этого явления:

Учёные также изучили магнитную структуру солнечных торнадо в хромосфере и проверили, как их возникновение отражается на состоянии короны и магнитного поля Солнца.

Выяснилось, что появление гигантских вихрей на поверхности хромосферы и фотосферы сопровождалось формированием схожих и соединённых с ними структур в нижних частях короны, как бы «выраставших» из хромосферных торнадо. Их диаметр достигал 1,5 тыс. км, что в тысячи раз больше самых больших земных вихрей.

Магнитные вихри на поверхности Солнца размерами сравнимы с земными частями света, такими как Европа или Австралия.

Что особенно важно, в верхних частях таких торнадо УФ-излучение достигало пиковой интенсивности. А значит, нагрев здесь был выше, чем в любой другой точке хромосферы. Разогрев же, по мнению исследователей, происходит за счёт альфеновских волн — поперечных магнитогидродинамические волн, распространяющихся вдоль силовых линий магнитного поля. Возникнув в результате конвективных движений проводящей среды (восходящие вихри-торнадо в хромосфере), они способны эффективно осуществлять обмен энергией между хромосферой и солнечной кроной. Дело в том, что при определённых условиях энергия альфеновских волн может переходить в другие виды энергии, в частности тепловую (вязкое затухание, джоулева диссипация).

Дополнительным механизмом нагрева являются спикулы — небольшие фонтаны плазмы, всего 1 000 км в диаметре и высотой до 5 000–10 000 км, вырывающиеся из-под поверхности Солнца во внешнюю атмосферу. Десятилетиями учёные полагали, что спикулы перемещают тепло в корону Солнца. Но при последующих наблюдениях, проведённых в 1980-х, было установлено, что спикулы плазмы не достигают корональных температур, и эта теория потеряла былую популярность. Однако несколько лет назад был открыт новый класс спикул, которые двигаются гораздо быстрее и имеют меньшее время жизни по сравнению с «нормальными» спикулами. Вырываясь вверх на высоких скоростях (зачастую превышающих 100 км/с), они, предположительно, исчезают так быстро потому, что плазма, которую они несут, может быть очень горячей.

И тем не менее, по мнению исследователей, основным механизмом разогрева всё же остаются альфеновские волны. Если прежде зарегистрировать альфеновские волны нужной интенсивности не удавалось, то новые наблюдения указывают на их главенствующую роль в нагреве короны до миллионов кельвинов.

Учёные отмечают, что такие волны могут эффективно использоваться и для дополнительного нагрева плазмы в управляемых термоядерных реакциях на Земле — вроде тех, что имеют место в токамаках. Напомним: применяющиеся сейчас методы нагрева, включая сжатие и лазерный нагрев, сталкиваются с колоссальной проблемой — образованием в подогреваемой плазме пузырьков, резко снижающих в ней теплоперенос, что выражается в виде предела Гринвальда, исключающего, как показывают недавние работы, разогрев плазмы в токамаках до параметров, которые позволяют получить экономически целесообразную термоядерную реакцию. Однако альфеновские волны вообще никак не связаны с тепловым переносом в прямом смысле слова. Значит, они легко преодолеют проблему пузырьков и смогут разогреть плазму до бóльших температур, чем это возможно сегодня.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Nature.

Подготовлено по материалам NewScientist.

http://science.compulenta.ru/689960/