Магнитные торнадо на Солнце помогут улучшить термоядерные реакторы

Магнитные торнадо на Солнце помогут улучшить термоядерные реакторы

Александр Березин 

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.

Десятки тысяч торнадо на Солнце обнаружили учёные

Дата: 29-06-2012 10:41

Великая Эпоха (The Epoch Times)

Диаметр такого вихря на поверхности Солнца может соответствовать площади Европы, как показывает этот рисунок. Фото НАСА Одна из наибольших загадок в исследовании Солнца: почему внешняя атмосфера центральной планеты намного жарче её поверхности? Теперь учёные нашли возможное объяснение. Гигантские плазменные торнадо могут наполнять оболочку энергией. Температура поверхности Солнца свыше пяти с половиной тысяч градусов Цельсия, но по сравнению с внешним слоем атмосферы звезды это даже кажется приятной прохладой, так как в солнечной короне температура возрастает за миллион градусов. Почему внешний слой не холодней солнечной поверхности, физики гадают уже давно. По крайней мере, часть этого вопроса была решена международной группой исследователей. В научном журнале Nature Свен Ведемайер-Бём из университета Осло и его коллеги сообщили, что с солнечной поверхности в направлении короны постоянно вихрятся тысячи торнадо из горячей плазмы. Так во внешний слой может попадать необходимая для разогрева короны энергия. Каковы условия в короне, представить трудно. Двое учёных во время солнечного затмения в 1869 году смогли зафиксировать в атмосферном слое непривычный сигнал, они не знали, какой химический элемент был его источником, он был просто неизвестен. Только спустя 70 лет другие разрешили эту загадку, пишет Стивен Брэдшоу из университета Уильяма Марша Райса (Хьюстон, Техас) в сопроводительной статье в журнале Nature. В пламени короны летают экстремально заряженные ионы железа, из которых выбиты не два или три электрона, а 13! Учёным сначала нужно было догадаться о том, что это возможно, для таких химических экзотов необходимы экстремальные условия, как например солнечная корона температурой в миллион градусов. Астрономам было уже давно ясно: каким-то образом энергетические потоки должны постоянно устремляться от солнца к короне. Как это происходит, оставалось продолжительное время нерешённым вопросом. Волны плазмы могут участвовать в этом процессе, сообщили исследователи в прошлом году. С помощью фотосъёмок высокого разрешения Солнца, сделанными космическим телескопом НАСА Solar Dynamics Obsveratory и шведского солнечного телескопа на Ла Пальме, учёные открыли феномен, который может способствовать процессу магнитных торнадо. Они выглядят как смерчи на Земле, но состоят не из воздуха, а из плазмы. Также их образование значительно отличается от их земных родственников. Поверхность Солнца, фотосфера, постоянно бурлит, горячая материя поднимается, охлаждается и снова опускается вниз. Во время опускания может образоваться вращательное движение, подобно вытекающей из ванны воде, собирающейся в воронку у выхода, объясняет Оскар Штайнер из Института солнечной физики Кипенхойера во Фрайбурге, один из участников исследования. Это движение оказывает влияние на линии магнитных полей на поверхности Солнца. И с завихрением полевых линий образуются торнадо. Хотя большая часть плазмы остается в фотосфере, как объясняет Штайнер, эти вихри распространяются далеко за её пределы. Они протягиваются через так называемую хромосферу внутрь короны, которая начинается на расстоянии 2000 км от поверхности Солнца. На основании данных, собранных на сегодняшний день, учёные предполагают, что между поверхностью Солнца и короной постоянно бушуют около 11 000 таких вихрей. Их диаметр составляет в среднем около 1 500 км. Для земных масштабов они огромны, на Солнце же, напротив, умеренны, этим объясняется, кроме прочего, почему этот феномен был открыт только сейчас. Ещё одна причина: вихри скорей видны в хромосфере, объясняет автор исследования Свен Ведемайер-Бём. Этот уровень относительно труден для наблюдений. «Магнитные торнадо возникают на Солнце повсеместно», — говорит Штайнер. Так как исследователи искали объяснения постоянной доставки энергии в сторону короны, вихри обеспечивают необходимые условия. Загадка раскалённой оболочки этим решена не полностью. Неясным остаётся, как транспортируемая торнадо энергия обеспечивает нагревание короны. «Это может происходить с помощью процессов, происходящих в значительно меньших масштабах, — говорит Штайнер, — и поэтому полностью ускользающих от прежних методов наблюдения. Это остается пока делом теоретиков».   Постоянный адрес статьи: http://www.epochtimes.ru/content/view/64029/5/