Koronares Erwärmungsproblem - Wie tief geht es?

Ganz oben auf der Liste der Probleme in der Sonnenphysik finden wir das Problem der koronalen Erwärmung . Die Korona ist die äußere Plasmaatmosphäre der Sonne mit einer Temperatur von 1-5 Millionen Grad Kelvin, mit koronalen Ausläufern als den heißesten Bereichen. Während die Photosphäre, die sichtbare Oberfläche der Sonne, hat eine Temperatur von nur 5800 Kelvin und kann Sonnenflecken mit Temperaturen bis zu 4000 Kelvin haben. Wie also kann Wärmeenergie aus dem 16 Millionen Grad heißen Fusionsofen im Sonnenkern durch die Photosphäre gelangen und die Korona erhitzen? Normalerweise werden nur die äußeren Schichten der Sonne untersucht, um Lösungen für das Problem der koronalen Erwärmung zu finden, aber kann das Problem noch viel tiefer in das Innere der Sonne hineinreichen? Jüngste Beobachtungen könnten nur darauf hindeuten, dass:

  1. Die Wissenschaft der Helioseismologie interpretiert solare seismische Wellen und nutzt sie, um das Sonneninnere zu untersuchen. Während die Photosphäre der Sonne Rotationsunterschiede aufweist und sich schneller um den Äquator dreht als die Pole , zeigte die Helioseismologie, dass 70 % des Sonneninneren als ein kugelförmiger „fester“ Körper unter der Tachocline rotiert . Geben Sie hier die Bildbeschreibung einDies wird durch ein starkes Magnetfeld erklärt, das das innere Plasma in eine „feste“ Kugel einschließt. Aber die Helioseismologie entdeckte ein anderes Problem, innerhalb der „festen“ Sphäre fanden sie keine Wärmekonvektionsströmungen und in der darüber liegenden Schicht, die sogar als Konvektionszone bezeichnet wird, konnten sie auch keine starken Konvektionsströmungen feststellen. Dies war eine große Überraschung, da die führende Theorie darüber, wie das Magnetfeld der Sonne durch Wärmekonvektionsströme und Magnetohydrodynamik entsteht , mit Beobachtungen in Konflikt geriet.

  2. Die helioseismologischen Messungen sind inzwischen so gut geworden, dass wir die solaren „Wettermuster“ in der Konvektionszone sehr detailliert kartieren können. Die genauesten Messungen zeigen, dass die meridionalen Wettermuster zweizellig sind.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das lässt die Heliophysiker am Kopf kratzen, denn das Wettermuster und sein Antriebsmechanismus passen viel besser zu einer Kühlung von unten und einer Erwärmung von oben. Experten fragen sich nun, ob es andere Antriebsmechanismen als wärmegetriebene Konvektion geben könnte.

Die meridionale Zirkulation der Sonne wird höchstwahrscheinlich mechanisch angetrieben und thermisch gebremst, ungefähr entgegengesetzt zum Antriebsmechanismus der Hadley-Zelle in der Quelle der Erdatmosphäre

Nun soll also die Konvektionszone einen Konvektionsbruch aufweisen, was das Gegenteil der aktuellen Konvektionszonentheorie ist. Aber wenn das Problem der koronalen Erwärmung tiefer geht, könnte es immer noch eine wärmegetriebene Konvektion geben, die wir beobachten, da die Konvektion der Wetterzelle durch Erwärmung von oben angetrieben werden könnte.

  1. Die Helioseismologie hat Unterschiede in der Geschwindigkeit seismischer Wellen innerhalb der Sonne untersucht, um verschiedene Schichten im Sonneninneren abzubilden, und wie wir auf dem ersten Bild sehen können, zeigt es Konturen eines inneren und äußeren Sonnenkerns, die durch höhere seismische Geschwindigkeiten entstanden sind.

Jetzt gibt es Papiere, die über einen solaren inneren Kern und einen solaren äußeren Kern sprechen, ähnlich dem, was die Erde hat. Auf der Erde verwenden wir seismische Wellen von Erdbeben, um das Innere zu kartieren, aber hier wird die seismische Wellengeschwindigkeit hauptsächlich davon beeinflusst, ob das Medium in festem oder flüssigem Zustand ist. Aber es wird angenommen, dass die Sonne zu 90 % aus Plasma besteht und der 16 Millionen Grad Kern zu fast 100 % aus Plasma besteht, also ist es nur ein Zufall, dass das Bild Ähnlichkeiten mit unserem Planeten aufweist.

Wir wissen, dass die Sonne durch Fusion angetrieben wird, es besteht kein Zweifel, da wir solare Neutrinos aus solaren Fusionsreaktionen beobachten können . Dennoch gibt es kaum Beobachtungen, dass der Kern die darüber liegenden Schichten erwärmt. Trotzdem glauben wir, dass 16 Millionen Grad Wärmeenergie den ganzen Weg vom Kern übertragen werden und die Korona auf Millionen Grad aufheizen, wir wissen nur nicht, wie diese Wärmeenergie übertragen wird. Oft werden nur die äußeren Schichten der Sonne betrachtet, wenn wir das Problem der koronalen Erwärmung betrachten, aber kann die Wurzel des Problems der koronalen Erwärmung bis zum Kern reichen?

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Antworten (1)

Wie also kann Wärmeenergie aus dem 16 Millionen Grad heißen Fusionsofen im Sonnenkern durch die Photosphäre gelangen und die Korona erhitzen?

Das tut es nicht. Das ist das Problem. Das Problem der koronalen Erwärmung ist, als würde man von einem Feuer weggehen und anstatt dass es kühler wird, verbrennt man.

Der Temperaturgradient vom Kern zur Photosphäre ist genau das, was man erwarten würde, dh von heiß nach kalt.

Normalerweise werden nur die äußeren Schichten der Sonne untersucht, um Lösungen für das Problem der koronalen Erwärmung zu finden, aber kann das Problem noch viel tiefer in das Innere der Sonne hineinreichen?

Nein nicht wirklich. Wenn Sie meinen, dass die Konvektion unterhalb der Photosphäre die Magnetfelder beeinflusst, die in die Korona aufsteigen, dann vielleicht indirekt, ja durch Prozesse, die mit der magnetischen Wiederverbindung zusammenhängen und durch diese verursacht werden .

Das lässt die Heliophysiker am Kopf kratzen, denn das Wettermuster und sein Antriebsmechanismus passen viel besser zu einer Kühlung von unten und einer Erwärmung von oben. Experten fragen sich nun, ob es andere Antriebsmechanismen als wärmegetriebene Konvektion geben könnte.

Nein, das ist nicht richtig. Die immensen Drücke, denen der Kern ausgesetzt ist, sind für die hohen Temperaturen verantwortlich, nicht die Korona, die den Kern erhitzt. Wenn ich Ihrer Logik folge - die zu argumentieren scheint, dass Wärme nicht durch Konvektion aus dem Kern entweichen kann und daher von woanders kommen muss - wie könnte dann Wärme von oben in den Kern gelangen? So eine Einbahnstraße kann es nicht sein.

Aber es wird angenommen, dass die Sonne zu 90 % aus Plasma besteht und der 16 Millionen Grad Kern zu fast 100 % aus Plasma besteht, also ist es nur ein Zufall, dass das Bild Ähnlichkeiten mit unserem Planeten aufweist.

Dies wird wahrscheinlich durch konkurrierende Kräfte, Strahlung und Druckgradienten angetrieben. Unterhalb einer bestimmten Tiefe gewinnt einer und oberhalb dieser Schwellentiefe beginnt der andere zu gewinnen. Die Konvektionsbeschränkungen sind an die Viskosität gebunden , die von den Parametern der betreffenden Flüssigkeit abhängt. Eine Möglichkeit, dies zu parametrisieren, besteht darin, die Reynolds-Zahl der Flüssigkeit zu untersuchen, um festzustellen, ob sie "wie Honig fließt" oder sich wie ein Gas verhalten kann.

Trotzdem glauben wir, dass 16 Millionen Grad Wärmeenergie den ganzen Weg vom Kern übertragen werden und die Korona auf Millionen Grad aufheizen, wir wissen nur nicht, wie diese Wärmeenergie übertragen wird.

Nein, wir glauben nicht, dass der Kern die Korona aufheizt. Es kann die Korona nicht aufheizen, weil die Photosphäre ungefähr drei Größenordnungen kühler ist. Aus diesem Grund entstand überhaupt das konzeptionelle Dilemma. Die Sonnenkorona ist heißer als sie sein sollte, wenn sie nur durch thermodynamische Prozesse (z. B. Wärmeleitung ) von der Photosphäre erwärmt würde .

Oft werden nur die äußeren Schichten der Sonne betrachtet, wenn wir das Problem der koronalen Erwärmung betrachten, aber kann die Wurzel des Problems der koronalen Erwärmung bis zum Kern reichen?

Wie würden Sie dann diese Energie durch die vergleichsweise kalte Photosphäre übertragen und in der Korona deponieren? Das ist wiederum der Kern des Dilemmas.

Die wahrscheinliche Ursache für die ungewöhnlich hohen Temperaturen in der Korona sind kleinräumige Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischen Feldern und den geladenen Teilchen (z. B. Wellenerwärmung). Selbst mit ultrahochauflösenden Bildteleskopen wie dem SDO können wir auf der Sonne keine Merkmale auflösen, die kleiner als ~70 km sind. Zum Vergleich, Larmor-Radius von thermischen Elektronen und Protonen in der Korona (unter der Annahme T e ≈ T P ∼ 10 6 K Und B Ö ∼ 10 − 3 − 10 − 2 T ) sind ~0,2–2,0 cm bzw. ~0,1–1,0 m. Angesichts der Tatsache, dass die meisten in der erdnahen Umgebung beobachteten Plasmaerwärmungen Wellen und/oder Turbulenzen im Subprotonenmaßstab beinhalten, ist es nicht verwunderlich, dass wir die tatsächlichen Erwärmungsmechanismen in der Sonnenkorona nicht aufklären können.

Die Bewältigung des Problems der koronalen Erwärmung ist eine der wissenschaftlichen Anforderungen der bevorstehenden Solar Probe Plus- Mission.

Verweise

  • Aschwanden, M. Physik der Sonnenkorona: Eine Einführung mit Problemen und Lösungen , Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, ISBN 3-540-30765-6, 2006.
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