to top
  • βρείτε μας στο Twitter
  • βρείτε μας στο Facebook
  • βρείτε μας στο YouTube
  • στείλτε μας email
  • εγγραφείτε στο RSS feed
  • international version

13:46 | 12.11.2019

Του Δρ Κ. Τζιότζιου

πηγή: Αυγή

Επιστήμες - Τεχνολογία

«Κυκλώνες» στον Ήλιο

Ο Ήλιος, το κοντινό μας κοσμικό εργαστήρι


Ο Ήλιος, το πλησιέστερο στον πλανήτη μας άστρο, αποτελεί για την Αστροφυσική ένα πολύτιμο κοσμικό εργαστήριο για την κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που χαρακτηρίζουν τη δυναμική και την εξέλιξη των άστρων του Γαλαξία μας και κατ’ επέκταση όλου του Σύμπαντος. Υπεύθυνη για την έντονη δυναμική του άστρου μας είναι κυρίως η χρονική εξέλιξη των μαγνητικών του πεδίων, η τοπική αναδιάταξη των οποίων συχνά συνοδεύεται από σημαντικές εκλύσεις ενέργειας μέσω διαφορετικής κλίμακας εκρηκτικών φαινόμενων.

Στην κοινή αντίληψη, ο δυναμικός Ήλιος είναι κυρίως συνυφασμένος με τον γνωστό ήδη από τον 16ο αιώνα ενδεκαετή κύκλο των κηλίδων και τις «παρενέργειές» του, όπως τις μεγάλης κλίμακας ξαφνικές εκρήξεις στην επιφάνεια του, τις εκτινάξεις υλικού και συχνά ενεργητικών σωματιδίων προς τον διαπλανητικό χώρο και τη Γη, που αποτελούν διαφορετικές εκφάνσεις μια αλληλουχίας γεγονότων που σήμερα χαρακτηρίζουμε ως διαστημικό καιρό.

Ωστόσο, το άστρο μας είναι εξαιρετικά δυναμικό και σε μικρότερες χρονικές και χωρικές κλίμακες, ακόμα και σε ήρεμες περιοχές του. Περιοχές δηλαδή που δεν χαρακτηρίζονται από ανάδυση έντονων και μεγάλης κλίμακας μαγνητικών πεδίων, όπως συμβαίνει στις ενεργές περιοχές με τα παραπάνω βίαια εκρηκτικά φαινόμενα.

Η παρατήρηση του Ήλιου από το διάστημα σε μικρές κυρίως χωρικές κλίμακες είναι δυστυχώς απαγορευτική λόγω του εξαιρετικά μεγάλου κόστους αποστολής και ανάπτυξης κατάλληλων ηλιακών τηλεσκοπίων. Αντίθετα, αυτό είναι απόλυτα εφικτό από την επιφάνεια της Γης, όπου τα τελευταία χρόνια αναπτύχθηκαν μεγάλα, εξαιρετικής ευκρίνειας τηλεσκόπια τα οποία μας επιτρέπουν να παρατηρήσουμε τον Ήλιο με ευκρίνεια 70 χιλιομέτρων από μια απόσταση περίπου 150.000.000 χιλιομέτρων! Οι επίγειες παρατηρήσεις, ωστόσο, υποφέρουν από παραμορφώσεις λόγω διαταραχών στη γήινη ατμόσφαιρα, που δεν υπάρχουν στις αντίστοιχες παρατηρήσεις από το διάστημα.

Σήμερα, αυτό το μειονέκτημα αντιμετωπίζεται σε μεγάλο βαθμό είτε με την ανάπτυξη οπτικών συστημάτων ενεργούς διόρθωσης των παραμορφωμένων εικόνων πριν αυτές καταγραφούν από τις κάμερες του τηλεσκοπίου, είτε με εκ των υστέρων τεχνικές διόρθωσης των δεδομένων. Αποτελεσματική είναι επίσης η παρατήρηση του Ήλιου από τηλεσκόπια σε αερόστατα που καταφέρνουν να κινούνται για αρκετές ημέρες σε πολύ μεγάλα ύψη (περίπου 37 χιλιομέτρων) πάνω από τις πολικές περιοχές της Γης εκμεταλλευόμενα τις σχεδόν κυκλικές κινήσεις των αέριων μαζών της γήινης ατμόσφαιρας, μειώνοντας έτσι δραστικά τις παραμορφώσεις λόγω ατμοσφαιρικών διαταραχών.

Πέρα από την ευκρίνεια, εξίσου απαραίτητη θεωρείται η παρατήρηση του Ήλιου από τη Γη και το διάστημα σε φασματικές γραμμές διαφορετικών στοιχείων με χρήση κατάλληλων φίλτρων και διατάξεων, καθώς επιτρέπει την απεικόνιση φαινομένων σε διαφορετικά στρώματα και ύψη της ηλιακής ατμόσφαιρας. Κι αυτό επειδή αυτές δημιουργούνται σε διαφορετικές συνθήκες, κυρίως θερμοκρασίας και πυκνότητας, που χαρακτηρίζουν τα διάφορα ηλιακά ατμοσφαιρικά στρώματα: από την ψυχρότερη (~6000 Κ) και σημαντικά πυκνότερη επιφάνειά του, τη φωτόσφαιρα, στη θερμότερη και εξίσου πυκνή χρωμόσφαιρα (~10000 Κ), τη μεταβατική ζώνη (~200000 Κ) έως τελικά το πολύ θερμότερο (~1500000 Κ) αλλά και πολύ αραιότερο ηλιακό στέμμα.

Μικροί και μεγάλοι ηλιακοί κυκλώνες

Την τελευταία δεκαετία, υψηλής χωρικής και χρονικής ευκρίνειας παρατηρήσεις του Ήλιου από το έδαφος αλλά και το διάστημα αποκάλυψαν την ύπαρξη περιστροφικών στροβιλοειδών κινήσεων, κάτι σαν τους αντίστοιχους κυκλώνες στη Γη, διαφόρων χωρικών κλιμάκων σε διαφορετικά στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας τόσο σε ενεργές όσο και σε ήρεμες περιοχές του. Τέτοιου είδους κινήσεις είχαν ήδη θεωρητικά προβλεφθεί, όπως άλλωστε συνήθως συμβαίνει στη Φυσική, και είχαν βρεθεί σε αριθμητικές προσομοιώσεις της δυναμικής του Ήλιου αρκετά χρόνια πριν. Η ύπαρξή τους έμενε να επιβεβαιωθεί από την παρατήρηση.

Οι μικρής κλίμακας «ηλιακοί κυκλώνες», που έχουν συνήθως μια μέση διάμετρο περίπου 1.500 χιλιομέτρων και έναν μέσο χρόνο ζωής περίπου 5έως 10 λεπτών, παρατηρήθηκαν αρχικά κυρίως με επίγεια ηλιακά τηλεσκόπια, όπως το σουηδικό ηλιακό τηλεσκόπιο (SST) με κάτοπτρο διαμέτρου 1 μέτρου ή από τηλεσκόπια σε αερόστατα, όπως η αποστολή SUNRISE με κάτοπτρο ίδιας διαμέτρου. Παρατηρήθηκαν στις φασματικές γραμμές του ασβεστίου που καταγράφουν κυρίως τη χρωμόσφαιρα του Ήλιου ή μιας μοριακής γραμμής γνωστής ως G-band που καταγράφει τη φωτόσφαιρα. Μόλις πρόσφατα αναφέρθηκαν παρατηρήσεις και στη φασματική γραμμή του υδρογόνου, που είναι το πολυπληθέστερο στοιχείο στον Ήλιο και καταγράφει χαμηλά στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας, ενός μικρής κλίμακας «ηλιακού κυκλώνα» με εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής (τουλάχιστον μιάμισης ώρας), σημαντική δυναμική και εξαιρετικά σύνθετη δομή (Σχήμα 1). Συχνά οι μικροί «κυκλώνες» έχουν τη μορφή λογαριθμικής σπείρας ή εμφανίζονται ως τόξα, σπειροειδείς βραχίονες, δακτύλιοι ή τμήματα αυτών.

Οι μεγάλης κλίμακας «ηλιακοί κυκλώνες» έχουν διαμέτρους δεκάδων χιλιάδων χιλιομέτρων και διάρκεια ζωής πολλών ωρών (~20 ώρες). Παρατηρούνται κυρίως από το διάστημα σε διάφορα φίλτρα του δορυφόρου Solar Dynamics Observatory (SDO) που είναι η ναυαρχίδα των ηλιακών παρατηρήσεων στο διάστημα με συνεχή και αδιάλειπτη παρατήρηση του Ήλιου κάθε λίγα δευτερόλεπτα.

Πέρα από τις διαφορές τόσο στο μέγεθος όσο και στον χρόνο ζωής τους, οι μικρής και μεγάλης κλίμακας «ηλιακοί κυκλώνες» διαφέρουν και σε ποσότητα. Υπολογίζεται ότι κάθε στιγμή υπάρχουν περίπου 11.000 μικρής κλίμακας «κυκλώνες» στην επιφάνεια και την ατμόσφαιρα του Ήλιου, ενώ ο αντίστοιχος αριθμός των μεγάλης κλίμακας «ηλιακών κυκλώνων» είναι περίπου 30, κυρίως κατά την περίοδο έντονης δραστηριότητας.

Η μεγαλύτερη διαφορά όμως εντοπίζεται στους φυσικούς μηχανισμούς που τους δημιουργούν. Η θεωρία, οι αριθμητικές προσομοιώσεις και πλέον οι παρατηρήσεις έδειξαν ότι οι μικρής κλίμακας «κυκλώνες» δημιουργούνται στα όρια των κόκκων. Οι κόκκοι είναι φυσαλίδες καυτού ιονισμένου υλικού (γνωστό ως πλάσμα) που αναδύονται στην επιφάνεια του Ήλιου από το πλησιέστερο στην επιφάνειά του εσωτερικό στρώμα, γνωστό ως ζώνη μεταφοράς, και έχουν ένα μέγεθος της τάξης των 1.000 χιλιομέτρων. Οι κόκκοι ουσιαστικά μοιάζουν με τις φυσαλίδες που δημιουργούνται στην επιφάνεια μιας κατσαρόλας με νερό που βράζει. Όταν αυτές οι φυσαλίδες καυτού πλάσματος φτάνουν στην ηλιακή επιφάνεια, ψύχονται και το υλικό τους αρχίζει να κυλά πίσω προς το εσωτερικό του Ήλιου από τις άκρες τους, συχνά κάνοντας μια στροβιλοειδή κίνηση, όπως το νερό που αδειάζει σε έναν νιπτήρα.

Συνήθως στα όρια αυτών των φυσαλίδων συμβαίνει και η ανάδυση των γραμμών του μαγνητικού πεδίου του Ήλιου από το εσωτερικό του, οι οποίες, παρασυρόμενες από τη στροβιλοειδή πτώση του υλικού των κόκκων, υποβάλλονται επίσης σε μια αντίστοιχη περιστρεφόμενη κίνηση. Καθώς το μαγνητικό πεδίο συνδέει διαφορετικά στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας, μεταφέρει αυτή την περιστροφή από τα κατώτερα στα ανώτερα στρώματα δημιουργώντας έτσι έναν μικρό «ηλιακό κυκλώνα» (Σχήμα 2).

Οι μεγάλης κλίμακας «ηλιακοί κυκλώνες» δημιουργούνται στα «πόδια» μεγάλων δομών που ονομάζονται νήματα ή προεξοχές και ουσιαστικά αποτελούν μορφές του ίδιου φαινομένου ανάλογα με το αν εμφανίζονται στο χείλος (ως φωτεινές) ή στον δίσκο του Ήλιου (ως σκοτεινές). Αυτές οι δομές εμφανίζονται κοντά σε περιοχές έντονης μαγνητικής δραστηριότητας, όπως ενεργές περιοχές με κηλίδες, συνήθως στο σύνορο περιοχών αντίθετης μαγνητικής πολικότητας. Έχουν μεγάλους χρόνους ζωής, έως και πολλές ημέρες, μέσο ύψος 30.000 χιλιομέτρων και αποτελούνται από ψυχρό πλάσμα που συγκρατείται σ’ αυτές πάνω από την επιφάνεια του Ήλιου με τη βοήθεια του μαγνητικού πεδίου που τις διατρέχει, το οποίο συχνά παρουσιάζει έντονη συστροφή.

Οι μεγάλης κλίμακας «κυκλώνες» (Σχήμα 3) θεωρείται λοιπόν ότι είναι είτε ελικοειδείς κινήσεις πλάσματος κατά μήκος των συνεστραμμένων αυτών μαγνητικών γραμμών ή όντως περιστρεφόμενα μαγνητικά πεδία στα «πόδια» των προεξοχών ή νημάτων που παρασύρουν το πλάσμα σε μια παρόμοια περιστροφική κίνηση. Είναι επίσης άγνωστο, προς το παρόν, αν η αρχική στροβιλοειδής κίνηση προκύπτει από έναν παρόμοιο, μεγαλύτερης κλίμακας μηχανισμό σαν κι αυτόν που δημιουργεί τους μικρής κλίμακας κυκλώνες.

Η σημασία των ηλιακών κυκλώνων

Γιατί όμως η μελέτη των μικρής και μεγάλης κλίμακας «κυκλώνων» είναι σημαντική; Αυτές οι δομές μπορούν να διαδραματίσουν έναν βασικό ρόλο στη μεταφορά ενέργειας, μάζας και ορμής από το εσωτερικό στα ανώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα του Ήλιου. Επομένως μπορούν να προσφέρουν έναν εναλλακτικό, συμπληρωματικό μηχανισμό για ένα από τα συναρπαστικότερα προβλήματα της Ηλιακής Φυσικής, αυτό της θέρμανσης του ηλιακού στέμματος: πώς δηλαδή καταλήγουμε να έχουμε θερμοκρασίες 1-2 εκατομμυρίων βαθμών στο στέμμα όταν η θερμοκρασία στην επιφάνεια του άστρου μας είναι μόλις περίπου 6.000 βαθμών. Και μπορεί η ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας που μεταφέρει ένας μικρός κυκλώνας να είναι σχετικά μικρή, περίπου 440 Watt ανά τετραγωνικό μέτρο, ωστόσο η συνολική ενέργεια που μεταφέρουν τέτοιου είδους δομές θα μπορούσε να είναι επαρκής για τη θέρμανση του στέμματος λόγω του εξαιρετικά μεγάλου αριθμού τους. Επομένως η επιτυχής, αυτοματοποιημένη ανίχνευση αυτών των ηλιακών «κυκλώνων» και η συστηματική μελέτη και κατανόηση της φυσικής και δυναμικής τους είναι ένα ακόμα σημαντικό κομμάτι στο μεγάλο παζλ της κατανόησης της δυναμικής του Ήλιου σε όλες τις χωρικές και χρονικές κλίμακες. Νέα ώθηση στην περαιτέρω μελέτη των «ηλιακών κυκλώνων» θα δώσει η λειτουργία ακόμα μεγαλύτερων επίγειων τηλεσκοπίων που θα επιτρέψουν να παρατηρήσουμε με ακόμα μεγαλύτερη ευκρίνεια το άστρο μας. Τον επόμενο χρόνο αρχίζει τη λειτουργία του το αμερικάνικο ηλιακό τηλεσκόπιο Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST, βλ. Σχήμα 4), με κάτοπτρο διαμέτρου λίγο μεγαλύτερης των 4 μέτρων, ενώ ήδη βρίσκεται υπό μελέτη η κατασκευή ενός παρόμοιου ευρωπαϊκού τηλεσκοπίου στα Κανάρια Νησιά της Ισπανίας, του European Solar Telescope (EST), με ορίζοντα λειτουργίας προς το τέλος της επόμενης δεκαετίας. Πολλές ερευνητικές ομάδες ανά τον κόσμο εργάζονται για την ενδελεχή παρατήρηση και κατανόηση των «ηλιακών κυκλώνων». Μεταξύ αυτών και η ομάδα Ηλιακής Φυσικής του Αστεροσκοπείου Αθηνών, που ηγείται αυτή τη στιγμή μιας διεθνούς ομάδας συνεργασίας για τη μελέτη κυρίως των μικρής κλίμακας «κυκλώνων». Οι μελλοντικές, ευκρινέστερες παρατηρήσεις του Ήλιου σίγουρα επιφυλάσσουν νέες μεγάλες εκπλήξεις και θα προσφέρουν πλούσιο υλικό μελέτης για τις επόμενες γενιές αστροφυσικών! Ο Δρ Κ. Τζιότζιου είναι αστροφυσικός με ειδίκευση στην Ηλιακή Φυσική, έχει εργαστεί στα Αστρονομικά Ινστιτούτα του Άμστερνταμ και της Ουτρέχτης, στο Αστεροσκοπείο του Παρισιού, στο Κέντρο Ερευνών Αστρονομίας της Ακαδημίας Αθηνών και σήμερα εργάζεται στο Ινστιτούτο Αστρονομίας, Αστροφυσικής, Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών.

2019 © left.gr | στείλτε μας νεα, σχόλια ή παρατηρήσεις στο [email protected]
§ Όροι χρήσης για αναδημοσιεύσεις Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Μη εισαγόμενο (CC BY-NC 3.0)