Jak wynika z nowych badań prowadzonych przez Narodowe Centrum Badań Atmosferycznych (NSF NCAR), podobnie jak Ziemia, na Słońcu prawdopodobnie występują wirujące wiry polarne. Jednak w przeciwieństwie do Ziemi powstawanie i ewolucja tych wirów jest napędzana przez pola magnetyczne.
Odkrycia, opublikowane niedawno w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), mają wpływ na nasze podstawowe zrozumienie magnetyzmu Słońca i cyklu słonecznego, co z kolei może poprawić naszą zdolność przewidywania destrukcyjnej pogody kosmicznej. Nowe badania dają także obraz tego, czego możemy spodziewać się na biegunach słonecznych podczas przyszłych misji na Słońce, a także dostarczają informacji, które mogą być przydatne w planowaniu harmonogramu takich misji.
„Nikt nie może powiedzieć z całą pewnością, co dzieje się na biegunach słonecznych” – powiedział Mausumi Dikpati, starszy naukowiec z NSF NCAR, który kierował nowym badaniem. „Ale te nowe badania dają nam intrygujące spojrzenie na to, czego możemy się spodziewać, gdy będziemy mogli po raz pierwszy obserwować bieguny słoneczne”.
Badania zostały sfinansowane przez NSF i NASA przy użyciu zasobów superkomputerowych udostępnionych w systemach Cheyenne i Derecho NSF NCAR.
Tajemnica na biegunach Słońca
Prawdopodobna obecność pewnego rodzaju wirów polarnych na Słońcu nie jest zaskoczeniem. Te wirujące formacje powstają w płynach otaczających wirujące ciało pod wpływem siły Coriolisa i zaobserwowano je na większości planet naszego Układu Słonecznego. Na Ziemi wir wiruje wysoko w atmosferze, wokół bieguna północnego i południowego. Kiedy wiry te są stabilne, zatrzymują lodowate powietrze na biegunach, ale kiedy słabną i stają się niestabilne, pozwalają temu zimnemu powietrzu przedostawać się w stronę równika, powodując wybuchy zimnego powietrza na średnich szerokościach geograficznych.
Misja NASA Juno dostarczyła zapierające dech w piersiach zdjęcia wirów polarnych na Jowiszu, pokazując osiem ciasno upakowanych wirów wokół północnego bieguna gazowego giganta i pięć wokół jego południa. Wiry polarne na Saturnie, widziane przez należącą do NASA sondę Cassini, mają kształt sześciokątny na biegunie północnym i bardziej okrągłe na południu. Różnice te dostarczają naukowcom wskazówek na temat składu i dynamiki atmosfery każdej planety.
Wiry polarne zaobserwowano także na Marsie, Wenus, Uranie, Neptunie i na Tytanie, księżycu Saturna, więc w pewnym sensie fakt, że Słońce (również wirujące ciało otoczone cieczą) będzie miało takie cechy, może być oczywiste. Ale Słońce zasadniczo różni się od planet i księżyców posiadających atmosferę: „płyn” plazmowy otaczający Słońce jest magnetyczny.
Sposób, w jaki magnetyzm może wpływać na powstawanie i ewolucję słonecznych wirów polarnych – lub czy w ogóle powstają – pozostaje tajemnicą, ponieważ ludzkość nigdy nie wysłała w przestrzeń misji, która mogłaby obserwować bieguny Słońca. W rzeczywistości nasze obserwacje Słońca ograniczają się do widoków jego tarczy skierowanej w stronę Ziemi i dostarczają jedynie wskazówek na temat tego, co może dziać się na biegunach.
Pierścień wirów powiązany z cyklem słonecznym
Ponieważ nigdy nie obserwowaliśmy biegunów Słońca, zespół naukowy wykorzystał modele komputerowe, aby wypełnić luki dotyczące tego, jak mogą wyglądać polarne wiry słoneczne. Odkryli, że Słońce prawdopodobnie rzeczywiście posiada unikalny układ wirów polarnych, który ewoluuje w miarę rozwoju cyklu słonecznego i zależy od siły dowolnego konkretnego cyklu.
W symulacjach ciasny pierścień wirów polarnych tworzy się na około 55 stopniach szerokości geograficznej – co odpowiada ziemskiemu kołu podbiegunowemu – w tym samym czasie, gdy rozpoczyna się zjawisko zwane „pędem do biegunów”. W maksimum każdego cyklu słonecznego pole magnetyczne na biegunach Słońca zanika i zostaje zastąpione polem magnetycznym o przeciwnej polaryzacji. To przerzucenie jest poprzedzone „pędem do biegunów”, gdy pole o przeciwnej polaryzacji zaczyna przemieszczać się od około 55 stopni szerokości geograficznej w kierunku bieguna.
Po uformowaniu wiry kierują się w stronę biegunów w zaciskającym się pierścieniu, wydzielając wiry w miarę zamykania się koła, ostatecznie pozostawiając tylko parę wirów bezpośrednio przylegających do biegunów, zanim znikną całkowicie przy maksimum Słońca. Liczba utworzonych wirów i ich konfiguracja w miarę zbliżania się do biegunów zmienia się wraz z siłą cyklu słonecznego.
Symulacje te stanowią brakujący element układanki dotyczącej zachowania pola magnetycznego Słońca w pobliżu biegunów i mogą pomóc w odpowiedzi na kilka podstawowych pytań dotyczących cykli słonecznych Słońca. Na przykład w przeszłości wielu naukowców wykorzystywało siłę pola magnetycznego, które „pędzi do biegunów”, jako wskaźnik określający prawdopodobną siłę nadchodzącego cyklu słonecznego. Jednak mechanizm, w jaki sposób te rzeczy mogą się połączyć, jeśli w ogóle, nie jest jasny.
Symulacje dostarczają także informacji, które można wykorzystać przy planowaniu przyszłych misji obserwacyjnych Słońca. Mianowicie wyniki wskazują, że pewną formę wirów polarnych można zaobserwować podczas wszystkich części cyklu słonecznego, z wyjątkiem maksimum słonecznego.
„Można wystrzelić misję słoneczną, która mogłaby przybyć i obserwować bieguny w zupełnie niewłaściwym czasie” – powiedział Scott McIntosh, wiceprezes ds. operacji kosmicznych w firmie Lynker i współautor artykułu.
Solar Orbiter, misja oparta na współpracy NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej, może dać naukowcom pierwszy wgląd w bieguny słoneczne, ale pierwsze spojrzenie będzie bliskie maksimum słonecznego. Autorzy zauważają, że misja zaprojektowana w celu obserwacji biegunów i zapewnienia badaczom wielu jednoczesnych punktów widzenia na Słońce może pomóc im odpowiedzieć na wiele długo zadawanych pytań dotyczących pól magnetycznych Słońca.
„Nasza granica koncepcyjna polega obecnie na tym, że operujemy tylko jednym punktem widzenia” – powiedział McIntosh. „Aby poczynić znaczące postępy, musimy przeprowadzić obserwacje potrzebne do sprawdzenia naszych hipotez i potwierdzenia, czy tego typu symulacje są prawidłowe”.