•  

    Hej Astromirki,

    W poprzednim wpisie rozprawiłem się ze stwierdzeniem, że Słońce to kula ognia. Pokazałem też, że na powierzchni Słońca nie zachodzą reakcje termojądrowe (gwiazdy - kule plazmowe bez płomienia). Zapowiedziałem wtedy, że opowiem co nieco o polu magnetycznym Słońca. Skąd się bierze? Dlaczego Słońce ma cykle aktywności? Co mają do tego plamy słoneczne? O tym wszystkim przeczytacie w dzisiejszym wpisie. Najpierw opowiem nieco o strukturze Słońca, później wyjaśnię jak ta struktura generuje pole magnetyczne, a na końcu poznacie, co robi pole magnetyczne na powierzchni gwiazd. Polecam siąść do czytania z kawką lub herbatą, bo wyszedł mi nieco długi tekst :).

    I - Struktura Słońca

    Szybka powtórka: gwiazda to kula gorącej plazmy. Jest bardzo gęsta w środku (w pobliżu rdzenia jest nieco gęstsza od metalicznego złota), a na "brzegach", czyli w fotosferze, jest tysiąckrotnie rzadsza od powietrza na powierzchni Ziemi. Ze względu na swoją masę, Słońce podzielone jest na trzy zasadnicze części: 1) rdzeń (od centrum do około 0.25 promienia), 2) warstwę promienistą (od około 0.2 do 0.7 promienia) oraz 3) warstwę konwekcyjną (zwaną, wbrew logice, "konwektywną", a która sięga od 0.7 promienia Słońca aż po brzeg fotosfery). Zauważcie, że nie ma wyraźnej granicy między rdzeniem gwiazdy, a jej warstwą promienistą. Jest to spowodowane tym, że na styku tych dwóch stref paliwo fuzji (wodór) miesza się z produktem syntezy (helem). Hel, jako cięższy pierwiastek, opada do centrum gwiazdy, a burzliwe reakcje syntezy czasami wynoszą go wyżej. Takie ruchy turbuletne odbywają się w zewnętrznych warstwach rdzenia, ale koniec końców, hel, jako termojądrowy "popiół" zbiera się w samym środku gwiazdy.

    Energia powstała w procesie syntezy helu z wodoru jest przeogromna. Słoneczna plazma przyjmuje wysokoenergetyczne fotony z fuzji i reemituje je dalej niemalże od razu. Unoszona energia jest tak potężna, że od rdzenia aż do 0.7 promienia Słońca temperatura plazmy spada tylko dwukrotnie. W tej części energia przenoszona jest przez pochłaniane i wyświecane fotony. Stąd nazwa: strefa promienista. Ten fragment gwiazdy kończy się dość gwałtownie. Przejście do kolejnej warstwy jest bardzo szybkie, a część pomiędzy tymi dwoma warstwami nazywa się tachokliną i ma grubość zaledwie 25 tysięcy kilometrów. W kolejnej warstwie energia transportowana jest już przez konwekcję. To ten sam proces, który rozprowadza w Waszym domu ciepłe powietrze znad grzejników pod sufit i ten sam proces, który zachodzi w garnku podgrzewanej wody. W Słońcu, masy plazmy dostają energię z okolic tachokliny, ogrzewają się i unoszą na powierzchnię gwiazdy (są cieplejsze, przez to rzadsze i lżejsze, więc uciekają "do góry"). Końcowym etapem strefy konwektywnej jest fotosfera, czyli widomy brzeg gwiazdy. Różnica temperatur od tachokliny do fotosfery wynosi aż dwa miliony Kelwinów na odległości zaledwie 0.3 promienia Słońca (210 000 km, czyli jakieś 16 planet Ziemia ustawionych w jednej linii). Gradient temperatury (jej zmiana w funkcji odległości) jest więc bardzo, bardzo duży. To właśnie bardzo duży gradient temperatury stanowi o tym, w której części Słońca dominuje konwekcyjny transport energii (a nie tak jak jest napisane na Wikipedii, że temperatura jest dostatecznie niska!).

    II - produkcja pola magnetycznego

    Jest zasadnicza różnica pomiędzy dynamiką stref promienistej i konwektywnej. Część promienista kręci się jak bryła sztywna (jak kulka z drewna). Za to warstwa konwektywna kręci się jak płyn: na równiku szybciej niż w okolicach bieguna. Co więcej, różne części strefy konwektywnej kręcą się z różnymi prędkościami w zależności od tego, jak daleko są od centrum gwiazdy. Na granicy tych dwóch warstw, konwektywnej oraz promienistej, powstaje bardzo silne tarcie. Ten cieniutki obszar między warstwami, tachoklina, działa jak łożysko, pozwalając strefie konwektywnej ślizgać się po swojej powierzchni. Ślizganie się różnych warstw plazmy (zwane ścinaniem) powoduje, że w tachoklinie cząsteczki bardzo mocno się namagnesowują. To one są źródłem pola magnetycznego w środku gwiazdy. Ten proces jest podstawą działania dynamo słonecznego.

    Plazma posiada bardzo ciekawą właściwość: potrafi w pełni podlegać ruchom silnego pola magnetycznego. Takie zachowanie nazywamy "wmrożeniem plazmy w pole magnetyczne". Działa to jak broń obosieczna: z jednej strony plazma będzie podlegała ruchom pola magnetycznego, ale z drugiej strony, pole magnetyczne może być sterowane przez odpowiednio silne ruchy plazmy (te procesy są opisywane przez działkę astronomii o nazwie magnetohydrodynamika - polecam; jazda bez trzymanki). Wiedząc to, jesteście już przygotowani na proste eksperymentowanie ze Słońcem. To dobry moment na wzięcie głębszego oddechu. Gotowi? Zaczynamy.

    Mamy Słońce - kulę plazmy - wypełnioną polem magnetycznym, które posiada dwa bieguny: północny na górze i południowy na dole. Można sobie wyobrazić, że linie pola magnetyczne będą biegły po łukach, z góry na dół, wewnątrz Słońca. Pozwólmy teraz Słońcu się kręcić: warstwa konwektywna będzie kręciła się szybciej na równiku, niż na biegunach. Ruchy wielkich mas plazmy (np. cały pas wzdłuż równika), będą pociągały za sobą pole magnetyczne. Linie pola magnetycznego zaczną poruszać się na równiku szybciej w kierunku obrotu Słońca, niż robią to linie w okolicy bieguna. To doprowadzi do nawijania się pola magnetycznego wzdłuż gwiazdy oraz wzrostu indukcji pola magnetycznego w miejscu, gdzie gęstość nawiniętych linii będzie większa. Raz na 11 lat pole jest tak krytycznie skręcone, że powstają chaotyczne pętelki magnetyczne i bieguny zamieniają się miejscami: teraz północny będzie na dole, a południowy będzie u góry. Nowoutworzona struktura pola magnetycznego znów zacznie się nawijać na gwiazdę i cykl się powtórzy.

    [Animacja]

    III - Skutki działania pola magnetycznego

    Dochodzimy do ciekawej części: miejscami pod powierzchnią fotosfery, energia zebrana w polu magnetycznym będzie dominowała nad drobnymi ruchami plazmy słonecznej. Innymi słowy, lokalnie plazma podda się w zupełności pod sterowanie pola magnetycznego. Takie tuby pola magnetycznego będą zazdrośnie trzymały złapaną plazmę, a plazma je otaczająca będzie wywierała na nie duże ciśnienie. Może się zdarzyć, że mała część takiej tuby magnetycznej zostanie wypchnięta ponad fotosferę przez ciśnienie pola i plazmy panujące wewnątrz Słońca. Jeśli tuba sama posiada wystarczającą energię, tu unosząc się ze Słońca ukradnie trochę słonecznej plazmy i uniesie ją ponad fotosferę. To, moi drodzy, są protuberancje.

    Wielkie łuki, arkady plazmy wystające ponad powierzchnię Słońca, to fragmenty plazmy słonecznej wyrwanej i wciąż trzymanej przez tuby magnetyczne wypchnięte z wnętrza gwiazdy. Plazma uniesiona ze Słońca może być utrzymywana przez jakiś czas w tubie magnetycznej, ale prędzej czy później, Słońce ściągnie te plazmę z powrotem na fotosferę. Jak dla mnie, najpiękniejszym przykładem protuberancji, na którym widać wprost, jak gorąca plazma słoneczna spływa wzdłuż linii pola magnetycznego i opada grawitacyjnie na gwiazdę, jest filmik poniżej. On podsumowuje istotę protuberancji.

    [Obserwacje protuberancji - filmik]

    Jedziemy dalej. Miejsca, w których wypchnięte tuby pola magnetycznego przebijają powierzchnię gwiazdy (wychodząc i wchodząc) są chłodniejsze od otaczającej je fotosfery. To wina tego pola magnetycznego, które zazdrośnie trzyma w sobie plazmę. Czy te obszary są jakoś widoczne? Oczywiście. To są plamy słoneczne.

    [Zdjęcie 1]

    [Zdjęcie 2]

    Chwila. To by znaczyło, że część plam zachowuje się jak biegun dodatni pola magnetycznego (pole skierowane na obserwatora), a druga część, jak biegun ujemny (pole skierowane do gwiazdy). Czyli plamy są namagnesowane! Czy to też możemy zobaczyć? Jak najbardziej: codziennie produkujemy dziesiątki magnetogramów powierzchni Słońca (ciemne obszary do biegun ujemy, jasne to biegun dodatni).

    [Magnetogram Słońca]

    Mało tego. Tyle się słyszy w Internecie o wybuchach i rozbłyskach na Słońcu, a ja w poprzednim wpisie twierdziłem, że plazma w fotosferze nie ma prawa wybuchać. I to prawda. Wybuchy na Słońcu są powiązane z protuberancjami. Jeśli taka magnetyczna pętelka się skręci i linie pola magnetycznego będą ze sobą oddziaływać, nastąpi wyzwolenie potężnych ilości energii, która podgrzeje cząsteczki plazmy (temperatura wielokrotnie przekroczy temperaturę w rdzeniu Słońca), a my zobaczymy tą świecącą plazmę jako rozbłysk lub, w żargonie, flarę słoneczną.

    Jeśli do takiego skręcenia pola dojdzie w odpowiedni sposób, to część plazmy wciąż uwięziona w protuberancji zostanie wystrzelona przez energię pola magnetycznego w kosmos. To z kolei, są koronalne wyrzuty masy. A jak coś takiego trafi w Ziemię, to mamy zorze polarne.

    [Rozbłysk z koronalnym wyrzutem materii - filmik]

    Jak się można domyśleć, te wszystkie przejawy aktywności pola magnetycznego na powierzchni gwiazdy są najbardziej liczne, kiedy pole magnetyczne wewnątrz Słońca jest najbardziej poskręcane i następuje przebiegunowanie gwiazdy. Taki czas nazywany jest przez nas maksimum słonecznym.

    Przerobiliśmy aktywność magnetyczną Słońca. Uff, ale tego było! Dzięki że ze mną wytrwaliście przez cały ten tekst. Gwiazdy są niesamowite :).

    Na koniec zapraszam do oglądnięcia filmiku od NASA, który dobrze podsumowuje trzeci rozdział mojego wpisu: [klik!]

    Zapraszam do obserwowania tagu!
    ----------------------------------------
    Takie rzeczy tylko w #astronomiaodkuchni ( ͡° ͜ʖ ͡°)ノ⌐■-■
    ----------------------------------------
    W następnym wpisie będzie o tym, skąd wiemy, co się znajduje w środku gwiazd.
    ----------------------------------------
    #astronomia #slonce #kosmos #mirkokosmos #ciekawostki #nauka #liganauki #ligamozgow

    źródło: windows2universe.org

    •  

      @Al_Ganonim: mniej więcej jak często następuje przebiegunowanie Słońca?

    •  

      @Al_Ganonim: Dzięki, sporo wiedziałem, ale nie potrafiłem poskładać do kupy, Twój wpis ułożył to wszystko w logiczną i spójną całość.

      +: futer16
    •  

      @STASZEK_WIERTARA: Mniej więcej co 11 lat.

      @houk: Cieszę się :). Wpis przyda się jeszcze w przyszłości.

    •  

      @Al_Ganonim: Masz jakiegoś bloga w tej tematyce? :)

    •  

      @Solpatium: Jedynie mikrobloga. Zamieszczam tu teksty jak mnie najdzie żeby napisać coś popularnonaukowego.

    •  

      @Al_Ganonim: uwielbiam czytać Twoje wpisy, wieczorową porą:)

    •  

      @kajt: Sorry, następnym razem będę ścieśniał. Albo rozbiję na dwa wpisy.
      @xyz23: :) Cieszę się!

      +: p.......a
    •  

      @Al_Ganonim: Dzięki takim wpisom odzyskuję wiarę w mirko, pjona i wincyj tego!

      +: p.......a, Przemysl +3 innych
    •  
      xyz23 via iOS

      +21

      @Al_Ganonim: wpis nie jest za długi. Lepiej chyba nieść kaganek oświaty i propagować wsród ludzi, umiejetność czytania dłuższych tekstów:) Super, że wstawiasz rysunki i filmiki, łatwiej można sobie wyobrazić, to o czym piszesz :)

    •  

      @Al_Ganonim: Nie znam się na gwiazdach tylko na elektrotechnice. Plus znam podstawy mechaniki płynów i stąd mam pewne pytania. Co rozumiesz przez

      w tachoklinie cząsteczki bardzo mocno się namagnesowują
      Cząsteczki nie mogą się namagnesować, jednak przepływ ładunku elektrycznego powoduje powstanie pola magnetycznego. Problem w tym, że plazma jest elektrycznie obojętna, więc przedstawiony opis, że to tak nazwę "samowzdudzania" gwiazdy, jest trochę za bardzo skrócony i przez to nie do końca dla mnie jasny.

      A już na pewno nie zgodzę się ze stwierdzeniem

      (...) gorąca plazma słoneczna spływa wzdłuż linii pola magnetycznego.
      Z definicji siły Lorentza (reguła lewej dłoni) wynika, że składowa ruchu wywołanego polem magnetycznym jest prostopadła do linii tegoż pola. Zatem linie pola wywołujące łuk protuberancji musi mieć kierunek w przybliżeniu styczny do powierzchni Słońca. Zupełnie podobnie jak to ma miejsce w prądach wirowych. Chyba, że dochodzą tam jeszcze jakieś inne zjawiska, to prosiłbym o wyjaśnienie.

      Poza tym tekst bardzo przystępny i liczę na więcej. Chociaż nie ukrywam, że liczę na odpowiedzi na moje wątpliwości.

      +: MacDada
    •  

      następnym razem będę ścieśnia

      @Al_Ganonim: nic nie ścieśniaj! Dobrze, że na lekturę Twoich wpisów trzeba poświęcić czas i się trochę skupić. Za to co robisz na mikroblogu, który na co dzień jest siedliskiem wszelkiej spierdoliny internetowej, powinieneś dostać medal.

    •  

      @Kontestator: W każdym tekście popularnonaukowym należy używać pewnych uproszczeń. Rzeczywiście, niefortunnie dobrałem słowa mówiąc o namagnesowaniu się cząsteczek. Mogłem napisać, że charakterystyczny przepływ oddziałujących ze sobą różnych fragmentów plazmy (które tu niepotrzebnie nazwałem cząsteczkami) intensyfikują i unoszą ze sobą pole magnetyczne. Dziękuję za zwrócenie mi uwagi. W przyszłości będę starał się rozważniej dobrać słowa.

      Co do spływania plazmy, to jest w porządku. Plazma spływa opadając grawitacyjnie. A "spływa", bo porusza się wewnątrz struktur magnetycznych, które ją uniosły nad fotosferę i nie może wyjść poza ich granicę.

      @xyz23: @3mielu: Raz na jakiś czas będę zatem wstawiał dłuższy tekst :). Krótsze łatwiej rozejdą się po większej liczbie czytelników ;).

    •  

      @Al_Ganonim: kiedy było ostatnie przebiegunowanie słońca ?

    •  

      Rok temu? Dwa lata temu? Jakoś tak. Teraz mieliśmy maksimum aktywności słonecznej.

    •  

      @Al_Ganonim: Chodzi mi o samo wyrażenie "wzdłuż linii pola magnetycznego", które nie będzie moim zdaniem prawdziwe. Ponieważ jeśli za wyrzucenie plazmy odpowiada pole magnetyczne, to musi mieć ono kierunek w przybliżeniu styczny, a nie promieniowy. W uproszczeniu jak na rysunku. Opiszę jak ja to widzę: plazma płynie wzdłuż powierzchni. Trafia w obszar silnego pola magnetycznego stycznego do powierzchni i prostopadłego do kierunku ruchu i zostaje przyspieszona i wyrzucona na zewnątrz. Jednak jest trzymana w ryzach pola i wraca skąd przybyła. Kształt prezentowany na filmach pasuje, a za odkształcenia od toru kolistego można winić grawitację, nieradialny kierunek przepływu plazmy oraz niejednorodność pola magnetycznego. Dobrze kminię, czy jest coś jeszcze do dodania?

      . . . kliknij, aby rozwinąć obrazek . . .

      źródło: Scheme.jpg

    •  

      @Al_Ganonim: KURDE. JESTEŚ GENIALNY FACET

      +: Dwep, enron
    •  

      @Kontestator: spróbujmy jeszcze raz. Jesteśmy pod powierzchnią Słońca, płynie sobie plazma, Słońce się kręci. W pewnej chwili, wyobrażamy sobie, że znikąd (na potrzeby tej rozmowy to uproszczenie jest uzasadnione) pojawia przezroczysta tuba (jak tunel) ułożona równolegle do powierzchni Słońca i wzdłuż ruchu plazmy. Część plazmy będzie w tubie/tunelu, podczas gdy reszta będzie dookoła. Plazma nie odczuwa różnicy, czy jest w tubie, czy poza nią. Nagle, tuba wygina się w łuk, wystając nieco ponad powierzchnię gwiazdy. Wraz z wyginaniem się, uniosła ze sobą tę plazmę, która była zawarta w tubie. Łuk tuby trwa sobie wystając ponad fotosferę, ale plazma w tubie przyciągana grawitacyjnie przez gwiazdę, opada na fotosferę. To jest protuberancja.

      Ruch pojedynczych cząsteczek odbywa się podobnie to tego jak to opisałeś, ale ruchy wielkoskalowe, ruchy całościowe plazmy, podlegają zasadom wmrożenia w pole magnetyczne.

      +: Dwep
    •  

      @Al_Ganonim: Niby taki mądry jesteś, a skąd Ty to niby wiesz. Byłeś tam na tym słońcu, że wiesz czy co?( ͡° ͜ʖ ͡°)

    •  

      @oniee: O tym będzie w następnym wpisie ( ͡° ͜ʖ ͡°)

      +: oniee
    •  

      @Al_Ganonim: Dzięki za kolejny cudowny wpis! :)
      Aż trochę żałuję, że nie zdecydowałam się na takie studia. Megaciekawe. :)

    •  

      plazma jest elektrycznie obojętna

      @Kontestator:

      źródło: i.ytimg.com

    •  

      @Al_Ganonim: No dobra, ale czym ta tuba jest w sensie fizycznym? Poza tym plazma podlega w zasadzie takim samym efektom elektrodynamicznym jak pojedyncze cząstki czy czasem nawet wygodniej opisać jako przewody z prądem. Przykład takiego zastosowania to plazmowy napęd statków kosmiczny. Przykład

    •  

      @Al_Ganonim: Super się czyta dzięki wielkie!

    •  

      @Kontestator: Tuba w sensie fizycznym jest koncentracją ukierunkowanego pola magnetycznego wmrożonego w plazmę. To jest fizyka plazmy. Nie można stosować analogii z innych dziedzin, gdzie pole magnetyczne i ośrodek nie są ze sobą w pełni związane. Najlepiej by było, jakbym Ci wyprowadził zasadę zachowania strumienia pola magnetycznego wzdłuż tuby oraz zasadę związania (wmrożenia) plazmy wewnątrz struktury tuby. Muszę tylko znaleźć moje notatki z magnetohydrodynamiki, żeby Cię nigdzie nie okłamać.

      -edit-
      O proszę, znalazłem nie tylko notatki, ale i przydatne źródła :). Podam Ci gotowca, który już jest w Sieci: http://www.sp.ph.ic.ac.uk/~mkd/Handout4.pdf Na stronach 1 i 2 pokazano zachowanie strumienia pola wzdłuż tuby, a na stronach 3 i 4 jest wyprowadzone wmrożenie plazmy w pole magnetyczne (czyli że plazma raz złapana w tubę magnetyczną może poruszać się wyłącznie wewnątrz niej). Mam nadzieję że to rozwiąże wątpliwości :). A jeśli wciąż będzie coś niejasne, to będzie trzeba z tego wpisu zrobić kurs fizyki plazmy kosmicznej.

    •  

      @Al_Ganonim: Te same równania, notabene Równania Maxwella, służą do opisu np. numerycznej analizy maszyn elektrycznych, dlatego moim zdaniem analogie są jak najbardziej poprawne. Sytuacja jest tylko o tyle bardziej złożona, że plazma w przeciwieństwie do uzwojeń ma całkowitą swobodę ruchu, opisaną równaniami mechaniki płynów. Tak po krótkim przejrzeniu to wygląda mi to na wyprowadzenie zasady zachowania strumienia magnetycznego dla przypadku plazmy. Całkiem podobnie jak w obciążanym transformatorze, gdzie strumień magnesujący pozostaje stały niezależnie od obciążenia. Niemniej bardzo ciekawe. ( ͡° ͜ʖ ͡°)
      Jak masz jakieś podręczniki do tego w pdf to podeślij proszę linki na PW. Ewentualnie pozycje z autorami, to sobie poszukam, może w bibliotece mają. Jak skończę Heat and Mass Transfer Cengela i podręcznik z teorii pola EM to będę miał coś do poduszki. ;)