Solvinden, forklaret

Solvinden er en strøm af partikler, der kommer fra solen med omkring en million miles i timen og bevæger sig gennem hele solsystemet. Først foreslået i 1950'erne af University of Chicago fysiker Eugene Parker, solvinden er synlig i glorie omkring solen under en formørkelse og nogle gange når partiklerne rammer jordens atmosfære - som nordlys, eller nordlys.

Mens solvinden beskytter Jorden mod andre skadelige partikler, der kommer fra rummet, storme kan også true vores satellit- og kommunikationsnetværk.

Hvad er solvinden?

Solens overflade er blæsende varm klokken 6, 000 grader Fahrenheit - men dens atmosfære, kaldet corona, er mere end tusind gange varmere. Den er også utrolig aktiv; disse blus og sløjfer er den glorie, du ser omkring solen, når der er en formørkelse.

Koronaen er så varm, at solens tyngdekraft ikke kan holde den, så partikler bliver slynget ud i rummet og rejser gennem solsystemet i alle retninger. Mens solen snurrer, forbrændinger og bøvser, det skaber komplekse hvirvler og hvirvler af partikler. Disse partikler, mest protoner og elektroner, rejser omkring en million miles i timen, når de passerer Jorden.

Denne strøm af partikler, kaldet "solvinden, " har en enorm indflydelse på vores liv. Det beskytter os mod vildfarne kosmiske stråler, der kommer fra andre steder i galaksen - men virkningerne af storme på solens overflade kan også påvirke vores telekommunikationsnetværk. Vinden ville også udgøre en trussel mod astronauter, der rejser igennem plads, så NASA ønsker at få en bedre forståelse af dens egenskaber.

Hvordan blev solvinden opdaget?

I 1957, Eugene Parker var adjunkt ved University of Chicago, da han begyndte at undersøge et åbent spørgsmål i astrofysik:Kommer partikler ud af solen? Et sådant fænomen virkede usandsynligt; Jordens atmosfære flyder ikke ud i rummet, og mange eksperter antog, at det samme ville være tilfældet for solen. Men videnskabsmænd havde bemærket et mærkeligt fænomen:komethalerne, uanset hvilken retning de rejste, altid pegede væk fra solen - næsten som om noget blæste dem væk.

Parker begyndte at regne. Han beregnede, at hvis solens korona var en million grader, der måtte være en strøm af partikler, der udvidede sig væk fra dens overflade, til sidst bliver ekstremt hurtigt - hurtigere end lydens hastighed. Han ville senere navngive fænomenet "solvinden".

"Og det er slutningen af ​​historien, bortset fra at det ikke er, fordi folk straks sagde, "Jeg tror ikke på det, " sagde Parker.

Han skrev et papir og sendte det til Astrofysisk tidsskrift ; svaret fra videnskabelige anmeldere var hurtigt og skarpt.

"Du må forstå, hvor utroligt dette lød, da han foreslog det, " sagde Fausto Cattaneo, en UChicago professor i astronomi og astrofysik. "At denne vind ikke kun eksisterer, men rejser med supersonisk hastighed! Det er ekstraordinært svært at accelerere noget til supersoniske hastigheder i laboratoriet, og der er ingen fremdriftsmidler."

Heldigvis, redaktøren af ​​tidsskriftet på det tidspunkt var den fremtrædende astrofysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, Parkers kollega ved University of Chicago. Chandrasekhar kunne heller ikke lide ideen, men den kommende nobelpristager kunne ikke finde noget galt med Parkers matematik, så han tilsidesatte anmelderne og udgav papiret.

Kun tre år senere, da et NASA-rumfartøj kaldet Mariner II tog aflæsninger på sin rejse til Venus i 1962, resultaterne var utvetydige. "Der var solvinden, blæser 24/7, " sagde Parker.

Hvordan påvirker solvinden os?

Den banebrydende opdagelse omformede vores billede af rummet og solsystemet. Forskere kom til at forstå, at solvinden ikke kun flyder forbi Jorden, men i hele solsystemet og videre. Det både beskytter og truer os.

"Solvinden dækker magnetisk solsystemet, beskytter livet på Jorden mod endnu højere energipartikler, der kommer andre steder fra i galaksen, " forklarede UChicago-astrofysiker Angela Olinto. "Men det påvirker også den sofistikerede satellitkommunikation, vi har i dag. Så forståelsen af ​​solvindens præcise struktur og dynamik og evolution er afgørende for civilisationen som helhed."

Normalt, Jordens magnetfelt skærmer os mod de fleste af disse partikler. Men nogle gange, solen "bøvser, " at kaste en milliard tons materiale ud i rummet, der flyver med flere tusinde kilometer i sekundet. Disse kaldes koronale masseudstødninger - og hvis en stor en tilfældigvis ramte Jorden, chokbølgen kan forårsage kaos og skade på vores kommunikationssystemer. "Det kan få magnetfeltet, der omgiver Jorden, til at ringe som en klokke, " sagde prof. Justin Kasper, en UChicago alun nu fysiker ved University of Michigan. Et sådant scenarie ville generere alle slags forstyrrelser:Fly ville miste radiokommunikation, GPS ville blive kastet af med op til miles, og bank, kommunikations- og elektroniske systemer kan blive slået ud.

Dette er faktisk sket før:I 1859, et kæmpe soludbrud kendt som Carrington Event lukkede telegraf- og elektriske systemer ned i dagevis. Aurora borealis var så stærk, at folk rapporterede, at de kunne læse en avis ved dens lys allerede klokken et om morgenen. "Der var en rædselsfuld pragt over nordens horisont, hvorfra fantastiske lysspir skød op, og et rosenrødt skær udvidet, som en damp præget af ild, til zenit, " skrev Cincinnati Daily Commercial.

Men i 1859 vi var ikke så afhængige af elektronik, som vi er i dag. En undersøgelse fra 2013 foretaget af Lloyd's i London anslog, at en lignende storm, der rammer Jorden i dag, kan forårsage op til 2,6 billioner dollars i skader til USA alene. og ville udløse omfattende strømafbrydelser og skader på elektriske net.

Der er nogle forholdsregler, vi kunne tage, hvis vi havde forudgående varsel, Derfor vil ingeniører gerne vide, hvornår en solstorm er på vej. Heldigvis, flere rumfartøjer, der kredser om solen, tager billeder og sender dem tilbage til Jorden, så NASA kan overvåge for udbrud. (Du kan se aktuelle rumvejrforhold her.) Men at analysere disse billeder kræver stadig et udbrud for først at vise sig på solens overflade, som kun giver minutter eller timers advarsel. Fra nu af, der er stadig ingen måde at forudsige sådanne udbrud, før de sker.

En bedre forståelse af solvinden spiller også ind i en anden menneskelig satsning:rumrejser. Nogle solvindpartikler er ekstremt energiske, og kunne stikke små huller gennem vigtigt rumfartøjsudstyr - for ikke at nævne menneskekroppe. For at beskytte astronauter, NASA skal forstå komponenterne, egenskaber, og frekvenser af sådanne partikler, samt hvordan man forudser rumvejr for sikre rejser.

Hvilke mysterier er der tilbage om solvinden?

Et af de største problemer for rumvejrssultere er, at vi stadig ikke ved, hvorfor solens atmosfære er så meget varmere end overfladen.

I hverdagen, du ville forvente, at temperaturen falder støt, når du kommer længere væk fra en varmekilde, som at flytte din hånd væk fra en ild. Men det er ikke det, der sker på solen. I dette tilfælde, varmen kommer fra fusion, der sker i solens kerne, som gradvist afkøles til 6, 000 grader Fahrenheit ved overfladen - skyder derefter op igen til millioner af grader i koronaen.

Mange teorier er blevet foreslået. Forskere ved, at hele solens overflade konstant kværner og bryder ud; måske er der mindre "nanoflares" (hver stadig pakker energien fra en 10 megaton brintbombe), der konstant bryder ud over hele solens overflade, som fører varme til atmosfæren. Der er også magnetiske felter, der interagerer på solens overflade; det er muligt, at disse magnetfelter rammer hinanden med eksplosiv kraft milliarder af gange i sekundet - "udligner" hinanden, men opvarmer atmosfæren i processen.

Spørgsmål, som videnskabsmænd gerne vil besvare omfatter:

• Hvorfor er koronaen så meget varmere end solens overflade? Hvordan accelererer solvinden væk fra solen?
• Hvor hurtigt bevæger partiklerne sig, og hvor varme bliver de?
• Opvarmer magnetiske felter partiklerne, eller kommer der mekaniske bølger fra solens overflade? (eller begge?)

En dybere forståelse af disse processer kan hjælpe med at forudsige rumvejr, der påvirker livet på Jorden, afsløre mere om de forhold, som astronauter i kredsløb over vores verden og rejser over lange afstande ville møde, og endda give fingerpeg om, hvilke former for stjerneaktivitet der kan fremme beboelighed på fjerne planeter.

Men for at få svar, vi skal komme tæt på selve solen.

Hvad er NASA's Parker Probe?

Forskere har været ivrige efter en mission til solen, siden rumrejser først blev mulige. Ikke alene er solen afgørende for livet på jorden, det er også langt den nærmeste stjerne, vi kan studere. Men de ekstreme temperaturer betød, at forskerne måtte vente på udviklingen af ​​teknologi, der kunne skærme rumfartøjet mod solens intense varme og stråling.

I 2018, denne drøm gik endelig i opfyldelse. NASA's Parker Solar Probe – opkaldt efter Eugene Parker til ære for hans banebrydende forskning – begyndte en syv-årig rejse til solens blærende varme korona den 12. august. 2018. Sonden er det hurtigst bevægende objekt bygget af mennesker, rejser med mere end 150, 000 miles i timen. Den er så hurtig, at den allerede har kørt adskillige ture rundt om solen.

Sondens varmeskjold, lavet af lige under fem tommer af en banebrydende kulstofkomposit, holder håndværkets sarte instrumenter på kølige 85 grader Fahrenheit, selvom coronaen raser ved 3, 000, 000 grader udenfor. (bortset fra et særligt hårdt instrument, bygget af UChicago alun Justin Kasper, som kigger rundt på kanten af ​​fartøjet for at øse partikler af solvinden op).

Sonden har allerede sendt enorme mængder data tilbage til Jorden, hvilket førte til opdagelser som bizarre "switchbacks" i solvinden.

Parker, derefter 91, fløj til Cape Canaveral med sin familie for at se NASA-rumfartøjets opsendelse.

"Der er gået så meget ind i denne lancering, og så for at se det hele langsomt forsvinde - forsvinde ind i nattehimlen, vel vidende, at det aldrig kommer tilbage - det var en bevægende oplevelse, " sagde Parker. "Du har sjældent en rummission, der ikke kommer op med det uventede, og det bliver faktisk mere spændende, efterhånden som missionen fortsætter og krydser ind i områder, som rumfartøjer aldrig har været i før. Det er bare fascinerende hvert skridt på vejen."