Hvorfor solens atmosfære er hundredvis af gange varmere end dens overflade

Solens synlige overflade, eller fotosfæren, er omkring 6, 000°C. Men et par tusinde kilometer over den – en lille afstand, når vi betragter solens størrelse – er solatmosfæren, også kaldet corona, er hundredvis af gange varmere, når en million grader celsius eller højere.

Denne temperaturstigning, på trods af den øgede afstand fra solens vigtigste energikilde, er blevet observeret i de fleste stjerner, og repræsenterer et grundlæggende puslespil, som astrofysikere har tænkt over i årtier.

I 1942, den svenske videnskabsmand Hannes Alfvén foreslog en forklaring. Han teoretiserede, at magnetiserede plasmabølger kunne transportere enorme mængder energi langs solens magnetfelt fra dens indre til koronaen, omgå fotosfæren, før den eksploderer med varme i solens øvre atmosfære.

Teorien var foreløbigt blevet accepteret - men vi havde stadig brug for bevis, i form af empirisk observation, at disse bølger eksisterede. Vores seneste undersøgelse har endelig opnået dette, validerer Alfvéns 80 år gamle teori og tager os et skridt tættere på at udnytte dette højenergi-fænomen her på Jorden.

Brændende spørgsmål

Problemet med koronal opvarmning har været etableret siden slutningen af ​​1930'erne, da den svenske spektroskopist Bengt Edlén og den tyske astrofysiker Walter Grotrian første gang observerede fænomener i solens korona, som kun kunne være til stede, hvis dens temperatur var et par millioner grader celsius.

Dette repræsenterer temperaturer op til 1, 000 gange varmere end fotosfæren under den, som er den overflade af solen, som vi kan se fra Jorden. At estimere fotosfærens varme har altid været relativt ligetil:vi skal bare måle lyset, der når os fra solen, og sammenligne det med spektrummodeller, der forudsiger temperaturen på lysets kilde.

Gennem mange årtiers studier, fotosfærens temperatur er konsekvent blevet estimeret til omkring 6, 000°C. Edlén og Grotrians opdagelse af, at solens korona er så meget varmere end fotosfæren - på trods af at de er længere fra solens kerne, dens ultimative energikilde – har ført til mange hovedskraber i det videnskabelige samfund.

Forskere kiggede på solens egenskaber for at forklare denne forskel. Solen består næsten udelukkende af plasma, som er stærkt ioniseret gas, der bærer en elektrisk ladning. Bevægelsen af ​​dette plasma i konvektionszonen - den øverste del af solens indre - producerer enorme elektriske strømme og stærke magnetiske felter.

Disse marker trækkes derefter op fra solens indre ved konvektion, og brænder på dens synlige overflade i form af mørke solpletter, som er klynger af magnetiske felter, der kan danne en række magnetiske strukturer i solens atmosfære.

Det er her, Alfvéns teori kommer ind i billedet. Han ræsonnerede, at inden for solens magnetiserede plasma ville enhver bulkbevægelse af elektrisk ladede partikler forstyrre magnetfeltet, skaber bølger, der kan transportere enorme mængder energi over store afstande – fra solens overflade til dens øvre atmosfære. Varmen bevæger sig langs det, der kaldes solmagnetiske fluxrør, før den bryder ind i koronaen, producerer sin høje temperatur.

Disse magnetiske plasmabølger kaldes nu Alfvén-bølger, og deres del i at forklare koronal opvarmning førte til, at Alfvén blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1970.

Observerer Alfvén-bølger

Men der forblev problemet med faktisk at observere disse bølger. Der sker så meget på solens overflade og i dens atmosfære – fra fænomener mange gange større end Jorden til små ændringer under opløsningen af ​​vores instrumentering – at direkte observationsbevis på Alfvén-bølger i fotosfæren ikke er blevet opnået før.

Men de seneste fremskridt inden for instrumentering har åbnet et nyt vindue, hvorigennem vi kan undersøge solfysikken. Et sådant instrument er Interferometric Bidimensional Spectropolarimeter (IBIS) til billeddannelsesspektroskopi, installeret ved Dunn Solar Telescope i den amerikanske stat New Mexico. Dette instrument har givet os mulighed for at foretage langt mere detaljerede observationer og målinger af solen.

Kombineret med gode udsigtsforhold, avancerede computersimuleringer, og indsatsen fra et internationalt hold af forskere fra syv forskningsinstitutioner, vi brugte IBIS til endelig at bekræfte, for første gang, eksistensen af ​​Alfvén-bølger i solmagnetiske fluxrør.

Ny energikilde

Den direkte opdagelse af Alfvén-bølger i solfotosfæren er et vigtigt skridt i retning af at udnytte deres høje energipotentiale her på Jorden. De kunne hjælpe os med at forske i nuklear fusion, for eksempel, som er den proces, der foregår inde i solen, og som involverer små mængder stof, der omdannes til enorme mængder energi. Vores nuværende atomkraftværker bruger nuklear fission, som kritikere hævder producerer farligt atomaffald - især i tilfælde af katastrofer inklusive den, der fandt sted i Fukushima i 2011.

At skabe ren energi ved at replikere solens kernefusion på Jorden er fortsat en stor udfordring, fordi vi stadig skal generere 100 millioner grader celsius hurtigt, for at fusion kan finde sted. Alfvén-bølger kunne være en måde at gøre dette på. Vores voksende viden om solen viser, at det bestemt er muligt – under de rigtige forhold.

Vi forventer også flere solafsløringer snart, takket være nye, banebrydende missioner og instrumenter. Den Europæiske Rumorganisations Solar Orbiter-satellit er nu i kredsløb om solen, levere billeder og tage målinger af stjernens ukendte polarområder. Terrestrisk, afsløringen af ​​nye, højtydende solteleskoper forventes også at forbedre vores observationer af solen fra Jorden.

Med mange hemmeligheder om solen, der stadig mangler at blive opdaget, herunder egenskaberne af solens magnetfelt, det er en spændende tid for solstudier. Vores påvisning af Alfvén-bølger er blot ét bidrag til et bredere felt, der søger at låse op for solens resterende mysterier til praktiske anvendelser på Jorden.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.