Úvodní strana  >  Články  >  Hvězdy  >  Výzkumy v ASU AV ČR (160): Přerozdělování energie ve dvojsmyčkové erupci

Výzkumy v ASU AV ČR (160): Přerozdělování energie ve dvojsmyčkové erupci

D model dvojice smyček magnetického pole vyplněné plazmatem termálním (vlevo) a netermálním (vpravo) v čase 3:50:28 UT. Linie naznačují tvar siločar magnetického pole, barvy pak prostorové rozložení přehřátého plazmatu nebo netepelných elektronů. Na pozadí jsou zobrazeny polarity fotosférického magnetického pole.
Autor: Galina Motorina

Galina Motorina ze Slunečního oddělení ASU vedla práci, v níž se spolupracovníky ze zahraničí studovala jednu z mnoha slunečních erupcí. Tento vybraný exemplář tzv. „chladné erupce“ vykazoval všechny znaky pro podporu jednoho z modelů vysvětlujících přerozdělování energie v erupci. Numerický model pak jejich závěry bezezbytku potvrdil.

Sluneční erupce jsou nejenergetičtějším projevem sluneční aktivity. Dnes je prakticky jisté, že za jejich zažehnutím stojí přepojení (rekonexe) magnetického pole v komplikované struktuře koronálních smyček magnetického pole. Erupce je spojena s mnoha jevy v nejrůznějších spektrálních oblastech. Od elektromagnetického záření přes všechny vlnové délky od rádiových až po rentgenové až po svazky částic urychlené na rychlosti blízké rychlosti světla. Erupce jsou sice zažehnuty rekonexí v koróně, ale značná část pozorovacích důkazů o jejich průběhu vychází ze záření nižších vrstev, kam se od bodu rekonexe prodírají elektronové svazky. Tyto svazky mají tzv. netermální charakter, tedy jejich rychlostní spektrum je vysoce nerovnovážné. Netermální elektrony se srážejí s pozaďovou látkou a tzv. se termalizují, tedy jejich rychlostní spektrum se přibližuje rovnovážnému rozdělení. Tím také začínají tepelně vyzařovat, nejprve v rentgenové a ultrafialové oblasti ve vrstvách koróny a posléze i ve spektrálních čarách ve viditelné oblasti, jakmile se proderou do chromosféry a nakonec mohou rozzářit i fotosféru v takzvaném kontinuu.  Tedy alespoň podle jedné třídy modelů. Konkurenční hypotézy vysvětlují kontinuální emisi fotosféry jinými mechanismy. V literatuře lze nalézt i propracované práce, které ohřev nižších vrstev atmosféry nevysvětlují srážkami svazků elektronů, ale například přenosem energie prostřednictvím vlnění magnetického pole.

V realitě jde zřejmě o součinnost více těchto jevů, z nichž některý je v daném případě dominantní. O to více jsou cenná pozorování erupcí, u nichž zjevně převažuje jen jediný způsob přenosu energie. Ve svazkovém popisu je tedy důležité hledat časovou souvislost mezi netermální emisí elektronových svazků a termálního plazmatu ohřátého během erupce.

V poslední době se ukázalo, že je množství erupcí, u nichž se pozoruje jen velmi malé množství termální emise a to tak málo, že se tyto erupce ani neobjevily v katalogu erupcí družice GOES, která je v tomto oboru etalonem. Takové erupce jsou v hantýrce označovány jako „chladné“, i když jde zjevně o nesprávný popis. Zdá se, že takové erupce vznikají ve strukturách kompaktních magnetických polí s větší intenzitou než „normální“ erupce. Předchozí autoři naznačili, že právě tyto „chladné“ erupce by mohly být dobrými cíli pro studium tepelné odezvy na ohřev netepelnými elektrony.

Jednou takovou erupcí byla erupce z 5. listopadu 2013. Galina Motorina a její kolegové využili bohatého pozorovacího materiálu k detailnímu studiu této události, pro niž zkonstruovali i plně trojrozměrný model. Erupce byla pozorována celou řadou přístrojů jak ve vesmíru, tak z povrchu zemského, a to v celém elektromagnetickém spektru. Na snímkách z přístroje Atmospheric Imaging Assembly na palubě družice Solar Dynamics Observatory je například dobře patrné, že erupce nastala v dvojsmyčkové konfiguraci magnetického pole, kdy v oblasti byly pozorovány dvě horizontální smyčky, jejichž interakcí zřejmě došlo k zažehnutí erupce.

Analýza měření v rentgenové oblasti spektra umožnila studovat netermální vlastnosti svazků částic. To bylo možné zejména proto, že v rané fázi erupce se v oblasti nenalézalo prakticky žádné plazma ohřáté na erupční teploty. Bylo tedy možné odhadnout celkovou energii netepelných elektronových svazků. Následně bylo možné analyzovat ultrafialové snímky z přístroje AIA a odhadnout energetický obsah částic tepelných, až druhotně ohřátých elektronovými svazky. Porovnáním těchto dvou analýz bylo možné popsat energetický rozpočet erupce. Je zajímavé, že celková energie netepelných částic byla posléze transformována do tepelné energie přehřátého plazmatu v koronálních smyčkách, a to ve dvou dílech. Jeden tepelný zdroj byl řídký a horký, zatímco druhý hustý a chladnější. Důležité ale je, že z celkového porovnání vyplývá, že zde není prostor pro jiné fyzikální procesy, které by se měly podílet na rozdělení energie erupce. Souhlas obou čísel je až podezřelý.

Takovou situaci je nutné potvrdit detailní 3D numerickou simulací vycházející z pozorovacích dat. K tomu byl použit program GX Simulator, který v zadané konfiguraci magnetického pole modeluje výsledné energetické spektrum částic. Model se podařilo naladit doslova k dokonalé shodě s pozorováními. Celkově na počátku model obsahuje v jednu chvíli 4×1019 J energie v netermálních částicích, která je prakticky napůl přerozdělena do tepelné energie dvou interagujících magnetických smyček. Celkově během vývoje dojde k přerozdělení 1,6×1021 J energie, což je ve vynikající shodě s hodnotou získanou z rentgenových pozorování.

Co však zůstává neobjasněno je, proč plazma v každé ze smyček zareagovalo na prakticky stejné množství ohřevu jinak. Jedna smyčka se prudce ohřála až na 30 milionů stupňů a pak rychle zchladla. Oproti tomu druhá smyčka, zřejmě hustší, se ohřála na „pouhých“ 10 milionů stupňů, ale chladla výrazně pomaleji. Zřejmě to souvisí s tím, že původně byla první smyčka řidší, elektronové svazky do ní proběhly hlouběji a vypařily větší množství plazmatu do koróny. Naproti tomu v druhé, hustší smyčce ztratila zřejmě část elektronů svazku své energie ještě ve vysokých výškách a vypaření chromosférického materiálu nemohlo probíhat tak efektivně. Do tepelné komponenty bylo tedy celkově v případě první smyčky uloženo dvakrát tolik energie než v případě smyčky druhé. Podstatné ale je, že celková suma opět odpovídá energii netermálních částic. A tak v případě erupce z 5. listopadu 2013 nezbývá vůbec žádný prostor pro jiné fyzikální procesy, o nichž se v erupcích uvažuje.

REFERENCE

G. Motorina a kol., Spatiotemporal Energy Partitioning in a Nonthermally Dominated Two-loop Solar Flare, Astrophysical Journal 890 (2020) id. 85, preprint arXiv:2001.02009

KONTAKTY

Dr. Galina Motorina, CSc.
galina.motorina@asu.cas.cz
Sluneční oddělení Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Sluneční oddělení ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.



O autorovi

Michal Švanda

Michal Švanda

Doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D., (*1980) pochází z městečka Ždírec nad Doubravou na Českomoravské vrchovině, avšak od studií přesídlil do Prahy a jejího okolí. Vystudoval astronomii a astrofyziku na MFF UK, kde poté dokončil též doktorské studium ve stejném oboru. Zabývá se sluneční fyzikou, zejména dynamickým děním ve sluneční atmosféře, podpovrchových vrstvách a helioseismologií a aktivitou jiných hvězd. Pracuje v Astronomickém ústavu Akademie věd ČR v Ondřejově a v Astronomickém ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, kde se v roce 2016 habilitoval. V letech 2009-2011 působil v Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung v Katlenburg-Lindau v Německu. Astronomií, zprvu pozorovatelskou, posléze spíše „barovou“, za zabývá od svých deseti let. Před začátkem pracovní kariéry působil v organizačním týmu Letní astronomické expedice na hvězdárně v Úpici, z toho dva roky na pozici hlavního vedoucího. Kromě astronomie se zajímá o letadla, zejména ta s více než jedním motorem a řadou okýnek na každé straně. Více o autorovi na jeho webových stránkách svanda.astronomie.cz.

Štítky: Erupce, Astronomický ústav AV ČR


15. vesmírný týden 2020

15. vesmírný týden 2020

Přehled událostí na obloze a v kosmonautice od 6. 4. do 12. 4. 2020. Měsíc bude v superúplňku. Večer je vidět jasná planeta Venuše. Ráno jsou poblíž sebe Mars, Jupiter a Saturn. Na cestu k ISS se má vydat tříčlenná posádka v lodi Sojuz MS-16. Před 50 lety odstartovalo Apollo 13 na svoji misi s nakonec šťastným koncem.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

C/2019 Y4 ATLAS skrývající se v prachu

Titul Česká astrofotografie měsíce za březen 2020 obdržel snímek „C/2019 Y4 ATLAS skrývající se v prachu“, jehož autorem je Pavel Váňa   Již dlouho tu nebyla hezká jasná kometa. Že by C/2019 Y4 ATLAS překvapila? Zatím tomu vývoj její jasnosti  napovídá. Ale nechme se překvapit.

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Venuša, Plejády a Starlinks.

Canon 350D+50/2.2, 4s expozície v 2s intervaloch. ISO 800. Zložené v programe DeepSkyStacker a snaha o úuprave v GIMP2.

Další informace »