Введение
Корона (coronas или coronae) — это внешний слой атмосферы звезды. Это горячая, но относительно тусклая область плазмы, населенная прерывистыми корональными структурами, известными как солнечные протуберанцы или нити. Корона Солнца располагается над хромосферой и простирается на миллионы километров в космическое пространство. Корональный свет обычно скрыт рассеянным излучением неба и бликами от солнечного диска, но его можно легко увидеть невооруженным глазом во время полного солнечного затмения или с помощью специализированного коронографа. Спектроскопические измерения указывают на сильную ионизацию в короне и температуру плазмы, превышающую , что намного выше температуры поверхности Солнца, известной как фотосфера. В свою очередь, выводится .
A corona (: coronas or coronae) is the outermost layer of a star's atmosphere. It is a hot but relatively dim region of plasma populated by intermittent coronal structures known as solar prominences or filaments. The Sun's corona lies above the chromosphere and extends millions of kilometres into outer space. Coronal light is typically obscured by diffuse sky radiation and glare from the solar disk, but can be easily seen by the naked eye during a total solar eclipse or with a specialized coronagraph. Spectroscopic measurements indicate strong ionization in the corona and a plasma temperature in excess of , much hotter than the surface of the Sun, known as the photosphere. is, in turn, derived .
История
В 1724 году французский астроном итальянского происхождения Джакомо Ф. Маралди установил, что сияние, видимое во время солнечного затмения, принадлежит Солнцу, а не Луне. В 1809 году испанский астроном Хосе Хоакин де Феррер ввел термин "корона". Основываясь на собственных наблюдениях солнечного затмения 1806 года в Киндерхуке (Нью-Йорк), де Феррер также предположил, что корона является частью Солнца, а не Луны. Английский астроном Норман Локьер идентифицировал первый элемент, неизвестный на Земле, в хромосфере Солнца, который был назван гелием (от греческого "helios" – солнце). Французский астроном Жюль Жансен, сравнив свои наблюдения во время затмений 1871 и 1878 годов, отметил, что размер и форма короны изменяются в соответствии с циклом солнечной активности. В 1930 году Бернард Лио изобрел "коронограф" (в настоящее время "коронограф"), позволяющий наблюдать корону без полного солнечного затмения. В 1952 году американский астроном Юджин Паркер предположил, что солнечная корона может нагреваться бесчисленными крошечными "нано-вспышками" – миниатюрными яркими явлениями, напоминающими солнечные вспышки, которые происходят по всей поверхности Солнца.
Исторические теории
Высокая температура солнечной короны придает ей необычные спектральные особенности, что в XIX веке заставило некоторых предположить о наличии в ней ранее неизвестного элемента, названного "коронием". Однако впоследствии было установлено, что эти спектральные особенности объясняются высокоионизированным железом (Fe XIV, или Fe13+). Бенгт Эдлен, опираясь на работы Вальтера Гротриана 1939 года, впервые идентифицировал корональные спектральные линии в 1940 году (наблюдаемые с 1869 года) как переходы с низколежащих метастабильных уровней основного состояния высокоионизированных металлов (зелёная линия Fe XIV от Fe13+ на , а также красная линия Fe X от Fe9+ на ). "F-корона" получила своё название по спектру Фраунгофера линий поглощения в обычном солнечном свете, который сохраняется благодаря отражению от небольших материальных объектов. F-корона слаба вблизи самого Солнца, но её яркость уменьшается лишь постепенно по мере удаления от Солнца, простираясь далеко по небу и переходя в зодиакальный свет. Известно, что F-корона возникает из-за небольших пылевых зерен, обращающихся вокруг Солнца; они формируют разреженное облако, простирающееся на большую часть Солнечной системы. "K-корона" названа так, поскольку её спектр представляет собой континуум, без выраженных спектральных особенностей. Это солнечный свет, рассеянный по закону Томсона свободными электронами в горячей плазме внешней атмосферы Солнца. Континуальный характер спектра обусловлен доплеровским уширением линий поглощения Фраунгофера в системе отсчета (горячих и, следовательно, быстродвижущихся) электронов. Хотя K-корона является явлением, связанным с электронами в плазме, этот термин часто используется для обозначения самой плазмы (в отличие от пыли, порождающей F-корону). "E-корона" – это компонент короны с эмиссионным линейчатым спектром, находящийся как внутри, так и за пределами диапазона длин волн видимого света. Это явление, связанное с ионной составляющей плазмы, поскольку отдельные ионы возбуждаются при столкновении с другими ионами или электронами, либо при поглощении ультрафиолетового излучения Солнца.
Физические особенности
Корона Солнца гораздо горячее (в 150–450 раз) видимой поверхности Солнца: температура короны составляет от 1 до 3 миллионов кельвинов по сравнению со средней температурой фотосферы – около. Корона гораздо менее плотная, чем фотосфера, и излучает примерно в миллион раз меньше видимого света. Корона отделена от фотосферы относительно тонкой хромосферой. Точный механизм нагрева короны до сих пор является предметом дискуссий, но вероятными причинами являются эпизодические выбросы энергии из пронизывающего магнитного поля и магнитогидродинамические волны, приходящие из недр Солнца. Внешние края короны Солнца постоянно уносятся, формируя "открытый" магнитный поток, захваченный солнечным ветром. Корона распределена по поверхности Солнца неравномерно. В периоды спокойствия она в основном сосредоточена в экваториальных областях, а корональные дыры покрывают полярные области. Однако в периоды солнечной активности корона распределена более равномерно по экваториальным и полярным регионам, хотя она наиболее заметна в областях с солнечными пятнами. Солнечный цикл длится примерно 11 лет – от одного солнечного минимума до следующего. Поскольку солнечное магнитное поле постоянно запутывается из-за более быстрого вращения вещества на экваторе Солнца (дифференциальное вращение), активность солнечных пятен наиболее выражена на солнечном максимуме, когда магнитное поле наиболее скручено. С солнечными пятнами связаны корональные петли – петли магнитного потока, поднимающиеся из недр Солнца. Магнитный поток выталкивает более горячую фотосферу в сторону, обнажая более холодную плазму, что и создает относительно темные солнечные пятна. Благодаря высококачественным снимкам короны в рентгеновском диапазоне спектра, полученным со спутника Skylab в 1973 году, а затем аппаратами Yohkoh и другими космическими обсерваториями, стало известно, что структура короны весьма разнообразна и сложна: различные зоны были сразу же классифицированы на коронном диске. Астрономы обычно выделяют несколько областей, которые будут описаны ниже.
Корональные петли
Корональные петли являются основными структурами магнитной солнечной короны. Эти петли представляют собой замкнутые магнитные потоки, являющиеся аналогами открытых магнитных потоков, наблюдаемых в корональных дырах и солнечном ветре. Петли магнитного потока поднимаются из недр Солнца и заполняются горячей солнечной плазмой. Вследствие повышенной магнитной активности в областях корональных петель, они часто являются предшественниками солнечных вспышек и корональных выбросов массы. Солнечная плазма, питающая эти структуры, нагревается от фотосферы до температуры, превышающей 10⁶ К, проходя через область перехода и достигая короны. Часто плазма заполняет петли с одной точки и стекает в другую, называемую точками соединения (сифонный поток из-за разницы давлений или асимметричный поток, вызванный другими факторами). Подъем плазмы от точек соединения к вершине петли, который всегда происходит на начальной стадии компактной вспышки, определяется как хромосферное испарение. Быстрое охлаждение плазмы и ее падение к фотосфере называется хромосферной конденсацией. Также возможен симметричный поток из обеих точек соединения петли, приводящий к накоплению массы в структуре петли. Плазма может быстро охлаждаться в этой области (в случае тепловой неустойчивости), при этом ее темные нити видны на фоне солнечного диска или в виде протуберанцев у края Солнца. Время жизни корональных петель может составлять от секунд (в случае вспышечных явлений) до минут, часов или дней. При балансе источников и поглотителей энергии в петле, корональные петли могут существовать длительное время и называются устойчивыми или спокойными корональными петлями (например). Корональные петли имеют важное значение для понимания современной проблемы нагрева короны. Корональные петли являются мощными источниками излучающей плазмы и поэтому легко наблюдаются такими приборами, как TRACE. Объяснение проблемы нагрева короны остается нерешенным, поскольку эти структуры наблюдаются дистанционно, что вносит множество неоднозначностей (например, вклад излучения вдоль линии визирования). Для получения окончательного ответа необходимы измерения in situ, но из-за высоких температур плазмы в короне, такие измерения в настоящее время невозможны. Следующая миссия NASA Parker Solar Probe приблизится к Солнцу на очень близкое расстояние, что позволит проводить более прямые наблюдения.
Крупномасштабные сооружения
Крупномасштабные структуры — это очень протяжённые дуги, которые могут охватывать более четверти солнечного диска, но содержат плазму менее плотную, чем в корональных петлях активных областей. Они были впервые обнаружены 8 июня 1968 года при наблюдении вспышки во время ракетного полёта. Крупномасштабное строение короны меняется на протяжении 11-летнего солнечного цикла и становится особенно простым в период минимума, когда магнитное поле Солнца приближается к диполярной конфигурации (с добавлением квадрупольного компонента).
Соединения активных регионов
Взаимосвязи между активными областями – это дуги, соединяющие зоны с противоположной полярностью магнитных полей, принадлежащие разным активным областям. Значительные изменения этих структур часто наблюдаются после вспышки.
Вентиляционные камеры
Полости нитей – это области, которые выглядят темными на рентгеновских снимках и располагаются над областями, где в хромосфере наблюдаются Hα-филаменты. Впервые они были обнаружены в ходе двух ракетных запусков 1970 года, которые также зафиксировали корональные дыры.
Корональные отверстия
Корональные дыры — это однополярные области, которые выглядят темными на рентгеновских снимках, поскольку они излучают мало радиации. Это обширные зоны Солнца, где магнитное поле однополярно и открывается в межпланетное пространство. Высокоскоростной солнечный ветер в основном возникает в этих областях. На ультрафиолетовых изображениях корональных дыр часто можно увидеть небольшие структуры, похожие на вытянутые пузыри, словно парящие в солнечном ветре. Это корональные шлейфы. Точнее, это длинные тонкие струи, простирающиеся от северного и южного полюсов Солнца.
Тихое солнце
Солнечные области, не являющиеся частью активных областей и корональных дыр, обычно идентифицируются как тихое Солнце. Экваториальная область вращается быстрее, чем полярные зоны. В результате дифференциального вращения Солнца активные области всегда возникают в двух полосах, параллельных экватору, и их протяжение увеличивается в периоды максимума солнечного цикла, тогда как они почти исчезают во время каждого минимума. Следовательно, тихое Солнце всегда совпадает с экваториальной зоной, и его поверхность менее активна в периоды максимума солнечного цикла. По мере приближения к минимуму солнечного цикла (также называемому циклом «бабочки»), протяжение тихого Солнца увеличивается, пока оно не покроет всю поверхность диска, за исключением отдельных ярких точек на полушариях и полюсов, где расположены корональные дыры.
Поверхность Альфвена
Поверхность Альфвена — это граница, отделяющая корону от солнечного ветра, определяемая как точка, где скорость Альфвена корональной плазмы равна скорости солнечного ветра в больших масштабах. Долгое время исследователи не знали точного местоположения критической поверхности Альфвена Солнца. По оценкам, основанным на дистанционных изображениях короны, она находилась где-то между 10 и 20 солнечными радиусами от поверхности Солнца. 28 апреля 2021 года, во время восьмого сближения с Солнцем, зонд Parker Solar Probe НАСА зафиксировал специфические магнитные и корпускулярные условия на расстоянии 18,8 солнечных радиусов, что свидетельствовало о его прохождении через поверхность Альфвена.
Выбросы корональной массы
Часто большие солнечные вспышки и протуберанцы сопровождаются корональными выбросами массы (CME). Это огромные выбросы коронального вещества и магнитного поля, которые распространяются от Солнца со скоростью до 3000 км/с, содержащие примерно в 10 раз больше энергии, чем сопровождающие их солнечные вспышки или протуберанцы. Некоторые особенно крупные CME могут выбрасывать сотни миллионов тонн вещества в межпланетное пространство со скоростью около 1,5 миллиона километров в час.
Звездные короны
Корональные звезды широко распространены среди звезд в холодной половине диаграммы Герцпрунга — Рассела. Эти короны можно обнаружить с помощью рентгеновских телескопов. Некоторые звездные короны, особенно у молодых звезд, значительно ярче солнечной. Например, FK Comae Berenices является прототипом класса переменных звезд FK Com. Это гиганты спектральных типов G и K с необычно быстрым вращением и признаками экстремальной активности. Их рентгеновские короны одни из самых ярких (Lx ≥ 1032 эрг·с−1 или 1025 Вт) и самых горячих из известных, с доминирующими температурами до 40 МК. Было показано, что звезды F, G, K и M имеют хромосферы и часто короны, подобные солнечной. Звезды O и B, у которых отсутствуют поверхностные конвекционные зоны, демонстрируют сильное рентгеновское излучение. Однако у этих звезд нет короны, а излучение испускается внешними звездными оболочками во время ударных волн, вызванных тепловой нестабильностью в быстродвижущихся газовых сгустках. Звезды A также не имеют конвекционных зон, но не излучают в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Таким образом, у них, по-видимому, отсутствуют и хромосфера, и корона.
Физика коры
Материя во внешней части солнечной атмосферы находится в состоянии плазмы, при очень высокой температуре (несколько миллионов кельвинов) и при очень низкой плотности (порядка 10¹⁵ частиц/м³). Согласно определению плазмы, это квазинейтральное скопление частиц, демонстрирующее коллективное поведение. Состав схож с составом недр Солнца, преимущественно водород, но с гораздо большей ионизацией тяжелых элементов по сравнению с фотосферой. Тяжелые металлы, такие как железо, частично ионизированы и потеряли большую часть внешних электронов. Степень ионизации химического элемента строго зависит от температуры и регулируется уравнением Саха в нижних слоях атмосферы, а в оптически разреженной короне – коллизионным равновесием. Исторически, обнаружение спектральных линий, испускаемых высокоионизированными состояниями железа, позволило определить высокую температуру корональной плазмы, показав, что корона значительно горячее внутренних слоев хромосферы. Корона ведет себя как газ, который одновременно очень горячий и очень легкий: давление в короне обычно составляет всего 0,1–0,6 Па в активных областях, в то время как на Земле атмосферное давление составляет около 100 кПа, что примерно в миллион раз выше, чем на поверхности Солнца. Однако это не совсем газ, поскольку он состоит из заряженных частиц, в основном протонов и электронов, движущихся с разными скоростями. Если предположить, что они имеют в среднем одинаковую кинетическую энергию (в соответствии с теоремой об эквивалентном распределении энергии), то электроны, масса которых примерно в несколько раз меньше массы протонов, приобретают более высокую скорость. Ионы металлов всегда движутся медленнее. Этот факт имеет важные физические последствия как для излучательных процессов (которые существенно отличаются от излучательных процессов в фотосфере), так и для теплопроводности. Кроме того, наличие электрических зарядов приводит к генерации электрических токов и сильных магнитных полей. В этой плазме могут распространяться магнитогидродинамические волны (МГД-волны), хотя до сих пор неясно, каким образом они могут генерироваться или передаваться в короне.
(for the equipartition theorem), electrons have a mass roughly times smaller than protons, therefore they acquire more velocity. Metal ions are always slower. This fact has relevant physical consequences either on radiative processes (that are very different from the photospheric radiative processes), or on thermal conduction. Furthermore, the presence of electric charges induces the generation of electric currents and high magnetic fields. Magnetohydrodynamic waves (MHD waves) can also propagate in this plasma, even though it is still not clear how they can be transmitted or generated in the corona.
Теория волнового нагрева
Теория волнового нагрева, предложенная в 1949 году Эври Шацманом, предполагает, что волны переносят энергию из солнечной внутренности в солнечную хромосферу и корону. Солнце состоит из плазмы, а не обычного газа, поэтому оно поддерживает несколько типов волн, аналогичных звуковым волнам в воздухе. Наиболее важными типами волн являются магнитоакустические волны и волны Альфвена. Магнитоакустические волны – это звуковые волны, модифицированные присутствием магнитного поля, а волны Альфвена похожи на ультранизкочастотные радиоволны, измененные взаимодействием с веществом в плазме. Оба типа волн могут быть запущены турбулентностью грануляции и супергрануляции в солнечной фотосфере, и оба типа волн могут нести энергию на некоторое расстояние через солнечную атмосферу, прежде чем превращаться в ударные волны, которые рассеивают свою энергию в виде тепла. Одна из проблем волнового нагрева – доставка тепла в нужное место. Магнитоакустические волны не могут переносить достаточную энергию вверх через хромосферу к короне, как из-за низкого давления в хромосфере, так и из-за тенденции к отражению обратно в фотосферу. Волны Альфвена могут нести достаточно энергии, но не рассеивают ее достаточно быстро, попадая в корону. Волны в плазме, как известно, трудно понять и описать аналитически, но компьютерные модели, проведенные Томасом Богданом и его коллегами в 2003 году, показали, что волны Альфвена могут трансмутироваться в другие волновые моды у основания короны, обеспечивая путь для переноса большого количества энергии из фотосферы через хромосферу и переходную область и, наконец, в корону, где она рассеивается в виде тепла. Еще одной проблемой волнового нагрева было полное отсутствие, до конца 1990-х годов, каких-либо прямых доказательств распространения волн через солнечную корону. Первое прямое наблюдение за волнами, распространяющимися в и через солнечную корону, было сделано в 1997 году с помощью космической солнечной обсерватории Solar and Heliospheric Observatory, первой платформы, способной наблюдать Солнце в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (EUV) в течение длительных периодов времени со стабильной фотометрией. Это были магнитоакустические волны с частотой около 1 миллигерца (мГц, соответствующей волновому периоду), которые несут лишь около 10% энергии, необходимой для нагрева короны. Существует множество наблюдений локализованных волновых явлений, таких как волны Альфвена, запускаемые солнечными вспышками, но эти события являются преходящими и не могут объяснить равномерный корональный нагрев. Пока точно неизвестно, сколько волновой энергии доступно для нагрева короны. Результаты, опубликованные в 2004 году с использованием данных космического аппарата TRACE, указывают на то, что в солнечной атмосфере существуют волны с частотами до (период 10 секунд). Измерения температуры различных ионов в солнечном ветре с помощью прибора UVCS на борту SOHO дают сильные косвенные доказательства существования волн с частотами до , в пределах диапазона человеческого слуха. Эти волны очень трудно обнаружить при нормальных обстоятельствах, но данные, собранные во время солнечных затмений командами из колледжа Уильямса, позволяют предположить наличие таких волн в диапазоне 1–. Недавно альфвенические движения были обнаружены в нижней солнечной атмосфере, а также на тихом Солнце, в корональных дырах и в активных областях с использованием наблюдений с AIA на борту Обсерватории солнечной динамики. Эти альфвенические колебания обладают значительной мощностью и, по-видимому, связаны с хромосферными альфвеническими колебаниями, о которых ранее сообщалось с космического аппарата Hinode. Наблюдения за солнечным ветром с космического аппарата Wind недавно показали доказательства, подтверждающие теории циклотронного рассеяния Альфвена, приводящего к локальному ионному нагреву.
Теория магнитного воссоединения
Теория магнитного воссоединения опирается на солнечное магнитное поле для индуцирования электрических токов в солнечной короне. Затем эти токи внезапно схлопываются, высвобождая энергию в виде тепла и волновой энергии в короне. Этот процесс называется «воссоединением» из-за специфического поведения магнитных полей в плазме (или любой электропроводящей жидкости, такой как ртуть или морская вода). В плазме линии магнитного поля обычно связаны с отдельными частицами вещества, так что топология магнитного поля остается неизменной: если конкретный северный и южный магнитные полюса соединены одной линией поля, то даже если плазма перемешивается или магниты перемещаются, эта линия поля будет продолжать соединять эти конкретные полюса. Связь поддерживается электрическими токами, индуцируемыми в плазме. При определенных условиях эти электрические токи могут схлопнуться, позволяя магнитному полю «воссоединиться» с другими магнитными полюсами и высвободить тепло и волновую энергию в процессе. Предполагается, что магнитное воссоединение является механизмом, лежащим в основе солнечных вспышек – крупнейших взрывов в Солнечной системе. Кроме того, поверхность Солнца покрыта миллионами небольших намагниченных областей размером около 50. Эти небольшие магнитные полюса подвергаются воздействию и перемешиваются постоянным гранулированием. Магнитное поле в солнечной короне должно постоянно воссоединяться, чтобы соответствовать движению этого «магнитного ковра», поэтому энергия, высвобождаемая при воссоединении, является естественным кандидатом на источник коронального нагрева, возможно, в виде серии «микровспышек», которые по отдельности выделяют очень мало энергии, но вместе обеспечивают необходимую энергию. Идея о том, что нано-вспышки могут нагревать корону, была предложена Юджином Паркером в 1980-х годах, но до сих пор остается спорной. В частности, ультрафиолетовые телескопы, такие как TRACE и SOHO/EIT, могут наблюдать отдельные микровспышки как небольшие усиления яркости в экстремальном ультрафиолетовом свете, но, похоже, этих небольших событий недостаточно для объяснения энергии, высвобождаемой в корону. Неучтенная дополнительная энергия может быть обусловлена волновой энергией или постепенным магнитным воссоединением, которое высвобождает энергию более плавно, чем микровспышки, и поэтому плохо проявляется в данных TRACE. Вариации гипотезы о микровспышках используют другие механизмы для создания напряжения в магнитном поле или для высвобождения энергии и являются предметом активных исследований в 2005 году.
Спикулы (тип II)
В течение десятилетий исследователи полагали, что шпикулы могут передавать тепло в корону. Однако, после наблюдательных исследований 1980-х годов, было установлено, что плазма шпикул не достигает корональных температур, и эта теория была отвергнута. Согласно исследованиям, проведенным в 2010 году в Национальном центре атмосферных исследований в Колорадо в сотрудничестве с Лабораторией солнечной и астрофизики Lockheed Martin (LMSAL) и Институтом теоретической астрофизики Университета Осло, новый класс шпикул (TYPE II), открытый в 2007 году, который движется быстрее (до 100 км/с) и имеет более короткий период существования, может объяснить эту проблему. Эти струи внедряют нагретую плазму во внешнюю атмосферу Солнца. Таким образом, в дальнейшем можно ожидать более глубокого понимания короны и улучшения знаний о тонком влиянии Солнца на верхние слои атмосферы Земли. Для проверки этой гипотезы использовались Атмосферная сборка изображений на недавно запущенной Солнечной обсерватории NASA и Пакет фокальной плоскости NASA для Солнечного оптического телескопа на японском спутнике Hinode. Высокое пространственное и временное разрешение новых инструментов позволяет наблюдать этот приток корональной массы. Эти наблюдения демонстрируют прямую связь между плазмой, нагретой до миллионов градусов, и шпикулами, которые доставляют эту плазму в корону.