Изображение солнечного зонда Паркер, сделанное художником. Кредит: НАСА
Новое исследование развивает теорию того, как магнитные переключатели формируются вокруг Солнца. Эту количественную модель можно использовать для прогнозирования изменений магнитного поля и потенциально объяснить нагрев и ускорение солнечного ветра.
Ведущий автор д-р Габор Тот работал с д-ром Бартом ван дер Холстом из факультета климатических и космических наук и инженерии Мичиганского университета и д-ром Марко Велли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе над публикацией исследования «Теория магнитных переключений, полностью поддерживаемая Parker Solar». Зондовые наблюдения» в «Астрофизическом журнале».
Магнитные переключения — это изменения радиального магнитного поля солнечного ветра, исходящего от поверхности Солнца. Впервые замеченные спорадически в семидесятые годы, магнитные переключения были недавно идентифицированы солнечным зондом Паркер как типичный компонент колебаний солнечного ветра во внутренней гелиосфере.
Наблюдения с помощью солнечного зонда «Паркер» показали, что эти магнитные переключатели состоят из сферически поляризованных альфвеновских волн, но до сих пор учёные понятия не имели, как формируются эти переключатели.
Новое исследование представляет собой простую и прогнозирующую теорию формирования этих инверсий магнитного поля, в которой участвуют исследователи из факультета климатических и космических наук и инженерии Мичиганского университета, а также доктор Марко Велли, ведущий ученый миссии Parker Solar Probe.
То, что исследователи обнаружили в данных, отправленных солнечным зондом Паркер после его пролета в 2018 году, оказалось не тем, чего они ожидали.
«Мы ожидали, что радиальная составляющая магнитного поля будет примерно постоянной, а колебания будут перпендикулярны ей», — сказал Тот. «Но затем солнечный зонд Паркер показал, что на самом деле он колеблется в радиальном направлении».
Он хотел найти способ объяснить, как это происходит и причину этого. Впервые за многие годы Тот почувствовал вдохновение вернуться к теоретической работе.
«У вас есть альфвеновская волна, которая перпендикулярна магнитному полю, и идея состоит в том, что она искажается и начинает колебаться в разных направлениях», — сказал Тот. «Это происходит потому, что скорости волн непостоянны. Первоначально мы думали, что важна скорость плазмы, но Барт отметил, что это связано со скоростью волны».
Работая со своей исследовательской группой, он разработал качественное и количественное объяснение того, что происходит во внутренней гелиосфере Солнца.
«Прежде всего, исследование является качественным в том смысле, что мы описываем этот процесс с помощью приближенных формул и упрощенного численного моделирования. После моделирования и теории я потратил много времени на просмотр наблюдений, чтобы проверить, согласуются ли они с тем, что предсказывает теория. … Доказательства того, что этот процесс действительно происходит, весьма убедительны».
«На самом деле мы можем измерить скорость волны, и мы обнаружили, что она меняется. Там, где вы видите обратный поворот, вы видите то же самое место, где вы видите изменение скорости волны», — сказал Тот.
«Эти волны возникают вблизи поверхности Солнца и становятся частью солнечного ветра. Первоначально магнитное поле и скорость имеют большие колебания в горизонтальном направлении, но волны искажаются из-за изменяющейся скорости волны, и в конечном итоге радиальное магнитное поле переворачивается, образуя обратный поворот».
Новые данные, полученные с помощью солнечного зонда Паркер, сделали исследование возможным. Зонд обеспечивал измерения магнитного поля и плазмы с высоким разрешением в невиданной ранее близости к Солнцу. Тот использовал наблюдения за плотностью, скоростью, температурой и магнитным полем в своих исследованиях.
«Это было очень важно, потому что мы не только видели, что магнитное поле колеблется, но мы также видели, что скорость плазмы колеблется, и они колеблются вместе. Таким образом, они пропорциональны друг другу», — сказал Тот. «Если вы измеряете только магнитное поле или только плазму, мы не сможем установить эту взаимосвязь».
Основная цель Солнечного зонда Паркер заключалась в том, чтобы выяснить, как солнечный ветер нагревается и ускоряется, пролетая достаточно близко к Солнцу, чтобы наблюдать за этим явлением.
«Солнечный зонд «Паркер» доказал, что то, во что мы верили, было не совсем верным. Теперь мы лучше понимаем, что наблюдалось и как это сформировалось», — сказал Тот. «Следующий шаг — посмотреть, изменит ли это нашу теорию солнечного ветра. Это вполне может изменить наши модели».
Основное применение этих моделей — прогнозирование космической погоды, чтобы лучше понять гелиосферу и подготовиться к мощному воздействию событий космической погоды на космические корабли, радиосвязь, GPS и даже на электросети. Исследователи из Мичиганского университета и других стран уже работают над системой моделирования космической погоды, целью которой является улучшение прогнозирования явлений космической погоды.
«Это важный компонент для будущего развития моделей космической погоды и солнечного ветра, а также для того, как можно включить обратное движение», — сказал ван дер Хольст. «Во-первых, вам нужна математическая основа и понимание обратного хода, прежде чем вы сможете получить более полную картину того, как включить его в модель солнечного ветра и объяснить механизм нагрева короны».
Одной из текущих моделей в системе моделирования космической погоды является альвеновская волновая модель солнечной атмосферы (AWSoM), цель которой — разгадать тайны альфвеновских волн.
«В модели, которую мы имеем сейчас, мы по существу предполагаем, что альфвеновские волны ответственны за нагрев короны», — сказал ван дер Холст. «Эта новая теория прекрасно вписывается в эту структуру».
Новое исследование дает лучшее понимание того, как формируются магнитные переключатели, что может привести к более глубокому пониманию турбулентности солнечного ветра, нагрева во внутренней гелиосфере и, в конечном итоге, к улучшению моделей космической погоды.
«Есть два основных направления, в которых мы можем вести эту работу», — сказал Тот. «Мы хотим провести полное трехмерное численное моделирование обратных переходов, расширив работу, включив в нее турбулентность. Затем мы хотим изучить, как образование обратных переходов меняет теорию альфвеновского волнового нагрева».
Информация от: Инженерным колледжем Мичиганского университета.
