Elektryczne Słońce - cz. 4 - plamy

P { margin-bottom: 0.21cm; }A:link { }

Plamy

W plazmie fotosfery, zarówno rozmiar jak i woltaż granuli zależy od gęstości prądu w danym miejscu (blisko powierzchni słonecznej anody). Istnienie podwójnej warstwy skojarzonej z każdą granulą (separującą ją od plazmy koronalnej) wymaga konkretnych numerycznych zależności pomiędzy jonami dodatnimi i elektronami w całkowitym prądzie. Stosunek ten został odkryty, oszacowany i opublikowany przez Irvinga Langmuira przeszło 50 lat temu. Długie dżety elektronów emanujące spomiędzy granuli, zasilają większość potrzebnych elektronów. W modelu elektrycznym, jak w każdym wyładowaniu plazmowym, granularna komórka zanika tam, gdzie strumień nadchodzących elektronów uderzający w dany rejon nie jest wystarczająco silny do powiększenia powierzchni anody. W miejscu takim komórki fotosferyczne zapadają się, i możemy zobaczyć rzeczywistą powierzchnię słonecznej anody. Ponieważ nie ma tu wyładowania łukowego, rejon ten jest ciemniejszy niż otoczenie i nazywany jest "umbrą plamy". Oczywiście, jeśli większosć energii słonecznej byłaby produkowana w jego wnętrzu, umbra powinna być jaśniejsza i gorętsza od otaczającej ją fotosfery. Fakt, że umbra jest ciemna i relatywnie chłodna (3000 - 4000K lub 2727 - 4227ºC) silnie wskazuje na to, że tylko niewielka ilość energii, o ile jakakolwiek, powstaje we wnętrzu Słońca.

P { margin-bottom: 0.21cm; }A:link { }

plamy słonecznej. nie napotykają wiec krępującej je bariery energetycznej granuli. Proszę zauważyć, że ten ruch, z lewa na prawo na rys. 4, jest ruchem do góry (ku patrzącemu) na rys. 3. Nie ma sił ani ruchu na boki.

Najciemniejsze miejsca w umbrze (powierzchni słonecznej anody) mają woltaż V₁. W umbrze nie ma fotosferycznych granuli, także, w każdym jej miejscu, wykres na rys. 4 po prostu monotonicznie opada - z punktu (V₁, a), do punktu e na osi poziomej. Punkt e oznacza początek korony (jej najniższy punkt). Jej woltaż jest otagowany jako V₀.

Penumbralne frędzle

A co z penumbrą - dziwnie poskręcanymi frędzlami plazmy wpadającymi do wnętrza plamy, co przywodzi na myśl tęczówkę oka? Startując z wnętrza Słońca, część jonów dość energii do opuszczenia jego ciała i wspięcia się na poziom woltażu sięgający V₂ lub więcej. W przedziale odległościowym b do c na rys. 4, gdy poruszają się w górę pod wpływem dyfuzji, niektóre z nich mogą się zderzać z innymi jonami lub neutralnymi atomami, tak, że niektóre mogą otrzymać dyfuzyjną prędkość spychającą je z powrotem w dół. Jeśli przekroczą punkt b, zostaną z powrotem przyciągnięte do Słońca. W przestrzeni 3D, mogą po prostu zatopić się w granuli lub wpaść w jej bok do ciemniejszego kanału, otaczającego każdą granulę. Jeżeli zaś jest wystarczająco blisko plamy słonecznej, to może w nią wpaść. To właśnie to zjawisko widzimy jako penumbralne frędzle, widoczne na rys. 3 i 5. Proces jest podobny do odrywania się gór lodowych od lodowca. Szczyty granuli w pobliżu umbry kruszą się, wyrzucając jony w stronę umbry, które to jony opadają w stronę niższego woltażu.

P { margin-bottom: 0.21cm; }A:link { }

Rys. 4. Elektryczna energia potencjalna jonu dodatniego w funkcji dystansu od powierzchni anody słonecznej.

Uwaga: to nie jest boczny widok na granulę. Jest to po prostu wykres napięcia mierzonego w linii prostej od powierzchni Słońca w górę, w stronę niższej korony. Jeśli droga wiedzie przez granulę, ma miejsce czarna linia. Gdy droga biegnie przez umbrę plamy słonecznej, właściwa jest linia przerywana.

Niedawne wideo poklatkowe przedstawiające ten proces znajduje się na YT jako poklatkowy obraz penumbralnych frędzli. To wideo pokazuje kaskadę jonów dodatnich spływających we frędzlach. Część jonów opadających z góry na umbrę, może ulec przyciąganiu ciągle niższego woltażu korony, V₀, i dołączyć do strumienia pionowego, idącego od Słońca (przerywana, czerwona linia na rys. 4). To obserwowane zjawisko jest całkowicie zgodne z modelem elektrycznym, opisywanym na tej stronie i wszędzie indziej.

Ruch ładunków (jonów dodatnich), opadających ze szczytu granuli ku umbrze oznacza silny prąd elektryczny wewnątrz fotosferycznej plazmy. Prądy takie są zwane prądami Birkelanda. One się skręcają! One również drążą, gdyż jest to dobrze znany mechanizm, zwany konwekcją Marklunda. Obie te cechy widać na rys. 5. Normalne granule fotosferyczne, które są ciasno upakowane, przenoszą prąd o relatywnie dużej gęstości. Posiadają wysoką temperaturę trybu łukowego (patrz rys. 2). Gdy ładunki w pobliżu krawędzi umbry (o woltażu V₂) podnoszą się i opadają z powrotem, ku niższemu woltażowi umbry, V₁, są mniej ograniczone niż wewnątrz granuli, rozprężają się więc prąd o mniejszej gęstości. Na rys. 2 wyraźnie widać, że wykres prądowo napięciowy plazmy dla tego zakresu, pomiędzy punktami i i j, ma ujemna krzywiznę. Poruszające się w plazmie ładunki mają wolną rękę w poruszaniu się naokoło i minimalizują wszelkie działające na nie siły. Mogą to robić (obniżać doświadczanego pola E) poprzez poruszanie się w prawo na rys. 2 (od punktu i przez punkt j), zmniejszając zajmowany przekrój - tworzą frędzle. Oto przyczyna penumbralnych frędzli. Frędzle na rysunku 5 zdają się urywać. Najprawdopodobniej jednak nie kończą się one tam, gdzie zdają się kończyć. Prąd, który niosą, nie może być niedokończony. Frędzle zajmują coraz więcej miejsca, przez co obniża się gęstość ich prądu. To powoduje przejście ich w tryb żarzenia, jak to widać na rys. 2. Tryb żarzenia promieniuje znacznie mniej, niż tryb łukowy, zwłaszcza w porównaniu z z komórkami trybu łukowego, więc przepływ jonów staje się dla nas niewidoczny.

P { margin-bottom: 0.21cm; }A:link { }

Rys. 5. (Duży) Penumbra - prądy Birkelanda podążające za spadkiem napięcia z fotosfery ku umbrze.

(Mały) Skręcenie prądów Birkelanda dobrze widoczne w powiększeniu w penumbralnych frędzlach.

Z tego samego powodu słoneczna korona jest trudna do zaobserwowania z wyjątkiem zaćmień i obrazów w paśmie X, jak to widać po prawej na pierwszym rysunku oraz na rys. 6. Jaśniejsze miejsca korony oznaczają gorętsze, bardziej energetyczne obszary, występują one najczęściej nad plamami. Na przykład, trzy obrazy grupy plam pokazane poniżej, prezentują aktywność wraz z rosnącą wysokością:

Pierwszy obraz to fotosfera w świetle widzialnym, gdzie możemy zobaczyć umbrę jako ciemny region relatywnie chłodnej powierzchni Słońca. Jony wylewają się z nich dyfuzyjnie w górę.
Drugi obraz zrobiony w ultrafiolecie pokazuje chromosferę i strefę przejsciową.
Trzeci obraz pokazuje promienie X i gwałtowną aktywność w dolnej koronie. Aktywność ta jest spowodowana niekontrolowanym wypływem przyśpieszających jonów dodatnich uciekających ze Słońca przez plamy i zderzającymi się z atomami wyższej atmosfery (niższej korony). W rezultacie korona jest w pełni zjonizowaną plazmą.