A napszélben először észlelt jelenség segíthet megoldani egy régóta fennálló rejtélyt a Napról: miért van az, hogy a Nap légköre több millió fokkal melegebb, mint a felszín.

A Föld körül keringő Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) és az Atmospheric Imaging Assembly (AIA) műholdak felvételei bizonyítékot mutatnak arra, hogy az alacsonyan fekvő mágneses hurkokat több millió Kelvin-fokra hevítik.

A kutatók azt állítják, hogy a nehezebb ionok, például a szilícium, mind a napszélben, mind a Nap kromoszférája és koronája közötti átmeneti régióban előszeretettel melegednek fel.

Ezekben a mágnesezett plazma hurkai folyamatosan íveltek, nem úgy, mint a korona feletti rokonaik. Ezek sokkal kisebbek és nehezen elemezhetőek, de régóta úgy gondolják, hogy a mágneses meghajtású mechanizmusnak adnak otthont, amely nanólángok formájában energiakitöréseket szabadít fel.

A Rice Egyetem napfizikusa, Stephen Bradshaw és kollégái azok közé tartoztak, akik ezt gyanították, de az IRIS előtt egyikük sem rendelkezett elegendő bizonyítékkal.

A magasan repülő spektrométert kifejezetten az átmeneti régió megfigyelésére építették. A Nature Astronomy című folyóiratban megjelent tanulmányban a kutatók olyan “fényesedéseket” írnak le az újrakapcsolódó hurkokban, amelyek az oxigén és különösen a nehezebb szilíciumionok erős spektrális jeleit tartalmazzák.

A Bradshaw, korábbi tanítványa és vezető szerzője, Shah Mohammad Bahauddin, aki jelenleg a Colorado Boulder Egyetem Légkör- és Űrfizikai Laboratóriumának kutató tanára, valamint Amy Winebarger, a NASA asztrofizikusa olyan IRIS-felvételeket tanulmányozott, amelyek képesek felbontani ezen átmeneti régió hurkainak részleteit és kimutatni a szuperforró plazma zugait. A képek lehetővé teszik számukra, hogy elemezzék az ionok mozgását és hőmérsékletét a hurkokon belül az általuk kibocsátott fényen keresztül, amely spektrális vonalak formájában olvasható, és kémiai “ujjlenyomatként” szolgál.”

“Az emissziós vonalakban van az egész fizika lenyomata” – mondja Bradshaw, a fizika és csillagászat docense. “Az elképzelés az volt, hogy megtudjuk, hogyan melegednek ezek az apró struktúrák, és reméljük, hogy mondhatunk valamit arról, hogyan melegszik maga a korona. Ez egy mindenütt jelenlévő mechanizmus lehet, amely az egész naplégkörben működik.”

A felvételek a forró pontok spektrumát mutatják, ahol a vonalakat a termikus és Doppler-effektusok kiszélesítették, ami nemcsak a nanoflerekben részt vevő elemeket, hanem azok hőmérsékletét és sebességét is jelzi.

A forró pontoknál szilíciumionokat tartalmazó, újrakapcsolódó jeteket találtak, amelyek a megfigyelő (IRIS) felé (kékeltolódással) és tőle (vöröseltolódással) akár 100 kilométer per másodperc sebességgel mozogtak. A könnyebb oxigénionok esetében nem észleltek Doppler-eltolódást.

A kutatók a mechanizmus két összetevőjét vizsgálták: hogyan kerül ki az energia a mágneses mezőből, majd hogyan melegíti fel ténylegesen a plazmát.

Az átmeneti régió csak körülbelül 10 000 Fahrenheit fokos, de a napfelszínen a konvekció hatással van a hurkokra, csavarja és fonja az őket alkotó vékony mágneses szálakat, és energiát ad a mágneses mezőkhöz, amelyek végül felmelegítik a plazmát, mondja Bradshaw. “Az IRIS megfigyelések megmutatták, hogy ez a folyamat zajlik, és eléggé biztosak vagyunk benne, hogy legalább az első részre az egyik válasz a mágneses visszacsatlakozás, amelynek a jetek az egyik legfontosabb jele” – mondja.

A folyamat során a plazmaszálak mágneses mezői megszakadnak és a fonási helyeken alacsonyabb energiájú állapotokba kapcsolódnak vissza, felszabadítva a tárolt mágneses energiát. Ahol ez megtörténik, ott a plazma túlhevül.

De hogy a felszabaduló mágneses energia hogyan melegíti a plazmát, az eddig rejtély maradt. “Megnéztük ezekben a kis hurokszerkezetekben azokat a régiókat, ahol az összekapcsolódás zajlik, és megmértük az ionok, főként a szilícium és az oxigén emissziós vonalait” – mondja. “Azt találtuk, hogy a szilíciumionok spektrumvonalai sokkal szélesebbek, mint az oxigéné.”

Ez a szilíciumionok preferenciális fűtésére utalt. “Ezt meg kellett magyaráznunk” – mondja Bradshaw. “Megnéztük és átgondoltuk, és kiderült, hogy van egy kinetikus folyamat, az úgynevezett ionciklotron-fűtés, amely előnyben részesíti a nehéz ionok fűtését a könnyebbekkel szemben.”

Azt mondja, hogy az ionciklotron-hullámok a visszacsatolási helyeken keletkeznek. A nehezebb ionok által hordozott hullámok jobban ki vannak téve egy instabilitásnak, ami miatt a hullámok “megtörnek” és turbulenciát generálnak, ami szétszórja és energetizálja az ionokat. Ez kiszélesíti a spektrális vonalaikat azon túl, ami csak a plazma helyi hőmérséklete alapján várható lenne. A könnyebb ionok esetében előfordulhat, hogy nem marad elég energia a felmelegítésükhöz. “Ellenkező esetben nem lépik túl az instabilitás kiváltásához szükséges kritikus sebességet, ami a könnyebb ionok esetében gyorsabb” – mondja.”

“A napszélben a nehezebb ionok jelentősen forróbbak, mint a könnyebb ionok” – mondja Bradshaw. “Ezt már határozottan megmérték. A mi tanulmányunk mutatja meg először, hogy ez az átmeneti régió tulajdonsága is, és ezért az általunk azonosított mechanizmus miatt az egész légkörben fennállhat, beleértve a napkorona felmelegedését is, különösen mivel a napszél a korona bolygóközi térbe való kiterjedésének megnyilvánulása.”

A következő kérdés, mondja Bahauddin, hogy vajon az ilyen jelenségek azonos ütemben történnek-e az egész Napban. “Valószínűleg a válasz nem” – mondja. “Akkor a kérdés az, hogy mennyire járulnak hozzá a koronális felmelegedés problémájához. Tudnak-e elegendő energiát szolgáltatni a felső légkörnek ahhoz, hogy az fenn tudja tartani a több millió fokos koronát?”

“Amit az átmeneti régióra vonatkozóan mutattunk, az a kirakós játék egy fontos darabjának megoldása volt, de a nagy képhez még több darabnak kell a megfelelő helyre esnie” – mondja Bahauddin. “Hiszem, hogy az IRIS a közeljövőben a kromoszférikus darabokról is tud majd mondani valamit. Ez segíteni fog abban, hogy egységes és globális elméletet alkossunk a Nap légköréről.”