"Атмосфера Солнца" - так называемая солнечная корона - невероятно горячая. Её температура превышает миллион градусов! Но при этом в ней существуют солнечные протуберанцы. Это гигантские облака плазмы с температурой всего около 10 000 градусов. Они могут простираться на десятки и сотни тысяч километров и внешне напоминают языки пламени причудливой формы. А их плотность более чем в сто раз превышает плотность окружающей короны. Возникает вопрос: почему они не падают? Новое исследование учёных из Института исследований Солнечной системы имени Макса Планка (MPS) как раз и посвящено этой теме.
Протуберанцы напоминают огромные горы, зависшие в гораздо более разреженном пространстве. Они способны сохранять устойчивость неделями и даже месяцами, но всё может измениться буквально за считанные минуты. Иногда протуберанцы исчезают постепенно, а иногда происходит мощный выброс их вещества в межпланетное пространство. В таких случаях в космос вылетают потоки заряженных частиц, которые, достигнув Земли, могут вызвать сильные магнитные бури и повлиять на работу спутников, энергосистем и связи. Понимание того, как формируются и поддерживаются эти структуры, имеет важное значение для прогнозирования космической погоды и её влияния на инфраструктуру.
В новом исследовании учёные провели сложные компьютерные расчёты, в которых учитывалось взаимодействие плазмы и магнитных полей. Важное отличие этой работы от предыдущих состоит в том, что исследователи включили в модели не только внешнюю атмосферу Солнца, где наблюдаются протуберанцы, но и более глубокие слои звезды. Именно там, под видимой поверхностью, турбулентные потоки плазмы формируют сложное и постоянно меняющееся магнитное поле, распространяющееся вплоть до короны.
Магнитное поле играет ключевую роль в формировании протуберанцев. В типичном случае его линии образуют в короне структуру в виде двойной дуги, напоминающей два горба верблюда или две соседние горы в горном хребте. Между ними возникает "впадина", в которой и удерживается холодная плазма. Но одного магнитного удержания недостаточно. Важно также понять, откуда в этой "впадине" берётся вещество и почему оно не исчезает.
Не менее важную роль играет температурный градиент солнечной атмосферы. Нижняя солнечная атмосфера, так называемая хромосфера, разогрета до 20 000 градусов. Это значительно холоднее короны, но температура нижележащей поверхности Солнца составляет всего около 6000 градусов.
Моделирование показало, что процесс рождения протуберанца начинается с выбросов вещества из более холодного слоя атмосферы - хромосферы. Там из-за мелкомасштабных движений магнитного поля порции холодной плазмы выбрасываются вверх. Эта плазма попадает в магнитную "ловушку" и остаётся в короне.
Далее включается сложный баланс процессов. Часть вещества "выпадает" обратно в более глубокие слои Солнца. Однако потери компенсируются двумя механизмами. Во-первых, из хромосферы продолжают поступать новые порции холодной плазмы. Во-вторых, часть горячего вещества из короны движется вдоль магнитных линий в ту же область, где охлаждается и конденсируется. В результате протуберанец поддерживается за счёт постоянного обмена вещества.
Именно это сочетание процессов притока и утечек обеспечивает устойчивость этих плотных и холодных структур. Ранее модели, учитывали только верхние слои атмосферы, и могли описать лишь часть картины, в основном процессы конденсации в короне. Новая работа показывает, что без учёта более глубоких слоёв Солнца невозможно понять, как именно формируются и живут протуберанцы.
Эти результаты не только закрывают важный пробел в понимании физики Солнца, но и приближают учёных к более точным прогнозам солнечной активности. А значит, в будущем помогут лучше защищать технологическую инфраструктуру Земли от последствий мощных солнечных выбросов.