Novinky

Nejlepší vědecké výsledky za rok 2013: Analýza protonového ohřevu ve slunečním větru

Naše Slunce nemá statickou atmosféru, ale neustále vypouští proud nabitých částic (hlavně protonů a elektronů). Ve vzdálenosti jedné astronomické jednotky (1 AU) od Slunce (tj. na úrovni zemského orbitu) tento proud, nazvaný sluneční vítr, má několik částic na kubický cm a rychlost několik stovek km/s. Sluneční vítr má mnoho nevysvětlených vlastností. Rozlišujeme dva základní typy slunečního větru; rychlejší a řidší (nazývaný rychlý) a pomalejší a hustší (nazývaný pomalý) sluneční vítr (tyto dva typy větru se liší dalšími parametry, například protony jsou teplejší v rychlém slunečním větru ve srovnání s pomalým větrem, zatímco u elektronů je tomu naopak). Často je sluneční vítr výrazně teplejší a rychlejší než předpovídají teoretické modely. Sluneční vítr si také s sebou nese magnetické pole, které do systému přináší preferovaný směr; nabité částice se chovají (pohybují) jinak podél a napříč vůči směru magnetického pole. Proto mají elektrony a protony ve slunečním větru typicky rozdílné teploty podél a kolmo na magnetické pole. Radiální vývoj těchto dvou teplot (zvaných paralelní/podélná a kolmá teplota) při pohybu slunečního větru od Slunce je také rozdílný. Studovali jsme relativně stará data naměřena dvojicí družic Helios (společný program Německé spolkové republiky a Americké kosmické agentury NASA), které na konci 70. a začátkem 80. let měřily vlastnosti slunečního větru mezi 0,3 AU (orbit planety Merkur) a 1 AU. Přezkoumali jsme protonová data z těchto dvou družic a analyzovali jsme protonovou energetickou bilanci.

Ukázalo se, že protony jsou ohřívány v kolmém směru, ale podél magnetického pole jsou ochlazovány (ale jen do cca 0,6 AU); celkově jsou však protony ohřívány celou dobu a jejich ohřev/ochlazování je podobné v rychlém i pomalém slunečním větru (alespoň co se týče ohřevu na jednotku objemu). Možným zdrojem energie pro celkový protonový ohřev je silná turbulence pozorovaná ve slunečním větru. Odhady energie, které může tato turbulence přenášet na částice ve slunečním větru a ohřívat je, opravdu dávají hodnoty srovnatelné s pozorovaným protonovým ohřevem na 1 AU; nicméně jsme také ukázali, že metody používané na odhad turbulentního ohřevu jsou problematické a potřebují přehodnotit. Fyzikální procesy, které způsobují podélné ochlazovaní protonů, nejsou přesně určeny; pomocí numerických simulací jsme však ukázali, že přebytek energie (teploty) v podélném směru může vést ke generování elektromagnetických vln, které přeměňují část podélné teploty na teplotu kolmou, což může vysvětlit podélné ochlazování a (část) kolmého ohřevu protonů. Radiální závislost protonových podélných a kolmých teplot a ohřevových funkcí
získaných přezkoumáním dat z družic Helios jsou důležité pro určení fyzikálních procesů ve slunečním větru, ale také pro přípravu nových družicových misí ‘Solar Orbiter’ Evropské kosmické agentury ESA a ‘Solar Probe +’ agentury NASA, které budou měřit sluneční vítr detailněji a blíže ke Slunci jako součást poznávání našeho nejbližšího, přímo měřitelného vesmíru.

Vrchní panel ukazuje podélný protonový ohřev resp. ochlazování Qp, střední panel ukazuje kolmý ohřev Qk a spodní panel ukazuje celkový ohřev Q v závislosti na radiální vzdálenosti od Slunce (R). Černé čáry označují výsledky pro pomalý sluneční vítr, zatímco červené čáry označují rychlý vítr; tečkované čáry ukazují záporné hodnoty ohřevu (tj. ochlazování).

Autoři:

P. Hellinger, P. Trávníček, Š. Štverák, L. Matteini, and M. Velli (2013), Proton thermal energetics in the solar wind: Helios reloaded

Citace článku:

J. Geophys. Res., 118, 1351-1365, doi:10.1002/jgra.50107