Kóróna sólar

Kórónuna er því aðeins hægt að sjá þegar ljós frá ljóshvolfinu berst ekki til okkar, annað hvort við sólmyrkva eða með svonefndri kórónusjá sem eru sérstakir sjónaukar þar sem skífu er komið fyrir þannig að hún hylji ljóshvolfið (nokkurs konar gervisólmyrkvi).

Myndin hér fyir neðan sýnir kórónu sólar við tvo sólmyrkva. Eins og sjá má er kórónan ekki einsleit gasskel sem umlykur sólina, heldur miklu fremur straumar sem streyma frá sólinni í mismunandi áttir, svokallaðir sólvængir eða sólveifur (coronal streamer). Lögun þessara strauma er breytileg milli daga. Þegar virkni sólar er í lágmarki er kórónan meira eða minna bundin við miðbaugssvæðin. Þegar sólin er virkari er kórónan jafndreifðari yfir alla sólina, en greinilegust við virk sólblettasvæði.

Eðliseinkenni

Kórónan hefur svonefnt ljómlitróf líkt og lithvolfið sem einkennir heitt en þunnt gas. Sterkasta litrófslína kórónunnar er græn mð 530,3 nm öldulengd, en einnig eru gulu (560,4 nm öldulengd) og rauðu (637,4 nm öldulengd) línurnar áberandi. Þegar stjörnufræðingar rannsökuðu litróf kórónunnar við sólmyrkva þann 7. ágúst 1869, sem sást í miðríkjum Bandaríkjanna, fundu menn fjölda litrófslína með öldulengdum sem aldrei höfðu sést áður í tilraunastofum. Stjörnufræðingar töldu þessar litrófslínur stafa af óþekktum frumefnum sem þeir nefndur kóróníum. Aftur á móti fundist engin frekari sönnunargögn sem renndi stoðum undir þessa tilgátu. Því varð þetta ein mesta ráðgáta í sólarrannsóknum í yfir 70 ár. Ráðgáta leystist loks skömmu eftir 1930 þegar sænski stjarneðlisfræðingur Bengt Edlén (1906-1993) sýndi fram á með tilraunum, að óvenjulegu litrófslínurnar mátti rekja til algengra en mjög jónaðra atóma. Edlén sýndi fram á að græna litrófslínan var af völdum mjög jónaðra járnatóma sem misst hafa 13 af 26 rafeindum sínum. Slík atóm eða öllu heldur slíkar jónir eru venjulega táknuð Fe¹³⁺.

Tilvist jóna í sólinni kemur engum á óvart þar sem flest atóm jónast að einhverju leyti við þetta hátt hitastig. Hins vegar kom mönnum talsvert á óvart að finna jónuð járnatóm í kórónunni því til þess að járn missi helming af rafeindunum sínum þarf hitastigið í kórónunni að vera 2.000.000°C eða hærra. Myndin hér fyrir neðan sýnir hvernig hitastig lithvolfsins og kórónunnar breytist með hæð.

Athugaðu að kórónan sjálf er í sjálfu sér ekkert sérstaklega heit, það er að segja, hún inniheldur fremur litla varmaorku. Ástæðan er sú að kórónan er því sem næst tómarúm. Í henni eru aðeins 10¹¹ atóm á rúmmetra, samanborið við 10²⁵ atóm á rúmmetra í loftinu sem þú ert að anda að þér þessa stundina. Hátt hitastig kórónunnar er af völdum þess atómin í henni eru á mikilli hreyfingu (atóm á lítilli hreyfingu eru köld) en þar sem atómin eru svo óskaplega fá er heildaorkan fremur lítil. Ef þú værir geimfari í geimgönu innan í kórónunni þyrftir þú að hafa miklu meiri áhyggjur af ofhitnun frá ljóshvolfinu en þú tækir vart eftir nokkur hitun frá kórónunni.

Líkja má þessum aðstæðum við 200°C heitan bakaraofn. Bæði veggir ofnsins og loftið innan í honum eru við sama hitastig en loftið inniheldur færri atóm en veggirnir og bera þar af leiðandi litla orku. Ef þú setur höndina inn í ofnin í skamma stund kemur lungi þess hita (varma) sem þú finnur fyrir frá hitageislun veggja ofnsins.

Lágur þéttleiki kórónunnar útskýrir hvers vegna hún er svona dauf í samanburði við ljóshvolfið. Venjulega á það við að því heitara sem gas er, því bjartara glóir það, en þar sem kórónan inniheldur svo fá atóm er heildarmagn þess ljóss sem frá hennir berst mjög lítið í samanburði við ljósið frá ljóshvolfinu sem þó er mun kaldara en miklu þéttara.

Sólvindurinn

Þyngdartog jarðar kemur í veg fyrir að lofthjúpur jarðar streymi út í geiminn. Á sama hátt heldur þyngdartog sólar í gasið í ljóshvolfinu, lithvolfinu og kórónunni. Hátt hitastig kórónunnar þýðir hins vegar að atómin og jónirnar innan hennar eru á miklum hraða eða í kringum milljón km á klukkustund. Afleiðing þess er sú að einhver hluti kórónugassins streymir út í geiminn. Þetta gasflæði kallast sólvindur (solar wind).

Á hverri sekúndu þeytir sólin frá sér milljón tonnum af efni í sólvindinum. Sólin er aftur á móti svo stór að hún þeytir aðeins fáeinum prósentubrotum af heildarmssa sínum frá sér á þennan hátt. Sólvindurinn er að mestu leyti úr rafeindum og róteindum (vetnis- og helíumkjörnum) eða svonefndu rafgasi (plasma). Um 0,1% af sólvindinum eru jónir massameiri atóma á borð við kísil, brennistein, kalk, króm, nikkel, járn og argon. Þegar sólvindurinn streymir í átt til jarðar, rekast raf- og róteindirnar á efri hluta lofthjúps jarðar og þá sjáum við norðurljós.

Sérstakir sólarsjónaukar gera stjörnufræðingum kleift að sjá uppruna sólvindsins. Til þess að átta okkur á um hvers konar sjónauka er að ræða er gott að vita að jónir hreyfast mjög hratt í kórónunni vegna hás hitastigs. Þegar jónirnar rekast á hver aðra er áreksturinn svo orkuríkur að rafeindir stökkva upp um orkustig. Þegar rafeindirnar falla aftur niður um orkustig gefa þær frá sér orkuríka útfjólubláa og röntgengeislun (öldulengdum sem ljóshvolfið og lithvolfið eru fremur dauf í). Þar af leiðandi verða sólarsjónaukarnir að vera næmir fyrir ljósi á þessum stuttu öldulengdum til þess að henta í rannsóknir á sólkórónunni og sólvindinum.

Lofthjúpur jarðar hleypir ekki útfjólubláu ljósi og röntgengeislun í gegn svo auðveldlega. Því verður að koma þessum sjónaukum fyrir í gervitunglum á borð við SOHO sem starir stöðugt á sólina og sýnir okkur nánast beina útsendingu frá henni. Á myndum SOHO geimfarsins sést að kórónan er hvorki einsleit í hita né þéttleika. Þéttustu og heitustu svæðin eru björt á að líta en þunnu og svalari svæðin eru dökkleitari. Stærstu dökku svæðin kallast kórónugeilar (coronal holes) og eru nokkur konar göt í kórónunni eins og heitið ber með sér. Agnir streyma fremur auðveldlega í gegnum þessi þunnu svæði út í geiminn. Þar af leiðandi telja menn að kórónugeilar séu meginútgangur sólvindsins frá sólinni. Streymi gas út úr kórónugeil í átt til jarðar megum við eiga vona á fallegri norðurljósasýningu.

Sönnunargögn sem styðja þetta líkan hafa komið frá Ódysseifs geimfari bandarísku og evrópsku geimstofnananna. Árin 1994 og 1995 varð Ódysseifur fyrsta geimfarið til að fljúga yfir pólsvæði sólar, þaðan sem stöðugar kórónugeilar virðast vera til staðar. Geimfarið mældi sterkari sólvind frá þessum geilum.

Ein af niðurstöðum Ódysseifs kom stjörnufræðingum aftur á móti talsvert á óvart. Þegar Ódysseifur flaug yfir pólsvæðin, í ríflega 300 milljón km fjarlægð, kom í ljós kom að suðurpóll sólar er, af einhverjum ástæðum, kaldari en norðurpóllinn svo nemur um 80.000°C. Stjörnufræðingar geta enn ekki útskýrt þennan hitamun en telja hugsanlega að uppbygging pólsvæða sólarinnar sé á einhvern hátt ólík. Frekari rannsókna er þörf til að varpa ljósi á þessa ráðgátu.

Kórónulykkjur

Kórónulykkjur (coronal loops) eru ein einkenna kórónu sólar og finnast oftast á virkum svæðum í kringum sólbletti. Lykkjurnar myndast þegar snúist hefur upp á segulsviðið. Því er hægt að tengja myndun þeirra beint við ellefu ára sólblettasveifluna. Segulflæðið streymir upp á við í gegnum ljóshvolfið þar sem það leiðir í ljós kaldara gas fyrir neðan. Hitastigsmunurinn birtist okkur sem dökkleit svæði eða svonefndir sólblettir. Lykkjurnar sjálfar fyllast af glóandi gasi sem hitnar frá 5600°C við ljóshvolfið í yfir 1.000.000°C í kórónunni.

Kórónulykkjur sýna okkur berlega hvar virkustu svæði sólar eru. Þar sem sterkara segulsvið er til staðar í þeim en náliggjandi og óvirkari svæðum, eru kórónulykkjur oft á tíðum undanfari sólblossa og kórónuskvetta. Kórónulykkjur geta enst í daga eða vikur en flestar breytast fremur hratt.

Kórónulykkjur tengjast einnig myndun sólbendla og sólstróka. Þegar efnismassi hleðst upp innan kórónulykkjanna getur gasið kólnað og myndað dökkleita sólbendla á skífu sólar eða sólstróka út fyrir röndina.

Í kórónulykkjum geta svonefndir nanóblossar (nano flares) átt sér stað. Þegar nanóblossar verða losnar orka við hröðun agna sem veldur því að hitinn í kórónunni helst nokkuð stöðugur yfir 1.000.000°C. Þótt þessir blossar séu kallaðir nanóblossar eru þeir gríðarlega öflugir á okkar mælikvarða en dvergvaxnir í samanburði við hefðbundna sólblossa. Þannig losa nanóblossar 10¹⁷ til 10¹⁹ júl af orku í vetvangi sem samsvarar milli 1600 til 160.000 Hiroshima kjarnorkusprengjum. Til samanburðar losnar 6 x 10²⁵júl af orku í sólblossa sem samsvarar meira en 100 milljörðum kjarnorkusprengja.

Kórónulykkjur hafa þar af leiðandi reynst stjörnufræðingum afar mikilvægar til að skilja hvers vegna kórónan er svona heit. Gasið í kórónulykkjum er afar heitt og sjást þar af leiðandi fremur auðveldlega með gervitunglum á borð við TRACE.

Kórónuskvettur

Kórónuskvetta (e. Coronal mass ejections) eða kórónugos er, líkt og heitið bendir til, útkast efnis úr kórónu sólar - gríðarstórar gasbólur sem springa út frá kórónunni. Efnið sem þeytist út í geiminn er mestmegnis rafgas (plasma) úr rafeindum og róteindum en inniheldur einnig þyngri efni á borð við helíum, súrefni og járn í minna magni. Kórónuskvetta getur innihaldið allt að tíu milljarða tonna af efni og ef það stefnir í átt til jarðar, verða til miklir segulstormar (e. geomagnetic storms) með tilheyrandi norðurljósasýningu. Kórónuskvettur ferðast venjulega á milli 500 til 1500 km hraða á sekúndu og er efnið því tvo til þrjá daga að ferðast 150 milljón km vegalengd milli jarðar og sólar.

Hvers vegna er kórónan svona heit?

Hitastigið í kórónunni og lithvolfinu er ekki alveg eins og við mætti búast. Rétt eins og þú finnur minni varma af völdum arinelds ef þú fjarlægist hann, myndi maður búast við því að hitastigið í lithvolfinu og kórónunni myndi minnka með aukinni hæð og þar af leiðandi aukinni fjarlægð frá ljóshvolfi sólar. Samt er kórónan ríflega 200 sinnum heitari en ljóshvolfið. Hvers vegna eykst hitastigið í þessum lögum með aukinni hæð? Þetta hefur verið ein mesta óráðna gáta stjörnufræðinnar í meira en hálfa öld og er enn óleyst.

Hægt er að líkja þessu vandamáli við ljósaperu, þar sem loftið í kringum hana væri heitara en glerið í sjálfri perunni. Hátt hitastig kórónunnar krefst þess að orka berist úr innviðum sólar í kórónuna á einhvern annan hátt en með hefðbundnu varmaferli. Annað lögmál varmafræðinnar kemur nefnilega í veg fyrir að orka berist beint úr ljóshvolfi sólar, þar sem hitstigið er um 5600°C, upp í kórónuna þar sem hitastigið fer yfir 1.000.000°C.

Margar tilgátur hafa verið settar fram um hitun kórónunnar og af þeim þykja tvær líklegasta, annars vegar svonefnd ölduhitun (wave heating) og hins vegar segultenging (magnetic reconnecton) og nanóblossar. Samkvæmt ölduhitunarkenningunni bera bylgjur orku úr innviðum sólar upp í lithvolfið og kórónuna. Sólin er úr rafgasi sem er fært um að bera bylgjur á svipaðan hátt og hljóðbylgjur berast með lofti. Bylgjurnar berast upp á við af völdum sólýra og ýruklasa frá ljóshvolfinu upp í lofthjúp sólarinnar, þar sem þær breytast í höggbylgjur og orkan losnar í formi hita.

Kenningin um segultengingu krefst þess að segulsvið sólar geti komið af stað rafstraumum í kórónunni. Þegar straumarnir falla skyndilega losnar orka sem hiti og bylgjur í kórónunni. Þetta ferli er kallað endurtenging vegna þess hve sérkennilega segulsviðið hegðar sér í rafgasi. Segultengingunni er viðhaldið af rafstraumum sem verða til í rafgasinu. Við ákveðnar aðstæður geta rafstraumarnir fallið saman og gert segulsviðinu kleift að tengjast á nýjan leik við aðra segulpóla og í leiðinni losað orku í formi hita. Áðurnefndir nanóblossar eru taldir myndast á þennan hátt sem og sólblossar.

Stjörnufræðingar telja líklegast að bæði þessi ferli útskýri hitun kórónunnar að miklu leyti, þótt enn sé það ekki vitað fyrir víst. NASA vonast til að auka skilning vísindamanna á kórónunni með því að senda á loft Solar Probe+ geimfarinu árið 2015.

Heimildir:

1. Ian O'Neill. Warm Coronal Loops May Hold the Key to Hot Solar Atmosphere. Universe Today. Sótt 19.08.08.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2010). Sólin. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/solkerfid/solin/korona-solar (sótt: DAGSETNING).