โคโรนาของดวงอาทิตย์

โคโรนาของดวงอาทิตย์เป็นชั้นนอกสุดของบรรยากาศของดวงอาทิตย์เป็นบริเวณที่เต็มไปด้วยพลาสมา ที่ค่อนข้างร้อนและเบาบาง ซึ่งมีโครงสร้างโดยสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์
โคโรนาของดวงอาทิตย์อยู่เหนือโฟโตสเฟียร์และโครโมสเฟียร์และแผ่ขยายออกไปจนถึงขอบของชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นจุดที่โคโรนาผสานเข้ากับลมสุริยะ โครโมสเฟียร์และโคโรนาถูกคั่นด้วย บริเวณเปลี่ยนผ่านที่บางและเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วขอบนอกของชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นจุดที่โคโรนาเปลี่ยนไปเป็นลมสุริยะนั้นถูกกำหนดโดยพื้นผิวอัลฟ์เวนซึ่งเป็นขอบเขตที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอรอบดวงอาทิตย์ที่ความสูงประมาณ10 ถึง 20 รัศมีดวงอาทิตย์( 7,000,000 ถึง14,000,000 กิโลเมตร )เหนือโฟโตสเฟียร์
โดยทั่วไปแสงโคโรนาจะถูกบดบังด้วยรังสีจากท้องฟ้าที่กระจายตัวและแสงจ้าจากแผ่นดิสก์ของดวงอาทิตย์ แต่สามารถมองเห็นได้ง่ายด้วยตาเปล่าในระหว่างสุริยุปราคา เต็มดวง หรือด้วยโคโรนากราฟแบบพิเศษ[ 1 ]การวัดสเปกโทรสโกปี บ่งชี้ถึง การแตกตัวเป็นไอออนอย่างรุนแรง ในโคโรนาและอุณหภูมิ พลาสมาเกิน1,000,000 เคลวิน[ 2 ] ซึ่งร้อนกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์มาก
โคโรนาของดวงอาทิตย์เต็มไปด้วยโครงสร้างต่างๆ เช่นโพรมีเนนซ์ ห่วงโคโรนาและสตรีมเมอร์รูปหมวกกันน็อค
ประวัติการสังเกตการณ์

ในปี ค.ศ. 1724 นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส-อิตาลีGiacomo F. Maraldiตระหนักว่ารัศมีที่มองเห็นได้ระหว่างสุริยุปราคาเป็นของดวงอาทิตย์ ไม่ใช่ของดวงจันทร์ [ 3 ] ในปี ค.ศ. 1809 นักดาราศาสตร์ชาวสเปนJosé Joaquín de Ferrerได้บัญญัติศัพท์คำว่า 'โคโรนา' [ 4 ]จากการสังเกตสุริยุปราคาในปี ค.ศ. 1806 ที่ Kinderhook (นิวยอร์ก) ของเขาเอง de Ferrer ยังเสนอว่าโคโรนาเป็นส่วนหนึ่งของดวงอาทิตย์ ไม่ใช่ของดวงจันทร์ นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษNorman Lockyerระบุธาตุแรกที่ไม่รู้จักบนโลกในชั้นโครโมสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ ซึ่งเรียกว่าฮีเลียม (จากภาษากรีกhelios 'ดวงอาทิตย์') นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศสJules Jenssenสังเกตหลังจากเปรียบเทียบการอ่านของเขาระหว่างสุริยุปราคาในปี ค.ศ. 1871 และ 1878 ว่าขนาดและรูปร่างของโคโรนาเปลี่ยนแปลงไปตามวัฏจักรจุดดวงอาทิตย์[ 5 ]ในปี พ.ศ. 2473 เบอร์นาร์ด ลีโอต์ได้ประดิษฐ์"โคโรนากราฟ" (ปัจจุบันเรียกว่า "โคโรนากราฟ") ซึ่งช่วยให้สามารถมองเห็นโคโรนาได้โดยไม่ต้องเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง ในปี พ.ศ. 2495 ยูจีน พาร์คเกอร์นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันเสนอว่าโคโรนาของดวงอาทิตย์อาจได้รับความร้อนจากนาโนแฟลร์ ขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งเป็นการสว่างขนาดเล็กที่คล้ายกับเปลวสุริยะที่จะเกิดขึ้นทั่วพื้นผิวของดวงอาทิตย์
อุณหภูมิสูงของโคโรนาของดวงอาทิตย์ทำให้เกิด ลักษณะ สเปกตรัม ที่ผิดปกติ ซึ่งทำให้บางคนในศตวรรษที่ 19 เสนอว่ามันมีธาตุที่ไม่เคยรู้จักมาก่อนคือ " โคโรเนียม " แต่ลักษณะสเปกตรัมเหล่านี้ได้รับการอธิบายในภายหลังโดยเหล็กที่มีไอออนสูง (Fe-XIV หรือ Fe 13+ ) เบงต์ เอดเลนตามงานของวอลเตอร์ โกรเทรียน ในปี 1939 ได้ระบุเส้นสเปกตรัมของโคโรนาเป็นครั้งแรกในปี 1940 (สังเกตมาตั้งแต่ปี 1869) ว่าเป็นการเปลี่ยนผ่านจากระดับ เมตาเสถียรต่ำของโครงสร้างพื้นฐานของโลหะที่มีไอออนสูง (เส้นสีเขียว Fe-XIV จาก Fe 13+ที่5 303 Åแต่ยังรวมถึงเส้นสีแดง Fe-X จาก Fe 9+ที่6 374 Å ด้วย ) [ 2 ]
ลักษณะทั่วไป

พลังงานที่เกิดจากการหลอมรวมนิวเคลียร์ในแกนกลางของดวงอาทิตย์จะให้ความร้อนแก่ชั้นภายในและชั้นบรรยากาศ ด้าน บนขณะที่ถ่ายเทออกไป อุณหภูมิภายในจะลดลงเมื่อระยะห่างจากแกนกลางเพิ่มขึ้น และต่ำสุดที่ 4400 K ( เคลวิน ) ที่ด้านบนของโฟโตสเฟียร์ซึ่งเป็นชั้นผิวของดวงอาทิตย์ ในชั้นบรรยากาศเหนือโฟโตสเฟียร์ แนวโน้มนี้จะกลับกัน และอุณหภูมิจะเริ่มเพิ่มขึ้นเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น การเพิ่มขึ้นนี้รุนแรงที่สุดที่ด้านบนของโครโมสเฟียร์ ซึ่งอยู่สูงจากโฟโตสเฟียร์ประมาณ1600 กม. ซึ่งมี บริเวณเปลี่ยนผ่าน ที่ไม่สม่ำเสมอ หนาประมาณ 100 กม. ซึ่งอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นจากประมาณ20,000 Kเป็นมากกว่า1,000,000 Kพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของการแตกตัวเป็นไอออนและการลดลงของความหนาแน่น ชั้นที่ร้อนและเบาบางเหนือบริเวณเปลี่ยนผ่านนี้คือโคโรนา ซึ่งเป็นชั้นนอกสุดของบรรยากาศของดวงอาทิตย์[ 6 ] : 360–366 [ 7 ] : 113
โดย ทั่วไปอุณหภูมิในโคโรนาจะอยู่ในช่วง1,000,000ถึง 2,000,000 K แต่ สามารถสูงถึง20,000,000 Kในบางบริเวณที่มีกิจกรรมสูง[ 8 ]พลาสมาโคโรนาที่อุณหภูมิเหล่านี้เกือบจะแตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์และเบาบางมากความ หนาแน่นของอนุภาคอยู่ที่ 10¹⁵ อนุภาคต่อ m³ ที่ ฐานของโคโรนาและโดยทั่วไปจะลดลงอีกเมื่อความสูง เพิ่มขึ้นเนื่องจากการแบ่งชั้นตามแรงโน้มถ่วง ความหนาแน่นเหล่านี้ต่ำมากพอที่การชนกันระหว่างอนุภาคจะเกิดขึ้นได้ยากมาก และพลาสมาแทบจะไม่มีการชนกันเลย[ 7 ] : 98–99 [ 6 ] : 366 [ 9 ]
องค์ประกอบธาตุของโคโรนาไม่สม่ำเสมอและแตกต่างกันไปตามลักษณะโคโรนาที่แตกต่างกัน เมื่อเปรียบเทียบกับองค์ประกอบที่สม่ำเสมอของโฟโตสเฟียร์ที่อยู่ด้านล่าง พลาสมาโคโรนาโดยทั่วไปจะมีธาตุที่มี ศักยภาพการแตกตัวเป็น ไอออนครั้งแรก ต่ำมากเกินไป [ 10 ]
สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์แผ่กระจายไปทั่วโคโรนาและมีอิทธิพลต่อโครงสร้างและพลวัตของพลาสมาโคโรนา อนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็กจะถูกบังคับให้หมุนวนรอบเส้นสนามแม่เหล็กและจะไม่ข้ามเส้นเหล่านั้นเว้นแต่จะกระจัดกระจายจากการชนกับอนุภาคอื่น ผลที่ได้คือ พลาสมาโคโรนาที่แทบจะไม่มีการชนกันจะไหลไปตามสนามโคโรนาเท่านั้น เส้นสนามปิดที่เริ่มต้นและสิ้นสุดในโฟโตสเฟียร์แต่ฉายเข้าไปในโคโรนา เช่นในวงโคโรนาจะกักพลาสมาโคโรนาไว้ ในขณะที่เส้นสนามเปิดที่ไปถึงอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ เช่นในรูโคโรนาจะทำให้พลาสมาโคโรนาหลุดออกไปสู่ลมสุริยะได้[ 6 ] : 371 [ 11 ]
รังสี
รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปล่อยออกมา กระเจิง และดูดซับโดยอนุภาคพลาสมาและฝุ่นในโคโรนา เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ โคโรนาจึงโปร่งใสต่อความยาวคลื่นส่วนใหญ่ และรังสีส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาในโคโรนา โครโมสเฟียร์ และโฟโตสเฟียร์สามารถผ่านไปได้โดยไม่ถูกกระเจิงหรือดูดซับ อย่างไรก็ตาม แสงเพียงเล็กน้อยจากโฟโตสเฟียร์ที่ถูกกระเจิงจะประกอบเป็นส่วนใหญ่ของรังสีทั้งหมดจากโคโรนาในช่วงที่มองเห็นได้แสงที่กระเจิงในโคโรนามักจะถูกแบ่งออกเป็นสององค์ประกอบตามกลไกการกระเจิง[ 6 ] : 366–367 [ 12 ] : 4 [ 13 ] : 68–69 [ 14 ] : 18
- โคโรนาK ( K มาจากkontinuierlichซึ่งแปลว่า "ต่อเนื่อง" ในภาษาเยอรมัน) เกิดจากการกระเจิงแบบทอมสันของแสง จากชั้นโฟโต สเฟียร์ กับ อิเล็กตรอนอิสระในโคโรนาการขยายตัวแบบดอปเปลอร์ ของ เส้นดูดกลืนแสง จากชั้น โฟโตสเฟียร์ที่กระเจิงออกมา ทำให้ เส้นดูด กลืนแสงเหล่านั้นกระจายออกไปอย่างมากจนมองไม่เห็นเส้นดูดกลืนแสงเลย ส่งผลให้สเปกตรัมมีลักษณะเป็นแบบต่อเนื่องโดยไม่มีเส้นดูดกลืนแสง
- F -corona ( F ย่อ มาจากFraunhofer ) เกิดจากการกระเจิงของแสงจากชั้นโฟโตสเฟียร์กับอนุภาคฝุ่นที่อยู่เลยรัศมีดวงอาทิตย์ประมาณหนึ่งเท่าขึ้นไปจากชั้นโฟโตสเฟียร์ อนุภาคฝุ่นเหล่านี้เคลื่อนที่ช้ากว่าอิเล็กตรอนมาก ดังนั้นการขยายตัวแบบดอปเปลอร์จึงน้อยมาก ส่งผลให้เส้นดูดกลืน Fraunhofer ที่สังเกตได้ในสเปกตรัมของชั้นโฟโตสเฟียร์ก็สังเกตได้ในสเปกตรัมของ F-corona ด้วยF-corona ขยายไปถึง มุม ยืดตัว ที่สูงมาก จากดวงอาทิตย์และรวมเข้ากับแสงจักรราศี[ 15 ]
ส่วนประกอบแสงสีขาวของรังสีโคโรนานี้จางมากเมื่อเทียบกับโฟโตสเฟียร์ อัตราส่วนความสว่างสูงสุดระหว่างโฟโตสเฟียร์และโคโรนาเหนือขอบที่มองเห็นได้นั้นอยู่ในระดับ 10 −6และลดลงเหลือ 10 −9ภายในระยะเส้นผ่านศูนย์กลางของดวงอาทิตย์จากขอบ ยิ่งไปกว่านั้นความสว่างของท้องฟ้าอาจมากกว่าความสว่างของโคโรนาถึงสามถึงห้าอันดับ ทำให้ไม่สามารถมองเห็นโคโรนาด้วยตาเปล่าได้หากไม่มีสุริยุปราคาเต็มดวง[ 12 ] : 4
ส่วนเล็ก ๆ ของแสงที่มองเห็นได้ทั้งหมดจากโคโรนามาจากเส้นสเปกตรัมที่ปล่อยออกมาจากไอออนในพลาสมาโคโรนาที่ร้อนและเบาบาง เส้นสเปกตรัมโคโรนาที่ปล่อยออกมาจากทั่วสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้ารวมกันเป็นE-corona ( Eย่อมาจากemission ) ในช่วงที่มองเห็นได้ แสงรวมจาก K- และ F-corona ต่อเนื่องมีมากกว่าแสงจาก E-corona มาก แต่เส้นการปล่อยที่แยกออกมานั้นมีความแรงเมื่อเทียบกับพื้นหลังต่อเนื่องและสามารถสังเกตได้ด้วยตัวกรองแบบแถบแคบ[ 12 ] : 6–7เส้นการปล่อย E-corona จำนวนมากเกิดจากการเปลี่ยนผ่านที่ต้องห้ามจากระดับพลังงานที่ไม่เสถียร[ 6 ] : 368 [ 16 ] : 55
โคโรนายังปล่อยรังสีในช่วงคลื่นวิทยุอินฟราเรดรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีเอ็กซ์อีก ด้วย [ 6 ] : 369 [ 16 ]
โครงสร้าง

การพุ่งขึ้นของสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์จากการทำงานของไดนาโมดวงอาทิตย์ทำให้โครงสร้างของโคโรนาดวงอาทิตย์เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา[ 11 ]โคโรนาไม่ได้กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นผิวของดวงอาทิตย์เสมอไป ในช่วงเวลาที่สงบ โคโรนาจะจำกัดอยู่เฉพาะบริเวณเส้นศูนย์สูตรเป็น ส่วนใหญ่ โดยมีรูโคโรนาปกคลุม บริเวณ ขั้วโลกอย่างไรก็ตาม ในช่วงที่ดวงอาทิตย์มีกิจกรรม โคโรนาจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วบริเวณเส้นศูนย์สูตรและขั้วโลก แม้ว่าจะเด่นชัดที่สุดในบริเวณที่มีกิจกรรมจุดดวง อาทิตย์ วัฏจักรของ ดวง อาทิตย์ กินเวลาประมาณ 11 ปี จากช่วงต่ำสุดของดวงอาทิตย์ หนึ่ง ไปยังช่วงต่ำสุดถัดไป เนื่องจากสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์ถูกบิดงออย่างต่อเนื่องเนื่องจากการหมุนของมวลที่เส้นศูนย์สูตรของดวงอาทิตย์เร็วกว่า ( การหมุนที่แตกต่างกัน ) กิจกรรมจุดดวงอาทิตย์จึงเด่นชัดมากขึ้นในช่วงสูงสุดของดวงอาทิตย์ซึ่งสนามแม่เหล็กบิดงอมากขึ้น เกี่ยวข้องกับจุดดวงอาทิตย์คือห่วงโคโรนาซึ่งเป็นห่วงของฟลักซ์แม่เหล็กที่พุ่งขึ้นจากภายในดวงอาทิตย์ สนามแม่เหล็กผลักโฟโตสเฟียร์ที่ร้อนกว่าออกไป ทำให้พลาสมาที่เย็นกว่าด้านล่างปรากฏออกมา ส่งผลให้เกิดจุดมืดบนดวงอาทิตย์
ภาพเอกซเรย์ความละเอียดสูงของโคโรนาของดวงอาทิตย์ที่ถ่ายโดยSkylabในปี 1973 โดยYohkohในปี 1991–2001 และโดยเครื่องมือบนอวกาศในเวลาต่อมา เผยให้เห็นว่าโครงสร้างของโคโรนามีความหลากหลายและซับซ้อนมาก ทำให้นักดาราศาสตร์จำแนกโซนต่างๆ บนจานโคโรนา[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] นักดาราศาสตร์มักจะแยกแยะหลายภูมิภาค[ 20 ]ดังที่อธิบายไว้ด้านล่าง
ห่วงโคโรนา

ลูปโคโรนาเป็นโครงสร้างพื้นฐานของโคโรนาแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ ลูปเหล่านี้เป็นญาติของฟลักซ์แม่เหล็กแบบปิดของฟลักซ์แม่เหล็กแบบเปิดที่สามารถพบได้ในรูโคโรนาและลมสุริยะ ลูปของฟลักซ์แม่เหล็กพุ่งขึ้นจากดวงอาทิตย์และเต็มไปด้วยพลาสมาสุริยะร้อน[ 21 ]
พลาสมาสุริยะที่หล่อเลี้ยงโครงสร้างเหล่านี้จะถูกทำให้ร้อนจากต่ำกว่า6,000 Kไปจนถึงมากกว่า10⁶ K จากโฟโตสเฟียร์ ผ่านบริเวณเปลี่ยนผ่าน และ เข้าไป ในโคโรนา บ่อยครั้งที่พลาสมาสุริยะจะเติมเต็มลูปเหล่านี้จากจุดหนึ่งและไหลไปยังอีกจุดหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าจุดปลาย ( การไหล แบบไซฟอนเนื่องจากความแตกต่างของความดัน[ 22 ]หรือการไหลแบบไม่สมมาตรเนื่องจากตัวขับเคลื่อนอื่น ๆ)
เมื่อพลาสมาลอยขึ้นจากจุดฐานของห่วงไปยังยอดห่วง ซึ่งมักเกิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการปะทุของเปลวสุริยะขนาดเล็ก จะเรียกว่า การระเหยของชั้นโครโมสเฟียร์ เมื่อพลาสมาเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วและตกลงสู่ชั้นโฟโตสเฟียร์ จะเรียกว่า การควบแน่นของชั้นโครโมสเฟียร์ นอกจากนี้ อาจมี การไหล แบบสมมาตรจากจุดฐานทั้งสองของห่วง ทำให้เกิดการสะสมมวลในโครงสร้างของห่วง พลาสมาอาจเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วในบริเวณนี้ (เนื่องจากความไม่เสถียรทางความร้อน) โดยจะเห็นเส้นใยสีดำชัดเจนบนแผ่นดิสก์ของดวงอาทิตย์หรือบริเวณที่ยื่นออกมาจากขอบดวงอาทิตย์
ห่วงโคโรนาอาจมีอายุขัยเพียงไม่กี่วินาที (ในกรณีของเหตุการณ์เปลวสุริยะ) นาที ชั่วโมง หรือวัน หากมีความสมดุลระหว่างแหล่งพลังงานและตัวดูดซับพลังงานของห่วง ห่วงโคโรนาสามารถคงอยู่ได้เป็นเวลานานและเรียกว่า ห่วงโคโรนาแบบ สภาวะคงที่หรือ แบบ สงบ ( ตัวอย่าง )
ห่วงโคโรนามีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับปัญหาการให้ความร้อนในโคโรนา ในปัจจุบัน ห่วงโคโรนาเป็นแหล่งกำเนิดพลาสมาที่แผ่รังสีสูงมาก จึงสังเกตได้ง่ายด้วยเครื่องมือต่างๆ เช่นTRACEคำอธิบายเกี่ยวกับปัญหาการให้ความร้อนในโคโรนายังคงค้างคาอยู่ เนื่องจากโครงสร้างเหล่านี้ถูกสังเกตจากระยะไกล ซึ่งมีความคลุมเครือหลายประการ (เช่น การมีส่วนร่วมของรังสีตามแนวเส้นสายตา ) จำเป็นต้องมีการวัด ในสถานที่จริงก่อนที่จะสามารถหาคำตอบที่แน่ชัดได้ แต่เนื่องจากอุณหภูมิพลาสมาในโคโรนาสูงมาก การวัด ในสถานที่จริงจึงเป็นไปไม่ได้ในปัจจุบันยานสำรวจสุริยะพาร์เกอร์ ของนาซา เข้าใกล้ดวงอาทิตย์มาก ทำให้สามารถสังเกตการณ์โดยตรงได้มากขึ้น
ภูมิภาคที่มีกิจกรรม
บริเวณที่มีกิจกรรมสูงคือกลุ่มของโครงสร้างรูปห่วงที่เชื่อมต่อจุดที่มีขั้วแม่เหล็กตรงข้ามกันในชั้นโฟโตสเฟียร์ ซึ่งเรียกว่าห่วงโคโรนา โดยทั่วไปแล้วจะกระจายอยู่ในสองโซนกิจกรรม ซึ่งขนานกับเส้นศูนย์สูตรของดวงอาทิตย์ อุณหภูมิเฉลี่ยอยู่ระหว่างสองถึงสี่ล้านเคลวิน ในขณะที่ความหนาแน่นอยู่ระหว่าง 10⁹ ถึง 10¹⁰ อนุภาคต่อลูกบาศก์เซนติเมตร

บริเวณที่มีกิจกรรมเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ทั้งหมดที่เชื่อมโยงโดยตรงกับสนามแม่เหล็ก ซึ่งเกิดขึ้นที่ระดับความสูงต่างๆ เหนือพื้นผิวของดวงอาทิตย์: [ 20 ]จุดดวงอาทิตย์และจุดสว่างเกิดขึ้นในชั้นโฟโตสเฟียร์; สปิคุลเส้นใยHα และ พลาจในชั้นโครโมสเฟียร์; พริมิเนนซ์ในชั้นโครโมสเฟียร์และบริเวณเปลี่ยนผ่าน; และเปลวสุริยะและการปลดปล่อยมวลโคโรนา (CME) เกิดขึ้นในชั้นโคโรนาและชั้นโครโมสเฟียร์ หากเปลวสุริยะมีความรุนแรงมาก ก็สามารถรบกวนชั้นโฟโตสเฟียร์และสร้างคลื่นมอร์ตันได้ ในทางตรงกันข้าม พริมิเนนซ์ที่สงบเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ เย็น และหนาแน่น ซึ่งสังเกตได้ว่าเป็นริบบิ้น Hα สีเข้ม "คล้ายงู" (ปรากฏเหมือนเส้นใย) บนแผ่นดิสก์ของดวงอาทิตย์ อุณหภูมิของพวกมันอยู่ที่ประมาณ5,000 – 8,000 Kดังนั้นจึงมักถูกพิจารณาว่าเป็นลักษณะของชั้นโครโมสเฟียร์
ในปี 2556 ภาพจากเครื่องถ่ายภาพโคโรนาความละเอียดสูงเผยให้เห็น "เส้นใยแม่เหล็ก" ของพลาสมาที่ไม่เคยเห็นมาก่อนภายในชั้นนอกของบริเวณที่มีกิจกรรมเหล่านี้[ 23 ]
สายริบบิ้นติดหมวกกันน็อค
สตรีมเมอร์หมวกเป็นโครงสร้างโคโรนาขนาดใหญ่คล้ายหมวกที่มีปลายแหลมยาว ซึ่งมักจะอยู่เหนือจุดดวงอาทิตย์และบริเวณที่มีกิจกรรม สตรีมเมอร์โคโรนาถือเป็นแหล่งกำเนิดของลมสุริยะช้า[ 24 ]
จุดเด่น
จุดสว่างคือบริเวณที่มีกิจกรรมขนาดเล็กที่พบบนแผ่นดิสก์ของดวงอาทิตย์ จุดสว่างรังสีเอ็กซ์ถูกตรวจพบครั้งแรกเมื่อวันที่ 8 เมษายน พ.ศ. 2512 ระหว่างการบินของจรวด[ 25 ]
สัดส่วนของพื้นผิวดวงอาทิตย์ที่ปกคลุมด้วยจุดสว่างจะแตกต่างกันไปตามวัฏจักรของดวงอาทิตย์ จุดเหล่านี้เกี่ยวข้องกับบริเวณสองขั้วขนาดเล็กของสนามแม่เหล็ก อุณหภูมิเฉลี่ยของจุดเหล่านี้อยู่ระหว่าง 1.1 MK ถึง 3.4 MK การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมักมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงในการปล่อยรังสีเอ็กซ์[ 26 ]
รูโคโรนา
รูโคโรนาเป็นบริเวณขั้วเดียวซึ่งดูมืดในรังสีเอ็กซ์เนื่องจากไม่ได้ปล่อยรังสีออกมามากนัก[ 27 ]บริเวณเหล่านี้เป็นโซนกว้างของดวงอาทิตย์ที่สนามแม่เหล็กเป็นขั้วเดียวและเปิดออกสู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์ ลมสุริยะความเร็วสูงเกิดขึ้นจากบริเวณเหล่านี้เป็นหลัก
ในภาพ UV ของรูโคโรนา มักจะเห็นโครงสร้างขนาดเล็กบางอย่างที่คล้ายกับฟองอากาศยาวๆ ซึ่งลอยอยู่ในลมสุริยะ สิ่งเหล่านี้คือกลุ่มควันโคโรนา หรือพูดให้แม่นยำกว่านั้นคือเป็นลำแสงยาวบางๆ ที่พุ่งออกมาจากขั้วเหนือและขั้วใต้ของดวงอาทิตย์[ 28 ]
ดวงอาทิตย์อันเงียบสงบ
บริเวณดวงอาทิตย์ที่ไม่ใช่ส่วนหนึ่งของบริเวณที่มีกิจกรรมและหลุมโคโรนา มักถูกเรียกว่า ดวงอาทิตย์สงบ
บริเวณเส้นศูนย์สูตรมีอัตราการหมุนเร็วกว่าบริเวณขั้วโลก ผลจากการหมุนที่ไม่เท่ากันของดวงอาทิตย์ทำให้บริเวณที่มีกิจกรรมเกิดขึ้นเป็นสองแถบขนานกับเส้นศูนย์สูตรเสมอ และขอบเขตของแถบเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นในช่วงที่กิจกรรมสูงสุดของวัฏจักรสุริยะ ในขณะที่แถบเหล่านี้แทบจะหายไปในช่วงที่กิจกรรมต่ำสุด ดังนั้น ดวงอาทิตย์ที่สงบจึงมักตรงกับบริเวณเส้นศูนย์สูตร และพื้นผิวของมันจะมีกิจกรรมน้อยลงในช่วงที่กิจกรรมสูงสุดของวัฏจักรสุริยะ เมื่อเข้าใกล้ช่วงที่กิจกรรมต่ำสุดของวัฏจักรสุริยะ (เรียกอีกอย่างว่าวัฏจักรผีเสื้อ) ขอบเขตของดวงอาทิตย์ที่สงบจะเพิ่มขึ้นจนครอบคลุมพื้นผิวทั้งหมดของดวงอาทิตย์ ยกเว้นจุดสว่างบางจุดบนซีกโลกและขั้วโลก ซึ่งเป็นบริเวณที่มีรูโคโรนา
พื้นผิวอัลฟ์เวน
พื้นผิวอัลฟ์เวนเป็นขอบเขตที่แยกโคโรนาออกจากลมสุริยะ โดยกำหนดไว้ที่จุดที่ ความเร็วอัลฟ์เวนของพลาสมาโคโรนาและความเร็วลมสุริยะขนาดใหญ่เท่ากัน[ 29 ] [ 30 ]
นักวิจัยยังไม่แน่ใจว่าพื้นผิววิกฤตอัลฟ์เวนของดวงอาทิตย์อยู่ที่ใดกันแน่ จากภาพถ่ายระยะไกลของโคโรนา คาดว่าน่าจะอยู่ห่างจากพื้นผิวดวงอาทิตย์ประมาณ 10 ถึง 20 รัศมีดวงอาทิตย์ ในวันที่ 28 เมษายน 2564 ระหว่างการบินผ่านดวงอาทิตย์ครั้งที่ 8 ยานสำรวจ Parker Solar Probe ของ NASA ได้พบกับสภาวะสนามแม่เหล็กและอนุภาคที่เฉพาะเจาะจงที่ระยะ 18.8 รัศมีดวงอาทิตย์ ซึ่งบ่งชี้ว่ายานได้ทะลุผ่านพื้นผิวอัลฟ์เวนแล้ว[ 31 ]
ความแปรปรวน
ภาพรวมของปรากฏการณ์โคโรนา ซึ่งมีความหลากหลายดังที่ได้กล่าวไปแล้วนั้น เน้นย้ำด้วยการวิเคราะห์พลวัตของโครงสร้างหลักของโคโรนา ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน การศึกษาความแปรปรวนของโคโรนาในเชิงลึกนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย เนื่องจากเวลาในการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างต่างๆ อาจแตกต่างกันอย่างมาก ตั้งแต่ไม่กี่วินาทีไปจนถึงหลายเดือน ขนาดโดยทั่วไปของบริเวณที่เกิดเหตุการณ์โคโรนาก็แตกต่างกันไปในลักษณะเดียวกัน ดังแสดงในตารางต่อไปนี้
| เหตุการณ์โคโรนา | ช่วงเวลาโดยทั่วไป | มาตราส่วนความยาวทั่วไป (มิลลิเมตร) |
|---|---|---|
| เปลวสุริยะในบริเวณที่มีกิจกรรมสูง | 10 ถึง 10,000 วินาที | 10–100 |
| จุดสว่างในภาพเอ็กซ์เรย์ | นาที | 1–10 |
| การเปลี่ยนแปลงชั่วคราวในโครงสร้างขนาดใหญ่ | จากนาทีถึงชั่วโมง | ~100 |
| การเปลี่ยนแปลงชั่วคราวในส่วนโค้งที่เชื่อมต่อกัน | จากนาทีถึงชั่วโมง | ~100 |
| ดวงอาทิตย์ที่เงียบสงบ | จากไม่กี่ชั่วโมงถึงหลายเดือน | 100–1,000 |
| รูโคโรนา | การหมุนหลายรอบ | 100–1,000 |
เปลวไฟ

เปลวสุริยะเกิดขึ้นในบริเวณที่มีกิจกรรมสูงและมีลักษณะเฉพาะคือการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของฟลักซ์การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากบริเวณเล็กๆ ของโคโรนา เปลวสุริยะเป็นปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนมาก สามารถมองเห็นได้ในความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน เกี่ยวข้องกับหลายโซนของชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์และผลกระทบทางกายภาพหลายอย่าง ทั้งความร้อนและไม่เกี่ยวกับความร้อน และบางครั้งก็มีการเชื่อมต่อใหม่ของเส้นสนามแม่เหล็กในวงกว้างพร้อมกับการขับไล่สสารออกไป
เปลวสุริยะเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลัน โดยเฉลี่ยแล้วจะกินเวลาประมาณ 15 นาที และเหตุการณ์ที่รุนแรงที่สุดอาจกินเวลานานหลายชั่วโมง เปลวสุริยะทำให้ความหนาแน่นและอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและสูงมาก
การปล่อยแสงสีขาวนั้นพบเห็นได้น้อยมาก โดยปกติแล้ว เปลวสุริยะจะมองเห็นได้เฉพาะที่ความยาวคลื่นยูวีสุดขั้วและรังสีเอ็กซ์ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของการปล่อยแสงจากชั้นโครโมสเฟียร์และโคโรนา
ในโคโรนา สัณฐานวิทยาของเปลวสุริยะได้รับการอธิบายโดยการสังเกตในรังสี UV รังสีเอกซ์อ่อนและแข็ง และในความยาวคลื่น Hα และมีความซับซ้อนมาก อย่างไรก็ตาม สามารถแยกโครงสร้างพื้นฐานได้สองประเภท: [ 32 ]
- เปลวสุริยะขนาดกะทัดรัด เกิดขึ้นเมื่อส่วนโค้งทั้งสองที่เกิดเหตุการณ์ยังคงรักษารูปทรงเดิมไว้ โดยสังเกตเห็นเพียงการเพิ่มขึ้นของการปล่อยรังสีโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่สำคัญ พลังงานที่ปล่อยออกมาอยู่ในระดับ 10²² – 10²³ จูล
- เปลวสุริยะที่มีระยะเวลานานเกี่ยวข้องกับการปะทุของปรากฏการณ์โปรมิเนนซ์ การเปลี่ยนแปลงในแสงสีขาว และเปลวสุริยะแบบสองแถบ : [ 33 ]ในกรณีนี้ ลูปแม่เหล็กจะเปลี่ยนการกำหนดค่าระหว่างเหตุการณ์ พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างเปลวสุริยะเหล่านี้มีสัดส่วนมากจนสามารถเข้าถึง 10 25 J ได้

ในส่วนของพลวัตเชิงเวลา โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสามช่วงที่แตกต่างกัน ซึ่งระยะเวลาของแต่ละช่วงนั้นไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้ ระยะเวลาของแต่ละช่วงขึ้นอยู่กับช่วงความยาวคลื่นที่ใช้ในการสังเกตเหตุการณ์:
- ในช่วงเริ่มต้นที่มีการปล่อยพลังงานอย่างฉับพลันซึ่งมีระยะเวลาประมาณไม่กี่นาที มักพบการปล่อยพลังงานที่รุนแรงแม้ในย่านความถี่ไมโครเวฟ รังสี EUV และรังสีเอ็กซ์พลังงานสูง
- เฟสสูงสุด
- ระยะการเสื่อมสภาพซึ่งอาจกินเวลานานหลายชั่วโมง
บางครั้งอาจสังเกตเห็นช่วงก่อนการปะทุได้ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าช่วง "ก่อนการปะทุ"
การพุ่งของมวลโคโรนา
การระเบิดของมวลโคโรนา (CME) มักเกิดขึ้นพร้อมกับเปลวสุริยะขนาดใหญ่และปรากฏการณ์โปรมิเนนซ์ ซึ่งเป็นการปล่อยมวลโคโรนาและสนามแม่เหล็กขนาดมหึมาที่เคลื่อนที่ออกไปจากดวงอาทิตย์ด้วยความเร็วสูงสุดถึง 3,000 กม./วินาที[ 34 ]โดยมีพลังงานประมาณ 10 เท่าของเปลวสุริยะหรือปรากฏการณ์โปรมิเนนซ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกัน CME ขนาดใหญ่บางส่วนสามารถผลักดันมวลหลายร้อยล้านตันเข้าสู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์ด้วยความเร็ว600,000–2,000,000 ไมล์ต่อชั่วโมง (970,000–3,220,000 กม./ชม. ) [ 35 ]
ฟิสิกส์
การนำความร้อน

ในโคโรนาการนำความร้อนเกิดขึ้นจากชั้นบรรยากาศภายนอกที่ร้อนกว่าไปยังชั้นภายในที่เย็นกว่า ตัวการที่ทำให้เกิดการแพร่กระจายความร้อนคืออิเล็กตรอน ซึ่งมีน้ำหนักเบากว่าไอออนมากและเคลื่อนที่ได้เร็วกว่า
เมื่อมีสนามแม่เหล็ก ค่าการนำความร้อนของพลาสมาจะสูงขึ้นในทิศทางที่ขนานกับเส้นสนามมากกว่าในทิศทางตั้งฉาก[ 36 ] อนุภาคที่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่ในทิศทางตั้งฉากกับเส้นสนามแม่เหล็กจะอยู่ภายใต้แรงลอเรนซ์ซึ่งตั้งฉากกับระนาบที่กำหนดโดยความเร็วและสนามแม่เหล็ก แรงนี้จะทำให้เส้นทางของอนุภาคโค้งงอ โดยทั่วไป เนื่องจากอนุภาคยังมีส่วนประกอบของความเร็วตามแนวเส้นสนามแม่เหล็ก แรงลอเรนซ์จึงจำกัดให้อนุภาคโค้งงอและเคลื่อนที่ไปตามเกลียวรอบเส้นสนามที่ความถี่ไซโคลตรอน
หากการชนกันระหว่างอนุภาคเกิดขึ้นบ่อยมาก อนุภาคเหล่านั้นจะกระจัดกระจายไปทุกทิศทาง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นในชั้นโฟโตสเฟียร์ ซึ่งพลาสมาจะนำพาสนามแม่เหล็กไปพร้อมกับการเคลื่อนที่ ในทางตรงกันข้าม ในชั้นโคโรนา ระยะทางเฉลี่ยที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้นั้นอยู่ในระดับกิโลเมตรหรือมากกว่านั้น ดังนั้นอิเล็กตรอนแต่ละตัวจึงสามารถเคลื่อนที่แบบเกลียวได้เป็นเวลานานก่อนที่จะกระจัดกระจายไปหลังจากการชนกัน ด้วยเหตุนี้ การถ่ายเทความร้อนจึงเพิ่มขึ้นตามแนวเส้นสนามแม่เหล็กและลดลงในทิศทางตั้งฉาก
ในทิศทางตามยาวของสนามแม่เหล็ก ค่าการนำความร้อนของโคโรนาคือ[ 36 ] โดยที่คือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวินคือมวลของอิเล็กตรอนคือประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน คือลอการิทึมของคูลอมบ์ และ คือความยาวเดบายของพลาสมาที่มีความหนาแน่นของอนุภาค ลอการิทึมของคูลอมบ์มีค่าประมาณ 20 ในโคโรนา ซึ่งมีอุณหภูมิเฉลี่ย 1 MK และความหนาแน่น 10 15อนุภาค/m 3และประมาณ 10 ในโครโมสเฟียร์ ซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 10 kK และความหนาแน่นของอนุภาคอยู่ในลำดับ 10 18อนุภาค/m 3และในทางปฏิบัติสามารถถือว่าคงที่ได้
ดังนั้น หากเรากำหนดความร้อนต่อหน่วยปริมาตร โดยแสดงในหน่วย J m −3สมการฟูริเยร์ของการถ่ายเทความร้อน ซึ่งคำนวณเฉพาะตามทิศทางของเส้นสนาม จะกลายเป็น
จากการคำนวณเชิงตัวเลขพบว่า ค่าการนำความร้อนของโคโรนาเทียบได้กับค่าการนำความร้อนของทองแดง
แผ่นดินไหววิทยาโคโรนา
การศึกษาคลื่นไหวสะเทือนในชั้นโคโรนาเป็นวิธีการศึกษาพลาสมาในชั้นโคโรนาของดวงอาทิตย์โดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MHD) MHD ศึกษาพลศาสตร์ของของเหลวที่นำไฟฟ้าได้ – ในกรณีนี้ ของเหลวนั้นคือพลาสมาในชั้นโคโรนา ในเชิงปรัชญา การศึกษาคลื่นไหวสะเทือนในชั้นโคโรนาคล้ายคลึงกับ การศึกษาคลื่นไหวสะเทือนของโลก การศึกษา คลื่นไหว สะเทือนของดวงอาทิตย์และการวิเคราะห์สเปกตรัม MHD ของอุปกรณ์พลาสมาในห้องปฏิบัติการ ในทุกแนวทางเหล่านี้ จะใช้คลื่นชนิดต่างๆ ในการสำรวจตัวกลาง ศักยภาพของการศึกษาคลื่นไหวสะเทือนในชั้นโคโรนาในการประมาณค่าสนามแม่เหล็กในชั้นโคโรนา ความสูงของชั้นความหนาแน่นโครงสร้างละเอียดและความร้อน ได้รับการพิสูจน์แล้วโดยกลุ่มวิจัยต่างๆ
ปัญหาความร้อนโคโรนา
ปัญหาการให้ความร้อนของโคโรนาในฟิสิกส์ดวงอาทิตย์เกี่ยวข้องกับคำถามที่ว่าเหตุใดอุณหภูมิของโคโรนาของดวงอาทิตย์จึงสูงกว่าอุณหภูมิของพื้นผิวหลายล้านเคลวิน ในขณะที่พื้นผิวมีอุณหภูมิเพียงไม่กี่พันเคลวิน มีทฤษฎีหลายทฤษฎีที่ถูกเสนอเพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ แต่ก็ยังคงเป็นเรื่องยากที่จะระบุว่าทฤษฎีใดถูกต้อง[ 37 ]ปัญหานี้เกิดขึ้นครั้งแรกหลังจากมีการระบุเส้นสเปกตรัมที่ไม่รู้จักในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ด้วยอะตอมของเหล็กและแคลเซียมที่มีไอออนสูง[ 38 ] [ 37 ]การเปรียบเทียบอุณหภูมิของโคโรนาและโฟโตสเฟียร์ที่6,000 K นำไปสู่คำถามว่าอุณหภูมิของโคโรนาที่ร้อนกว่าถึง 200 เท่าจะคงอยู่ได้อย่างไร[ 38 ]ปัญหาหลักเกี่ยวข้องกับการขนส่งพลังงานขึ้นไปยังโคโรนาและแปลงเป็นความร้อนภายในรัศมีไม่กี่เท่าของดวงอาทิตย์[ 39 ]
อุณหภูมิที่สูงมากนั้นต้องการพลังงานในการถ่ายเทจากภายในดวงอาทิตย์ไปยังโคโรนาโดยกระบวนการที่ไม่ใช้ความร้อน เนื่องจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ป้องกันไม่ให้ความร้อนไหลโดยตรงจากโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ (พื้นผิว) ซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ5,800เคลวินไปยังโคโรนาที่ร้อนกว่ามาก ซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 1 ถึง 3 ล้านเคลวิน (บางส่วนของโคโรนาอาจมีอุณหภูมิสูงถึง10 ล้านเคลวิน )
ระหว่างชั้นโฟโตสเฟียร์และชั้นโคโรนา บริเวณบางๆ ที่อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเรียกว่าบริเวณเปลี่ยนผ่าน บริเวณนี้มีความหนาตั้งแต่หลักสิบถึงหลักร้อยกิโลเมตรเท่านั้น พลังงานไม่สามารถถ่ายเทจากชั้นโฟโตสเฟียร์ที่เย็นกว่าไปยังชั้นโคโรนาได้ด้วยการถ่ายเทความร้อนแบบปกติ เพราะจะขัดกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ เปรียบเทียบได้กับหลอดไฟที่ทำให้อุณหภูมิของอากาศรอบๆ หลอดไฟสูงกว่าอุณหภูมิของพื้นผิวกระจกของหลอดไฟ ดังนั้น จึงต้องมีการถ่ายเทพลังงานในรูปแบบอื่นเข้ามาเกี่ยวข้องในการให้ความร้อนแก่ชั้นโคโรนา
ปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการให้ความร้อนแก่ชั้นโคโรนาของดวงอาทิตย์สามารถคำนวณได้ง่ายๆ โดยการหาผลต่างระหว่างการสูญเสียความร้อนจากการแผ่รังสีของโคโรนาและการให้ความร้อนโดยการนำความร้อนไปยังชั้นโครโมสเฟียร์ผ่านบริเวณรอยต่อ ซึ่งโดยประมาณแล้วจะอยู่ที่ 1 กิโลวัตต์ต่อพื้นที่ผิว 1 ตารางเมตรของชั้นโครโมสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ หรือ 1/ 40,000ของปริมาณพลังงานแสงที่หลุดรอดออกจากดวงอาทิตย์
มีการเสนอทฤษฎีการให้ความร้อนของโคโรนาหลายทฤษฎี[ 40 ]แต่ทฤษฎีสองทฤษฎียังคงเป็นตัวเลือกที่เป็นไปได้มากที่สุด ได้แก่ การให้ความร้อนจากคลื่นและการเชื่อมต่อสนามแม่เหล็กใหม่ (หรือนาโนแฟลร์ ) [ 41 ]ตลอดช่วง 50 ปีที่ผ่านมา ทฤษฎีทั้งสองไม่สามารถอธิบายอุณหภูมิโคโรนาที่สูงมากได้
ในปี 2555 การถ่ายภาพ เอ็กซ์เรย์อ่อนความละเอียดสูง (<0.2″) ด้วยเครื่องถ่ายภาพโคโรนาความละเอียดสูงบนจรวดสำรวจเผยให้เห็นเส้นใยที่พันกันแน่นในโคโรนา มีการตั้งสมมติฐานว่าการเชื่อมต่อใหม่และการคลายตัวของเส้นใยเหล่านี้สามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งความร้อนหลักของโคโรนาสุริยะที่กำลังมีกิจกรรมจนถึงอุณหภูมิสูงถึง 4 ล้านเคลวิน แหล่งความร้อนหลักในโคโรนาที่สงบ (ประมาณ 1.5 ล้านเคลวิน) สันนิษฐานว่ามาจากคลื่น MHD [ 42 ]
ยาน Parker Solar ProbeของNASAมีจุดประสงค์เพื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ที่ระยะห่างประมาณ 9.5 เท่าของรัศมีดวงอาทิตย์ เพื่อตรวจสอบความร้อนของโคโรนาและต้นกำเนิดของลมสุริยะ ยานดังกล่าวถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศอย่างประสบความสำเร็จเมื่อวันที่ 12 สิงหาคม 2561 [ 43 ] และภายในปลายปี 2568 ก็ได้เข้า ใกล้ดวงอาทิตย์ครบ 26 ครั้งแรก
| แบบจำลองความร้อน | ||
|---|---|---|
| อุทกพลศาสตร์ | แม่เหล็ก | |
| DC ( การเชื่อมต่อใหม่ ) | กระแสสลับ ( คลื่น ) |
|
| |
ทฤษฎีการให้ความร้อนด้วยคลื่น
ทฤษฎีการให้ความร้อนด้วยคลื่น ซึ่งเสนอโดยEvry Schatzman ในปี 1949 เสนอว่าคลื่นนำพลังงานจากภายในดวงอาทิตย์ไปยังชั้นโครโมสเฟียร์และโคโรนาของดวงอาทิตย์ ดวงอาทิตย์ประกอบด้วยพลาสมาแทนที่จะเป็นก๊าซธรรมดา ดังนั้นจึงรองรับคลื่นหลายประเภทที่คล้ายกับคลื่นเสียงในอากาศ คลื่นประเภทที่สำคัญที่สุดคือคลื่นแม่เหล็กเสียงและคลื่นอัลฟ์เวน [ 44 ] คลื่นแม่เหล็กเสียงคือคลื่นเสียงที่ถูกดัดแปลงโดยการมีอยู่ของสนามแม่เหล็ก และคลื่นอัลฟ์เวนคล้ายกับคลื่นวิทยุความถี่ต่ำมาก ที่ถูกดัดแปลงโดยการปฏิสัมพันธ์กับสสารในพลาสมา คลื่นทั้งสองประเภทสามารถถูกปล่อยออกมาจากความปั่นป่วนของการเกิดเม็ดและการเกิดเม็ดขนาดใหญ่ที่โฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ และคลื่นทั้งสองประเภทสามารถนำพลังงานไปได้ในระยะทางหนึ่งผ่านชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ก่อนที่จะกลายเป็นคลื่นกระแทกที่กระจายพลังงานเป็นความร้อน
ปัญหาอย่างหนึ่งของการให้ความร้อนด้วยคลื่นคือการส่งความร้อนไปยังตำแหน่งที่เหมาะสม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่สามารถนำพลังงานขึ้นไปด้านบนผ่านชั้นโครโมสเฟียร์ไปยังโคโรนาได้เพียงพอ ทั้งเนื่องจากความดันต่ำในชั้นโครโมสเฟียร์และเนื่องจากคลื่นเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะสะท้อนกลับไปยังชั้นโฟโตสเฟียร์ คลื่นอัลฟ์เวนสามารถนำพลังงานได้เพียงพอ แต่ไม่สามารถสลายพลังงานนั้นได้อย่างรวดเร็วพอเมื่อเข้าสู่โคโรนา คลื่นในพลาสมานั้นเข้าใจและอธิบายได้ยากมากในเชิงวิเคราะห์ แต่การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่ดำเนินการโดยโทมัส บ็อกดันและเพื่อนร่วมงานในปี 2003 ดูเหมือนจะแสดงให้เห็นว่าคลื่นอัลฟ์เวนสามารถเปลี่ยนไปเป็นโหมดคลื่นอื่น ๆ ที่ฐานของโคโรนาได้ ซึ่งเป็นเส้นทางที่สามารถนำพลังงานจำนวนมากจากชั้นโฟโตสเฟียร์ผ่านชั้นโครโมสเฟียร์และบริเวณเปลี่ยนผ่าน และในที่สุดก็เข้าสู่โคโรนาซึ่งจะสลายพลังงานนั้นไปเป็นความร้อน
อีกปัญหาหนึ่งเกี่ยวกับการให้ความร้อนด้วยคลื่นคือ การขาดหลักฐานโดยตรงใดๆ เกี่ยวกับการแพร่กระจายของคลื่นผ่านโคโรนาของดวงอาทิตย์ จนกระทั่งช่วงปลายทศวรรษ 1990 การสังเกตการณ์โดยตรงครั้งแรกของการแพร่กระจายของคลื่นเข้าไปและผ่านโคโรนาของดวงอาทิตย์เกิดขึ้นในปี 1997 ด้วยกล้องโทรทัศน์อวกาศSolar and Heliospheric Observatory ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มแรกที่สามารถสังเกตการณ์ดวงอาทิตย์ในช่วง รังสีอัลตราไวโอเลตสุดขั้ว (EUV) เป็นเวลานานด้วยการวัดแสง ที่เสถียร คลื่นเหล่านั้นเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ประมาณ 1 มิลลิเฮิร์ตซ์ (mHz ซึ่งสอดคล้องกับ คาบคลื่น 1,000 วินาที ) ซึ่งมีพลังงานเพียงประมาณ 10% ของพลังงานที่จำเป็นในการให้ความร้อนแก่โคโรนา มีการสังเกตการณ์ปรากฏการณ์คลื่นเฉพาะที่มากมาย เช่น คลื่นอัลฟ์ เวนที่ปล่อยออกมาจากเปลวสุริยะ แต่เหตุการณ์เหล่านั้นเกิดขึ้นชั่วคราวและไม่สามารถอธิบายความร้อนที่สม่ำเสมอของโคโรนาได้
ยังไม่ทราบแน่ชัดว่ามีพลังงานคลื่นอยู่เท่าใดที่สามารถให้ความร้อนแก่โคโรนาได้ ผลการวิจัยที่ตีพิมพ์ในปี 2547 โดยใช้ข้อมูลจาก ยานอวกาศ TRACEดูเหมือนจะบ่งชี้ว่ามีคลื่นอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ที่ความถี่สูงถึง100 มิลลิเฮิรตซ์ (คาบเวลา 10 วินาที) การวัดอุณหภูมิของไอออน ต่างๆ ในลมสุริยะด้วยเครื่องมือ UVCS บนยานSOHOให้หลักฐานทางอ้อมที่แข็งแกร่งว่ามีคลื่นที่ความถี่สูงถึง200 เฮิรตซ์ซึ่งอยู่ในช่วงที่มนุษย์ได้ยิน คลื่นเหล่านี้ตรวจจับได้ยากมากภายใต้สถานการณ์ปกติ แต่หลักฐานที่รวบรวมได้ระหว่างสุริยุปราคาโดยทีมงานจากวิทยาลัยวิลเลียม ส์ ชี้ให้เห็นถึงการมีอยู่ของคลื่นดังกล่าวในช่วง1–10 เฮิรตซ์
เมื่อเร็วๆ นี้ ได้มีการค้นพบการเคลื่อนที่แบบอัลฟ์เวนิกในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ตอนล่าง[ 45 ] [ 46 ]และยังพบในดวงอาทิตย์ที่สงบ ในหลุมโคโรนา และในบริเวณที่มีกิจกรรม โดยใช้การสังเกตการณ์ด้วย AIA บนยานSolar Dynamics Observatory [ 47 ] การ แกว่งแบบอัลฟ์เวนิกเหล่านี้มีพลังงานมาก และดูเหมือนว่าจะเชื่อมโยงกับการแกว่งแบบอัลฟ์เวนิกของชั้นโครโมสเฟียร์ที่เคยรายงานไว้ก่อนหน้านี้ด้วยยานอวกาศHinode [ 48 ]
การสังเกตการณ์ลมสุริยะด้วย ยานอวกาศ Windเมื่อเร็วๆ นี้ได้แสดงหลักฐานสนับสนุนทฤษฎีการกระจายตัวของ Alfvén-cyclotron ซึ่งนำไปสู่การให้ความร้อนแก่ไอออนในบริเวณนั้น[ 49 ]
ทฤษฎีการเชื่อมต่อสนามแม่เหล็ก
ทฤษฎีการเชื่อมต่อสนามแม่เหล็กอาศัยสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ในการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในโคโรนาของดวงอาทิตย์[ 50 ]จากนั้นกระแสไฟฟ้าจะยุบตัวลงอย่างฉับพลัน ปล่อยพลังงานออกมาในรูปของความร้อนและพลังงานคลื่นในโคโรนา กระบวนการนี้เรียกว่า "การเชื่อมต่อใหม่" เนื่องจากลักษณะเฉพาะของพฤติกรรมของสนามแม่เหล็กในพลาสมา (หรือของเหลวที่นำไฟฟ้าได้ เช่นปรอทหรือ น้ำ ทะเล ) ในพลาสมาเส้นสนามแม่เหล็กมักจะเชื่อมโยงกับชิ้นส่วนของสสารแต่ละชิ้น ดังนั้นโครงสร้างของสนามแม่เหล็กจึงยังคงเหมือนเดิม: หากขั้วแม่เหล็ก เหนือและใต้ เชื่อมต่อกันด้วยเส้นสนามเพียงเส้นเดียว แม้ว่าพลาสมาจะถูกกวนหรือแม่เหล็กจะถูกเคลื่อนย้าย เส้นสนามนั้นก็จะยังคงเชื่อมต่อขั้วเหล่านั้นต่อไป การเชื่อมต่อนี้คงอยู่ได้ด้วยกระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในพลาสมา ภายใต้เงื่อนไขบางประการ กระแสไฟฟ้าสามารถยุบตัวลง ทำให้สนามแม่เหล็ก "เชื่อมต่อใหม่" กับขั้วแม่เหล็กอื่น ๆ และปล่อยความร้อนและพลังงานคลื่นออกมาในกระบวนการนี้
มีการตั้งสมมติฐานว่าการเชื่อมต่อสนามแม่เหล็ก ใหม่เป็นกลไกเบื้องหลังเปลวสุริยะ ซึ่งเป็นการระเบิดครั้งใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ ยิ่งไปกว่านั้น พื้นผิวของดวงอาทิตย์ปกคลุมไปด้วยบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กขนาดเล็กนับล้านแห่ง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50–1,000 กิโลเมตรขั้วแม่เหล็กขนาดเล็กเหล่านี้ถูกกระแทกและปั่นป่วนโดยการเกิดเม็ดเล็กๆ บนพื้นผิวอย่างต่อเนื่อง สนามแม่เหล็กในโคโรนาของดวงอาทิตย์จะต้องมีการเชื่อมต่อใหม่เกือบตลอดเวลาเพื่อให้สอดคล้องกับการเคลื่อนที่ของ "พรมแม่เหล็ก" นี้ ดังนั้นพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการเชื่อมต่อใหม่จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับความร้อนในโคโรนา บางทีอาจเป็นในรูปของ "ไมโครแฟลร์" หลายๆ ครั้ง ซึ่งแต่ละครั้งให้พลังงานน้อยมาก แต่เมื่อรวมกันแล้วก็ให้พลังงานที่เพียงพอต่อความต้องการ
แนวคิดที่ว่านาโนแฟลร์อาจทำให้โคโรนาร้อนขึ้นนั้นได้รับการเสนอโดยยูจีน พาร์คเกอร์ในช่วงทศวรรษ 1980 แต่ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กล้องโทรทัศน์ อัลตราไวโอเลตเช่นTRACEและSOHO /EIT สามารถสังเกตไมโครแฟลร์แต่ละตัวได้ในรูปของการสว่างเล็กๆ ในแสงอัลตราไวโอเลตสุดขั้ว[ 51 ]แต่ดูเหมือนว่าจะมีเหตุการณ์เล็กๆ เหล่านี้น้อยเกินไปที่จะอธิบายพลังงานที่ปล่อยออกมาสู่โคโรนา พลังงานเพิ่มเติมที่ไม่ได้อธิบายอาจเกิดจากพลังงานคลื่น หรือการเชื่อมต่อสนามแม่เหล็กแบบค่อยเป็นค่อยไปซึ่งปล่อยพลังงานออกมาอย่างราบรื่นกว่าไมโครแฟลร์ ดังนั้นจึงไม่ปรากฏให้เห็นชัดเจนในข้อมูลของ TRACE การเปลี่ยนแปลงในสมมติฐานไมโครแฟลร์ใช้กลไกอื่นๆ เพื่อสร้างความเครียดให้กับสนามแม่เหล็กหรือเพื่อปล่อยพลังงาน และเป็นหัวข้อของการวิจัยอย่างจริงจังในปี 2548
หนามแหลม (ชนิดที่ 2)
เป็นเวลาหลายสิบปีที่นักวิจัยเชื่อว่าสไปคูลสามารถส่งความร้อนเข้าไปในโคโรนาได้ อย่างไรก็ตาม หลังจากการวิจัยเชิงสังเกตการณ์ในช่วงทศวรรษ 1980 พบว่าพลาสมาของสไปคูลไม่ได้มีอุณหภูมิสูงถึงระดับโคโรนา ดังนั้นทฤษฎีนี้จึงถูกยกเลิกไป
จากการศึกษาที่ดำเนินการในปี 2010 ที่ศูนย์วิจัยบรรยากาศแห่งชาติในโคโลราโดโดยความร่วมมือกับห้องปฏิบัติการพลังงานแสงอาทิตย์และดาราศาสตร์ของล็อกฮีดมาร์ติน (LMSAL) และสถาบันฟิสิกส์ดาราศาสตร์เชิงทฤษฎีของมหาวิทยาลัยออสโลพบว่าสปิคุลประเภทใหม่ (TYPE II) ที่ค้นพบในปี 2007 ซึ่งเคลื่อนที่ได้เร็วกว่า (สูงสุด 100 กม./วินาที) และมีอายุขัยสั้นกว่า สามารถอธิบายปัญหาดังกล่าวได้[ 52 ]เจ็ตเหล่านี้แทรกพลาสมาที่ร้อนเข้าไปในชั้นบรรยากาศภายนอกของดวงอาทิตย์
มีการใช้ชุดอุปกรณ์ถ่ายภาพบรรยากาศ (Atmospheric Imaging Assembly) บนกล้องโทรทรรศน์สุริยะ Solar Dynamics Observatory ของ NASA และชุดอุปกรณ์โฟกัสสำหรับกล้องโทรทรรศน์สุริยะ (Focal Plane Package for the Solar Optical Telescope) ของ NASA บนดาวเทียม Hinode ของญี่ปุ่น เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ ความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาที่สูงของเครื่องมือรุ่นใหม่เหล่านี้เผยให้เห็นถึงแหล่งกำเนิดมวลโคโรนา
จากการวิเคราะห์ในปี 2011 โดย de Pontieu และเพื่อนร่วมงาน การสังเกตเหล่านี้เผยให้เห็นถึงความเชื่อมโยงแบบหนึ่งต่อหนึ่งระหว่างพลาสมาที่ถูกทำให้ร้อนถึงหลายล้านองศาและหนามแหลมที่แทรกพลาสมานี้เข้าไปในโคโรนา[ 53 ]
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- คำอธิบายของนาซาเกี่ยวกับโคโรนาของดวงอาทิตย์
- คำอธิบายของ NASA/GSFC เกี่ยวกับปัญหาความร้อนในชั้นโคโรนา
- คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการให้ความร้อนแก่ชั้นโคโรนา (มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด)
- หอดูดาวสุริยะและเฮลิโอสเฟียร์ รวมถึงภาพโคโรนาของดวงอาทิตย์แบบเรียลไทม์
- ภาพถ่ายเอกซเรย์แนวระนาบจากเครื่อง Hinode XRT
- ภาพดาราศาสตร์ประจำวันจาก nasa.gov 26 กรกฎาคม 2552 – เป็นการรวมภาพถ่ายโคโรนาของดวงอาทิตย์จำนวน 33 ภาพ ซึ่งได้รับการประมวลผลทางดิจิทัลเพื่อเน้นรายละเอียดที่จางๆ ของสุริยุปราคาเต็มดวงที่เกิดขึ้นในเดือนมีนาคม 2549
- คำอธิบายแบบแอนิเมชั่นเกี่ยวกับแกนกลางของดวงอาทิตย์เก็บถาวรเมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายน 2015 ที่Wayback Machine (มหาวิทยาลัยเซาท์เวลส์)
- วิดีโอ "Solar Interface Region – Bart de Pontieu (SETI Talks)"