Исследования самарских ученых помогут в разгадке главной тайны Солнца

Исследования ученых Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва помогут более эффективно предсказывать солнечные вспышки и магнитные бури и позволят приблизиться к разгадке главной тайны Солнца, остающейся неразгаданной уже более 70 лет - тайне аномального нагрева солнечной короны.

Температура солнечной короны - внешнего слоя атмосферы Солнца - составляет порядка миллиона градусов Цельсия, в некоторых областях поднимаясь до почти десятка миллионов, в то время как температура нижних слоев атмосферы светила достигает лишь около 5500 градусов. Получается, чем дальше от центра Солнца, тем жарче, хотя по логике, казалось бы, должно быть наоборот. Ученые во всем мире вот уже много лет выдвигают самые различные гипотезы, которые могли бы объяснить механизм нагрева короны.

В Самарском университете и Самарском филиале Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (СФ ФИАН) исследования в этой сфере проводит группа ученых под руководством профессора кафедры физики университета, главного научного сотрудника СФ ФИАН Нонны Молевич. На эти цели выделен грант Российского фонда фундаментальных исследований в объеме 1,2 млн рублей сроком на два года. Первые результаты научных изысканий отражены в статье Thermal Misbalance Influence on the Nonlinear Shear Alfvén Waves Under Solar Atmosphere Conditions, опубликованной в авторитетном журнале Solar Physics.

"Наша исследовательская группа изучает влияние радиационного охлаждения и различных процессов нагрева плазмы на динамику волн в верхних слоях солнечной атмосферы. Более полное знание о волновой динамике в солнечной атмосфере позволит улучшить существующие математические модели, описывающие Солнце, что, в свою очередь, даст возможность эффективнее предсказывать солнечную погоду в целом, и, в частности, солнечные вспышки, активно влияющие на космическую и земную технику.
Другой важной задачей, в решении которой могут помочь исследования нашей группы, является проблема нагрева солнечной короны, эта проблема остается пока что нерешенной на протяжении вот уже семидесяти лет", - рассказал аспирант кафедры физики Самарского университета, младший научный сотрудник Самарского филиала ФИАН Сергей Белов.

По словам Белова, одним из наиболее вероятных переносчиков энергии в солнечной атмосфере являются альфвеновские волны. Существование этих поперечных плазменных волн теоретически предсказал еще в 1942 году шведский астрофизик Ханнес Альфвен. Как предположил Альфвен, такие волны распространяются в плазме вдоль силовых линий магнитного поля и переносят энергию с очень малыми потерями. Позднее существование альфвеновских волн было подтверждено на практике. Экспериментальное изучение этих волн входит в перечень научных задач солнечного зонда НАСА "Паркер", запущенного в 2018 году.

"Эти волны похоже на колебания натянутой струны с той разницей, что эта струна сделана из плазмы, закрепляемой магнитным полем. Моим главным научным результатом на сегодняшний день является демонстрация влияния радиационного охлаждения и различных процессов нагрева плазмы на альфвеновские волны большой амплитуды, - отметил Сергей Белов.
Это влияние заключается в том, что при одних определенных условиях волна может эффективнее отдавать свою энергию плазме, нагревая ее до наблюдаемых температур, а при других условиях волна, напротив, отдает энергию медленнее и переносит ее на большие расстояния из одних слоев солнечной атмосферы в другие. Таким образом, подобный результат, с одной стороны, расширяет наше понимание механизма нагрева с помощью альфвеновских волн, с другой стороны, он может быть полезен в контексте определения методов наблюдательного детектирования альфвеновских волн в короне и источника альфвеновских волн, наблюдаемых в солнечном ветре".

Распространение альфвеновских волн самарские ученые исследуют с помощью уравнений магнитной газодинамики. В целом же поставленные в проекте проблемы требуют проведения теоретических исследований с помощью аналитических и численных методов на стыке различных дисциплин, в том числе математической теории волн, нелинейной динамики и физики плазмы. По итогам работы ученые представят системы уравнений, математически точно описывающие различные параметры и модели нагрева солнечной корональной плазмы. Научные результаты могут помочь и в развитии термоядерной энергетики, которая могла бы дать человечеству колоссальные объемы энергии.

"Солнце не зря называют самой большой и доступной лабораторией по физике плазмы. Исследуя физику плазмы Солнца, мы изучаем те условия, которые очень сложно воссоздать на Земле. И это очень важно для изучения термоядерного синтеза, мы в результате лучше узнаем, как работают плазменные эффекты и, возможно, в дальнейшем эти эффекты могут быть использованы на Земле на плазменных установках, установках термоядерного синтеза", - подчеркнул Сергей Белов.

Справочно

1. D. I. Zavershinskii, N. E. Molevich, D. S. Ryashchikov, S.A. Belov Nonlinear magnetoacoustic waves in plasma with isentropic thermal instability // Physical Review E. 2020. Vol. 101, 043204, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.101.043204

2. Sergey Belov; Molevich, N. E.; Zavershinskii, D., I Propagation of nonlinear Alfven waves in heat-releasing plasma//// Physica Scripta. – 2019, V. 94, No 8; DOI: https://doi.org/10.1088/1402-4896/AB2F02

Фото: Кристина Горяйнова