Efek Wilson: Seberapa "dalam" bintik matahari?
Saya baru-baru ini belajar tentang efek Wilson dari atmosfer Matahari. The 2009 Saas Fee Lanjutan Course 39 negara:
Di dekat anggota badan matahari, umbra [wilayah gelap melingkar dari bintik matahari] dan penumbra sisi tengah [batas yang lebih terang dari bintik matahari] menghilang. Kami melihat$400-800{\rm km}$ lebih dalam ke bintik matahari daripada di fotosfer.
Lalu, ada publikasi berjudul The sunspot—dangkal atau dalam? oleh Solov'ev dan Kirichek dari 2014 yang mengatakan dalam abstrak:
Dua model bintik matahari dibandingkan-dangkal dan dalam. Menurut yang pertama, bintik matahari, sebagai wilayah yang ditempati oleh medan reguler yang kuat dan plasma yang relatif dingin, menembus zona konveksi matahari hingga kedalaman dangkal sekitar 4 Mm. [...]
Selanjutnya, ada tesis PhD oleh Benjamin Beeck dari 2015 yang menunjukkan misalnya grafik berikut:
Dengan kata lain, saya memiliki nilai antara $400 \ldots 7300 {\rm km}=7.3 {\rm Mm}$untuk kedalaman bintik matahari yang sedikit membingungkan saya - saya akan menghargai jika seseorang dapat menjelaskan kepada saya kisaran kedalaman yang agak besar. Di satu sisi, saya tertarik dengan kedalaman umbra yang diukur dari penumbra (jika dapat dilihat datar), dan di sisi lain saya juga ingin mengetahui jarak dari penumbra ke ujung ( terlihat) fotosfer, semuanya idealnya dengan bilah kesalahan.
Jawaban
Pertanyaan yang menarik! Saya harap saya bisa menumpahkan sinar matahari pada mereka.
Sebagaimana dinyatakan dalam abstrak yang Anda kutip, pemahaman dan pemodelan bintik matahari adalah pertanyaan terbuka , terutama pertanyaan bagaimana stabilitas bintik matahari dipertahankan.
Ada banyak model, seperti yang ditunjukkan oleh kutipan Anda. Pertama, beberapa klarifikasi terminologis: "Efek Wilson" saat ini pada dasarnya adalah model untuk menjelaskan fisika bintik matahari. "Depresi Wilson" adalah komponen bintik matahari yang dapat diamati: ketinggian geometris permukaan matahari yang terlihat lebih rendah dibandingkan dengan bagian Matahari lainnya. PADA masa Wilson, itu adalah hipotesis, tetapi depresi semacam itu telah diukur, misalnya, lihat gambar di sini. Pada prinsipnya, karena idenya adalah bahwa bintik matahari dihasilkan oleh aktivitas konvektif di bawah fotosfer (yaitu, perpindahan panas konvektif diblokir oleh medan magnet yang kuat, itulah sebabnya medan magnet yang kuat diperlukan untuk mempertahankan bintik matahari yang stabil), bintik matahari dapat menjadi jauh lebih dalam daripada yang dapat kita amati, karena kita tidak dapat melihat langsung di bawah fotosfer (karena plasma Matahari menjadi terlalu buram).
Ada model lain untuk menjelaskan depresi bintik matahari. Misalnya, model terbaru , yang (tampaknya) bebas dari ketidakpastian sistematis karena tidak ada asumsi yang bergantung pada model, meminimalkan divergensi medan magnet yang berasal dari pengamatan spektropolarisasi. Dengan menerapkan kerangka kerja mereka untuk pengamatan bintik matahari, mereka menyatakan:
Depresi Wilson yang diturunkan (∼600 km) konsisten dengan hasil yang biasanya diperoleh dari efek Wilson.
Hasil mereka konsisten dengan penelitian yang menggunakan efek Wilson, misalnya, seperti yang Anda kutip dari Kursus Lanjutan Biaya Saas 2009 39.
Jadi, pertanyaan Anda:
Saya akan sangat menghargai jika seseorang dapat menjelaskan [kepada] saya kisaran kedalaman yang agak besar. Di satu sisi, saya tertarik dengan kedalaman umbra yang diukur dari penumbra (jika dapat dilihat datar), dan di sisi lain saya juga ingin mengetahui jarak dari penumbra ke ujung ( terlihat) fotosfer, semuanya idealnya dengan bilah kesalahan.
Untuk menghasilkan plot dengan jawaban yang lebih tepat dan dengan bilah kesalahan akan melibatkan seseorang yang sudah membuat plot seperti itu, atau saya harus membuatnya. Saya tidak punya waktu untuk melakukannya sendiri, dan saya tidak dapat menemukan makalah yang diterbitkan dengannya (mungkin ada di luar sana). Jadi, saya akan mencoba menjelaskan lebih konseptual. Juga, kita tidak dapat melihat di bawah fotosfer jadi saya pikir metode tidak langsung harus digunakan untuk mendapatkan bilah kesalahan pada pengamatan kedalaman umbra, yang sulit saya temukan (dan ragu apakah itu sudah dilakukan! EDIT: lihat bagian paling bawah!) paragraf terakhir tentang helioseismology).
The wiki Artikel menyatakan: "Besarnya depresi sulit untuk menentukan, tetapi mungkin sebagai besar seperti 1.000 km." Tapi itu tidak mengutip klaim ini ;)
Model efek Wilson, seperti yang Anda kutip, mencoba menjelaskan munculnya bintik matahari sebagai berasal dari dalam selubung konvektif interior bintang. Apakah itu masuk akal?: kedalaman yang dikutip$\sim 7.3$Mm untuk pembengkakan plasma ini setidaknya berada dalam radius matahari, yaitu $\sim 10^9$m = 1 gram. Fotosfer adalah bagian terdalam matahari yang dapat kita lihat secara optik, dan meluas hingga sekitar 4x10$^5$M. Jadi dapat dibayangkan bahwa bintik matahari dapat ada pada kedalaman di bawah fotosfer di dalam daerah konvektif matahari tanpa bagian bawah bintik matahari terlalu dalam.
EDIT TAMBAHAN: Dalam model Solov'ev dan Kirichek, misalnya, 2014, "stabilitas bintik matahari [adalah] fungsi dari radius dan kekuatan medan magnet [yang] bervariasi secara monoton dengan radius dari sekitar 700 G hingga batas asimtotik sekitar 4000 G. Kedalaman depresi Wilson tumbuh secara linier dengan B. Kisaran kesetimbangan stabil terbatas sedemikian rupa sehingga bintik matahari yang lebih besar (radius lebih besar dari sekitar 12–18 Mm) tidak stabil, yang dapat menjelaskan tidak adanya bintik matahari yang sangat besar di Matahari, serta munculnya jembatan cahaya di bintik matahari besar yang membaginya menjadi beberapa bagian. Bintik matahari dengan B dalam kisaran 2,6–2,7 kG dan radius umbral sekitar 2 Mm adalah yang paling stabil." Kutipan diambil dari Catatan 4. ini tinjauan helioseismologi (juga dalam paragraf terakhir di bawah), dan lihat Gambar 22 tinjauan itu untuk skema model mereka.
Dalam tesis yang Anda kutip oleh B. Beeck, artikel utama yang ditemukan di sini , geometri umbra (atau penumbra) TIDAK diketahui secara apriori, jadi mereka membuat tebakan dan memeriksa dengan simulasi numerik terperinci mereka. Mereka secara sistematis memvariasikan kondisi awal, kondisi batas, kekuatan medan magnet, dan kedalaman bintik matahari untuk mencoba menghasilkan bintik matahari yang stabil secara fisik. Mereka menemukan:
Bintik matahari yang stabil membutuhkan medan magnet > 4kG di lapisan bawah permukaan. Struktur (misalnya gradien T) di bawah z~2-3 Mm tampaknya penting untuk stabilitas bintik matahari. Ini juga menunjukkan bahwa bintik matahari tidak bisa menjadi fenomena yang sangat dangkal. Jadi mereka menyimpulkan: Bintik matahari yang stabil membutuhkan medan magnet B 6 kG pada kedalaman 5-6 Mm.
Mereka berspekulasi bahwa persyaratan stabilitas ini mungkin mengesampingkan geometri bintik matahari yang datar (yaitu, tidak dalam). Mereka mencoba untuk mengukur ini dengan geometri baji / lempengan, di mana kekuatan medan magnet yang lebih tinggi di bagian bawah bintik matahari mengarah ke intensitas umbral yang lebih rendah dan penumbra yang lebih jelas (lihat slide ke-5 dari akhir), yang dapat digunakan untuk secara observasional mengesampingkan tertentu geometri bintik matahari.
EDIT TAMBAHAN: Dengan demikian, rentang skala yang terlibat di sini adalah bagian dari area penelitian yang aktif. Ada banyak alasan teoretis untuk menduga bahwa bintik matahari mungkin dalam dan besar, pada orde ~Mm, tetapi kita dapat menyelidiki matahari hanya sedalam itu, jadi kita biasanya terbatas untuk melihat hanya pada orde ~$10^5$m, yang konsisten dengan kedalaman fotosfer. Hal ini menyebabkan struktur dan kedalaman umbra dan penumbra yang tepat tidak dipahami dengan baik, saat ini, meskipun ketergantungan pada berbagai parameter dipahami dengan baik dalam kerangka kerja tertentu.
Tepat setelah memposting jawaban ini, saya menyadari bahwa helioseismology adalah cara untuk mencoba mengatasi masalah menyelidiki lebih dalam daripada fotosfer, dan tampaknya menjanjikan! Kemajuan dalam helioseismologi telah lama mengantisipasi wawasan tentang interior Matahari, misalnya di sini dan di sini , yang telah menghasilkan perkiraan yang sebanding untuk kedalaman bintik matahari, yaitu$\sim$1Mm. Saya pikir ini adalah bidang penelitian yang aktif dan akan rapi untuk mengikuti perkembangannya. Lihat di sini untuk ulasan (semi-) baru-baru ini.