Эффект Вильсона: насколько «глубоки» солнечные пятна?
Недавно я узнал об эффекте Вильсона атмосферы Солнца. На продвинутом курсе 39 Saas Fee 2009 года говорится:
Около лимба Солнца исчезают тень [круглая темная область пятна] и полутень на центральной стороне [более светлая граница пятна]. Мы видим$400-800{\rm km}$ глубже в пятна, чем в фотосфере.
Затем есть публикация под названием «Пятно - мелкое или глубокое? Соловьева и Киричека от 2014 г., где в аннотации говорится:
Сравниваются две модели пятен - мелкое и глубокое. Согласно первой, пятно как область, занятая сильным регулярным полем и сравнительно холодной плазмой, проникает в зону солнечной конвекции на небольшую глубину около 4 мм. [...]
Кроме того, есть докторская диссертация Бенджамина Бека от 2015 года, которая показывает, например, следующий график:
Другими словами, у меня есть значения между $400 \ldots 7300 {\rm km}=7.3 {\rm Mm}$из-за глубины пятна, которое меня немного смущает - я был бы признателен, если бы кто-нибудь мог объяснить мне довольно большой диапазон глубин. С одной стороны, меня интересует глубина тени, измеряемая от полутени (если ее можно рассматривать как плоскую), а с другой стороны, мне также хотелось бы знать расстояние от полутени до конца ( виден) фотосфера, все в идеале с ошибками.
Ответы
Интересные вопросы! Я надеюсь, что смогу пролить на них немного солнечного света.
Как указано в цитируемом вами аннотации, понимание и моделирование солнечных пятен является открытым вопросом , особенно вопрос о том, как поддерживается стабильность солнечных пятен.
Как видно из ваших цитат, существует множество моделей. Во-первых, некоторые терминологические пояснения: «эффект Вильсона» в настоящее время, по сути, является моделью, объясняющей физику солнечного пятна. «Впадина Вильсона» - это наблюдаемый компонент солнечного пятна: геометрическая высота видимой солнечной поверхности меньше, чем у остальной части Солнца. Во времена Вильсона это была гипотеза, но такие депрессии были измерены, например, см. Рисунок здесь. В принципе, поскольку идея состоит в том, что пятно создается конвективной активностью ниже фотосферы (т. Е. Конвективный перенос тепла блокируется интенсивными магнитными полями, поэтому для поддержания стабильного солнечного пятна необходимы сильные магнитные поля), пятно может быть намного глубже, чем то, что мы можем наблюдать, поскольку мы не можем видеть непосредственно под фотосферой (поскольку плазма Солнца становится слишком непрозрачной).
Есть и другие модели, объясняющие депрессию пятна. Например, недавняя модель , которая (по-видимому) свободна от каких-либо систематических неопределенностей из-за отсутствия зависящих от модели предположений, минимизирует расхождение магнитного поля, полученного из спектрополяриметрических наблюдений. Применяя свою схему к наблюдениям за солнечным пятном, они заявляют:
Полученная депрессия Вильсона (∼600 км) согласуется с результатами, обычно получаемыми с помощью эффекта Вильсона.
Их результаты согласуются с результатами исследований, в которых используется эффект Вильсона, например, как вы цитируете из Курса Saas Fee Advanced Course 39 2009 года.
Итак, ваши вопросы:
Я был бы признателен, если бы кто-нибудь мог объяснить мне довольно большой диапазон глубин. С одной стороны, меня интересует глубина тени, измеренная от полутени (если ее можно рассматривать как плоскую), а с другой стороны, мне также хотелось бы знать расстояние от полутени до конца ( виден) фотосфера, все в идеале с ошибками.
Чтобы создать сюжет с более точными ответами и с полосами ошибок, нужно было бы задействовать кого-то, кто уже сделал такой сюжет, или мне пришлось бы его создать. У меня нет на это времени, и я не могу найти опубликованную статью с этим (она может быть там). Итак, я попытаюсь объяснить более концептуально. Кроме того, мы не можем видеть под фотосферой, поэтому я думаю, что для получения шкалы ошибок при наблюдениях глубины тени, которые мне не удается найти (и сомневаюсь, было ли это сделано), необходимо использовать косвенные методы! РЕДАКТИРОВАТЬ: увидеть тот самый последний абзац о гелиосейсмологии).
В вики- статье говорится: «Величину депрессии трудно определить, но она может достигать 1000 км». Но не цитирует это утверждение;)
Модели эффекта Вильсона, подобные тем, которые вы цитируете, пытаются объяснить появление солнечного пятна как возникновение внутри конвективной оболочки звездных недр. Это разумно ?: цитируется глубина$\sim 7.3$Mm для этих выбросов плазмы не меньше радиуса Солнца, что составляет $\sim 10^9$m = 1 Гм. Фотосфера является самой глубокой внутренней частью Солнца, которую мы можем видеть оптически, и ее размер составляет около 4х10.$^5$м. Таким образом, возможно, что пятно может существовать на глубине ниже фотосферы внутри конвективной области Солнца, при этом дно пятна не будет слишком глубоким.
ДОБАВЛЕННОЕ РЕДАКТИРОВАНИЕ: В моделях Соловьева и Киричека, например, 2014 г., «устойчивость солнечных пятен [является] функцией их радиуса и напряженности магнитного поля, [которое] монотонно изменяется с радиусом от примерно 700 Гс до асимптотического предела примерно 4000 G. Глубина впадины Вильсона линейно растет с B. Диапазон устойчивого равновесия ограничен таким образом, что более крупные солнечные пятна (радиус более 12–18 мм) являются нестабильными, что может объяснить отсутствие очень крупных пятен на Солнце, а также появление световых перемычек в крупных пятнах, разделяющих их на несколько частей. Наиболее стабильными являются солнечные пятна с B в диапазоне 2,6–2,7 кГс и радиусом тени около 2 мм ». Цитата из примечания 4 к настоящему документу. обзор гелиосейсмологии (также в последнем параграфе ниже), и см. рисунок 22 этого обзора для схематического изображения их модели.
В тезисе, который вы цитируете Б. Бека, в основной статье, найденной здесь , геометрия тени (ни полутени) НЕ известна априори, поэтому они делают предположения и сверяются с их подробным численным моделированием. Они систематически меняют начальные условия, граничные условия, напряженность магнитного поля и глубину пятна, пытаясь создать физически стабильное пятно. Они находят:
Для стабильных солнечных пятен требуется магнитное поле> 4 кГс в приповерхностных слоях. Структура (например, градиент Т) ниже z ~ 2-3 мм кажется важной для устойчивости солнечных пятен. Это также указывает на то, что пятна не могут быть очень мелкими явлениями. Они пришли к выводу: для стабильных солнечных пятен требуется магнитное поле B ≥ 6 кГс на глубине 5-6 мм.
Они предполагают, что это требование стабильности может исключить плоскую (то есть неглубокую) геометрию солнечных пятен. Они пытаются количественно оценить это с помощью геометрии клина / плиты, где более высокая напряженность магнитного поля на дне пятна приводит к более низкой интенсивности тени и более выраженной полутени (см. 5-й слайд с конца), что можно использовать для исключения определенных наблюдений. геометрии пятен.
ДОБАВЛЕННОЕ РЕДАКТИРОВАНИЕ: Таким образом, диапазон используемых здесь шкал является частью активной области исследований. Есть много теоретических причин подозревать, что солнечные пятна могут быть глубокими и большими, порядка ~ мкм, но мы можем исследовать Солнце только на такой глубине, поэтому мы обычно ограничены наблюдением только порядка ~$10^5$м, что соответствует глубине фотосферы. Это приводит к тому, что точная структура и глубина тени и полутени в настоящее время не совсем понятны, хотя зависимость от различных параметров хорошо понимается в определенных рамках.
Сразу после публикации этого ответа я понял, что гелиосейсмология - это способ попытаться обойти проблему исследования глубже, чем фотосфера, и это кажется многообещающим! Достижения в гелиосейсмологии давно предвосхитили понимание недр Солнца, например здесь и здесь , что дало сопоставимые оценки глубины солнечных пятен, т. Е.$\sim$1мм. Я думаю, что это активная область исследований, и будет полезно следить за ее развитием. См. Здесь (полу) недавний обзор.