Μελέτη εκρηκτικών φαινομένων σε ηλιακά κέντρα δράσης
Authors: Λιοκάτη Ευαγγελία 
Published: January 2024

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη των εκρηκτικών φαινομένων σε ηλιακά κέντρα δράσης. Ο Ήλιος παράγει μαγνητικά πεδία στο εσωτερικό του, τα οποία αναδύονται στην ατμόσφαιρά του είτε διάσπαρτα είτε πιο σωρευτικά. Οι εκτεταμένες περιοχές στην ηλιακή ατμόσφαιρα με διπολική μορφολογία και με μεγάλη συγκέντρωση μαγνητικού πεδίου πολύ ισχυρότερου από το περιβάλλον τους ονομάζονται κέντρα δράσης. Τα ηλιακά κέντρα δράσης είναι πηγή εκρηκτικών φαινομένων. Τα μεγαλύτερα από αυτά τα φαινόμενα ως προς το ενεργειακό τους περιεχόμενο είναι οι εκλάμψεις που συνοδεύονται από εκτοξεύσεις στεμματικού υλικού (coronal mass ejections, CMEs). Σε μια πρώτη προσέγγιση τα εκρηκτικά φαινόμενα εμφανίζονται επειδή κατά την εξέλιξη των κέντρων δράσης συσσωρεύονται σε αυτά μεγάλα ποσά μαγνητικής ενέργειας και μαγνητικής ελικότητας μέσω μιας σειράς διαδικασιών, όπως ανάδυση και ακύρωση μαγνητικής ροής καθώς και κινήσεις διάτμησης παράλληλες με την ουδέτερη γραμμή του φωτοσφαιρικού μαγνητικού πεδίου. Στην εργασία μας επικεντρωθήκαμε κυρίως στη μελέτη του ρόλου της μαγνητικής ελικότητας και μαγνητικής ενέργειας καθώς και της ελεύθερης μαγνητικής ενέργειας στην έναρξη αυτών των φαινομένων. Η μαγνητική ελικότητα και η μαγνητική ενέργεια είναι από τα βασικότερα μεγέθη που χαρακτηρίζουν τα μαγνητικά πεδία. Πιο συγκεκριμένα, η μαγνητική ελικότητα είναι μια διατηρητική ποσότητα, που ποσοτικοποιεί τη συστροφή, τη πλέξη και τη στρέψη ενός συνόλου μαγνητικών δυναμικών γραμμών καταδεικνύοντας έτσι την πολυπλοκότητά τους. Από την άλλη μεριά η ελεύθερη μαγνητική ενέργεια είναι η πλεονάζουσα μαγνητική ενέργεια, που αποθηκεύεται στο μαγνητικό πεδίο του κέντρου δράσης και μπορεί να εξαχθεί και να μετατραπεί σε άλλη μορφή. Εμφανίζεται μόνο όταν το πεδίο αποκλίνει από τη κατάσταση ελάχιστης ενέργειας, δηλαδή, όταν δεν υπάρχουν ηλεκτρικά ρεύματα. Στα κέντρα δράσης η συσσωρευμένη μαγνητική ελικότητα απομακρύνεται μέσω των CMEs ή μεταφέρεται μέσω φαινομένων επανασύνδεσης σε μεγαλύτερες κλίμακες μέσω υπαρχουσών μαγνητικών συνδέσεων, ενώ η ελεύθερη μαγνητική ενέργεια απελευθερώνεται μέσω εκλάμψεων, CMEs και φαινομένων διάχυσης μικρότερης κλίμακας. Στα περισσότερα μοντέλα οι CMEs προέρχονται από την καταστροφική απώλεια ισορροπίας ανάμεσα στις μαγνητικές δυνάμεις που ασκούνται σε ένα σχηματισμό που περιέχει μεγάλα ποσά ελεύθερης μαγνητικής ενέργειας. Στα πιο πολλά μοντέλα η διάταξη πριν την έκρηξη περιλαμβάνει σχοινί μαγνητικής ροής (δηλαδή ισχυρά συνεστραμμένο πεδίο, το οποίο περιελίσσεται γύρω από μια κεντρική αξονική διεύθυνση) ή διατμημένους μαγνητικούς βρόχους. CME παράγεται, όταν η μαγνητική συγκράτηση ενός τέτοιου σχηματισμού στο στέμμα παύει λόγω μαγνητικής επανασύνδεσης ή ιδανικής αστάθειας που αναπτύσσεται, όταν η μαγνητική ενέργεια του σχηματισμού αρκεί για να προκαλέσει εξωτερική επέκτασή του έναντι του υπερκείμενου μαγνητικού πεδίου. Για να υλοποιήσουμε την παρούσα διατριβή χρησιμοποιήσαμε ένα μεγάλο πλήθος παρατηρήσεων του Ήλιου και της εσωτερικής ηλιόσφαιρας, που προέρχονται από διαστημικά όργανα. Τα όργανα αυτά μας παρείχαν τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε και να συνδυάσουμε δεδομένα υψηλής ανάλυσης και ρυθμού δειγματοληψίας σε μία ευρεία περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, πριν από όλα διανυσματικά μαγνητογραφήματα του φωτοσφαιρικού μαγνητικού πεδίου και συμπληρωματικές παρατηρήσεις στο μακρινό υπεριώδες, λευκό φως και ακτίνες Χ (βλ. Κεφάλαιο 2 της διατριβής).Έτσι μπορέσαμε να μελετήσουμε το μαγνητικό πεδίο των κέντρων δράσης, τη μαγνητική ελικότητα και ενέργειά τους καθώς και τη σχέση που έχουν οι ποσότητες αυτές με τα εκρηκτικά φαινόμενα.Στο Κεφάλαιο 3 μελετήσαμε το ρόλο της συσσωρευμένης μαγνητικής ελικότητας και ενέργειας στην έναρξη των εκρηκτικών φαινομένων σε ένα μεγάλο πλήθος αναδυόμενων κέντρων δράσης. Χρησιμοποιώντας υψηλής ποιότητας αδιάλειπτα φωτοσφαιρικά διανυσματικά μαγνητογράμματα από το διαστημικό όργανο Helioseismic and Magnetic Imager (ΗΜΙ) επί του Solar Dynamics Observatory (SDO) συγκεντρώσαμε 52 αναδυόμενα κέντρα δράσης με σκοπό τη δημιουργία ενός μεγάλου στατιστικού δείγματος. Τα κέντρα δράσης αυτά εμφανίστηκαν στις αρχές του 24ου ηλιακού κύκλου, βρίσκονταν εντός 45 μοίρες από τον κεντρικό μεσημβρινό για να ελαχιστοποιηθούν τα φαινόμενα προβολής και αναδύονταν σε περιοχές στη φωτόσφαιρα χωρίς προϋπάρχοντα κέντρα δράσης για να ελαχιστοποιηθεί η συμβολή των τελευταίων στους υπολογισμούς. Συνδυάζοντας παρατηρήσεις από τους δύο στεμματογράφους του Large Angle and Spectrometric Coronagraph (LASCO) και εικόνων στο EUV από το Atmospheric Imaging Assembly (ΑΙΑ) επί του SDO βρήκαμε ότι 7 από τα 52 κέντρα δράσης ήταν εκρηκτικά, καθώς έδωσαν μία CME μέχρι το ηλιογραφικό μήκος 45 μοίρες δυτικά (W45), ενώ τα 45 ήταν μη εκρηκτικά κέντρα δράσης, καθώς δεν έδωσαν CME μέχρι το W45. Με τη μέθοδο ολοκλήρωσης ροής υπολογίσαμε τους ρυθμούς έγχυσης της μαγνητικής ελικότητας και μαγνητικής ενέργειας στην ηλιακή ατμόσφαιρα για κάθε κέντρο δράσης. Από τα αποτελέσματα αυτών των υπολογισμών κατασκευάσαμε διαγράμματα διασποράς των συσσωρευμένων ποσοτήτων της μαγνητικής ελικότητας και ενέργειας. Βρήκαμε ότι από στατιστικής άποψης τα εκρηκτικά κέντρα δράσης συσσωρεύουν μεγαλύτερα ποσά μαγνητικής ελικότητας και ενέργειας από τα μη εκρηκτικά σε διαστήματα, που ξεκινούν από την αρχή της ανάδυσης μαγνητικής ροής και τελειώνουν (i) στο τέλος της φάσης ανάδυσης ροής και (ii) τη στιγμή που το κέντρο δράσης παράγει την πρώτη CME ή διέρχεται από το W45, όποιο συμβεί πρώτο. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των διαγραμμάτων διασποράς είναι ότι τα εκρηκτικά κέντρα δράσης τείνουν να εμφανίζονται στο πάνω δεξιό μέρος τους, το οποίο χαρακτηρίζεται από μεγάλα ποσά συσσωρευμένης μαγνητικής ελικότητας και ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, βρέθηκαν κατώφλια της μαγνητικής ελικότητας και ενέργειας, 9*10^41 Mx^2 και 2*10^32 erg, αντίστοιχα, που αν ξεπεραστούν, τότε τα κέντρα δράσης τείνουν να παράγουν CME. Ο διαχωρισμός των εκρηκτικών από τα μη εκρηκτικά κέντρα δράσης όσον αφορά τη συσσωρευμένη μαγνητική ελικότητα και ενέργειά τους παραβιάζεται σε μία περίπτωση, όπου το κέντρο δράσης παράγει CME νωρίς στη φάση της ανάδυσής του και σε έξι περιπτώσεις, όπου τα μη εκρηκτικά κέντρα δράσης εμφανίζουν μεγάλα ποσά μαγνητικής ενέργειας και ελικότητας. Για τα έξι μη εκρηκτικά κέντρα δράσης ερευνήσαμε, εάν το υπερκείμενο μαγνητικό πεδίο τείνει να αναστείλει τις εκρήξεις. Υπολογίσαμε το δείκτη απόσβεσης του μαγνητικού πεδίου (δηλ. το ρυθμό ελάττωσής του με το ύψος πάνω από τη φωτόσφαιρα) για κάθε κέντρο δράσης στο τέλος του χρονικού διαστήματος (ii). Τα αποτελέσματα που έδωσαν οι υπολογισμοί του δείκτη απόσβεσης έδειξαν ότι σε αυτά τα έξι μη εκρηκτικά κέντρα δράσης ο δείκτης απόσβεσης αποκτά την κρίσιμη τιμή, n_c=1.5, σε ύψη πάνω από 60 Mm, ενώ στα έξι από τα επτά εκρηκτικά κέντρα δράσης ο δείκτης απόσβεσης αποκτά την κρίσιμη τιμή σε ύψη κάτω από 60 Mm. Επομένως, παρόλο που τα κέντρα δράσης διέθεταν σημαντικά ποσά συσσωρευμένης μαγνητικής ελικότητας και ενέργειας δεν έδωσαν CME, διότι το υπερκείμενο μαγνητικό πεδίο παρείχε ισχυρότερο ή πιο εκτεταμένο περιορισμό απ' ό,τι στα εκρηκτικά κέντρα δράσης. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι όπως τα ανεπτυγμένα κέντρα δράσης, που παράγουν μεγάλα φαινόμενα τα αναδυόμενα κέντρα δράσης τείνουν να παράγουν CME, όταν συσσωρεύουν σημαντικά ποσά μαγνητικής ελικότητας και ενέργειας. Οποιαδήποτε μελέτη της εκρηκτικής δραστηριότητάς τους θα πρέπει να εξετάζει τη μαγνητική ελικότητα και ενέργεια ισοβαρώς. Στην εργασία που παρουσιάζουμε στο Κεφάλαιο 4 επικεντρωθήκαμε στη μελέτη της συμβολής της μαγνητικής ελικότητας και ελεύθερης μαγνητικής ενέργειας στην έναρξη εκρηκτικών φαινομένων σε δύο κέντρα δράσης με διαφορετικά χαρακτηριστικά εξέλιξης της μαγνητικής τους μορφολογίας. Χρησιμοποιώντας διανυσματικά μαγνητογράμματα από το ΗΜΙ/SDO και τη μέθοδο μαγνητικής συνδεσιμότητας υπολογίσαμε τη στιγμιαία μαγνητική ελικότητα και ελεύθερη μαγνητική ενέργεια σε δύο κέντρα δράσης, το 11890 και το 11618, που είχαν πολύπλοκη μορφολογία του φωτοσφαιρικού τους μαγνητικού πεδίου. Τα κέντρα δράσης παρήγαγαν πολλές ισχυρές εκρηκτικές εκλάμψεις, ενώ η εξέλιξη του φωτοσφαιρικού τους πεδίου ήταν διαφορετική: το 11890 παρουσίασε κυρίως μεγάλη εξασθένιση μαγνητικής ροής, ενώ το 11618 εμφάνισε κυρίως ανάδυση μεγάλης ποσότητας μαγνητικής ροής. Στο μεγαλύτερο μέρος της εξέλιξής τους και τα δύο κέντρα δράσης διέθεταν σημαντικά ποσά ελεύθερης μαγνητικής ενέργειας καθώς και θετικής και αρνητικής μαγνητικής ελικότητας. Στην πραγματικότητα η ανισορροπία μεταξύ των προσημασμένων συνιστωσών της ελικότητάς τους ήταν τόσο χαμηλή όσο και στον ήρεμο Ήλιο και η ολική ελικότητά τους άλλαξε τελικά πρόσημο 14-19 ώρες μετά την τελευταία τους ισχυρή έκλαμψη. Παρόλα αυτά τα εκρηκτικά φαινόμενα συνέβησαν σε περιόδους, όπου τα τοπικά μέγιστα της ολικής μαγνητικής ελικότητας ήταν συγχρονισμένα με τοπικά μέγιστα της ελεύθερης μαγνητικής ενέργειας. Επίσης οι ποσοστιαίες απώλειες, που σχετίζονται με τις εκρηκτικές εκλάμψεις είναι σημαντικές στην κανονικοποιημένη ελεύθερη μαγνητική ενέργεια, καθώς κυμαίνονται από ~10 μέχρι 60%. Για τη μαγνητική ελικότητα οι απώλειες κυμαίνονται από ~25% έως την αφαίρεση ολόκληρης της πλεονάζουσας ελικότητας με το επικρατέστερο πρόσημο οδηγώντας σε περίπου μηδενική ολική ελικότητα, αλλά με σημαντικά ίσα και αντίθετα ποσά και των δύο προσημασμένων συνιστωσών της. Οι αντίστοιχες τιμές απωλειών μαγνητικής ενέργειας και ελικότητας κυμαίνονται από (0.3-2)*10^32 erg και (1.3-20)*10^42 Mx^2, αντίστοιχα. Επιπλέον η αφαίρεση της αργά μεταβαλλόμενης συνιστώσας (υπόβαθρο) στις χρονοσειρές της ελεύθερης μαγνητικής ενέργειας και της ελικότητας (είτε της ολικής ελικότητας είτε της επικρατούσας προσημασμένης συνιστώσας της ελικότητας) έδειξε ότι όλα τα τοπικά μέγιστα των δύο ποσοτήτων, που σχετίζονται με τα εκρηκτικά φαινόμενα, υπερβαίνουν το επίπεδο 2σ (όπου σ η τυπική απόκλιση) της αποκλιμακούμενης χρονοσειράς τους. Τα αποτελέσματά της μελέτης μας δείχνουν ότι διαφορετικά εξελισσόμενα κέντρα δράσης μπορούν να παράγουν ισχυρές εκρηκτικές εκλάμψεις ακόμη και όταν εκτός από τη συσσώρευση σημαντικών ποσοτήτων ελεύθερης μαγνητικής ενέργειας συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες θετικής και αρνητικής ελικότητας χωρίς τη σημαντική επικράτηση της μίας προσημασμένης συνιστώσας έναντι της άλλης. Στις περισσότερες περιπτώσεις αυτές οι πλεονάζουσες ποσότητες εμφανίζονται ως τοπικά μέγιστα συγχρονισμένα με την εκρηκτική φάση των εκλάμψεων στις χρονοσειρές της ελεύθερης μαγνητικής ενέργειας και της ελικότητας (και των κανονικοποιημένων τιμών τους). Οι αντίστοιχες απώλειες στην κανονικοποιημένη ελεύθερη μαγνητική ενέργεια και μαγνητική ελικότητα μπορεί να είναι πολύ σημαντικές σε συγκεκριμένους χρόνους.