Güneş rüzgârı

Güneş rüzgârı, Güneş'in üst atmosferinden yayılan bir plazma dalgasıdır. Büyük çoğunluğu, enerjileri genellikle 1,5 ve 10 keV arası olan elektronlar, protonlar ve alfa parçacıklarından oluşur. Bu parçacık akımının yoğunluk, sıcaklık ve hız nicelikleri zamana ve Güneş'in boylamına göre değişkenlik gösterir. Bu parçacıklar, Güneş tacının yüksek sıcaklığından gelen yüksek enerjileri ve maruz kaldıkları manyetik, elektriksel ve elektromanyetik fenomen sayesinde Güneş'in kütle çekiminden kurtulabilirler.
Güneş rüzgârı süpersonik bir şekilde dışarıya doğru uzak mesafelere doğru yayılarak, yıldızlararası maddeyle çevrili devasa hacimdeki balonumsu bir alan olan heliosferi doldurur. Bu konuyla bağlantılı diğer fenomenler arasındaysa; kutup ışıkları (Kuzey ve Güney ışıkları), kuyrukluyıldızların her zaman Güneş'ten dışarıya doğru olan plazma kuyrukları ve manyetik alan çizgilerinin yönünü değiştirip Dünya'daki güç şebekelerinde güçlü akımları oluşturabilen jeomanyetik fırtınalar yer almaktadır.

Tarihçe

Güneş'ten dışarıya doğru çıkan devamlı parçacık dalgalarının var olduğu düşüncesi ilk olarak İngiliz astronom Richard C. Carrington tarafından ortaya atılmıştır. 1859'da, Carrington ve Richard Hodgson bağımsız bir şekilde daha sonra Güneş patlaması adı verilen gözlemler yaptılar. Bu, Güneş'in atmosferinden gelen ani enerji patlamasıdır. Ertesi gün, bir jeomanyetik fırtına gözlemlendi ve Carrington bu iki olay arasında bir bağlantı olduğundan şüphelendi. George FitzGerald daha sonra, maddenin, Güneş'ten uzağa doğru düzenli olarak ivmelendiğini ve birkaç gün sonra da Dünya'ya ulaştığını öne sürdü.
1910 yılında İngiliz astrofizikçi Arthur Eddington, Comet Morehouse'daki bir makalenin dipnotunda, temel bir şekilde ve isim vermeden Güneş rüzgârının varlığını öne sürdü. Eddington ayrıca bir önceki yıl Royal Institution adresinde benzer bir tahmin yapmış olmasına rağmen bu fikir hiçbir zaman tam olarak kavranamadı. Sonraki durumda, Comet Morehouse çalışmalarında, dışarıya fışkıran bu materyalin, içerisinde iyon olduklarını düşündüğü elektronlar içerdiği fikrini ortaya attı. Bunların her ikisi de olduğu fikrini öne süren ilk kişi ise Norveçli fizikçi Kristian Birkeland'dı. Birkeland'ın jeomanyetik araştırmaları da auroral aktivitelerin kesintisiz olduğunu gözler önüne serdi. Bu görüntüler ve diğer jeomanyetik aktivite, Güneş'ten gelen parçacıklar tarafından üretildiğinden, Dünya'nın sürekli bir şekilde " Güneş'ten gelen elektrik parçacıklarından oluşan ışınlar" tarafından bombalandığı sonucuna vardı. 1916 yılında, Birkeland “ Fiziksel bir bakış açısından, bu Güneş ışınları sadece negatif veya pozitif ışınlar değil, her iki türdendirler.” düşüncesini öne sürdü. Başka bir deyişle, Güneş rüzgârları hem negatif elektronlar, hem de pozitif iyonlar içerir. 3 yıl sonra 1919'da, Frederick Lindemann da, her iki polaritedeki parçacıkların, protonların da tıpkı elektronlar gibi Güneş'ten geldiğini öne sürdü.
1930'lu yıllarda bilim adamları, bu solar koronaların sıcaklıklarının, uzayın içerisinde gittikleri yollardan dolayı bir milyon Celcius olduğunu saptadılar (tam tutulmalarda görüldüğü gibi). Daha sonra spektroskopik çalışmalar da bu olağandışı sıcaklığı doğruladı. 1950'li yılların ortalarında İngiliz matematikçi Sydney Chapman, böyle bir sıcaklıktaki gazın özelliklerini hesapladı ve çok iyi bir süper iletken olduğu için Dünya'nın yörüngesinden öteye doğru bir yol izlemesi gerektiğini kararlaştırdı. Yine 1950'lerde, Alman bir bilim adamı olan Ludwig Biermann, bir kuyrukluyıldız, Güneş'e doğru veya Güneş'ten uzağa doğru gidiyor olsa da kuyruğunun her zaman Güneş'ten uzağa doğru yönlenmesi durumuna merak saldı. Biemann bu durumun sebebinin, Güneş'in dışarıya doğru, parçacıklardan oluşan sabit bir dalga yaymasından dolayı kuyrukluyıldızların kuyruklarının bu dalgalardan dolayı dışarıya doğru olması gerektiğini öne sürdü. Wilfried Schröder, Who First Discovered the Solar Wind? adlı kitabında, Alman astronom Paul Ahnert'in Whipple-Fedke (1942g) kuyrukluyıldızı üzerindeki araştırmalarına dayanarak, bir Güneş fırtınası ile kuyrukluyıldız kuyruğunun yönünün birbiri ile alakalı olduğunu öne süren ilk kişi olduğunu ortaya koymaktadır.
Eugene Parker, Chapman'ın modelinde Güneş'te yayılan ısının ve Bermann'ın hipotezindeki kuyrukluyıldızın kuyruğunun dışarıya doğru olması durumunun aynı fenomenin sonucu olması gerektiğini fark etti ve bu terimi "Güneş fırtınası" olarak isimlendirdi. 1958'de Parker, Güneş'in koronasının Güneş'in kütle çekiminden güçlü bir şekilde etkileniyor olmasına rağmen yine de ısıyı, uzak mesafelerde halen çok sıcak olmasında rağmen, iyi ileten bir iletken olduğunu gösterdi. Güneş'ten olan uzaklık arttıkça kütle çekimi azalığı için, dışarı koronal atmosfer süpersonik bir şekilde yıldızlararası uzaya doğru kaçar. Bunun da ötesinde, yerçekiminin azalması etkisinin, bir de Laval başlığı (ses altıdan süpersonik akışa dönüşümü tetikler) gibi aynı şekilde hidrodinamik akış üzerinde de etkisi olduğunu fark eden ilk kişi Parker'dı.
Parker'ın Güneş rüzgârı hipotezine muhalefet güçlüydü. Parker'ın 1958 yılında Astrophysical Journal'a sunduğu kâğıt iki yorumcu tarafından şiddetle reddedildi. Bu kâğıt, editör Subrahmanyan Chandrasekhar (daha sonra 1983 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı) tarafından kurtarıldı.
Ocak 1959'da, Sovyet uydusu Luna 1 ilk doğrudan Güneş rüzgârı gözlemiş ve gücünü ölçülmüştür. Bu rüzgârlar yarıküre iyon tuzakları ile tespit edilmiştir. Konstantin Gringauz tarafından yapılan keşif, Luna 2, Luna 3 tarafından ve daha uzakta olan Venera 1 ölçümleri ile doğrulanmıştır. Üç yıl sonra kendi ölçümleri Mariner 2 uzay aracı kullanan Amerikalılar (Neugebauer ve iş arkadaşları) tarafından gerçekleştirilmiştir.
1990'ların sonlarında SOHO uzay aracı üzerindeki Ultraviyole koronal Spektrometre (UVCS) cihazı Güneş'in kutuplarından kaynaklanan hızlı Güneş rüzgârının ivmelenme bölgesini gözlemledi ve bu rüzgârın, yalnız başına termodinamik genişlemeden daha hızlı hızlandığını buldu. Parker'ın modeli, rüzgârın fotosferden yaklaşık 4 Güneş yarıçapı rakımda süpersonik akışına geçiş yapması gerektiğini öngördü; ancak bu geçiş (veya "ses noktası"), belki de fotosferden sadece 1 Güneş yarıçapı yukarıda, bazı ek mekanizmaların da bu Güneş rüzgârını Güneş'ten uzağa hızlandırdığı düşünüldüğünde, çok daha düşük görünüyor. Hızlı rüzgârın ivmelenmesi hala tamamen anlaşılmış değildir ve Parker'ın teorisi ile bütün bir halde izah edilemez. Fakat bu hızlanma için olan yerçekimi ve elektromanyetik açıklamalar daha önce Hannes Alfvén'in 1970 Nobel ödülü kağıdında detaylı bir şekilde anlatılmıştır.
Kapalı ve açık alan çizgileri dahil, Güneş koronasında oluşan Güneş rüzgârının ilk sayısal simülasyonu, 1971 yılında Pneuman ve Kopp tarafından gerçekleştirildi. Sabit durumdaki manyetohidrodinamik denklemleri, bir başlangıç dipolar dizilimiyle başlayıp iteratif bir şekilde çözüldü.
1990 yılında, Ulysses probu kutuplara yakın yerlerdeki Güneş rüzgârlarını inceleme için çalıştırıldı. Bütün öncelikli gözlemler Güneş Sistemi'nin tutulum düzlemlerinde yapıldı.

Yayılım

Güneş rüzgârlarının eski modelleri, materyalleri ivmelendirmek için temel olarak termal enerjiyi kullanırken 1960'larda Güneş rüzgârının yüksek hızının tek sebebinin termal ivmelenme olmadığı açıktı. Bilinmeyen ek bir ivmelendirme mekanizması gerekliydi ve bu ivmelendirme Güneş atmosferindeki manyetik alanlarla ilişkiliydi.
Güneş'in koronası, veya genişletilmiş dış tabakası, plazmanın bir milyon Celciusun üzerindeki derecelere kadar ısıtıldığı bir bölgedir. Termal çarpışmaların bir sonucu olarak, iç koronadaki parçacıkların menzil ve dağılım bakımına olan hızları Maxwellian dağılımıyla tanımlanmaktadır. Bu parçacıkların ortalama hızı yaklaşık olarak 145 km/sn ve bu hız solar kurtulma hızı olan 618 km/sn'den düşüktür. Fakat parçacıkların pek bir azı kaçış hızı olan 400 km/sn'ye varabilecekleri enerjilere ulaşırlar ve bu, Güneş rüzgârlarını beslemelerini sağlar. Aynı sıcaklıkta elektronlar, çok daha küçük kütlelerinden dolayı, kaçış hızına ulaşır ve Güneş'ten uzaktaki iyonları ve yüklü atomları hızlandıran bir elektrik alan oluşturur.
Güneş rüzgârı tarafından Güneş'ten taşınan parçacıkların toplamı yaklaşık olarak saniye başına 1,3×10³⁶'dır. Bu sebeple, sene başına düşen toplam kütle kaybı yaklaşık olarak (2-3)×10⁻¹⁴ Güneş kütlesidir veya saniye başına bir milyar kilogramdır. Bu, her 150 milyon yılda Dünya'nın kütlesine eşit miktarda kütle kaybına eşittir. Fakat Güneş'in sadece %0,01'i Güneş rüzgârlarıyla kaybedilmiştir. Diğer yıldızların çok daha güçlü yıldızsal rüzgârları vardır ve bu rüzgârlar çok daha belirgin miktarda kütle kayıplarına sebep olur.

Bileşenler ve Hız

Güneş rüzgârı sırasıyla, yavaş Güneş Rüzgârı ve Hızlı Güneş rüzgârı olmak üzere iki bileşene ayrılmıştır. Yavaş Güneş rüzgârı 400 km/sn hıza, 1,4–1,6×10⁶ K sıcaklığa ve koronaya yakın eşdeğerlikte bir kompozisyona sahiptir. Buna karşın, Hızlı Güneş rüzgârı 750 km/sn hıza, 8×10⁵ K sıcaklığa ve Güneş'in fotosferine yakın eşdeğerlikte bir kompozisyona sahiptir. Yavaş Güneş rüzgârı, hızlı Güneş rüzgârına kıyasla iki kat yoğunluğa sahip olmakla beraber yoğunluk bakımına daha fazla değişkenlik gösterir. Yavaş rüzgâr ayrıca türbülans alanları ve geniş ölçülü yapılarıyla beraber çok daha kompleks bir yapıya sahiptir.
Görünüşe göre yavaş Güneş rüzgârı, Güneş'in "flama kemeri" denilen bir bölgesinden kaynaklanmaktadır. koronal flamalar kapalı manyetik döngüler boyunca iç plazmanın taşıyarak, bu bölgeden dışarıya doğru uzanır. 1996 ve 2001 yılları arasındaki Güneş gözlemleri, yavaş Güneş rüzgârı salınımlarının, solar minimum (Solar aktivitenin en düşük olduğu dönem) sırasında ekvator etrafındaki 30–35° enlemleri arasında oluştuğunu ve minimum azaldıkça da kutuplara doğru genişlediğini göstermiştir. Solar maksimum zamanında, kutupların da yavaş Güneş rüzgârı yaydıkları tespit edilmiştir.
Hızlı Güneş rüzgârının ise taç küre deliği denilen, Güneş'in manyetik alanındaki huni benzeri açıklıklardan kaynaklandığı düşünülmektedir. Böyle açık çizgiler Güneş'in manyetik kutupları çevresinde özellikle yaygındır. Plazma kaynağı, Güneş atmosferinde taşınım hücreleri tarafından oluşturulan küçük manyetik alanlardır. Bu alanlar plazmayı sınırlar ve sadece 20.000 kilometre fotosfer yukarıda bulunan koronal hunilerin dar boyunlarına içine taşırlar. Plazma, bu manyetik alan çizgileri yeniden bağlandığı zaman tekrar bu huni içine salınır.

Güneş rüzgârı basıncı

Rüzgâr, belirtilen menzil dışında değişkenlik göstermesine rağmen 1-6 nPa (1–6×10⁻⁹ N/m²) menzilinde 1 AU basınç uygular.
Dinamik basınç hız ve yoğunluğa bağlı bir fonksiyondur. Formülü:
P = 1.6726×10⁻⁶ * n * V²
ve bu denklemde P, nPa (nano Paskal) birimindedir ve n, parçacık/cm³ biriminde yoğunluğu temsil eder. V ise, Güneş rüzgârının km/sn birimindeki hızıdır.

Güneş Sistemi üzerindeki etkileri

Güneş'in yaşam süresi üstünde, Güneş'in yüzey katmanlarının kaçan Güneş rüzgârlarıyla olan etkileşimleri, yüzey dönüş oranını görülür miktarda azalttı. Rüzgâr, Güneş'in radyasyonuyla beraber kuyrukluyıldızların kuyruklarından sorumlu tutuldu. Güneş rüzgârı, gezegenler arası ışık titremesi etkisi ile Dünya üzerinde gözlemlenmiş devasa boyutta radyo dalgalarında dalgalanmalara sebep olmuştur.

Atmosferler

Güneş rüzgârı, gezegenlerin atmosferine gelip etkileşime giren kozmik ışınları etkilerler. Dahası, manyetosferi zayıf veya hiç olmayan gezegenler, Güneş rüzgârı tarafından atmosferik soyulmaya daha yatkındırlar.
Güneş Sistemi'nde Dünya'ya en yakın ve en benzer gezegen olan Venüs'ün atmosferi, jeo-manyetik alanı çok küçük veya hiç olmaksızın, Dünya'nınkine göre 100 kat daha yoğundur. Modern uzay araştırmaları Dünya'nın yörüngesine uzanan kuyrukluyıldız benzeri bir kuyruk keşfetmişleridir.
Dünya, çoğu yüklü iyonu saptırabilen manyetik alanı sayesinde Güneş rüzgârlarından büyük bir oranda korunmaktadır; fakat bazı yüklü parçacıklar Van Allen radyasyon kuşağında hapsolmuştur. Güneş rüzgârından gelen az miktarda parçacıklar, elektromanyetik enerji aktarımı çizgisi üzerinde yolculuk yaparak Dünya'da auroraların olduğu alanlardaki üst atmosfer ve iyonosfere gelirler. Dünya'da Güneş rüzgârlarının gözlenebildiği tek zamanlar Dünya'nın auroraları ve jeomanyetik rüzgârları üretebilecek kadar güçlü olduğu zamanlardır. Parlak Auroralar iyonosferi güçlü bir şekilde ısıtırlar ve bu, plazmanın manyetosfere doğru genişlemesine, plazma jeosferin büyüklüğünün artmasına ve atmosferik materyalin Güneş rüzgârına doğru kaçmasına sebep olur. Jeomanyetik fırtınalar, manyetosfer içinde bulunan plazmaların basınçları, jeomanyetik alanı deforme için yeterli büyüklüğe kadar şiştiğinde oluşur.
Mars, Merkür'den büyük ve Merkür'ün Güneş'e olan uzaklığına kıyasla kendisinin Güneş'e olan uzaklığı, bu uzaklığın dört katıdır ve burada hala Güneş rüzgârının bu gezegenin atmosferini üç katına kadar soyduğu düşünülmekte, bunun da Dünya'nın atmosferine oranla yüzde bir oranda bir yoğunluğa kadar düşürdüğü öne sürülmektedir. Atmosferik soymadaki mekanizmanın, Güneş rüzgârları tarafından alınmış olan, manyetik alan baloncuklarının içerisindeki gazlardan oluştuğu düşünülmektedir.

Gezegen yüzeyleri

Güneş'e en yakın gezegen olan Merkür, Güneş rüzgârlarının bütün darbesini alır ve atmosferi artık geçirgendir ve bu sebeple de yüzeyi radyasyona maruz kalmaktadır.
Merkür'ün yapısal bir manyetik alanı vardır, bu sebeple normal Güneş rüzgârı durumu altında rüzgâr, gezegen etrafındaki manyetosferden içeriye giremez ve parçacıklar sadece zirve alanlardaki yüzeylere ulaşabilirler. Fakat koronal kütle salınımları sırasında, manyetopoz gezegenin yüzeyi içerisine doğru baskılanabilir ve bu şartlar altında, Güneş rüzgârı özgürce gezegenin yüzeyiyle etkileşim içerisine girebilir.
Dünya'nın uydusu Ay'ın, atmosferi veya kalıcı bir manyetik alanı yoktur ve Güneş rüzgârları tarafından rastgele bir şekilde bombardımana uğramaktadır. Apollo Projesi görevleri, pasif alüminyum toplayıcılarını Güneş rüzgârından örnek almak için saçıldı ve üzerinde çalışılmak için getirilen ay toprağı da, ay regolitinin Güneş rüzgârından arta kalmış atomik çekirdeğinden bol miktarda olduğunu doğruladı. Bu elementlerin ileriki Ay kolonileri için yararlı olabileceği bir spekülasyon konusu da olmuştur.

Dış limitler

Güneş rüzgârı, yıldızlararası maddeye (galaksiyi süzen hidrojen ve helyumun seyrekleştirildiği alan) "bir kabarcık üfler". Güneş rüzgârının yıldızlararası maddeyi geriye itecek kadar güçlü olmadığı yer heliyopoz olarak bilinir ve genelde Güneş Sistemi'nin dış sınırları olarak da bilinir. Heliyopoza olan uzaklık tam olarak bilinmemektedir ve muhtemelen Güneş rüzgârının anlık hızına ve yıldızlararası medyumun bölgesel yoğunluğuna göre çeşitlilik göstermektedir, fakat Plüton'un yörüngesinden daha dışarda olduğu bilinmektedir. Bilimadamları, Ekim 2008'de devreye giren Interstellar Boundary Exploler(IBEX) görevi sayesinde alınan veiler ile heliyopoz hakkında daha çok perspektif elde etmeyi umuyorlar.