Por que a atmosfera do sol é mais quente do que a sua superfície?

De acordo com as estimativas da NASA, o Sol é tão excruciantemente quente que é capaz de derreter uma laje de gelo 2 milhas de comprimento e 1 milha de largura em menos de um segundo!
As temperaturas no cerne da nossa estrela doméstica podem atingir um surpreendente 15 milhões de Kelvin! Na fotosfera – a superfície que é visível para nós – a temperatura é um pouco menor, ainda possui um mamute – até 5800 Kelvin. Portanto, a existência em sua proximidade, se for plausível, seria tremendamente angustiante devido à indisponibilidade ou à não probabilidade de Popsicles e refrigerantes frios. Além disso, devido à ausência de oxigênio e incineração cancerígena grave … mas o mais importante, sorvete.Logicamente, seria de esperar que a temperatura diminua à medida que nos afastamos do núcleo, em direção à superfície, semelhante à diminuição do calor enquanto nos afastamos de uma chama contorcida. Surpreendentemente, este não é o caso. A atmosfera do sol queima-se a uma temperatura de 100 a 400 vezes mais que a sua superfície!

(Foto Crédito: Pixabay)

O fenômeno desconcertou cosmólogos desde que descobrimos essa disparidade ilógica. Apenas dizer que o fenômeno desafia a “lógica” é um eufemismo e, de alguma forma, nega a sensação de consternação que merece merecidamente. Para colocá-lo na perspectiva certa, essa estranheza viola a 2 ª Lei da Termodinâmica – uma das leis mais fundamentais do universo!

A lei impede o fluxo de calor da superfície ardente para a atmosfera. Para dizer que a atmosfera é mais quente do que a superfície equivale a que o ar ambiente seja mais quente do que a própria lâmpada. Sunbelievable! (Desculpa.)

O problema insolúvel é formalmente conhecido como o problema do calor coronal solar, já que a atmosfera é denominada Corona – Latin para uma coroa. Então, o que explica esse fenômeno desconcertante? Os cientistas conseguiram encontrar algumas respostas potenciais. Os dois mais notáveis ​​parecem ser a teoria do aquecimento Wave e a erupção deNanoflares como resultado de reconecções magnéticas.

Teoria do aquecimento das ondas

Inicialmente, os cientistas postularam que a atmosfera era constituída por um novo tipo de elemento exclusivamente encontrado na corona, conhecido como Coronium. No entanto, este não é o caso.

O sol é uma bola furiosa de gás, mas o gás não é comum. O motor do sol é alimentado pela fissão nuclear, que gera energias que rasgam a matéria em seus constituintes elementares. Esta sopa fundida é tecnicamente conhecida comoplasma. As ondas em plasmas são notoriamente difíceis de entender e descrever de forma analítica.

(Foto: Kelvin13 / Wikimedia Commons)

O plasma tende a permitir uma série de ondas, análogas às ondas sonoras no ar, através da sua forma mawkish. Os mais proeminentes são as ondas magneto-acústicas e as ondas de Alfven. O primeiro, como o nome soa, é uma onda de som que é influenciada por um campo magnético, enquanto que o último é um tipo de onda de rádio de baixa frequência que é modificada pela interação com a matéria não convencional no plasma. Então, o Sol não é apenas extremamente quente, mas agora também é incrivelmente alto? Ótimo.

Ambas as categorias de ondas podem ser liberadas pela formação de colunas térmicas e conseqüentes correntes de convecção que se ramificam profundamente na fotossfera. As colunas térmicas solares são semelhantes às colunas térmicas encontradas na Terra – o calor no solo sobe para o ar em colunas. Um fluido aquecido transfere seu calor através de diferentes regiões mais frias por meio de correntes de convecção movendo-se em sua vizinhança.

Desta forma, as ondas podem transportar energia através da atmosfera antes da transição para ondas de choque que dissipam a energia como calor.

Apesar de seu comportamento errático, o pesquisador Thomas Bogdan e seus colegas realizaram simulações e mostraram que as ondas de Alfven podem se transmutar em outros modos de onda na base da coroa, abrindo caminho para grandes quantidades de energia da fotossfera até a atmosfera, onde dissipa-se como calor. No entanto, qualquer evidência substancial ou direta para apoiar esta hipótese ainda não foi reunida.

A primeira observação de tais ondas que se propagam para dentro e através da coroa foi feita pelo Observatório Solar e Observatório Heliosférico de observação solar em torno de 1997. Foi então a primeira plataforma capaz de observar o Sol nos UV extremos por períodos prolongados com astuto fotométrico equipamento.

No entanto, os resultados indicaram que as ondas só contribuíram 10% para a temperatura estimada da atmosfera.

10% ?! Tão perto.

Reconexão magnética e nano flares

O plasma fundido consiste de um grande número de íons carregados ou elétrons e prótons individuais. Como o plasma está em um estado perpétuo de movimento casual, as partículas carregadas também estão sujeitas à sua vacilação. Além disso, de acordo com as leis do eletromagnetismo, eles gerarão vários campos magnéticos.

No entanto, ao contrário dos dipolos regulares, como meu ímã de refrigerador, os campos gerados em plasmas se comportam de forma bastante pouco convencional. Eles viajam com seu próprio conjunto de campos preso no material. Os campos em mudança afetam a forma como as partículas carregadas se movem e vice-versa. Assim, o efeito líquido é um sistema complexo e constantemente adaptável que é altamente sensível a pequenas variações.

(Crédito Phooto: NH2501 / Wikimedia Commons)

O Sol tem um campo magnético geral muito fraco (campo dipolo médio). No entanto, a superfície solar possui campos magnéticos muito fortes e tremendamente complicados. Essa complexidade os torna susceptíveis a um processo muito estranho conhecido como reconexão magnética.

Basicamente, a reconexão magnética ocorre quando um campo magnético se rearranja para se mover para um estado de energia mais baixo ou quando tenta livrar-se de sua complexidade superior e transição para um estado inferior e estável. A quantidade de energia liberada como conseqüência é formidável. O processo é semelhante à geração de um fóton (energia da luz) quando um elétron desce para um nível de energia mais baixo do mais alto.

Sob circunstâncias convencionais, as linhas de campo magnético não mesclaram ou entrelaçam. No entanto, em algumas condições raras, juntamente com o fluxo de ions que pressiona forte de praticamente todas as direções, as linhas de campo podem aproximar-se e reconfigurar suas estruturas inteiras. À medida que as linhas de campo da polaridade oposta se reconectam, a energia magnética é de repente convertida em energia térmica e cinética.

Uma ilustração da reconexão magnética e da força que ele vê usando uma banda de borracha.

Este processo tem sido teoricamente demonstrado que ocorre em camadas finas de apenas algumas milhas de espessura, mas pode acelerar partículas próximas à velocidade da luz e iniciar explosões solares gigantes, as explosões mais poderosas no sistema solar – explosões do tamanho da Terra.

A primeira evidência surgiu quando o EUNIS (Espectrografia de Incidência Normal Ultravioleta Extreme) voou em um vôo de 15 minutos em dezembro de 2013 equipado com um instrumento chamado espectrograma, que pode reunir informações sobre quanto material está presente em uma dada temperatura. O espectrografo detectou a presença de temperaturas extremamente quentes, mas estranhamente, ocorreram na ausência de quaisquer explosões solares colossais.

Parece que as potentes explosões de energia podem ser o resultado de uma série de chamas não observáveis ​​que são muito pequenas para serem detectadas. Esses estímulos imperceptíveis são chamados de chamas Nano, e acredita-se que eles são o principal contribuidor do calor excessivo da corona.

(Crédito da foto: NASA Goddard Space Flight Center / Wikimedia Commons)

Nano flares podem chegar a temperaturas tórridas de cerca de 10 milhões de Kelvin. Eles são chamados deNanono sentido de que eles contribuem com uma bilionésima parte da energia de uma explosão solar explosiva. No entanto, coletivamente, eles podem explicar o aumento da temperatura.

Como o mecanismo subjacente – campos magnéticos – são tão complexos, os cientistas só podem fazer sentido e modelar seu comportamento em computadores e em simulações. As implicações da reconexão foram observadas no espaço, mas o processo real só foi observado diretamente no laboratório.

Muito do que sabemos depende de estudos e modelos teóricos, e é por isso que a idéia de que nano flares são responsáveis ​​pelo aquecimento da corona ainda é bastante controversa. Um entendimento mais rico pode ser alcançado observando as conexões magnéticas de perto. Quero dizer, o pior que poderia acontecer é que estivemos apertando nossos olhos de frente para a luz cega.

Com toda a seriedade, exigiria que os cientistas construíssem uma sondagem que passasse o Sol rapidamente o suficiente para evitar ser imitadamente frito, mas lento e cauteloso o suficiente para coletar dados úteis.

Ou podemos pedir ao Superman que o faça?

Referências:

1. NASA.gov
2. Wikipedia
3. Universidade de Stanford
4. Sociedade Astronômica Americana (AAS)
5. Centro Nacional de Informação Biotecnológica (NCBI)