Immagini Solari Inedite Mostrano Minuscoli Vortici di Plasma, un Mistero Vecchio Decenni!

Il Telescopio Solare Inouye ha catturato mini vortici magnetici sulla superficie solare

Prima osservazione: Per la prima volta, piccoli vortici di plasma magnetizzato sulla superficie del sole sono stati catturati in dettaglio, offrendo agli scienziati una visione diretta di un’instabilità prevista da tempo che potrebbe aiutare a spiegare come il sole accumula e rilascia energia. Utilizzando il Telescopio Solare Daniel K. Inouye della National Science Foundation situato a Maui, un team internazionale ha registrato le immagini più nitide mai ottenute della fotosfera solare. In queste immagini, hanno scoperto numerosi campi densi di strutture simili a vortici lungo i bordi delle regioni magnetiche.

I modelli osservati corrispondono a quelli previsti dalla instabilità di Kelvin-Helmholtz, un effetto indotto dallo shear che si verifica in molti fluidi e plasmi, ma che non era mai stato risolto in dettagli così minuti sulla superficie visibile del sole. I risultati sono stati dettagliati in un nuovo articolo su Nature, basato sullo specchio del telescopio di 4 metri (13 piedi) e su ottiche avanzate che possono risolvere caratteristiche larghe solo decine di chilometri.

Il team si è concentrato su un’area attiva magneticamente vicino a una macchia solare, dove le celle di convezione, o granuli, salgono e scendono costantemente e i campi magnetici sono concentrati. In sequenze temporali, hanno identificato numerosi vortici strettamente spaziati ai confini di queste aree magnetiche.

La distanza tra i vortici – la lunghezza d’onda dell’instabilità – si è rivelata tra i 50 e i 65 chilometri (31 a 40 miglia) sia nei dati del telescopio che nei modelli numerici, una corrispondenza stretta che supporta l’idea che le strutture siano caratteristiche autentiche del plasma, e non artefatti.

L’instabilità di Kelvin-Helmholtz si verifica quando strati adiacenti di fluido o plasma si muovono a velocità diverse, creando shear all’interfaccia. Piccole perturbazioni si sviluppano in movimenti ondulatori o a spirale che possono assomigliare a onde che si infrangono sull’acqua o a bande curve nelle nuvole.

Gli scienziati hanno documentato l’effetto nell’atmosfera e negli oceani terrestri, nelle atmosfere di giganti gassosi come Giove e Saturno, e nell’interazione del vento solare con i campi magnetici planetari. Sul sole, era stata prevista e suggerita nella corona esterna, ma la conferma diretta nella fotosfera richiedeva la risoluzione ora disponibile dal Telescopio Solare Inouye.

“Non è mai stata osservata a quel livello sulla superficie solare,” ha detto il coautore dello studio Friedrich Wöger, un scienziato senior presso l’Osservatorio Solare Nazionale.

Per verificare i loro risultati, i ricercatori hanno confrontato le immagini del telescopio con simulazioni magnetoidrodinamiche ad alta risoluzione della fotosfera utilizzando il codice MURaM. Queste simulazioni, sviluppate da team presso l’NSF NCAR High Altitude Observatory e il Max Planck Institute for Solar System Research, risolvono la fisica fondamentale del flusso di plasma, radiazione e campi magnetici. In entrambi i dati simulati e osservati, i modelli frastagliati ai confini magnetici si sono trasformati in strutture vorticose simili con spaziature e movimenti comparabili.

Il lavoro suggerisce che questi piccoli vortici possono avere un ruolo più che locale. Le strutture di Kelvin-Helmholtz possono mescolare plasma magnetizzato e non magnetizzato in modo efficiente, accelerando la diffusione dei campi magnetici attraverso l’atmosfera solare inferiore.

L’analisi indica che i mini-vortici aiutano a diffondere il flusso magnetico verso l’esterno dai bordi dei granuli, un processo che potrebbe alimentare i modelli del dinamo solare e del ciclo magnetico solare di 11 anni.

Il dottor David Kuridze, un astronomo presso l’Osservatorio Solare Nazionale, spiega che il campo magnetico del sole proviene dai processi dinamo che convertono la rotazione della stella in energia magnetica, ma tale energia deve diffondersi rapidamente per corrispondere al ciclo solare relativamente breve di 11 anni. Afferma che i modelli attuali hanno difficoltà a spiegare la rapidità con cui ciò avviene, e che l’instabilità di Kelvin-Helmholtz trovata nella fotosfera potrebbe essere una fonte importante della diffusione magnetica supplementare che è mancata in quelle spiegazioni.

I risultati si collegano anche a questioni riguardanti il riscaldamento della corona e eventi esplosivi come nanofiamme, grandi eruzioni e espulsioni di massa coronale. Un’idea principale, chiamata intrecciamento di flusso, sostiene che le linee del campo magnetico sono attorcigliate e intrecciate dai movimenti sottostanti finché non si riconnettono e rilasciano energia accumulata.

Quello che non era chiaro è come questo attorcigliamento sia guidato su piccole scale. Poiché i nuovi vortici appaiono ovunque campi magnetici forti incontrano flussi di shear dalla granulazione, il team sostiene che possono agire come un motore costante, spingendo la torsione nel campo magnetico e aiutando a spostare l’energia verso l’alto.

In seguito, gli scienziati prevedono di utilizzare strumenti automatizzati di riconoscimento dei modelli per tracciare le firme di Kelvin-Helmholtz su set di dati più ampi dal telescopio Inouye. Effettuando osservazioni a lungo termine ad alta cadenza attraverso questi algoritmi, sperano di misurare quanta energia le instabilità trasportano negli strati superiori dell’atmosfera solare e quanto influenzano la diffusione del campo magnetico nel tempo.

Questi risultati sono attesi per affinare i modelli di meteorologia spaziale usati per anticipare le eruzioni e le espulsioni di massa coronale che possono interrompere reti elettriche, satelliti, GPS e comunicazioni.

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