Η αφθονία των στοιχείων και η πηγή των ηλιακών ενεργειακών σωματιδίων

Ο Ήλιος μπορεί να εκπέμψει έντονες εκρήξεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας που μπορούν να γεμίσουν μεγάλο όγκο της ηλιόσφαιρας και να διαρκέσουν αρκετές ημέρες. Τα μεγαλύτερα από αυτά τα συμβάντα ηλιακής ενέργειας σωματιδίων (SEP) επιταχύνονται με γρήγορα κρουστικά κύματα που εκτινάσσονται από τον Ήλιο από εκτοξεύσεις στεφανιαίας μάζας (CME). Αυτά τα κρουστικά κύματα λαμβάνουν τυχαία δείγματα και επιταχύνουν όλα τα χημικά στοιχεία που βρίσκουν καθώς διασχίζουν το ηλιακό στέμμα.

Όταν αυτά τα SEP φτάνουν κοντά στη Γη, μπορούμε να μετρήσουμε τη σχετική αφθονία όλων των χημικών στοιχείων από τα κυρίαρχα H και He, μέσω των ενδιάμεσων C, O και Fe και ακόμη και μέχρι τα βαριά στοιχεία όπως το Pb και το Au. Το θεμελιώδες μοτίβο αφθονίας των στοιχείων στην ηλιακή φωτόσφαιρα τροποποιείται (1) μία φορά καθώς μεταφέρονται στο στέμμα πριν από την επιτάχυνση και (2) ξανά καθώς διασκορπίζονται και απομακρύνονται από το σοκ κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου μετά την επιτάχυνση. Η πρώτη διαδικασία μας λέει για τις φυσικές διεργασίες που σχηματίζουν το στέμμα. η δεύτερη διεργασία μας λέει στην πραγματικότητα τη θερμοκρασία του πλάσματος πηγής που λήφθηκε από το σοκ.

Η ηλιακή φωτόσφαιρα είναι σχεδόν 4000 K έτσι ώστε στοιχεία με πρώτο δυναμικό ιονισμού (FIP) κάτω περίπου 10 eV (π.χ. Mg, Si, Fe) ιονίζονται μεμονωμένα ενώ εκείνα με FIP παραπάνω 10 eV (π.χ. He, O, Ne) είναι ουδέτερα άτομα. Τα κύματα πλάσματος που ρέουν προς τα πάνω στο στέμμα βοηθούν στην ώθηση των ιόντων, αλλά όχι των ουδέτερων, έτσι ώστε το λεγόμενο "φαινόμενο FIP" να μπορεί να οδηγήσει σε ενίσχυση του low-FIP έναντι των στοιχείων high-FIP κατά περίπου 3.  Μία φορά. τα στοιχεία φτάνουν στο στέμμα γίνονται υψηλά ιονισμένο επειδή οι θερμοκρασίες στο στέμμα είναι 1 έως 3 εκατομμύρια βαθμούς Kelvin (MK). Στην πραγματικότητα, η μέση χρέωση Q κάθε στοιχείου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία.

Μετά την επιτάχυνση, τα SEP διασκορπίζονται από μαγνητικές διακυμάνσεις καθώς ρέουν προς τα έξω. Σε μια δεδομένη ταχύτητα, η σκέδαση των ιόντων εξαρτάται από την αναλογία μάζας προς φορτίο A/Q , έτσι ώστε τα ιόντα υψηλής μάζας και χαμηλού φορτίου εξαπλώνονται ταχέως και η αφθονία ενός στοιχείου ενισχύεται σε ορισμένα σημεία και μειώνεται σε άλλα, σε σχέση με την στεφανιαία αφθονία. Έτσι, δεδομένου ότι το Fe διασκορπίζεται λιγότερο από το O, βλέπουμε ότι το Fe/O ενισχύεται νωρίς στα γεγονότα και εξαντλείται αργότερα. Σε οποιοδήποτε μέρος και χρόνο αυτή η ενίσχυση ή η καταστολή σχηματίζει νόμο ισχύος, δηλαδή το αρχείο καταγραφής της βελτίωσης έχει μια απλή γραμμική σχέση με το αρχείο καταγραφής του A/Q . Εφόσον η θερμοκρασία καθορίζει το Q τις τιμές των στοιχείων, μπορούμε να σαρώσουμε για να βρούμε την καλύτερη θερμοκρασία για το παρατηρούμενο μοτίβο βελτίωσης σε ένα συμβάν SEP. Οι θερμοκρασίες στις ενεργές περιοχές του στέμματος είναι υψηλότερες από εκείνες που βρίσκονται σε άλλα μέρη του κορώνα, για παράδειγμα.

Ωστόσο, το στοιχείο He is special, έχει την υψηλότερη τιμή FIP =24,6 eV και ιονίζεται πολύ αργά καθώς μεταφέρεται στο στέμμα. Ορισμένα συμβάντα SEP βρέθηκαν να έχουν κατασταλμένες τιμές του He που δεν ταιριάζουν ούτε στο μοτίβο FIP ούτε στο power-law στο A/Q όλων των άλλων στοιχείων. Αυτά τα συμβάντα μπορούν να ληφθούν δείγματα από νέα κανάλια στο περιθώριο ενεργών περιοχών όπου το He δεν έχει ακόμη φτάσει σε ισορροπία.

Αυτά τα νέα αποτελέσματα για τον He και η νέα τεχνική για τη μέτρηση της θερμοκρασίας αρχίζουν να μας βοηθούν να κατανοήσουμε την πηγή της επιτάχυνσης SEP και τη δομή και τη φυσική του στέμματος. Οι μετρήσεις της αφθονίας των στοιχείων SEP είναι ένα ισχυρό νέο εργαλείο σε αυτή τη διαδικασία.

Αναφορές:

• Reames, D.V.:​​Οι δύο πηγές ηλιακών ενεργειακών σωματιδίων, Space Sci. Rev. 175, 53 (2013) doi:10.1007/s11214-013-9958-9
• Reames, D.V., Temperature of the source plasma in gradual solar energetic particle events, Solar Phys., 291 911 (2016a) doi:10.1007/s11207-016-0854-9 (arXiv:15489).
• Reames D.V., Solar Energetic Particles, Springer, Berlin, (2017) ISBN 978-3-319-50870-2, doi:10.1007/978-3-319-50871-9

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο The Abundance of Helium in the Source Plasma of Solar Energetic Particles, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Solar Physics . Επικεφαλής αυτής της εργασίας ήταν ο Donald Reames από το University of Maryland.