Wetenschap
Langdurige oscillaties beheersen de differentiële rotatie van de zon:studie
Het differentiële rotatiepatroon van de zon houdt wetenschappers al tientallen jaren bezig:terwijl de polen roteren met een periode van ongeveer 34 dagen, roteren de middelste breedtegraden sneller en heeft het equatoriale gebied slechts ongeveer 24 dagen nodig voor een volledige rotatie.
Bovendien heeft vooruitgang in de helioseismologie (dat wil zeggen het onderzoeken van het binnenste van de zon met behulp van akoestische golven van de zon) aangetoond dat dit rotatieprofiel vrijwel constant is over de gehele convectiezone. Deze laag van de zon strekt zich uit van een diepte van ongeveer 200.000 kilometer tot aan het zichtbare zonneoppervlak en is de thuisbasis van gewelddadige omwentelingen van heet plasma die een cruciale rol spelen bij het aandrijven van het magnetisme en de activiteit van de zon.
Hoewel theoretische modellen lange tijd een klein temperatuurverschil tussen de polen van de zon en de evenaar hebben verondersteld om het rotatiepatroon van de zon in stand te houden, is het notoir moeilijk gebleken dit te meten. Waarnemingen moeten immers ‘door de achtergrond van het diepe binnenste van de zon kijken, dat een temperatuur van wel een miljoen graden kan meten. Maar zoals onderzoekers van het Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) laten zien, is het nu mogelijk om het temperatuurverschil te bepalen op basis van de waarnemingen van de langdurige oscillaties van de zon.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .
In hun analyse van observatiegegevens verkregen door de Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) aan boord van NASA's Solar Dynamics Observatory van 2017 tot 2021, richtten de wetenschappers zich op mondiale zonne-oscillaties met lange perioden die kunnen worden waargenomen als wervelende bewegingen aan het zonneoppervlak. Wetenschappers van MPS rapporteerden drie jaar geleden hun ontdekking van deze traagheidsoscillaties. Van deze waargenomen modi bleken vooral de modi op hoge breedtegraden, met snelheden tot 70 km per uur, van grote invloed te zijn.
Om de niet-lineaire aard van deze oscillaties op hoge breedtegraden te bestuderen, voerde het team een reeks driedimensionale numerieke simulaties uit. In hun simulaties transporteren de oscillaties op hoge breedtegraden warmte van de zonnepolen naar de evenaar, waardoor het temperatuurverschil tussen de polen van de zon en de evenaar beperkt blijft tot minder dan zeven graden.
"Dit zeer kleine temperatuurverschil tussen de polen en de evenaar regelt de impulsmomentbalans in de zon en is dus een belangrijk feedbackmechanisme voor de mondiale dynamiek van de zon", zegt MPS-directeur prof. dr. Laurent Gizon.
In hun simulaties beschreven de onderzoekers voor het eerst de cruciale processen in een volledig driedimensionaal model. Vroegere pogingen waren beperkt tot tweedimensionale benaderingen die uitgingen van de symmetrie rond de rotatie-as van de zon.
"Door de niet-lineaire simulaties aan de waarnemingen te koppelen, konden we de fysica van de langdurige oscillaties en hun rol bij het beheersen van de differentiële rotatie van de zon begrijpen", zegt MPS-postdoc en hoofdauteur van het onderzoek, dr. Yuto Bekki.
De oscillaties op hoge breedtegraden van de zon worden aangedreven door een temperatuurgradiënt op een vergelijkbare manier als extratropische cyclonen op aarde. De natuurkunde is vergelijkbaar, maar de details verschillen:‘In de zon is de zonnepool ongeveer zeven graden heter dan de evenaar en dit is genoeg om stromen van ongeveer 70 kilometer per uur over een groot deel van de zon te drijven. enigszins vergelijkbaar met het aandrijven van cyclonen”, zegt MPS-wetenschapper Dr. Robert Cameron.
Het onderzoeken van de fysica van het diepe binnenste van de zon is moeilijk. Deze studie is belangrijk omdat het aantoont dat de langdurige oscillaties van de zon niet alleen nuttige sondes zijn van het binnenste van de zon, maar dat ze ook een actieve rol spelen in de manier waarop de zon werkt. Toekomstig werk zal gericht zijn op een beter begrip van de rol van deze oscillaties en hun diagnostisch potentieel.