» » Портрет хромосферы

Портрет хромосферы

Портрет хромосферы

На этой фотографии солнца, сделанной через кальциевый фильтр Ca-K, мы видим портрет хромосферы — средней части солнечной атмосферы (см. Звёздная атмосфера). фотография заняла призовое место в категории «Наше солнце» на конкурсе Astronomy Photographer of the Year 2017, проводимом Гринвичской обсерваторией. фото инвертировано, то есть представляет собой негатив: края солнечного диска более светлые, центр темный (в действительности всё наоборот, см. задачу Светящийся шар). Яркие области с темными ореолами — это солнечные пятна, в действительности они выглядят темнее окружающей поверхности, так как температура в них примерно на полторы тысячи градусов ниже.

Этот снимок сделан в полосе пропускания кальциевого фильтра Ca II K-line — одной из спектральных линий кальция (см. Specific Emission line filters). Каждый химический элемент имеет свой собственный набор спектральных линий, на которых он излучает или поглощает при переходе своих электронов между энергетическими уровнями. В солнечной атмосфере имеется ионизированный кальций, и одна из его линий излучения — Ca II K-line или Ca-K — является одной из самых сильных и заметных в спектре хромосферы.

Астрофотографии, как правило, делаются монохромными для большей четкости изображения. Это фото раскрашено в фиолетовый цвет, как наиболее близкий к почти ультрафиолетовой полосе пропускания использованного фильтра (линия Ca II K — 393,3 нм, граница видимого диапазона обычно считается равной 380–400 нм).

Солнечная атмосфера традиционно подразделяется на три основных слоя — фотосферу, хромосферу и солнечную корону (внешний слой, в который в англоязычной литературе иногда включают также гелиосферу). Слои отличаются друг от друга по физическим характеристикам, но определить их четкие границы и даже договориться об их глубине довольно сложно. Например, толщину фотосферы — внутреннего и самого тонкого слоя, в котором формируется солнечное излучение, — указывают от 100 до 500 км, а хромосферы — от 10 до 15 тысяч км.


Портрет хромосферы

Схема строения солнца. Слои атмосферы отличаются по своим физическим характеристикам. Например, средняя плотность фотосферы — 10−9 г/см3, температура невысока — от 4,5 (в солнечных пятнах) до 10 тысяч К (кельвин), она непрозрачна, водород не ионизирован. Хромосфера же отличается меньшей плотностью — 10−13–10−15 г/см3, ростом температуры к границе с короной, постепенной ионизацией водорода и гелия, прозрачностью. Рисунок со страницы Роскосмоса во ВКонтакте


Хромосфера представляет собой слой атмосферы, состоящий из разреженных водорода, гелия и небольшого количества других элементов — металлов (железа, кальция, магния и пр.), кремния, углерода и других, находящихся в газообразном состоянии. Ее плотность в среднем в 10 000 раз меньше плотности фотосферы. Низкая плотность делает хромосферу объектом, который невозможно увидеть, просто смотря на солнце в телескоп. Из-за своей разреженности она практически прозрачна (за исключением линий излучения атомов элементов, входящих в ее состав) и обладает гораздо меньшей яркостью, чем фотосфера, создающая образ солнца, и потому полностью затмевается ее светом.

Если бы можно было как-то отсечь фотосферу, «прикрыть ее ладошкой», то мы увидели бы красновато-фиолетовый свет хромосферы, за что она и получила свое название: хромосфера — «цветная сфера». На практике роль ладошки может выполнить Луна — при удачном стечении обстоятельств, когда ее видимый угловой размер в точности совпадает с размером фотосферы, во время полного солнечного затмения можно увидеть окружающую черный диск Луны розовую хромосферу.


Портрет хромосферы

Хромосфера видна как тонкая розовая полоса вокруг диска Луны во время солнечного затмения 2005 года. фото © Miloslav Druckmuller с сайта zam.fme.vutbr.cz


Но есть способ отсечь свет фотосферы и немеханическим путем — применить оптический фильтр, пропускающий только свет, идущий из хромосферы. Например, кальциевый фильтр Ca-K. Это дает возможность увидеть портрет хромосферы, ее структуру и идущие в ней процессы. Этот способ основан на некоторых особенностях солнечного спектра (подробнее см. картинку дня Солнечный спектр).

Весь видимый нами свет солнца излучается фотосферой: фотоны из солнечных недр до нас не доходят, а лежащие выше фотосферы атмосферные слои почти прозрачны и в ее свете незаметны. Видимый спектр излучения фотосферы сплошной, что легко увидеть, разложив солнечный луч в стеклянной призме (или в капле воды) и получив при этом радугу. Но его пересекает множество темных полос — это так называемые линии поглощения или, как называют линии поглощения солнца, фраунгоферовы линии. На спектрограмме ниже можно увидеть линии поглощения однократно ионизированного кальция Ca II — это линии K и H на длинах волн 393,3 и 396,8 нм. То есть если взять оптический фильтр, который будет пропускать только свет с длиной волны строго 393,3 нм (напомним, это линия Ca II K-Line или просто Ca-K), то свет фотосферы будет уже не таким ярким — часть его будет поглощена кальцием, содержащимся в ней.


Портрет хромосферы

Видимый спектр фотосферы с темными полосами фраунгоферовых линий. фотосфера состоит на 99% из водорода и гелия и на 1% из кислорода, железа, кальция и еще целой плеяды элементов, каждый из которых имеет свой собственный спектр поглощения — набор частот, на которых атом элемента поглощает проходящий свет. Из-за этого на данных частотах света становится много меньше, чем в проходящем потоке, и на сплошном спектре появляются вот такие темные промежутки, или провалы — это слово кажется особо удачным, если посмотреть на соответствующую спектру гистограмму внизу. У каждого элемента эти линии свои и они неизменны. Например, под литерой D расположен так называемый «дублет натрия» — пара полос на длине волн 589,0 и 589,6 нм. На этих линиях всегда поглощает (и излучает) только натрий и больше никто. Изображение с сайта jazzistentialism.com


Хромосфера же, будучи в основном прозрачной, на частотах некоторых входящих в ее состав элементов излучает сама. Например, на тех же длинах волн 396,8 нм и 393,3 нм однократно ионизированного кальция. То есть в этом диапазоне свет фотосферы оказывается «приглушенным» из-за линий поглощения, а хромосфера на этих же волнах излучает сама, передавая тем самым информацию о своем строении. Таким образом, к нам в наш телескоп с установленным на нем кальциевым фильтром будет приходить свет из хромосферы. Конечно, кальций, находящийся в фотосфере, тоже излучает. Но он не станет помехой — оптическая толщина (то есть показатель поглощения среды) хромосферы на этой длине волны такова, что свет от фотосферного кальция до нас просто не дойдет: хромосфера его не пропустит. И это дает возможность отсечь свет фотосферы не только «ладошкой» — фильтр, пропускающий строго полосу излучения только кальция, даст картину хромосферы в этом диапазоне.

Что же удается увидеть на этом портрете? Хорошо видна так называемая хромосферная сетка — паутина из светлых (на этом фото — темных; напомним, что изображение инвертировано) извивающихся линий, образующих множество ячеек по всей поверхности. При спокойном солнце (в отсутствие солнечной активности) большая часть хромосферы, видимой в Ca-K-фильтре, выглядит как такая яркая сетчатая картина ячеек неправильной формы. Их размер составляет около 30–35 тысяч км, а средняя продолжительность жизни составляет около 20 часов. Линии, образующие хромосферную сеть, примерно соответствуют границам ячеек супергрануляции.


Портрет хромосферы

На этом увеличенном фрагменте главного фото выделены границы нескольких ячеек хромосферной сетки. Справа, для сравнения, тот же фрагмент оставлен нетронутым


Более яркие и протяженные волокнистые структуры хромосферной сетки — это флоккулы (со сравнительно недавних пор более употребимым становится название «пляжи» — plages). Флоккулы также практически не видны в обычном белом свете и проявляются лишь через узкополосные фильтры, например, водородный или кальциевый. Они соответствуют фотосферным факелам(ярким зонам, окружающим солнечные пятна), однако значительно превосходят их по размерам — могут достигать размеров в сотни тысяч километров. Это делает их хорошими маркерами магнитных процессов на солнце — они проявляются там, где напряженность магнитного поля превышает 5 эрстед (для сравнения — напряженность магнитного поля на Земле, в районе экватора, примерно 0,35 Э), и с повышением напряженности растет и яркость флоккул.


Портрет хромосферы

Увеличенный фрагмент главного фото с отмеченными флоккулами


Солнечные пятна (темные области на солнце) на самом деле не так уж темны, просто они темнее расположенных рядом участков солнечной поверхности. Аномалии магнитного поля в таких местах фотосферы приводят к тому, что конвекция солнечного вещества, поднимающая из глубин на поверхность новые горячие массы, приостанавливается и пятно остывает; температура пятен, как правило, на 1500–2000 К ниже соседних участков (см. Самое сильное магнитное поле на солнце нашлось там, где не ждали, «Элементы», 01.02.2018). Это отражается и на областях хромосферы, расположенных над пятнами. В строении пятна выделяют центральную, темную часть — umbra (от латинского «тень»), диаметром 10–20 тысяч км, и окружающую ее penumbra («полутень»), диаметром 30–40 тысяч км. Полутень — это место, где напряженность магнитного поля имеет меньшее значение, чем в тени, и направлена уже не перпендикулярно к поверхности солнца, а под углом.

Вокруг пятна находится яркое кольцо (bright ring). Кольца теплее, чем окружающая фотосфера, и простираются по крайней мере на один радиус солнечного пятна от полутени. На фото видны также крошечные пятна без развитой полутени — поры, развивающиеся внутри активной зоны. Они обычно относительно недолговечны, но могут развиться в полутень и стать полностью развитым пятном. Активные области (группы пятен) содержат от одного до полутора сотен пятен и могут существовать до 60 дней.


Портрет хромосферы

Увеличенный фрагмент главного фото с обозначенными порами, солнечными пятнами, тенью (umbra), полутенью (penumbra) и ярким кольцом (bright ring)


Эти объекты в хромосфере появляются из-за влияния соответствующих объектов фотосферы, то есть представляют собой их проекции, эхо. С высотой условия в хромосфере меняются: растет температура, уменьшается плотность. Это приводит к тому, что объекты в ней изменяются (флоккулы, например, становятся больше, «размазанней» и ярче).

Некоторые тонкости спектра кальциевых линий позволяют получать картину с разных высот, из разных слоев хромосферы. Дело в том, что полоса пропускания кальциевого фильтра Ca-K, несмотря на ее малость и узость, подразделяется еще на три диапазона — K1, K2 и K3, представляющих собой уширение полосы основного значения 3933,68 A (ангстрем). Связано это с тем, что при определенных обстоятельствах полоса расширяется и на этом расширении имеет свои локальные пики и провалы.


Портрет хромосферы

Локальные минимумы, расположенные в половине ангстрема от основного значения 3933,68 A, именуются K1V — минимум со стороны фиолетовой (violet) части спектра, и K1R — со стороны красной (red). Аналогично поименованы локальные максимумы K2. Рисунок из книги H. M. Antia, A. Bhatnagar, P. Ulmschneider, 2003. Lectures on Solar Physics


Наличие диапазонов K1–K3 можно объяснить на примере электрической дуги. Невысокая плотность паров кальция на краю дуги (в верхней части правого снимка, приведенного ниже) дает картину, близкую к узкому линейчатому спектру кальция. В центральной же части дуги (нижняя часть снимка) плотность паров кальция высока и его спектр всё более начинает походить на полосатый спектр молекулярного, а не атомарного газа. Узкая темная полоса в середине объясняется более разреженными и холодными парами, находящимися уже за пределами центральной части дуги, в ее внешней части. Они «перехватывают» идущий от центра свет, выступая в роли линейчатого спектра поглощения атомарного кальция.

Аналогичная картина наблюдается и в хромосфере. На высоте около 500 км над поверхностью фотосферы кальций дает широкую, но темную из-за невысокой температуры полосу. Так как температура хромосферы с высотой растет, полоса кальция на высотах, близких к 1000 км, становится яркой, оставаясь при этом широкой из-за высокой плотности (пики K2). Разреженные пары кальция на высотах порядка 2000 км дают линейчатый спектр, который, будучи в силу разреженности менее интенсивным, выступает в роли спектра поглощения (минимум К3).


Портрет хромосферы

На графике слева видно, с какой высоты поставляется информация в том или ином К-диапазоне. Внизу по оси абсцисс отложена высота над поверхностью фотосферы в километрах. Слева, на оси ординат, указана соответствующая этой высоте температура хромосферы. Линия Ca II K-line показывает весь диапазон высот, с которых она передает информацию. При этом выделены поддиапазоны: k1 — район 500 км над уровнем фотосферы; k2 — высоты, близкие к 1000–1500 км; k3 — 2000 км. Изображение из статьи Observing the sun in Ca II K, основано на данных из статьи J. E. Vernazza et al., 1981. Structure of the solar chromosphere. Справа — фото электрической дуги из статьи G. E. Hale, F. Ellerman, 1904. Calcium and hydrogen floccule, в которой авторы и предложили разделение линии Ca-K на K1–K3 поддиапазоны


Таким образом, кальциевые фильтры позволяют не только рассмотреть портрет хромосферы, получая изображение в узких диапазонах ее непрозрачности, но и исследовать ее структуру на разной высоте.

фото © Michael Wilkinson с сайта rmg.co.uk, 4 апреля 2017 года.

Василий Деревянко

22 июль 2020 /
  • Не нравится
  • +1
  • Нравится

Похожие новости

Солнечные гранулы

На фото — не куча золотых слитков неправильной формы и не карамельный попкорн, а самое детальное на данный момент изображение фотосферы солнца...

Ослепительная корона тусклого красного карлика Вольф 359

Сегодня героем нашей рубрики стал красный карлик Вольф 359, крошечная звездочка в созвездии Льва.

Алан Фридман. Необычные фотографии Солнца

Фотограф-любитель из Буффало (США) открывает Солнце в новом свете. Эддингтон сказал как-то, что нет ничего проще, чем звезды. Но наше Солнце, как и любая другая звезда, — не просто гигантский шар

Солнечное затмение 13 ноября 2012 года: лучшие фото

Все, наверно, помнят сказку «Краденое солнце» Корнея Чуковского, в которой крокодил проглотил Солнце. Нечто подобное произошло недавно в Австралии, где 13 ноября состоялось первое за два с лишним

Солнце: 30 фото нашей звезды в разных диапазонах спектра

Лето, солнечные дни… Высоко в небе светит Солнце, согревая нас своими лучами. А что физически представляет собой ближайшая к нам звезда? Давайте познакомимся с Солнцем поближе, совершив небольшую
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Чистая вода состоит не только из молекул H2OНесколько интересных фактов о марсоходе PerseveranceВ России протестируют влияние сетей 5G на людейФеномен мертвой воды: почему погибли корабли КлеопатрыБогачи захотели жить в плавучих городахКакая температура в космосе?Во время пандемии рабочих на заводах заменили роботыСамые большие извержения вулканов в истории человечества