Solens differentiella rotationsmönster har förbryllat forskare i årtionden:Medan polerna roterar med en period på cirka 34 dagar, roterar mellanbreddgrader snabbare och ekvatorområdet kräver bara cirka 24 dagar för en fullständig rotation.
Dessutom har framsteg inom helioseismologi (d.v.s. sondering av solens inre med hjälp av akustiska solvågor) fastställt att denna rotationsprofil är nästan konstant genom hela konvektionszonen. Detta lager av solen sträcker sig från ett djup av cirka 200 000 kilometer till den synliga solytan och är hem för våldsamma omvälvningar av het plasma som spelar en avgörande roll för att driva solens magnetism och aktivitet.
Medan teoretiska modeller länge har postulerat en liten temperaturskillnad mellan solpoler och ekvator för att upprätthålla solens rotationsmönster, har det visat sig notoriskt svårt att mäta. När allt kommer omkring måste observationer "titta igenom" bakgrunden till solens djupa inre, som mäter upp till en miljon grader i temperatur. Men som forskare från Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) visar är det nu möjligt att bestämma temperaturskillnaden från observationerna av solens långa svängningar.
Verket publiceras i tidskriften Science Advances .
I sin analys av observationsdata som erhållits av Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) ombord på NASA:s Solar Dynamics Observatory från 2017 till 2021, vände sig forskarna till globala soloscillationer med långa perioder som kan urskiljas som virvlande rörelser på solytan. Forskare från MPS rapporterade sin upptäckt av dessa tröghetssvängningar för tre år sedan. Bland dessa observerade lägen visade sig höglatitudlägena med hastigheter på upp till 70 km per timme vara särskilt inflytelserika.
För att studera den olinjära naturen hos dessa svängningar på hög latitud genomförde teamet en uppsättning tredimensionella numeriska simuleringar. I sina simuleringar transporterar svängningarna på hög latitud värme från solpolerna till ekvatorn, vilket begränsar temperaturskillnaden mellan solens poler och ekvatorn till mindre än sju grader.
"Denna mycket lilla temperaturskillnad mellan polerna och ekvatorn styr rörelsemängdsbalansen i solen och är därför en viktig återkopplingsmekanism för solens globala dynamik", säger MPS-direktör Prof. Dr. Laurent Gizon.
I sina simuleringar beskrev forskarna för första gången de avgörande processerna i en helt tredimensionell modell. Tidigare ansträngningar hade begränsats till tvådimensionella tillvägagångssätt som antog symmetrin kring solens rotationsaxel.
"Att matcha de olinjära simuleringarna med observationerna gjorde det möjligt för oss att förstå fysiken i de långa periodoscillationerna och deras roll i att kontrollera solens differentiella rotation", säger MPS postdoc och huvudförfattaren till studien Dr. Yuto Bekki.
Solsvängningarna på hög latitud drivs av en temperaturgradient på ett liknande sätt som extratropiska cykloner på jorden. Fysiken liknar varandra, även om detaljerna är olika:"I solen är solpolen cirka sju grader varmare än ekvatorn och detta är tillräckligt för att driva flöden på cirka 70 kilometer i timmen över en stor del av solen. Processen är något som liknar körning av cykloner", säger MPS-forskaren Dr. Robert Cameron.
Att undersöka fysiken i solens djupa inre är svårt. Denna studie är viktig eftersom den visar att solens långa svängningar inte bara är användbara sönder av solens inre, utan att de spelar en aktiv roll i hur solen fungerar. Framtida arbete kommer att inriktas på att bättre förstå vilken roll dessa oscillationer spelar och deras diagnostiska potential.
Mer information: Yuto Bekki et al, Solens differentialrotation styrs av barokliniskt instabila tröghetslägen på hög latitud, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk5643
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Max Planck Society
