Solfläckar kan ses på denna bild av solstrålning. Varje solfläck varar från några dagar till några månader, och det totala antalet toppar vart elfte år. De mörkare fläckarna åtföljer ljusa vita fläckar, kallas faculae, vilket ökar den totala solinstrålningen. Kredit:NASA/Goddard/SORCE
I 400 år har människor spårat solfläckar, de mörka fläckarna som dyker upp i veckor i taget på solens yta. De har observerat men inte kunnat förklara varför antalet fläckar toppar vart elfte år.
En studie från University of Washington publicerad denna månad i tidskriften Plasmas fysik föreslår en modell för plasmarörelse som skulle förklara den 11-åriga solfläckcykeln och flera andra tidigare mystiska egenskaper hos solen.
"Vår modell skiljer sig helt från en vanlig solbild, " sa första författaren Thomas Jarboe, en UW professor i flygteknik och astronautik. "Jag tror verkligen att vi är de första som berättar för dig naturen och källan till solmagnetiska fenomen - hur solen fungerar."
Författarna skapade en modell baserad på deras tidigare arbete med fusionsenergiforskning. Modellen visar att ett tunt lager under solens yta är nyckeln till många av de egenskaper vi ser från jorden, som solfläckar, magnetiska vändningar och solflöde, och backas upp av jämförelser med observationer av solen.
"Observationsdata är nyckeln till att bekräfta vår bild av hur solen fungerar, sa Jarboe.
I den nya modellen, ett tunt lager av magnetiskt flöde och plasma, eller fritt svävande elektroner, rör sig med olika hastigheter på olika delar av solen. Skillnaden i hastighet mellan flödena skapar magnetiska vändningar, känd som magnetisk helicitet, som liknar vad som händer i vissa fusionsreaktorkoncept.
Det så kallade "fjärilsdiagrammet" visar att solfläcksaktivitet börjar längre från solens ekvator och gradvis rör sig mot mitten. Cykeln upprepas vart 11:e år. Upphovsman:Hathaway 2019/solarcyclescience.com
"Vart elfte år, solen växer detta lager tills det är för stort för att vara stabilt, och så går det av, " sa Jarboe. Dess avgång exponerar det nedre lagret av plasma som rör sig i motsatt riktning med ett vänt magnetfält.
När kretsarna i båda hemisfärerna rör sig med samma hastighet, fler solfläckar dyker upp. När kretsarna har olika hastighet, det är mindre solfläcksaktivitet. Den missmatchningen, Jarboe säger, kan ha hänt under decennier av liten solfläcksaktivitet känd som "Maunder Minimum".
"Om de två halvklotet roterar med olika hastigheter, då matchar inte solfläckarna nära ekvatorn, och det hela kommer att dö, "Sa Jarboe.
"Forskare hade trott att en solfläck genererades nere på 30 procent av solens djup, och kom sedan upp i ett vridet rep av plasma som dyker ut, " sa Jarboe. Istället, hans modell visar att solfläckarna finns i "supergranulerna" som bildas i det tunna, underjordiskt lager av plasma som studien beräknar vara ungefär 100 till 300 miles (150 till 450 kilometer) tjockt, eller en bråkdel av solens 430, 000 mils radie.
"Solfläcken är en fantastisk sak. Det finns ingenting där, och så plötsligt, du ser det på ett ögonblick, sa Jarboe.
I modellen som presenteras i det nya dokumentet visar den röda linjen flödet av elektroner, eller plasma, och den gula linjen visar solens yta. X som omges av en cirkel visar magnetfält, med det elektromagnetiska fältet högst nära solens ekvator. Med tiden slits det elektromagnetiska fältet vid ytan och det yttre lagret av röda slungar ut i yttre rymden, exponerar det inre lagret som flyter i motsatt riktning. Kredit:Jarboe et al./ Plasmas fysik
Gruppens tidigare forskning har fokuserat på fusionskraftreaktorer, som använder mycket höga temperaturer som liknar dem i solen för att separera vätekärnor från sina elektroner. I både solen och i fusionsreaktorer smälter kärnorna i två väteatomer samman, frigör enorma mängder energi.
Den typ av reaktor Jarboe har fokuserat på, en sfäromak, innehåller elektronplasman i en sfär som gör att den självorganiserar sig i vissa mönster. När Jarboe började tänka på solen, han såg likheter, och skapade en modell för vad som kan hända i den himmelska kroppen.
"I 100 år har människor forskat på detta, ", sa Jarboe. "Många av funktionerna vi ser är lägre än modellernas upplösning, så vi kan bara hitta dem i beräkningar. "
Andra egenskaper som förklaras av teorin, han sa, inkluderar flöde inuti solen, vridningen som leder till solfläckar och solens totala magnetiska struktur. Tidningen kommer sannolikt att väcka intensiv diskussion, sa Jarboe.
"Min förhoppning är att forskare kommer att titta på deras data i ett nytt ljus, och forskarna som arbetat hela sitt liv för att samla in denna data kommer att ha ett nytt verktyg för att förstå vad det betyder, " han sa.
