No siltuma dzinējiem līdz Saules aktīvajiem apgabaliem: entropija Saules atmosfērā
Saules fiziķu komanda ir atklājusi jaunu veidu, kā noteikt un izmērīt entropijas izmaiņas Saules atmosfērā – sasniegumu, kas var palīdzēt pētniekiem labāk izprast enerģijas pārnesi Saules koronā un noskaidrot, kāpēc Saules ārējā atmosfēra ir miljoniem grādu karstāka nekā tās virsma.
Entropija ir jēdziens, kas radās 19. gadsimta 60. gados, kad vācu fiziķis Rūdolfs Klausiuss to ieviesa, pētot siltuma dzinēju efektivitāti un slaveno Karno ciklu. Kopš tā laika entropija ir kļuvusi par vienu no fundamentālākajiem jēdzieniem fizikā, palīdzot zinātniekiem aprakstīt enerģijas sadalījumu un pārveidi sistēmās, sākot no tvaika dzinējiem un melnajiem caurumiem līdz zvaigznēm un pat Visumam kopumā.
Neraugoties uz tās nozīmi, entropiju Saules atmosfērā līdz šim ir bijis ārkārtīgi grūti izmērīt tieši.
Jaunā pētījumā, kas drīzumā tiks publicēts žurnālā The Astrophysical Journal Letters, pētnieki no Vorikas Universitātes, Ventspils Starptautiskā radioastronomijas centra (VSRC, Ventspils Augstskola) un Londonas Universitātes koledžas (UCL) ir parādījuši, ka entropija atstāj novērojamas pēdas viļņos, kas izplatās caur Saules karsto, magnetizēto atmosfēru jeb koronu.
“Entropija ir viens no galvenajiem lielumiem, kas raksturo, kā enerģija ir organizēta fizikālā sistēmā,” skaidro pētījuma vadošais autors, Stīvena Hokinga stipendiāts Dmitrijs Kolotkovs. “Konceptuālā ziņā Saules aktīvos apgabalus var uzskatīt par dabīgiem siltuma dzinējiem, kas nepārtraukti pārveido un transportē enerģiju caur karstu, magnetizētu plazmu. To darbība un efektivitāte ir cieši saistīta ar entropiju. Šim jēdzienam ir dziļas saknes termodinamikā, un tam ir būtiska loma arī melno caurumu fizikā, kur entropija ir saistīta ar informācijas un enerģijas uzglabāšanas fundamentālajiem ierobežojumiem. Ja entropija nemainās, enerģija mēdz saglabāties organizētākā un lokalizētākā formā. Ja entropija tiek traucēta, enerģija pārdalās un izplatās apkārtējā plazmā. Ja mēs spējam izmērīt, kā entropija mainās Saules aktīvajos apgabalos, mēs iegūstam jaunu veidu, kā izsekot enerģijas transportam, disipācijai un tās pārvēršanai siltumā.”
Šo procesu izpratne ir viens no nozīmīgākajiem izaicinājumiem Saules fizikā. Saules koronas temperatūra pārsniedz vienu miljonu grādu pēc Celsija, kas ir daudz augstāka nekā redzamās Saules virsmas temperatūra zem tās. Zinātnieki jau vairākus gadu desmitus cenšas noskaidrot mehānismus, kas nodrošina pietiekamu enerģijas transportu un atbrīvošanu, lai uzturētu tik ekstremālas temperatūras.
Jaunais pētījums liecina, ka entropijas perturbācijas — nelielas novirzes no plazmas lokālā termodinamiskā līdzsvara – var noteikt pēc smalkām pazīmēm koronas svārstībās, kuras regulāri tiek novērotas aktīvajos apgabalos un koronas cilpās.
Tā vietā, lai novērotu entropiju tieši, pētnieki atrada veidu, kā secināt par tās klātbūtni, analizējot šo viļņu attīstību laika gaitā. Tas faktiski pārvērš entropiju no lielākoties teorētiska jēdziena par lielumu, ko iespējams noteikt, izmantojot novērojumus.
Spēja diagnosticēt entropiju koronā var kļūt par jaudīgu jaunu instrumentu, lai pētītu enerģijas izplatīšanos Saules aktīvajos apgabalos, plazmas reakciju uz uzsildīšanu un dažādu fizikālo procesu ieguldījumu Saules kopējā enerģijas bilancē.
Šie rezultāti var būt nozīmīgi ne tikai Saules fizikā. Tie var palīdzēt pētniekiem izprast arī citas magnetizētas plazmas sistēmas Visumā, tostarp tālu zvaigžņu atmosfēras.
Pētījums uzskatāmi parāda, kā idejas, kas tika izstrādātas pirms vairāk nekā 150 gadiem, lai izprastu tvaika dzinēju darbību, joprojām atrod jaunus pielietojumus mūsdienu astrofizikā. Atklājot praktisku veidu, kā izmērīt entropiju Saulē, pētnieki ir pavēruši jaunu novērojumu logu uz vienu no fundamentālākajiem lielumiem dabā.
Attīstoties jaunās paaudzes Saules observatorijām un iegūstot arvien precīzākus Saules novērojumus, zinātnieki drīzumā varētu kartēt entropijas izmaiņas aktīvajos apgabalos un izmantot tās, lai izsekotu enerģijas plūsmām Saules atmosfērā. Tas varētu ievērojami pietuvināt mūs vienas no ilgstošākajām Saules fizikas mīklām – koronas uzkaršanas problēmas – atrisināšanai.
Link to the article preprint
Dalīties ar ziņu
Citi jaunumi
