Macchie solari e facole

In precedenza (vedi L'enigma della corona solare) abbiamo visto come a parità di temperatura un gas estremamente rarefatto acquisti sotto forma di radiazione più energia di quanta non ne perda, il che fa sì che la sua temperatura di equilibrio debba essere notevolmente più alta del normale. Ora vediamo come tale effetto dia origine alle macchie solari.

Sotto la superficie solare vi è una superficie dove a volte dei campi magnetici intensi rilasciano improvvisamente una gran quantità di energia, producendo enormi palloni di gas molto caldi e rarefatti, tanto grandi da raggiungere dimensioni paragonabili a quelle della terra.

Le condizioni termodinamiche in tali globi di gas sono simili a quelle che si riscontrano nell'ambito della corona solare, anche se non in quella misura: temperature elevate e basse densità, condizioni ideali perché entri in funzione l'effetto Trevisan (vedi L'enigma della corona solare).

Questo effetto agisce in maniera tale che i globi continuano a riscaldarsi, sottraendo calore ai gas più densi e freddi che li circondano, ed il processo continua finché i globi gassosi non raggiungono una temperatura tale da poter rimanere in equilibrio radiativo con i gas circostanti.

Poiché possiedono una densità molto bassa, i globi di gas salgono lentamente verso la superficie del sole. D'altra parte, a causa del raffreddamento dei gas circostanti i globi causato dal loro riscaldamento, ai gas superiori viene a mancare il normale apporto di calore dal basso, quello che permette al sole di risplendere. Di conseguenza la temperatura di una zona della superficie solare sopra i globi surriscaldati si abbassa, e si forma una macchia solare.

In sostanza, lo sviluppo improvviso di energia sotto la superficie del sole da parte di campi magnetici intensi produce una macchia più fredda in superficie. Ciò può sembrare un paradosso, ma in realtà non vi è contraddizione. Alla fin fine i globi gassosi raggiungono la superficie ed irradiano nello spazio tutta l'energia accumulata, producendo le cosiddette facole.

A questo punto, tenuto conto del maggior calore emesso dal sole a motivo delle facole, il bilancio energetico si aggiusta. In effetti, facole e macchia solare emettono complessivamente più radiazione del normale, e l'eccesso di radiazione corrisponde proprio all'energia rilasciata dai campi magnetici sotto la superficie del sole.

Un'ulteriore applicazione dell'effetto Trevisan si ha nel cosmo. La densità di materia nello spazio cosmico è bassissima. Là le rarissime particelle compiono in media dei lunghissimi tragitti senza subire interazioni, certamente i più lunghi riscontrabili nell'universo.

Queste particelle solitarie dello spazio cosmico sono soggette ad una radiazione costante, ma molto tenue, poiché per la maggior parte si trovano lontanissime da qualsiasi stella. Tuttavia, a motivo dei lunghi percorsi che le particelle compiono senza interagire, le temperature d'equilibrio devono essere molto alte. Quanto? É difficile dirlo, ma visto lo stato di rarefazione del gas cosmico, probabilmente esso è caratterizzato dalle temperature più alte dell'universo.

Stando così le cose, le particelle dello spazio cosmico possiedono velocità ed energie elevatissime, probabilmente quelle stesse che si riscontrano nei raggi cosmici. In tal caso i raggi cosmici non sono altro che particelle interstellari surriscaldate dalla debole radiazione cosmica.

Dove dovrebbero esistere nel cosmo le più alte temperature, o le particelle più energetiche? Naturalmente nello spazio (quasi) vuoto vicino alle galassie. Se si potessero vedere i raggi cosmici come la luce ordinaria, si vedrebbero le galassie circondate da un alone di luce. Esiste un tale alone?

Sì. Di recente si è scoperto che i raggi cosmici provengono principalmente dalle regioni vicine alle galassie. Questo fatto sperimentale appoggia fortemente il ragionamento sopra esposto.

Sunspots and flares

Previously (see The coronal puzzle) we saw how at equal temperatures an extremely rarefied gas acquires through radiation more energy than it loses, with the consequence that its equilibrium temperature is considerably higher than normal. Now we'll see how this effect produces sunspots.

Under the solar surface lies another surface, where sometimes intense magnetic fields suddenly release huge amounts of energy, producing bubbles as big as the earth of hot and rarefied gas.

The thermodynamical conditions of such gas bubbles are similar to those that are found on the solar corona, even if not so extreme: high temperatures and low densities, the ideal conditions for the Trevisan effect to become operational (see The coronal puzzle).

This effect acts in such a way that the bubbles continue to heat up by subtracting heat from the denser and cooler gases around them, and the heating continues until a temperature is reached that maintains the bubbles in radiative equilibrium with their surrounding gases.

Since the gas bubbles possess a very low density, they slowly rise toward the sun's surface. On the other hand, because of the cooling of the surrounding gases caused by the heating of the bubbles, the layers of gas lying over them lack the normal heat, the one that permits the sun to shine. Consequently the temperature of the region of the solar surface above the gas bubbles cools down, giving rise to a sunspot.

In other words, the sudden release of energy below the sun's surface by the intense magnetic fields gives rise to a cooler region on the solar surface. This may look paradoxical. In reality there's no contradiction. At the end, the gaseous bubbles reach the solar surface and radiate in space all the energy accumulated, producing the so-called solar flares.

At that point, due to the flares, the energetic balance gets adjusted. Indeed, flares and sunspot combined emit from the sun's surface more energy than normal, the excess corresponding to the energy released by the magnetic fields under the surface of the sun.

A further application of the Trevisan's effect occurs in the cosmos. The matter density there is very low, and the particles of this very rarefied gas travel in the average very long distances without interacting, certainly the longest non-interacting paths in the universe.

These solitary particles are subject to a faint radiation, because they lie very far from any star. However, due to the long paths the particles travel without interacting, their equilibrium temperatures must be very high. How much? It's hard to tell, but because of the rarefaction, this gas is probably characterized by the highest temperatures in the universe.

The extraordinary velocities and energies of these gas particles are probably the same that are found in the cosmic rays. If that's the case, the cosmic rays are nothing but particles of the intergalactic space that have been overheated by the cosmic radiation.

Where should the highest temperatures, or the most energetic particles, be found in the cosmos? Of course, in the (almost) empty space in the vicinity of the galaxies. If one could see the cosmic rays as one sees ordinary light, one should see the galaxies surrounded by a halo. Does such a halo exist?

Yes. It has recently been discovered that the cosmic rays come mainly from the regions near the galaxies. This experimental fact strongly supports the above reasoning.