Efecto Wilson: ¿Qué tan “profundas” son las manchas solares?

Recientemente aprendí sobre el efecto Wilson de la atmósfera del Sol. El curso avanzado 39 de Saas Fee 2009 establece:

Cerca de la rama solar, la umbra [la región oscura circular de una mancha solar] y la penumbra del lado central [el borde más claro de la mancha solar] desaparecen. Vemos$400-800{\rm km}$ más profundamente en las manchas solares que en la fotosfera.

Entonces, hay una publicación titulada La mancha solar: ¿superficial o profunda? por Solov'ev y Kirichek de 2014 que dice en abstracto:

Se comparan dos modelos de manchas solares: superficial y profunda. Según el primero, una mancha solar, como una región ocupada por un campo regular fuerte y plasma relativamente frío, penetra en la zona de convección solar a una profundidad de unos 4 mm. [...]

Además, hay una tesis doctoral de Benjamin Beeck de 2015 que muestra, por ejemplo, el siguiente gráfico:

En otras palabras, tengo valores entre $400 \ldots 7300 {\rm km}=7.3 {\rm Mm}$para las profundidades de una mancha solar que me confunde un poco , agradecería que alguien me explicara la amplia gama de profundidades. Por un lado, me interesa la profundidad de la umbra medida desde la penumbra (si se puede ver como plana), y por otro lado también me gustaría saber la distancia desde la penumbra hasta el final de la ( visible) fotosfera, idealmente todo con barras de error.

¡Preguntas interesantes! Espero poder arrojarles un poco de luz solar.

Como se indica en el resumen que cita, la comprensión y el modelado de las manchas solares es una cuestión abierta , especialmente la cuestión de cómo se mantiene la estabilidad de las manchas solares.

Hay muchos modelos, como indican sus citas. Primero, una aclaración terminológica: el "efecto Wilson" hoy en día es esencialmente un modelo para explicar la física de la mancha solar. La "depresión de Wilson" es un componente observable de una mancha solar: la altura geométrica de la superficie solar visible está deprimida en comparación con el resto del Sol. En la época de Wilson, era una hipótesis, pero tales depresiones se han medido, por ejemplo, ver la figura aquí.. En principio, dado que la idea es que la mancha solar se genera por actividad convectiva debajo de la fotosfera (es decir, el transporte de calor por convección está bloqueado por campos magnéticos intensos, razón por la cual se necesitan campos magnéticos fuertes para mantener una mancha solar estable), la mancha solar podría ser mucho más profundo de lo que podemos observar, ya que no podemos ver directamente debajo de la fotosfera (ya que el plasma del Sol se vuelve demasiado opaco).

Existen otros modelos para explicar la depresión de una mancha solar. Por ejemplo, un modelo reciente , que (aparentemente) está libre de cualquier incertidumbre sistemática debido a suposiciones que no dependen del modelo, minimiza la divergencia del campo magnético derivado de observaciones espectropolarimétricas. Al aplicar su marco a las observaciones de una mancha solar, afirman:

La depresión de Wilson derivada (∼600 km) es consistente con los resultados que se obtienen típicamente del efecto Wilson.

Sus resultados son consistentes con los de los estudios que emplean el efecto Wilson, por ejemplo, como usted cita del curso avanzado Saas Fee 2009 39.

Entonces, tus preguntas:

Agradecería que alguien me explicara la amplia gama de profundidades. Por un lado, me interesa la profundidad de la umbra medida desde la penumbra (si se puede ver como plana), y por otro lado también me gustaría saber la distancia desde la penumbra hasta el final de la ( visible) fotosfera, idealmente todo con barras de error.

Para producir una trama con respuestas más precisas y con barras de error involucraría a alguien que ya hizo tal trama, o tendría que hacer una. No tengo tiempo para hacerlo yo mismo, y no puedo encontrar un artículo publicado con él (podría estar por ahí). Entonces, intentaré explicarlo de manera más conceptual. Además, no podemos ver debajo de la fotosfera, así que creo que tendrían que usarse métodos indirectos para obtener barras de error en las observaciones de la profundidad de la umbra, que tengo problemas para encontrar (¡y dudo si ya se ha hecho! último párrafo sobre heliosismología).

El artículo de la wiki dice: "La magnitud de la depresión es difícil de determinar, pero puede llegar a los 1.000 km". Pero no cita esta afirmación;)

Los modelos del efecto Wilson, como los que usted cita, intentan explicar la aparición de una mancha solar como originada dentro de la envoltura convectiva del interior estelar. ¿Es eso razonable ?: la profundidad citada de$\sim 7.3$Mm para estas oleadas de plasma están al menos dentro del radio solar, que es $\sim 10^9$m = 1 Gm. La fotosfera es la más profunda en el interior del sol que podemos ver ópticamente, y se extiende hasta aproximadamente 4x10$^5$metro. Por lo tanto, es concebible que la mancha solar pueda existir a profundidades por debajo de la fotosfera dentro de una región convectiva del sol sin que la parte inferior de la mancha solar sea demasiado profunda.

EDICIÓN AÑADIDA: En los modelos de Solov'ev y Kirichek, por ejemplo, 2014, "la estabilidad de las manchas solares [es] una función de su radio y la intensidad del campo magnético [que] varía monótonamente con el radio desde aproximadamente 700 G hasta un límite asintótico de aproximadamente 4000 G. La profundidad de la depresión de Wilson crece linealmente con B. El rango de equilibrios estables está limitado de tal manera que las manchas solares más grandes (radio mayor de aproximadamente 12-18 Mm) son inestables, lo que puede explicar la ausencia de manchas solares muy grandes en el Sol, así como la aparición de los puentes de luz en grandes manchas solares que las dividen en varias partes. Las manchas solares con B en el rango de 2.6-2.7 kG y un radio umbral de aproximadamente 2 Mm son las más estables ". Cita extraída de la Nota 4. de este revisión de heliosismología (también en el último párrafo a continuación), y ver la Figura 22 de esa revisión para un esquema de su modelo.

En la tesis que citas de B. Beeck, el artículo principal que se encuentra aquí , la geometría de la umbra (ni la penumbra) NO se conoce a priori, por lo que hacen conjeturas y verifican con sus detalladas simulaciones numéricas. Varían sistemáticamente las condiciones iniciales, las condiciones de los límites, la intensidad del campo magnético y la profundidad de la mancha solar para tratar de producir una mancha solar físicamente estable. Ellos encuentran:

Las manchas solares estables requieren un campo magnético de> 4kG en las capas del subsuelo. La estructura (por ejemplo, gradiente de T) por debajo de z ~ 2-3 Mm parece ser importante para la estabilidad de las manchas solares. Esto también indica que las manchas solares no pueden ser fenómenos muy superficiales. Entonces concluyen: Las manchas solares estables necesitan un campo magnético de B ≥ 6 kG a profundidades de 5-6 Mm.

Especulan que este requisito de estabilidad puede descartar geometrías de manchas solares que sean planas (es decir, no profundas). Intentan cuantificar esto con geometría de cuña / losa, donde una mayor fuerza de campo magnético en la parte inferior de la mancha solar conduce a una menor intensidad umbral y una penumbra más pronunciada (ver la quinta diapositiva desde el final), que podría usarse para descartar observacionalmente ciertas geometrías de manchas solares.

EDICIÓN AÑADIDA: Por lo tanto, el rango de escalas involucradas aquí son parte de un área activa de investigación. Hay muchas razones teóricas para sospechar que las manchas solares pueden ser profundas y grandes, del orden de ~ Mm, pero podemos sondear el sol solo hasta cierto punto, por lo que generalmente estamos limitados a ver solo en el orden de ~$10^5$m, que es consistente con la profundidad de la fotosfera. Esto da como resultado que la estructura exacta y la profundidad de la umbra y la penumbra no se comprendan bien, en la actualidad, aunque la dependencia de varios parámetros se comprende bien dentro de ciertos marcos.

Inmediatamente después de publicar esta respuesta, me di cuenta de que la heliosismología es una forma de tratar de sortear el problema de sondear más profundamente que la fotosfera, ¡y parece prometedor! Los avances en heliosismología han anticipado durante mucho tiempo la comprensión del interior del Sol, por ejemplo aquí y aquí , que ha producido estimaciones comparables para la profundidad de las manchas solares, es decir$\sim$1Mm. Creo que esta es un área activa de investigación y será bueno seguir su desarrollo. Vea aquí para una revisión (semi) reciente.