コロナ温度問題

質問

太陽本体より周囲のコロナの方が温度が高い理由は何ですか。
A. 太陽本体よりコロナの方が密度が低く、自由電子の加速や移動がより大きいから。
B. 太陽本体のヘリウム原子核よりコロナの水素原子核の方が軽く、より高周波で振動するから。
C. 太陽本体のヘリウム原子核よりコロナの水素原子核の方が半径が小さく、陽子と自由電子との距離が短くなり、より短い波長の光が放出されるから。
D. その他。

回答No.2

Nakay702 · ベストアンサー

以下のとおりお答えします。

＞太陽本体より周囲のコロナの方が温度が高い理由は何ですか。 A. 太陽本体よりコロナの方が密度が低く、自由電子の加速や移動がより大きいから。 B. 太陽本体のヘリウム原子核よりコロナの水素原子核の方が軽く、より高周波で振動するから。 C. 太陽本体のヘリウム原子核よりコロナの水素原子核の方が半径が小さく、陽子と自由電子との距離が短くなり、より短い波長の光が放出されるから。 D. その他。

⇒前便で「消えたスレ」の代りに、たまたま近くにあったこのスレを利用して、「コロナのことは別途お答えします」だどと軽率な約束をしてしまいましたが、正直私はコロナのことは全然わかりません。ですので、といいますか、仕方ないので、以下はほとんどすべてその筋の文献の受け売りです。

①コロナの主な成分は水素原子が原子核と電子とに分解されたプラズマである。6,000K程度の光球から遠く離れたコロナが100万K（ケルビン）を超える温度まで加熱される機構（コロナ加熱）には不明な点が残っており、「コロナ加熱問題」と呼ばれている。
②1952年には、アメリカの天文学者ユージン・ニューマン・パーカーが、太陽表面全体に発生する無数の小さな「ナノフレア」によって太陽コロナが加熱されているのではないかと提唱した。

③コロナがどのようにして加熱されるのかはまだ議論の余地があるが、太陽コロナ中の磁場によって起こる微小なフレアによって加熱されるとする「ナノフレア説」と、プラズマ中を磁力線に沿って伝播するアルヴェーン波*によって太陽表面のエネルギーが上空に伝えられているとする「波動加熱説」が有力視されている。
＊アルヴェーン波：磁場中のプラズマの中を伝わる横波で、磁場と垂直に電流が流れたときに発生する力（磁場の接線応力と見ることもできる）を復元力とする。磁場の方向に伝播する傾向にあるが、磁場と斜めの向きにも伝わりうる。

④コロナは彩層の内側の層よりもはるかに高温であることが明らかとなった。コロナは、非常に高温で軽い気体のような振る舞いを見せる。コロナ内の圧力は、活動領域では通常0.1 ～ 0.6パスカルと、地球表面の約ヘクトパスカルに比べて100万分の1の気圧しかない。しかしコロナは、基本的に陽子と電子という荷電粒子が異なる速度で運動しているため、正しくは気体ではない。エネルギー等配分の法則に基づき、平均的に同じエネルギーを持っていると仮定すると、電子は陽子の1800分の1の質量しか持っていないため、より多くの速度を得ることができる。金属イオンは常により遅い。この事実は、光球とは全く異なる放射過程や熱伝導に関連した物理的な影響を与えている。さらに、電荷の存在は、電流と高磁場の発生を誘導する。電磁流体波（MHD波動）*もまた、コロナ内でどのように伝導したり生成されたりするのかまだ明らかにされていないが、このプラズマ内を伝播することができる。
＊電磁流体波(magnetohydrodynamic wave)：電磁流体波は、電磁流体力学で現れる波動であり、MHD波動とも呼ばれる。横波と縦波とがあり、横波はアルベーン波と言われる。縦波は２つに分かれる。すなわち、速い磁気音波（ファーストモード）、および遅い磁気音波（スローモード）である。つまり、電磁流体波は、3つの異なる波動がある、ということになる。

⑤コロナ加熱問題：新たな可視化技術は、コロナ加熱問題の手がかりを提供する。
太陽物理学におけるコロナ加熱の問題は、なぜ太陽のコロナの温度が太陽表面の温度よりも数百万 Kも高いのかという問題である。この現象を説明するためいくつかの理論が提案されているが、これらの候補の中のいずれが正しいのかの結論を出すのはまだ困難である。この問題は、ベングト・エドレンとヴァルター・グロトリアンが太陽のスペクトル中でFe IXとCa XIVの線を同定したときに初めて浮上した。この同定により、日食の際にコロナ中に見られる輝線が、未知の元素「コロニウム」ではなく、高温下でのみ高階電離されるこれらの既知の元素によるものであると判明したが、光球の6,000 Kと比べてコロナの温度は圧倒的に高く、この高温がどのように維持されているのかという新たな疑問を説明する理論が必要とされることとなった。この問題は主に、コロナへエネルギーがどのような形で運ばれ、その後、数太陽半径の範囲内でどのように熱に変換されるか、という点に集約される。光球とコロナの間にある、温度が上昇する薄い領域を遷移層（遷移領域）と呼ぶ。この領域の厚さは数十kmから数百kmに過ぎない。太陽コロナを加熱するのに必要なエネルギーの量は、コロナの放射損失と、遷移層を通って彩層に向かう熱伝導による加熱の差として容易に計算できる。これは、太陽の彩層の表面積1平方メートル当たり約1 キロワット、つまり、太陽から逃げる光エネルギーの40000分の1の量である。
通常の熱伝導では、冷たい光球から熱いコロナにエネルギーを移動させることはできない。これは熱力学の第二法則に反するからである。これは、電球が周囲の空気の温度を電球のガラス面よりも高い温度まで上昇させることに喩えられる。したがって、コロナの加熱には、熱伝導以外の非熱的な過程でエネルギーを移動させる必要がある。これまで多くのコロナ加熱説が提唱されてきたが、いずれの理論も極端なコロナの温度を説明できていない。2020年現在最も有力な候補として残っているのは、波動加熱説とナノフレア加熱説の2つである。2006年に「ひので」が打ち上げられる前は、先行の宇宙機「ようこう」などでフレア、マイクロフレアが観測されていたことからナノフレア説が有力視されていたが、「ひので」がコロナ内を伝播する波動を空間分解して捉えたことから、一時期下火となっていた波動説が改めて見直されることとなった。

以上によると、お書きの選択肢A～Dのすべてであるような、どれでもないような…。はっきり申しますと、分かりません。曖昧な回答でごめんなさい。冒頭で述べましたとおり、上記①～⑤ はほとんどすべてwikioediaなどの引用です。
いや、どうも失礼しました。（＜Q＞）←例の波平さん風「ゴメンナサイマーク」。

お礼

アルベーン波はローレンツ力に似ているのかもですね。全然理解できていないですが、新しい専門用語をありがとうございます。

東京の気温が35度、東京湾の水温が30度の時、熱力学第二法則では大気から海水に熱が移動するはずですが、実際は逆ですよね。大気中の空気分子からの遠赤外線の周波数がやや高くても、海水中の水分子の数がずっと多いので、空中から水中への電磁波よりも、水中から空中への電磁波の方が多いのですよね。

コロナと太陽本体も、コロナから太陽への電磁波の方が全体的に周波数が高いものの、太陽からコロナへの光子数の方がずっと多いので、熱は太陽本体からコロナに流れているのだろうと思います。

湿度が低ければ気温50度に耐えられるが、45度の温泉には耐えられない、空中からよりも温泉からの遠赤外線の方が多いのとも似ているかもです。

厳密に考えると、熱(電磁波)は高温から低温、低温から高温、双方向に流れていますよね。２つの物質の密度がほぼ同じ時には第二法則が成り立ちますが、熱は温度と言うより、密度が高い物質から低い物質に流れているような…。

小中学生レベルの文章ですみません。

回答No.1

Nakay702

すみません、質問が消えたようですので、「スレ違い」ですが、ここに入れさせていただきます。
（コロナ問題はまた別途お答えします。）

以下のとおりお答えします。
＞ヨハネス・ケプラーの研究成果とガリレオ・ガリレイの研究成果は補完しあっていますか。
⇒そうですね。両者の所説についてはともかく、部分的には補完しあっているところがあると思います。特に望遠鏡の開発に関しては定点観測に優れたガリレオの作ったものと広角用に優れたケプラーが開発したものは、相互補完の典型みたいな感じですね。

＞ガリレオの方が有名なのはなぜですか。
⇒確かに、ガリレオもケプラーもともに同時代を生き、ともにコペルニクスの地動説を継承・発展させたという功績だけを見ると、優劣はつけがたいですね。しかし、視野を広げてみると、やはりガリレオの方が有名になったのは、それなりの理由があることに気づきます。

①ケプラーの住んでいたドイツは、ガリレオが暮らしていたイタリア（カトリック教会のお膝元！）よりは教会の影響力が弱く、地動説の提唱によってガリレオほどの強い迫害を受けることはなかったと考えられる。
②ガリレオが異端の咎で宗教裁判を受けた1633年には、ケプラーはすでに他界したあとだった。ちなみに、両者の生存期間は、ガリレオ：1564年～1642年、ケプラー：1571年～1627年である。なお、このころ、多くの先駆者が異端審問の果て刑に処せられて命を落としている。例えば、G・ブルーノは、ガリレオの裁判より30年以上も前に、自ら唱えた「無限宇宙論」を撤回しなかったために、７年も地下牢に閉じ込められ、挙句の果てに焚刑に処せられた。
③最終的に、ガリレオは、異端審問の判決によって地動説の学説を放棄することを強要されたうえで、終身刑を言い渡されることとなり、その後の減刑処置によって監視付きの邸宅での軟禁生活へ入ることになりますが、こうした一連のガリレオ裁判の中の最後の場面で、ガリレオが ”E pur si muove !”（エ・プル・スィ・ムオヴェ!、それでも地球は動く！」）とつぶやいたとされるエピソードが後世に語り伝えられて慣用句化し、かえってガリレオの提唱した地動説が世の中に広く知られるようになった。なお、カトリック教会の名誉のために付記すると、ガリレオの没後500年に、カトリック教会（ローマ法王）は教会の誤りを認め、正式に謝罪した。
④こうしてガリレオは、デカルトとともに、「人間精神の自立」を勝ち取り、近世から近代へ移行する分水嶺に立って、新しい時代の先駆者となった。

以上見たとおり、ガリレオの地動説は激しい論争の果てに厳しく処罰した教会の側の意図とは裏腹に、人口に膾炙して地動説理論として実を結び、ニュートン力学の力学体系へ組み入れられて、現代天文学の基盤となる力学理論の体系が確立されてきたのである。