Электромагнитное поле солнца. Астрофизики нашли самое сильное магнитное поле на солнце за всю историю измерений. Что такое искусственные опорные звезды

Необходимые сведения о Солнце. Солнце – плазменный шар, центральное тело нашей солнечной системы и единственная ближайшая звезда, которую видим не как точку, а как диск. Линейный радиус Солнца составляет R C =695990 км. Масса Солнца равна M C =2 10 30 кг . Температура в центре (ядре) равна 15 млн. K. Плотность ядра 1,6 10 5 кг. Хотя ядра атомов «упакованы» здесь примерно в 1000 раз плотнее, чем в металлах, высокая температура поддерживает вещество в газообразном состоянии .

Согласно теоретическим данным в настоящее время Солнце пребывает на стадии главной последовательности (на стадии превращения ядер водорода в ядра гелия) уже 4,6 10 9 лет и будет продолжать находиться на этой стадии примерно столько же времени, пока водород в ядре не будет исчерпан. Внутреннее строение Солнца приведено на рис. 1 .

Наружный слой Солнца, из которого излучается принимаемое нами оптическое излучение, фотосфера нагрета до 6000 K. Газ в фотосфере ионизован лишь на 0,1%, но этого вполне достаточно, чтобы электропроводимость была высокой. Выше и ниже фотосферы газ ионизован практически полностью, поэтому проводимость еще выше. Над фотосферой расположена верхняя атмосфера Солнца. Ее делят на нижнюю часть – хромосферу, толщиной в несколько тысяч км с температурой 6 10 3 – 10 4 K, среднюю, переходную область с резким переходом температуры от 10 4 до 10 6 K и корону – очень протяженную внешнюю атмосферу, нагретую, в среднем до 2 млн. K и плавно переходящую в межпланетную среду. Непосредственно под фотосферой располагается конвективная зона Солнца, в которой энергия из недр наружу передается в основном конвективным путем. Конвекция на Солнце развита сильно, напоминает бурное кипение в гигантских масштабах и проявляет себя на фотосфере в виде грануляций и супергрануляций. Под конвективной зоной располагается, самая протяженная область, зона лучистого переноса энергии, а под ней находится ядро Солнца. Средний период вращения нашего светила составляет 27 земных суток. Вращение является дифференциальным .

Магнитные поля Солнца. На Солнце и на более удаленных небесных телах магнитные поля измеряют лишь косвенно. Впервые это сделал Д. Хейл в 1908 г., который обнаружил, что в солнечных пятнах имеются магнитные поля до 0,3 Тл (3000 Гс). Он был первым, кто обнаружил существование магнетизма за пределами Земли. Более слабые поля измеряют изобретенным Г. Бэбкоком магнитографом, который дает возможность измерить продольную (вдоль луча зрения) компоненту индукции магнитного поля, равную примерно 10 -4 Тл (1 Гс) и даже меньше. Многолетние наблюдения показали, что сильные магнитные поля имеются лишь в так называемых активных областях Солнца – в солнечных пятнах, где магнитная индукция порядка десятых долей Тесла (тысячи Гаусс). В других местах типичны поля 0,1 – 0,2 мТл (1 – 2 Гс). В околополярных областях магнитное поле имеет структуру близкую к дипольной с магнитными полюсами, примерно совпадающими с осью вращения. В умеренных широтах Солнца (|φ |<=50 о) преобладают биполярные (двуполярные) области, вытянутые вдоль экватора и униполярные (однополярные) области. Характерной чертой магнитных полей Солнца оказалось то, что изменения их полярности имеют 11-летнюю периодичность. Таким образом, полный инверсионный цикл магнитных полей Солнца (далее МПС) составляет порядка 22-23 года . Наиболее ярким наблюдательным проявлением 11-летнего цикла являются периодические вариации количества активных областей (пятен) на Солнце. Новый цикл солнечной активности начинается с того, что в период минимума числа пятен появляются активные области на гелиографических широтах ±30 о. Далее, с течением цикла, средняя широта пятен убывает до нуля. Получающаяся диаграмма распределения пятен по широтам в функции времени напоминает бабочек. Ее часто называют «бабочками» Маундера, по фамилии ученого впервые построившего такую зависимость (Рис. 2) .

Вид внешних частей солнечной короны сильно зависит от фазы солнечной активности. В период минимума солнечной активности корона имеет «приглаженный» симметричный вид (Рис. 3), а в периоды максимума более сложный «растрепанный» вид .

В начале прошлого XX столетия исследователями Солнца было внесено понятие активных долгот. Речь идет о существовании отдельных долготных интервалов в 30–40 о, проявляющих повышенную активность в течение нескольких (от 1 до нескольких) 11-летних солнечных циклов. Также удалось установить, что эти активные долготы не связаны с дифференциальным вращением Солнца .

На протяжении примерно 70 лет (с 1645 по 1715 г.г.) солнечных пятен практически не было. Это явление получило название минимума Маундера. Радиоуглеродным методом удалось установить, что аналогичные минимумы то большей, то меньшей глубины и продолжительности имели место и раньше каждые несколько веков. Однако, не смотря на отсутствие пятен, 11-летние периоды солнечного магнетизма все же проявляли себя .

Со времени открытия МПС были предложены целый ряд гипотетических моделей генерации этих полей. Эти модели можно условно подразделить на три типа гипотез. 1- й тип: те, которые предполагают причины солнечной активности за пределами

Солнца; 2-й тип: те, которые предполагают причины солнечной активности в самом Солнце и 3-й тип промежуточный . Последним словом гипотетических моделей является, как ее сторонники называют, «господствующая динамо теория», которая основана на усилении затравочного незначительного магнитного поля асимметричными потоками (вихрями) электропроводной среды. Для полной ясности приведем цитату из , поясняющую динамо процессы в упрощенном виде: «далеко не всякий вид движений электропроводной среды способно приводить к усилению магнитных полей. Как показали специальные исследования, никакие симметричные движения, сводящиеся к двумерным или центрально-симметричным, осе – симметричным или зеркально-симметричным, не способны привести к устойчивому усилению поля и, в конечном счете, вызывают диссипацию (исчезновение) его. Тип движений способный привести к усилению поля, схематически показан на рис. 4. Представим себе исходную магнитную трубку (вещество с вмороженным в него полем) в виде тора (1). Если движения вещества таковы, что, растягивая тор, они перекручивают его в «восьмерку» (2), а затем складывают эту «восьмерку» в два кольца (3), так что в результате получается тор тех же размеров, что и вначале, то напряженность поля станет в два раза больше, чем в исходной ситуации (1), при сохранении геометрии поля». Однако в этой гуще случайных событий, трудно представить, что этот вид движений будет идти именно в нужном направлении.

Сущность предлагаемой модели МПС. В данной работе автор предлагает альтернативную теоретическую модель, призванную описать генерацию и инверсионно -циклическое развитие МПС. Эта модель, являясь универсальной, логически вписывается в имеющиеся данные и факты магнетизма Солнца и не требует особых условий для ее реализации. Необходимыми условиями являются наличие вращения небесного тела вокруг своей оси, существование проводящих слоев в его толще и затравочного (внешнего или собственного) магнитного поля .

Если проводящий шар (Солнце) вращается вокруг собственной оси в магнитном поле (затравочное поле), имеющем составляющую вектора индукции B o , направленную вдоль оси вращения с юга на север (рис.5, а), то на каждый заряд (электрон, протон, ион), находящийся в нем и вращающийся вместе с ним, с линейной скоростью

v = ω · r

действует сила Лоренца со стороны затравочного магнитного поля

F = q · v · B o · sin α

где ω – угловая скорость вращения, r – расстояние от оси вращения до заряда q . Угол α = 90 º т.к. векторы v иB o перпендикулярны. Применив соответствующее правило (левой руки) легко убедиться, что эта сила разделяет свободные заряды, отрицательные – к оси вращения, а положительные – к внешнему краю вращающегося шара. В результате длительного действия этих сил на свободные заряды во вращающемся теле образуются две кольцевые области в виде полых концентрических цилиндров, имеющие некомпенсированные противоположные заряды, отрицательная Q – (внутреннее кольцо) вблизи оси вращения, и положительная Q + (внешнее кольцо) дальние от оси вращения края шара (небесного тела) (рис.5, а). Эти области имеют суммарные некомпенсированные заряды противоположного знака, равные по модулю

| Q + | = | Q – | .

При вращении небесного тела вокруг собственной оси эти области, вращаясь вместе с ней, создают концентрические кольцевые токи противоположного направления (I + – с запада на восток и I – – с востока на запад).

I + = Q + / T ; I – = Q – / T ,

где T – период вращения. Эти кольцевые токи создадут собственные магнитные поля с векторами индукции B + и B – соответственно. Определив направления кольцевых токов и их полей (правило буравчика), легко убедиться, что направления векторов B + , B – и B o в промежутке между кольцевыми токами I + и I – совпадают и взаимно усиливают друг друга, следовательно, способствуют дальнейшему разделению зарядов и увеличению магнитных сил отталкивания (закон Ампера) между этими кольцевыми токами противоположного направления. Заметим, что наряду с магнитным полем возникнет и электрическое поле, противодействующее разделению зарядов. Однако это электрическое поле, практически полностью, будет экранировано , разделяющим кольцевые области, высоко проводящим веществом солнечной плазмы. Таким образом, этот механизм сохраняет «жизнеспособность» и в отсутствие затравочного поля B o . При этом значение вектора индукции B собственного магнитного поля вращающегося небесного тела (шара) в каждой точке пространства вне и внутри шара определяется суперпозицией векторов B + и B – . В дальнейшем главным необходимым условием существования и развития собственного магнитного поля небесного тела становится лишь наличие его вращения вокруг собственной оси .

Проанализируем существование и дальнейшее развитие этой модели генерации магнитного поля применительно к условиям Солнца. Итак, мы имеем два кольцевых тока I + и I – в проводящей плазме Солнца (Рис.5, а). По мере накопления зарядов растут силы магнитного отталкивания между кольцевыми токами (закон Ампера), а также силы электрического отталкивания между близлежащими одноименными зарядами внутри каждого кольца (стремление некомпенсированного заряда к поверхности проводящей среды ). Результирующее действие этих сил в течение длительного времени приведет к росту диаметров обоих кольцевых областей и постепенному входу внешней кольцевой области Q + в пределы конвективной зоны, где ее северные и южные концы начнут разрушать конвективные процессы. В то же самое время внутри достаточно расширившейся полости внутреннего кольца Q – , под действием той же силы Лоренца, начнет зарождаться новая (зародышевая) кольцевая область с положительным некомпенсированным зарядом q + вокруг оси вращения Солнца, т.е. зарождается новый кольцевой ток J + (Рис.5, б). Отметим, что зарождение этого кольцевого тока есть начало инверсии МПС в будущем.

Количество зарядов в этом зародышевом кольце q + постепенно растет, набирая силу и расширяясь в диаметре. Рост количества зарядов в этой области q + сопровождается одновременным убыванием их во внешней областиQ + за счет

потерь по причине их разрушения конвективными процессами. В этот период равновесие зарядов Солнца в целом сохраняется и выражается как

| Q – | = ‌| Q + | + | q + ‌| .

Таким образом, в этот период в солнечном шаре образуются три концентрических кольцевых тока I + , I – и J + , которые создают магнитные поля с векторами индукции B + , B – и b + соответственно. При дальнейшем развитии МПС расширение колец приведет к постепенному входу внешнего кольца Q + сначала в пределы конвективной зоны, затем (через процесс образования пятен) и через фотосферу к внешнему краю активно вращающейся части солнечной атмосферы, вплоть до полного уничтожения его конвективными и прочими процессами Солнца (Рис.5, в, г). К этому времени кольцевая область q + станет полноценным кольцевым током, и количество зарядов в ней достигнет до уровня количества зарядов в кольце Q – т.е.,

| Q – | = | q + | .

Этим завершается первая 11-летняя часть инверсионного цикла основного (дипольного) поля Солнца, составляющий половину одного полного 22-летнего цикла (Рис.5, д). Должно быть, читателю уже стал ясен сценарий дальнейшего непрерывного инверсионно-циклического развития МПС. Оно сопровождается расширением колец Q – и q + , образованием нового зародышевого кольца q – вокруг оси Солнцас отрицательным некомпенсированным зарядом (Рис.5, е), и дальнейшим циклическим повторением процесса. Одним словом течение этого процесса в целом аналогично инверсионно – циклическому развитию магнитного поля Земли , с учетом поправок на отличия во внутреннем строении и других параметров Солнца и его атмосферы. Математическое обеспечение этой модели МПС также аналогично земному, которое подробно приведено в , и поэтому здесь не дается. Это и есть краткое описание модели основного магнитного поля Солнца (иногда его называют дипольным или полоидальным), которое имеет непрерывное инверсионно – циклическое развитие. Кроме этого основного магнитного поля на Солнце наблюдаются, упомянутые выше, магнитные поля солнечных пятен, механизму возникновения которых, посвящается нижеследующий абзац.

Образование солнечных пятен. Любая модель, посвященная объяснению МПС должна содержать описание процесса образования солнечных пятен (далее пятен). Для этого обратимся к некоторым известным процессам, происходящим в атмосфере Земли – к вихрям (циклоны, тайфуны, торнадо, смерчи). Сравнение параметров земной атмосферы с параметрами атмосферы Солнца, включая конвективную зону, (вертикальную мощность, высокую температуру, бурлящее кипение), дает полную уверенность в том, что в солнечной атмосфере вихри (назовем их солнечными торнадо) гигантских, соответствующих параметрам атмосферы Солнца, размеров и мощностей есть явления часто происходящие. В те периоды, когда в эти солнечные торнадо вовлекаются части кольцевых областей с некомпенсированными зарядами (Рис. 5, б–е), очень сильное вращение некомпенсированного заряда в торнадо создает сильные магнитные поля (помимо основного дипольного поля). Этот процесс на фотосфере Солнца наблюдается в виде пятен. Темный цвет пятен автор связывает не спадом температур как в , а отсутствием возможности для рекомбинации (зарядов) ионов вследствие очень сильного разделения зарядов быстрым вращением плазмы в мощном магнитном поле (сила Лоренца). Автор также придерживается мнения, что магнитные поля в пятнах являются локальными и виртуальными (временными) полями. Эти поля лишь косвенно связаны с основным инверсионно-циклически развивающимся (дипольным) магнитным полем Солнца. Они появляются при условии совмещения кольцевой области с некомпенсированным зарядом с соответствующим солнечным торнадо, «проглотившим» клочок этой кольцевой области, следовательно, обусловлены не общепринятыми магнитными трубками вмороженного тороидального поля, т.е. никакого тороидального поля вовсе не существует. Здесь важно понять то, что не все торнадо могут образовать пятна, а лишь «проглотившие» клочок некомпенсированного заряда от кольцевой области. Все сопутствующие явления вокруг солнечного пятна связаны с процессами развития и угасания соответствующего торнадо в реальных условиях высоких температур, быстрых движений и бурлящего кипения. Второму концу (хвосту) торнадо касаться или не касаться (оставаться ниже или выше) фотосферы, конечно, решают соответствующие процессы в атмосфере Солнца. С другой стороны солнечные вихри могут быть как восходящими (начинаться со стороны конвективной зоны), так и нисходящими (начинаться со стороны хромосферы). Это создает дополнительные трудности при объяснении наблюдаемых процессов. Пятна могут наблюдаться группами оттого, что около основного крупного торнадо часто образуются вторичные вихри поменьше . Чтобы глубже понять эти процессы следует глубже изучить, более доступные нам, земные вихри (циклоны, тайфуны, торнадо, смерчи). Должно быть, они подчиняются одним и тем же законам природы. Известно, что направление вращения крупных земных вихрей в разных полушариях Земли разное. В северном полушарии – против часовой стрелки, а в южном – по часовой стрелке, если смотреть сверху . Этот закон природы действует и на солнечные вихри. Это положение дает объяснение тому, что магнитные поля ведущих пятен в северном и южном полушариях Солнца имеют противоположные направления. Оно также, через понимание процессов в солнечных пятнах, дает возможность прийти к очень важному обратному умозаключению, что направление вращения вихрей (быть может, и процесс образования вихрей) определяется основным магнитным полем небесного тела.

Диаграмма «бабочек» Маундера . Со времени первого получения подобных диаграмм прошло уже более века, но природа этих периодичных диаграмм в виде «бабочек» до настоящего времени остается загадкой. Однако если рассматривать процессы с точки зрения модели, предложенной автором, то объяснения этих диаграмм «приходят» сами собой (Рис. 5). Ведь пятна могут образоваться лишь в тех поясах, где происходят соприкосновения расширяющейся кольцевой области с некомпенсированным зарядом в форме полого цилиндра с конвективной зоной. В процессе расширения кольцевых областей, с течением времени, по обе стороны от экватора широты этих поясов убывают. Цикл завершается, когда конвективная зона полностью раскромсает в клочья расширяющуюся кольцевую область с некомпенсированным зарядом (см. Рис. 5 связывая по вертикали с Рис. 6) и широты этих поясов достигнут до нуля. А к тому времени расширяющаяся следом кольцевая область с противоположным некомпенсированным зарядом уже успевает подойти вплотную к конвективной зоне со сторон более высоких широт (Рис. 5, д) и процесс повторяется в следующем 11-летнем цикле солнечных пятен.

Активные долготы . Описание предложенной модели выше велось для идеального случая протекания солнечных процессов, где кольцевые области с некомпенсированными зарядами представляют собой симметричных полых цилиндрических поверхностей правильной формы. Однако в реальном процессе эти кольцевые области далеки от идеала (серые кольца 2, 3 на Рис.7). Явления активных долгот вызваны несимметричностью и неравномерностью толщины внешней кольцевой области с некомпенсированным зарядом, недостатки которой будут переняты («унаследованы» через магнитное поле) вновь образованными внутренними кольцевыми областями. Таким образом, первопричины этих неравномерностей находятся во внутренних областях зарождения колец (Рис. 5), поэтому и не связаны с дифференциальным вращением. При этом долготы, которые совпадают с широкими участками внешнего кольца (отмечены кружками на Рис. 7), должны проявлять высокую активность, чем другие участки. Из вышеизложенного следует, что активные долготы проявляют себя в нескольких 11-летних циклах, т. к. их первопричины «наследуются» и находятся в околоосевых зонах Солнца, где зарождаются кольцевые области с некомпенсированными зарядами.

Минимумы солнечной активности . Солнечный «климат», так же как земной, видимо периодами бывает суровым (активным), или тихим (без торнадо). Если нет крупных солнечных торнадо, следовательно, и нет пятен, т.к. в процессе образования пятен необходимо совмещение торнадо с частью кольцевой области с некомпенсированным зарядом. В периоды минимума солнечной активности отсутствие крупных торнадо не означает абсолютное спокойствие, т.к. в эти периоды разрушителями кольцевых областей являются бурлящее конвективное течение и относительно мелкие вихри (не наблюдаемые с Земли), которые создают магнитные поля от десятков до сотен Гаусс. В эти периоды относительного спокойствия все остальные процессы, кроме торнадо, (основное инверсионно – циклическое (дипольное) магнитное поле Солнца и его 11- и 22-летние циклы) протекают без особенностей.

Выводы . Основной целью данной работы является информирование ведущих специалистов в области астрофизики и других читателей, о выдвинутой автором модели генерации и непрерывного инверсионно-циклического развития магнитных полей Солнца, претендующей на научное открытие. Эта точка зрения опирается на фундаментальных законах электродинамики и, по мнению автора, основывается на новом явлении (эффекте) – генерации собственного магнитного поля проводящих тел, вращающихся вокруг собственной оси во внешнем или собственном (затравочном) магнитном поле, вследствие разделения зарядов под действием сил Лоренца . Это явление проливает свет на многие факты магнетизма Солнца, как инверсии МПС, образования пятен и диаграммы «бабочек», активные долготы и т.п., доселе считающиеся загадочными. Эта точка зрения является универсальной для описания магнетизма планет и звезд.

> > Магнитное поле Солнца

Есть ли у Солнца магнитное поле : описание и характеристика с фото, наличие и роль в Солнечной системе, появление солнечных пятен и протуберанцев, исследование.

Под верхним слоем фотосферы (солнечной поверхности) расположена конвективная зона Солнца. Именно внутри нее, как говорят современные ученые, и зарождается магнитное поле звезды. Невозможно представить, несколько большое значение имеет в происходящих на Солнце процессах магнитное поле. Скорее всего, оно есть ответом на все активные явления, которые происходят в атмосфере , включая и солнечные вспышки. То есть без него Солнце было бы не таким интересным для изучения человечеством.

Берут свое начало под влиянием магнитного поля практически все объекты, зафиксированные на Солнце. В первую очередь – это , обозначающие собой места выходящих из недр Солнца гигантских магнитных петель, пересекающих солнечную поверхность. Из-за этого пятна обычно состоят из северной и южной магнитной полярности. Эти области равны основам магнитной трубки, которая выходит из недр Солнца. На циклы солнечной активности также влияет цикличность колебаний магнитного поля, которое происходит в недрах Солнца. Парящие над поверхностью Солнца , зрительно как бы висящие в пустоте, на самом деле пронизаны нитями магнитного поля, основываясь на нем. А также и , которые мы часто наблюдаем в , есть простым повторением формы топологии магнитных полей, что их окружают. Понимание всего этого позволяет вычислить, какая магнитная обстановка на Солнце ожидает нас сегодня и в любой другой день.

Методы измерения магнитного поля Солнца

Заряженные частицы, попадающие в магнитное поле, движутся под его влиянием. При этом электроны, движущие вокруг ядра правосторонне, под влиянием магнитного поля энергию увеличивают, левосторонне движущиеся – ее соответственно уменьшают. Этот так называемый эффект Зеемена расщепляет излучение атома на компоненты. Измеряя величину расщепления, мы имеем возможность узнать величину и направленность магнитных полей далеких объектов, которые невозможно исследовать непосредственно, например, Солнце. Определить с высокой точностью величину поля солнечной поверхности позволяют разработки последних лет, но они часто бездейственны при намерении измерить трехмерного поля в короне Солнца. В этом случае помогает использование методов математики.

Делать правдивые предсказания погоды космоса помогает знание природы и жизнедеятельности магнитного поля Солнца. Ожидание новой активной вспышки на Солнце можно определить в настоящее время по многим косвенным признакам. Однако на данном этапе научных процессов, относительно долгосрочных предсказаний времени и продолжительности протекающих солнечных циклов, остаются неточными. Они основываются больше на выведении эмпирических зависимостей, а не на конкретных физических моделях. Ближайшее будущее, надеемся, сможет разъяснить достаточно хорошо поведение и активность Солнца, и даст возможность, правильно смоделировав его активность, предсказывать погоду космоса не хуже погоды на Земле. Хотя уже сейчас можно точно сообщить о наличии магнитной бури на Солнце сегодня или в любой календарный день.

Магнитное поле есть, по – видимому, у всех звезд. На Солнце оно обнаружено в 1908г Дж. Хейлом (США) по зеемановскому расщеплению фраунгоферовых линий в солнечных пятнах. По современным представлениям оно ≈ 4000 Э (напряженность), или 0,4 Тл (магнитная индукция). Поле в пятнах есть проявление общего азимутального поля Солнца, силовые линии которого имеют различное направление в северном и южном полушарии.

Рисунок 56.Дипольная осесимметричная составляющая крупномасштабного магнитного поля Солнца. Наиболее

выражена у полюсов.

Слабую дипольную составляющую магнитного поля обнаружил в 1953г Бэбкок (США) (≈1Э или 10ˉ 4 Тл)

В 70 –х годах 20 века обнаружена такая же слабая неосесимметричная крупномасштабная составляющая магнитного поля. Она оказалась связанной с межпланетным магнитным полем, имеющим различные направления в радиальных составляющих в разных пространственных секторах. Это соответствует квадруполю, ось которого лежит в плоскости солнечного экватора. Наблюдаются и двухсекторная структура, соответствующая магнитному диполю.

В целом крупномасштабное поле Солнца сложно. Еще сложнее структура поля, обнаруженного в мягких масштабах. Наблюдения указывают на существование мелкомасштабных иглоподобных полей напряженностью до 2*10 3 Э (индукция 0,2 Тл). Магнитное поле Солнца изменяется. Осесимметричное крупномасштабное поле изменяется с периодом ≈ 22 года. Каждые 11 лет происходит обращение дипольной составляющей и смена направления азимутального поля.

Неосеммитричная составляющая, (секторная) изменяется приблизительно с периодом вращения Солнца вокруг своей оси. Мелкомасштабные поля изменяются нерегулярно, хаотично.

Магнитное поле несущественно для равновесия Солнца. Равновесное состояние определяет баланс сил тяготения и градиента давления. Но все проявления солнечной активности (пятна, вспышки, протуберанцы и др.) связаны с магнитными полями. Магнитное поле играет определяющую роль в создании солнечной хромосферы и в нагреве до миллиона градусов солнечной короны. Высвечиваемая в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах энергия выделяется в многочисленных локализованных областях, отождествляемых с петлями магнитного поля. Области, в которых излучение ослаблено (корональные дыры) отождествляются с открытыми во внешнее пространство конфигурациями магнитных силовых линий. Считается, что в этих областях берут начало потоки солнечного ветра.

1. Модель внутреннего строения Солнца. Источники солнечной энергии.

Рисунок 57. Схема строения солнца.

Внешние слои Солнца (атмосферы) непосредственно доступны наблюдениям. Поэтому теоретические модели их строения проверены. Модели внутреннего строения в основном теоретические. Они получены на экстраполяции физических условий, на поверхности и характеристиках: размеры, масса, светимость, вращение, химический состав.

По геологическим данным возраст Солнца около 5 млрд лет. Последние 3 млрд лет светимость его мало изменилась. За эти 3 млрд. лет Солнце излучило 3,6*10 44 Дж, то есть каждый килограмм массы Солнца выделил ~1,8*10 13 Дж энергии. Такое количество энергии, как показали расчеты, не могут обеспечить химические процессы и гравитация. (гравитационная энергия Солнца = 4*10 41 Дж).

Единственным возможным, посовременным представлением, источником энергии может быть ядерная энергия. Если на Солнце идут ядерные реакции и вначале все вещество – водород, то при современной светимости Солнца ядерной энергии хватило бы на 170 млрд. лет. Для протекания ядерных реакций нужна температура порядка десяти млн. градусов. Следовательно, из высокой светимости следует высокая температура внутри Солнца. По наблюдениям в фотосфере температура с глубиной растет с градиентом 20 К на 1 км. Это дает в центре ~1,4*10 6 К. Температуру можно оценить по условию гидростатического равновесия, считая солнечное вещество идеальным газом: газовое давление уравновешивают силы тяготения. Получается ≈ 14*10 6 К в центре, что в 3 раза выше средней.

Наиболее существенной в недрах Солнца является протон – протонная реакция . Она начинается с крайне редкого события – β – распада одного из двух протонов в момент особенно тесного их сближения (14 * 10 9 лет).

При β – распаде протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Объединяясь со вторым протоном, нейтрон дает ядро тяжелого водорода – дейтерия. Для каждой пары протонов процесс, в среднем осуществляется за 14 миллиардов лет, что и определяет медленность термоядерных реакций на Солнце и общую протяженность его эволюции. Дальнейшие ядерные превращения протекают значительно быстрее. Возможны несколько вариантов, из которых чаще всего должны происходить столкновения дейтерия с третьим протоном и образование ядер изотопа гелия которые, объединяясь и испуская два протона, дают ядро обычного гелия.

Другая реакция в условиях Солнца играет значительно меньшую роль. В конечном счете, она также приводит к образованию ядра гелия из четырех протонов. Процесс сложнее и может протекать только при наличии углерода, ядра которого вступают в реакцию на первых ее этапах и выделяются на последних. Таким образом, углерод является катализатором, почему и вся реакция носит название углеродного цикла.

При термоядерных реакциях в недрах Солнца выделяется в виде жестких гамма-квантов. При движении к поверхности они многократно переизлучаются, дробятся на кванты меньшей энергии. Процесс занимает миллионы лет. Из одного γ – кванта образуется несколько миллионов квантов видимого света, которые и покидают поверхность Солнца.

При термоядерных реакциях выделятся нейтрино. Из –за ничтожно малой массы и отсутствия электрического заряда нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Почти свободно проходит Солнце и со скоростью света вылетает в межпланетное пространство. Его регистрация сложна, но нейтрино может жать важную информацию о внутреннем строении и условиях внутри Солнца и звезд.

Рисунок 58. Схематический разрез Солнца и его

Магнитное поле по современным представлениям формируется внутри Солнца в его конвективной зоне, расположенной непосредственно под солнечной поверхностью (фотосферой). Роль магнитного поля в динамике происходящих на Солнце процессов - огромна. Судя по всему, оно является ключом ко всем активным явлениям, происходящим в солнечной атмосфере, в том числе к солнечным вспышкам . Можно сказать, что если бы Солнце не обладало магнитным полем, то оно было бы крайне скучной звездой.

Многие объекты, наблюдаемые на Солнце, также обязаны своим происхождением магнитному полю. Так, например, солнечные пятна представляют собой места, где гигантские магнитные петли, всплывающие из недр Солнца, проникают сквозь солнечную поверхность. Именно по этой причине группы пятен, как правило, состоят из двух областей различной магнитной полярности - северной и южной. Эти две области соответствуют противоположным основаниям всплывающей магнитной трубки. Цикл солнечной активности также является результатом циклических изменений магнитного поля, происходящих в солнечных недрах. Протуберанцы, которые как бы парят в пустоте над поверхностью Солнца, в действительности поддерживаются линиями магнитного поля, которыми они пронизаны. Наконец, многие объекты, наблюдаемые в короне, в частности стримеры и петли, просто повторяют своей формой топологию окружающих их магнитных полей.

Измерения магнитных полей

Магнитное поле влияет на движение попадающих в него заряженных частиц. По этой причине входящие в состав любого атома электроны, вращающиеся вокруг ядра в одном направлении, попав в магнитное поле увеличат свою энергию, в то время как электроны, вращающиеся в другом направлении, свою энергию уменьшат. Этот эффект (эффект Зеемана) приводит к расщеплению линий излучения атома на несколько компонент. Измерение этого расщепления позволяет определять величину и направление магнитного поля на удаленных от нас объектах, недоступных для прямого исследования, таких как Солнце. Современные методы измерения позволяют с высокой точностью определять поле на поверхности Солнца, однако часто бессильны при измерении трехмерного поля в солнечной короне. В этом случае для восстановления полной трехмерной картины поля по поверхностным измерениям используются особые математические методы.

Предсказание космической погоды

Понимание природы солнечного магнитного поля и его поведения позволит делать более надежные предсказания космической погоды. В настоящее время известны некоторые косвенные признаки, указывающие на то, что в активной области может произойти вспышка. Однако более долгосрочные предсказания, такие, например, как предсказание продолжительности будущего солнечного цикла , все еще являются чрезвычайно неточными и основываются не на строгих физических моделях, а на поиске разного рода эмпирических зависимостей. Тем не менее мы надеемся, что в скором будущем мы сможем понять Солнце достаточно хорошо, чтобы моделировать его будущую активность и предсказывать космическую погоду так же, как сейчас предсказывается погода на Земле.

Солнечные пятна дают нам наиболее наглядные образцы нестационарных процессов на Солнце. Прежде всего это их бурное развитие. Иной раз бывает достаточно двух-трех дней, чтобы на «чистом» месте фотосферы развилось большое пятно или большая группа пятен. Как правило, впрочем, развитие их идет медленнее и у больших групп достигает максимума через 2-3 недели. Малые пятна и группы появляются и исчезают в течение недели, в то время как крупные существуют по нескольку месяцев. Известно одно пятно, существовавшее 1,5 года. При возникновении пятна, когда его полутень еще мала, в ней видна та же фотосферная грануляция (Ганский, Тиссен), которая при дальнейшем развитии принимает волокнистый вид; волокна гораздо более стойки, чем гранулы. Когда округлое пятно правильной формы приближается к солнечному краю, оно наблюдается нами в проекции и его поперечник в направлении радиуса солнечного диска сильно сокращен (пропорционально ; см. рис. 8). При этом нередко наблюдается так называемый эффект Вильсона, заключающийся в том, что полутень пятна со стороны края диска видна хорошо, а со стороны, обращенной к центру диска, сильно сокращена. Такое явление допускает геометрическое уподобление солнечного пятна гигантскому углублению с конически суживающимися стенками. Но далеко не все пятна обнаруживают это.

Обычно группа пятен бывает растянута по гелиографической долготе (в исключительных случаях - до 20° и больше). При этом часто в группе намечаются два самых крупных пятна с отдельными полутенями, которые имеют слегка различные движения по поверхности Солнца. Восточное пятно называют ведущим, западное - следующим. Часто такая склонность образовываться парами наблюдается и у отдельных пятен, не образующих групп с большим количеством мелких пятен-спутников.

Рис. 38. Вихревая структура пятен в биполярной группе. Направления вихрей противоположны. (Спектрограмма в лучах На)

Наблюдения лучевых скоростей по разным спектральным линиям в разных местах пятна и под разным углом зрения к нему показывают наличие сильных (до 3 км/с) движений в полутени пятна - растекание вещества в глубинных частях его и втекание вещества внутрь на большой высоте. Последнее подтверждается вихревой структурой, заметной над пятнами на спектрогелиограммах в лучах . Направления этих вихрей противоположны в южном и северном полушариях Солнца и указывают в одиночных пятнах на втекание вещества в соответствии с тем, как его должна отклонять сила Кориолиса.

Обычно на внешнем краю полутени систематические движения уже не наблюдаются.

Как уже было сказано выше, солнечные пятна обладают сильными магнитными полями. Напряженность в 1000-2000 Э является обычной, а в одной группе в конце февраля 1942 г. была измерена напряженность 5100 Э. Детальные исследования распределения направления и напряженности магнитного поля внутри пятна показали, что в центре пятна магнитные силовые линии идут по оси пятна (вверх или вниз), а по мере удаления к периферии пятна они все более уклоняются от нормали к поверхности, почти до 90° на краю полутени. При этом напряженность магнитного поля убывает от максимума почти до нуля.

Рис. 39. Изменение средней широты и магнитной полярности солнечных пятен в последовательных циклах солнечной активности

Чем больше пятно, тем, как правило, сильнее его магнитное поле, но когда большое пятно, достигнув максимальных размеров, начинает уменьшаться, напряженность его магнитного поля остается неизменной, а полный магнитный поток уменьшается пропорционально площади пятна. Это можно истолковать так, как будто пятно лишь способствует выносу наружу магнитного поля, существующего длительно под поверхностью. Сказанное подтверждается также тем, что часто магнитное поле не исчезает после исчезновения пятна, но продолжает существовать там и вновь усиливается при новом появлении пятна в той же области. Наличие здесь перманентных факельных полей позволяет говорить, что в этих местах существуют устойчивые активные области.

В группах с двумя большими пятнами пятна ведущее и следующее имеют противоположную магнитную полярность (рис. 38 и 39), что оправдывает название таких групп - биполярные, в противоположность униполярным группам, включающим в себя одиночные пятна. Бывают сложные группы, в которых пятна той и другой полярности беспорядочно перемешаны. В каждом цикле солнечной деятельности полярности ведущего и следующего пятна в северном и южном полушариях противоположны друг другу.

Так, если в северном полушарии Солнца полярность ведущего пятна северная (N), а следующего - южная (S), то в это же время в южном полушарии полярность ведущего пятна - S, а следующего - N. У тех редких пятен, которые пересекаются экватором, полярность северной и южной половин противоположна. Но с окончанием цикла солнечной деятельности, когда проходит ее минимум, в каждом полушарии распределение магнитной полярности у пятен биполярной группы изменяется на то, которое было в предыдущем цикле на противоположном полушарии. Этот важный факт был установлен Хэйлом с сотрудниками в 1913 г.

Хотя местные магнитные поля Солнца бывают очень сильны, его общее магнитное поле весьма слабое и лишь с трудом выделяется на фоне местных полей только в годы минимумов солнечных пятен. Кроме того, оно изменчиво. В годы 1953-1957 его напряженность соответствовала диполю с индукцией в 1 Гс, знак был противоположен знаку магнитного поля Земли, а ось диполя совпадала с осью вращения. В 1957 г. знак поля изменился на обратный в южных полярных областях Солнца, а в конце 1958 г. - и в северных. Последнее изменение знака поля наблюдалось в 1970-1971 гг.

Смена магнитной полярности пятен с окончанием цикла солнечной активности не является единственным признаком конца цикла. Солнечные пятна редко образуются вдали от экватора. Их предпочтительная зона заключена в пределах гелиографических широт от 1-2° до 30° в обоих полушариях. На самом экваторе пятна встречаются редко, как и на широтах свыше 30°. Но у этой картины есть особенность ее изменения во времени: первые пятна нового цикла (после мнимума) появляются вдали от экватора (например, пятно с было зарегистрировано 15 марта 1914 г., с мая 1943 г. и с октября 1954 г.), в то время как последние пятна уходящего цикла еще наблюдаются вблизи экватора. Во время же расцвета цикла вблизи его максимума пятна можно встретить на всех гелиографических широтах между - 45° и +45° (известна группа пятен даже с широтой +50°, наблюдавшаяся в июне 1957 г. во время максимума солнечной активности), но главным образом между 5 и 20°. Таким образом, средняя гелиографическая широта пятен по мере развития 11-летнего цикла солнечной активности неуклонно уменьшается, и новые пятна появляются все ближе и ближе к экватору (рис. 39). Эта закономерность была установлена впервые в 1858 г. Кэррингтоном и иногда называется законом Шпёрера (хотя последний установил ее на 10 лет позже).

Таким образом, если под периодом понимать промежуток времени, в течение которого изменяются и возвращаются к исходному состоянию все свойства, то истинный период солнечной деятельности есть не 11 лет, а 22 года. Интересно, что некоторое чередование высоты максимума через цикл также подтверждает 22-летнюю периодичность. Намечается и 80-летний цикл солнечной деятельности. По каким-то внутренним причинам солнечная активность меняется в широких пределах с характерным временем около столетия.

Так, между 1645 и 1715 гг. на Солнце почти не было пятен, а группа появлялась только» один раз. Это так называемый минимум Маундера. Другой минимум, минимум Шпёрера, был между 1410 и 1510 гг. Наоборот, средневековый максимум между 1120 и 1280 гг. был очень энергичен, подобно переживаемому нами сейчас. Описанные вариации сопровождались колебаниями средней годовой температуры в Англии в пределах 1 °С.