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.

Люди, посвятившие себя изучению Солнца, неизбежно встречаются с одной проблемой. Их наблюдения проводятся издалека. Они полагаются на изображения и данные, полученные с расстояния в 140 миллионов километров. Как ни крути, такие данные не позволяют создать точную картину магнитных полей, существующих и, главное, постоянно меняющихся, около Солнца.

Но оставить эту проблему нельзя. Напротив, ученым следует уделить ей максимальное внимание. Понимание структуры и динамики этих полей позволит разобраться в том, как корональные выбросы путешествуют в пространстве, в том числе, в направлении Земли, где они могут нанести серьезный ущерб спутникам. Группа американских специалистов разработала подход, объединяющий старые, испробованные во многих областях знания математические методы и новые теории и экспериментальные техники наблюдения за динамикой корональных масс для того, чтобы создать новую, достаточно точную модель магнитных полей около Солнца. В первую очередь - в верхних слоях его атмосферы, в короне.

«Магнитное поле - своеобразный скелет всей гелиосферы, оно определяет, как частицы и корональные массы движутся в сторону Земли», - говорит специалист по Солнцу, физик из Центра космических полетов имени Годдарда Нэт Гопалсуами . По его словам, измерение магнитных полей около поверхности Солнца стало для физиков рутинной работой, но вот подняться выше и проводить измерения в атмосфере, особенно в ее верхних слоях, пока толком не научились. «До недавнего времени мы могли измерять магнитное поле только в верхней части короны и при определенных условиях. Новая методика позволит проводить более общие исследования».

Для использования нового метода нужно лишь иметь хорошие измерения коронального выброса. Метод основывается на взаимодействии между объектом, движущимся через газ и самим газом. При этом возникает ударная волна, вокруг объекта возникает область сжатого, неравновесного газа, примерно как при движении реактивного самолета. Это было открыто еще в 1960-х годах. Если же объект движется через электризованный газ, плазму, его взаимодействие с газом обуславливается также магнитным полем, в особенности его напряженностью. Такую ударную волну с магнитном поле называют головной.

Проблема заключается в том, чтобы в верхней короне засечь головную ударную волну. В верхней части короны ученым пока не удавалось заметить тех явлений, по которым обычно и различают ударную волну в областях, которые ближе к поверхности Солнца. Однако 25 марта 2008 года Солнце предоставило ученым шанс проникнуть в свои секреты. Образовался корональный выброс, двигавшийся со скоростью почти в 5 миллионов километров в час. Он был замечен многими космическими аппаратами, занимающимися наблюдением за Солнцем. За счет этого было получено трехмерное изображение движения корональных масс. Оказалось, что в лимбе (в крайних областях Солнца) хорошо заметно движение корональных масс. Все явления, наблюдаемые в лимбе, чрезвычайно удобны для наблюдения и анализа. Ученые получили отличные данные о динамике коронального выброса.

Гопалсуани предположил, что ударная волна может быть видна на стандартных изображениях в белом цвете. Она действительно была видно, но не так, как он предполагал. Траектории ударных волн были на удивление неточны, что особенно странно в тонкой атмосфере Солнца. Вместо того, чтобы быть вблизи самих корональных масс, ударные волны вырывались с границ движущейся массы.

Во время выброса 25 марта ученым удалось заметить контуры своего рода диффузионного кольца около границ коронального выброса. Их структура позволила определить силу магнитного поля, приводящего к смещению ударных волн. Расстояние между корональными массами и фронтом ударной волны, а также радиус искривления траектории выброса дают исчерпывающую информацию для определения магнитных свойств среды, через которую они движутся. Можно сказать, аналогично по волнам можно определить, движутся ли они в воде или, например, в масле.

Скорость распространения ударной волны может быть использована для того, что определить так называемую скорость Альфвена - скорость распространения волны Альфвена. Эта скорость определяет, как быстро волна может проходить через магнитную среду. Это - аналог скорости распространения звуковой волны в воздухе. По этой скорости можно определить, до какой степени может дойти скорости объекта до того, как он создаст ударную волну. Определив эту волну, можно затем вычислить напряженность магнитного поля в среде.

Математические модели, используемые при этих преобразованиях, были объединены с более привычными моделями распространения ударных волн и позволили создать новую теорию движения корональных масс и их воздействия на Землю. Это - свидетельство того, как математические методы, применяемые в различных областях знания могут использоваться совместно. В данном случае используется метод, изначально разработанный для изучения геомагнитного поля. Затем он был расширен для анализа движения корональных масс в межпланетном пространстве, затем - около Солнца и, наконец, для определения магнитного поля в короне.

Для верификации нового метода ученые провели измерения напряженности магнитного поля на разных расстояниях от Солнца. Эти данные хорошо совпали с предсказаниями новой модели, что позволяет надеяться, что новая разработка скоро будет активно применяться для измерения напряженности магнитного поля в короне. Совместно с другими данными, которые в настоящее время доступны измерению человеком, такими как плотность, температура и направление линий магнитного поля, измерения напряженности магнитного поля позволят получить полную картину магнитного поля в короне Солнца.

Знание магнитного поля совершенно необходимо для предсказания космической погоды.

Комбинируя прямые наблюдения с компьютерным моделированием, гелиофизики НАСА создали модель движения плазмы в короне Солнца, которая позволит лучше понять природу магнитного поля Солнца

Поверхность Солнца непрерывно бурлит и танцует. Удаляющиеся от нее струи плазмы изгибаются, взметаются петлями, закручиваются в циклоны и достигают верхних слоев солнечной атмосферы - короны, имеющей температуру в миллионы градусов.

Результаты моделирования. Магнитное поле Солнца в 2011 гораздо больше сосредоточено вблизи полюсов. Пятен мало. (Изображение NASA"s Goddard Space Flight Center/Bridgman)

Магнитное поле Солнца в 2014 стало более запутанным и беспорядочным, создавая условия для вспышек и выбросов корональной массы. (Изображение NASA"s Goddard Space Flight Center/Bridgman)

Поверхность Солнца (изображение http://www.nasa.gov)

Это вечное движение, которое нельзя наблюдать в видимом свете, впервые заметили в 1950-х годах, и с тех пор физики пытаются понять, почему оно происходит. Сейчас уже известно, что вещество, из которого состоит Солнце, движется в соответствии с законами электромагнетизма.

Изучая магнитное поле Солнца, можно лучше понять природу космоса во всей Солнечной системе: оно влияет как на межпланетное магнитное поле и радиацию, сквозь которую приходится двигаться космическим кораблям, так и на космическую погоду на Земле (полярные сияния, магнитные бури и т.п. зависят от солнечных вспышек).

Но, несмотря на многолетние исследования, окончательного понимания природы магнитного поля Солнца еще нет. Предполагается, что оно возникает от движений заряженных частиц, которые перемещаются по сложным траекториям из-за вращения Солнца (солнечное динамо) и тепловой конвекции, поддерживаемой теплом от термоядерного синтеза в центре Солнца. Однако все детали процесса до сих пор не известны. В частности, неизвестно, где именно создается магнитное поле: близко к солнечной поверхности, глубоко внутри Солнца, или в широком диапазоне глубин.

Как можно увидеть невидимое магнитное поле? По движению солнечной плазмы. И вот, чтобы больше узнать о «магнитной жизни» Солнца, ученые НАСА решили проанализировать движение плазмы через его корону, комбинируя результаты компьютерного моделирования и данные, полученные при наблюдении в реальном времени.

Магнитное поле управляет движением заряженных частиц, электронов и ионов, из которых состоит плазма. Образующиеся при этом петли и прочие плазменные структуры ярко светятся на снимках, сделанных в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Кроме того, их следы на поверхности Солнца, или фотосфере, можно достаточно точно измерить с помощью инструмента, называемого магнитографом, который измеряет силу и направление магнитных полей.

Результаты наблюдений, которые описывают напряженность магнитного поля и его направление, затем объединяют с моделью движущейся солнечной плазмы в магнитном поле. Вместе они дают хорошее представление о том, как выглядит магнитное поле в короне Солнца и как оно там колеблется.

В периоды максимальной солнечной активности магнитное поле имеет очень сложную форму с большим количеством повсюду мелких структур, представляющих собой активные регионы. В минимуме солнечной активности поле слабее и концентрируется на полюсах. Образуется очень гладкая структура без пятен.

По материалам НАСА
Там же можно посмотреть анимацию по результатам моделирования.

Межпланетное магнитное поле (IMF) играет огромную роль во взаимодействии солнечный ветера с магнитосферой Земли. В этой статье мы узнаем, что такое межпланетное магнитное поле и как оно влияет на авроральную активность на Земле.

Магнитное поле Солнца

Во время солнечного минимума магнитное поле Солнца похоже на магнитное поле Земли. Оно похожу на стержневой магнит с магнитными линиями замкнутыми вблизи экватора и разомкнутыми полевыми линиями вблизи полюсов. Ученые называют эти области диполем. Дипольное поле Солнца имеет приблизительно таккую же силу, как магнит на холодильнике (около 50 Гауссов). Магнитное поле Земли приблизительно в 100 раз слабее.

В период максимальной солнечной активности, крупные солнечные пятна видны на солнечном диске. Пятна имеют повышенный магнетизм и мощьность силовых линий магнитного поля, распологающихся вдоль них. Магнитное поле Солнца является динамичным и сложным по своей структуре в силу того, что мощность силовых линий пятен в несколько сотен раз превышает мощность силовых линий фонового магнитного поля.

Магнитное поле Солнца не остается вокруг самого Солнца. Солнечный ветер переносит его через Солнечную систему, пока не достигает гелиопаузы. Гелиопауза - это место, где солнечный ветер взаимодействует с межзвездной средой. Поскольку Солнце поворачивается вокруг своей оси (прблизительно за 25 дней), межпланетное магнитное поле имеет форму спирали, которая называется Спиралью Паркера.

Значение: B t value

Величина Bt межпланетного магнитного поля обозначает его общую мощность. Чем больше это значение, тем лучше геомагнитные условия с точки зрения авроральной активности. Умеренные значения напряженности межпланетного магнитного поля начинаются с 15nТ, однако для средних широт желательно 25nТ и более.

Значение: B x , B y and B z

Межпланетное магнитное поле представляет собой векторную величину с трехосевой составляющей, две из которых (Bx и By) ориентированы параллельно эклиптике. Компоненты Bx и By не очень важны с точки зрения авроральной активности. Третий компонент, значение Bz перпендикулярен эклиптике, он зависит от волн и других возмущений солнечного ветра.

Взаимодействие с магнитосферой Земли

Направление север-юг межпланетного магнитного поля (Bz) является наиболее важным компонентом авроральной активности. Когда направление север-юг (Bz) межпланетного магнитного поля ориентировано на юг, оно будет соединяться с магнитосферой Земли, которая всегда указывает на север. Вспомните о обычных стержневых магнитах. Два противоположных полюса притягиваются друг к другу! С южным Bz частицы солнечного ветра намного легче входят в нашу магнитосферу. Оттуда они попадают в ионосферу, где сталкиваясь с атомами кислорода и азота входящих в состав атмосферы, что в свою очередь, заставляет их светиться.

Для развития геомагнитной бури важно, чтобы направление межпланетного магнитного поля (Bz) указывало на юг. Значения Bz = -10nT и ниже хорошие предпосылки для развития геомагнитной бури и авроральной активности. Только во время экстремальных явлений с высокими скоростями солнечного ветра возможно появление геомагнитной бури (Kp5 или выше) с северным Bz.

Изображение: схематическая диаграмма, показывающая взаимодействие между IMF с южным Bz и магнитосферой Земли.

Важно отметить, что мы все еще не можем точно предсказать Bz(t), т.е. - силу, ориентацию и длительность межпланетной составляющей Bz между северным и южным участками входящей структуры солнечного ветра. Мы не знаем, каковы характеристики солнечного ветра и магнитного поля до тех пор, пока он не достигнет точки Лагранжа Солнце-Земля 1 (неподвижная точка в пространстве между Землей и Солнцем около 1,5 миллиона километров от Земли), где спутники измеряют свойства входящего солнечного ветра. Мы узнаем об этом в следующем параграфе.

Измерение межпланетного магнитного поля

Данные солнечного ветра в реальном времени и данные о межпланетном магнитном поле, которые вы можете найти на этом веб-сайте, получены спутником космической климатической обсерваторией DSCOVR, которая находится на орбите вокруг точки Солнца-Земли 1 Лагранжа. В этой точке между Солнцем и Землей, гравитационное воздействие на спутники со стороны Солнца и Земли равно по величине. Это означает, что они могут оставаться на стабильной орбите находясь в этой точке. Она идеально подходит для солнечных проектов, таких как DSCOVR, поскольку это дает возможность измерять параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля до того, как он достигнет Земли. Это дает нам время от 15 до 60 минут (в зависимости от скорости солнечного ветра) относительно того, какие структуры солнечного ветра находятся на пути к Земле.

В точке Солнца-Земли L1 имеется еще один спутник, который измеряет данные солнечного ветра и межпланетного магнитного поля: Advanced Composition Explorer (ACE). Этот спутник раньше был основным источником данных, вплоть до июля 2016 года, когда проект климатической обсерватории (DSCOVR) был выведен на орбиту. Спутник Advanced Composition Explorer (ACE) по-прежнему работает, собирая данные в качестве резерва DSCOVR.

Изображение: местоположение спутника в точке L1 Солнца-Земли.

Магнитное поле солнца

Магнитное поля присутствуют, по-видимому, на всех звёздах. Впервые магнитное поле было обнаружено на ближайшей к нам звезде - Солнце - в 1908 г. амереканскмй астрономом Дж. Хейлом, измерившим зеемановское расщепление спектральных линий в солнечных пятнах.

Согласно современным измерениям, максимальная напряжённость магнитного поля пятен = 4000 Э. Поле в пятнах есть проявление общего азимутального магнитного поля Солнца, силовые линии которого имеют различное направление в Северном и Южном полушариях Солнца

В отличие от ближайшего космического пространства, непосредственное измерение магнитных полей на Солнце магнитометрами невозможно не только из-за технических трудностей посылки космического зонда к Солнцу, но также из-за высокой температуры его вещества, которую не может выдержать ни один прибор). Поэтому как на Солнце, так тем более и на других более удаленных объектах, магнитные поля можно измерять лишь косвенно -- анализируя электромагнитное излучение.

На Солнце магнитное поле захватывается горячим веществом или "вмораживается" в него. При своем движении солнечное вещество увлекает за собой столько магнитного поля, сколько сможет. Так как скорость вращения на экваторе опережает скорость вращения на полюсах, силовые линий магнитного поля растягиваются, но линии поля при таком наматывании не обрываются; они скорее похожи на чрезвычайно эластичную резину. Как и у резины, чем больше они растягиваются, тем больше в них запас энергии.

Магнитное поле пятен подавляет конвекцию в верхних слоях конвективной зоны, перенос энергии здесь резко уменьшается, поэтому температура газа в области пятна уменьшается на 1 500--2 000 К. В близких же окрестностях пятна, где напряженность поля относительно невелика, магнитное поле, наоборот, усиливает конвективный перенос энергии. Именно так и возникают яркие образования -- факелы.

Оценки показывают, что плавучесть эффективна до глубин порядка 15 000 км, тогда как толщина конвективной зоны примерно в семь раз больше. Отсюда следует, что магнитные поля пятен формируются в верхней части конвективной зоны Солнца.

В связи с этим возникает следующий вопрос: каким же образом поддерживается неоднородное вращение Солнца? Ведь усиление магнитных полей и образование магнитных трубок происходит за счет торможения вращательного движения экваториальных областей, и если бы эта энергия не поступала непрерывно, то уже после нескольких оборотов Солнце начало бы вращаться как абсолютно твердое тело, т. е. угловая скорость вращения у полюсов и на экваторе была бы одинаковой.

Солнце как переменная звезда

Переменными звездами называются такие светила, светимость которой изменяется со временем в результате происходящих в её районе физических процессов.

Оказывается, наше Солнце - такая звезда.

Собранная информация датчиком частиц солнечного ветра Swoops зонда Ulysses , позволила сделать вывод о непрерывном - начиная с середины 1990-х годов - "ослабевании" солнечного ветра. Более того - процесс этот начался, по всей видимости, гораздо раньше. В настоящее время скорость солнечного ветра достигла абсолютного минимума по крайней мере за полвека - с тех пор, как начались непосредственные его исследования с использованием космических аппаратов. Снижение скорости солнечного ветра за десятилетие относительно невелико - около 3%, однако оно является следствием снижения температуры и давления частиц солнечного ветра на 13% и 20% соответственно. Насколько длителен процесс и насколько далеко он зашел, сказать пока невозможно. Охлаждение солнечного ветра сопровождается также снижением напряженности магнитного поля Солнца на треть за тот же период.

Тем самым обострилась радиационная обстановка в Солнечной системе и в околоземном пространстве - плотность потока особо опасных протонов высоких энергий, приходящих из глубокого космоса, возросла примерно на 20%.

.

Аномальное снижение активности солнечного ветра дополняет картину трудно объяснимых аномалий в поведении самого светила. Уникальная активность светила в конце прошлого цикла сменилась ненормально длительным отсутствием пятен - показателя активности - на светиле.

Снижение числа пятен, вообще говоря, характерно для минимумов солнечной активности, однако на этот раз процесс слишком затянулся. Уже почти год на Солнце пятен практически не наблюдается вообще.

Очевидно, что масштаб происходящих на Солнце в настоящее время процессов выходит за рамки гипотезы их 11-летней цикличности.