Роль магнитных полей на Солнце

Астронет > 5. Магнитные поля на Солнце — основной возмутитель спокойствия

Роль магнитных полей на Солнце
Современные проблемы солнечной физики и гелиостереоскопические эксперименты >

5. Магнитные поля на Солнце — основной возмутительспокойствия

Известный астрофизик Юджин Паркер пишет: «Если бы воВселенной действовали только ядерные и гравитационные силы,то общая картина космической эволюции характеризовалась быпостепенной диссипацией тепловой энергии, лишь иногданарушаемой взрывными событиями.

Существует, однако,возмутитель космического спокойствия — магнитное поле».Энергия, выделяющаяся внутри Солнца, вызывает конвективныеи турбулентные движения в его внутренних слоях. Магнитныеполя, увлекаемые движением проводящей жидкости,растягиваются и изгибаются, приобретая энергию.

Конвективные и турбулентные потоки плазмы действуют подобнодинамомашине, преобразуя механическую энергию в энергиюмагнитного поля. На Солнце мы наблюдаем непрерывно изменяющуюся структурумагнитного поля на его поверхности. На рис. 5 — двемагнитограммы Саянской обсерватории.

Одна из нихпоказывает структуру крупномасштабного магнитного поля вэпоху минимума солнечной активности, вторая — в эпохумаксимума. Можно видеть, насколько более сложная структурамагнитного поля в эпоху максимума и как усилилась величинанапряженности магнитного поля.

Полная величина магнитногопотока Солнца в цикле солнечной активности меняется почтина порядок (рис. 6).

Рис. 5. Структура крупномасштабного поля Солнца в минимуме (вверху) и максимуме (внизу) активности
Рис. 6. Изменение магнитного поля Солнца в цикле активности
Рис. 7. Схема генерации магнитного поля Солнца в цикле активности
Рис. 8. Наблюдения на космической обсерватории SOHO выброса корональной массы

Как уже отмечалось, в основе механизма генерации магнитныхполей лежат конвективные и турбулентные движения плазмывнутри Солнца. Сегодня установлено, что для действиядинамо необходимо два условия: вращение и наличиедостаточно глубокой конвективной зоны. Дифференциальноевращение в конвективной зоне, при котором экваториальныезоны вращаются быстрее, чем высокоширотные зоны вблизиполюсов Солнца, вытягивает полоидальное магнитное полеСолнца и наматывает силовые линии магнитного поля вокругСолнца. Таким образом, из полоидального магнитного поляобразуется тороидальное магнитное поле, которое постепенноусиливается. Циклонические вихри в конвективной зонерегенерируют из тороидального поля полоидальное полепротивоположного знака. Этот процесс изображен на рис. 7 ииллюстрирует в самых схематических чертах генерациюмагнитного поля в цикле активности. Усиленное тороидальное магнитное поле внутри конвективнойзоны из-за нестабильности, связанной с магнитнойплавучестью, прорывается к поверхности и образует группысолнечных пятен и комплекс явлений, составляющий понятиеактивной области. Таким образом, вращение, конвективные движения, турбуленциязапасают свою энергию в магнитном поле вытягиванием искручиванием силовых линий магнитного поля. Запасеннаятаким образом энергия магнитного поля рядом возможныхмеханизмов диссипации греет хромосферу и корону,выбрасывает протуберанцы и горячее корональное вещество(рис. 8), генерирует солнечные вспышки и солнечный ветер.Энергия теряется из замкнутых магнитных областей излучением(особенно в УФ и мягкой рентгеновской области), выносомкорональной массы эруптивными процессами и постояннымпереносом массы из открытых магнитных структур вкорональных дырах. Хотя разработаны различные модели динамо, механизмылокального усиления магнитных полей, но сегодняшнеесостояние проблемы хорошо отражает высказывание известногоастрофизика Вайса (Weiss N.O.): «Процесс работает, нодетали ошибочны». Основные проблемы разработки деталей процесса связаны стем, что еще нет подробных данных о том, как вращаютсявнутренние слои Солнца, какова структура движений веществав конвективной оболочке Солнца, какова структура магнитногополя во внутренних слоях Солнца. Ответы на эти вопросы исоставляют проблему солнечного магнетизма и егопеременности, и решение проблемы непосредственно связано спроблемой внутреннего строения Солнца.
>

Версия для печати

АстрометрияАстрономические инструментыАстрономическое образованиеАстрофизикаИстория астрономииКосмонавтика, исследование космосаЛюбительская астрономияПланеты и Солнечная системаСолнце

Источник: http://www.astronet.ru/db/msg/1176539/node6.html

Магнитные поля Солнца (продолжение)

Роль магнитных полей на Солнце

← Вернуться на предыдущую страницу

Как выглядит магнитное поле в пятнах?

Схема силовых линий магнитного поля в пятне (см. Северный А.Б)1

в первом приближении [поле пятна], сходно с полем верхушки соленоида с осью слегка наклоненной к нормали, как это показано на рис.
В пользу этой модели может быть высказано следующее соображение.

Меньшей температуре пятна при той же плотности газов соответствует меньшее газовое давление, чем в окружающей пятно атмосфере, и недостаток газового давления в пятне возмещается магнитным давлением.

Для этого под видимым нами пятном должен находиться более или менее вертикальный пучок силовых линий магнитного поля, давление которого препятствует проникновению внутрь пятна более горячего газа из окружения и опусканию пятна вниз.

Из наблюдений следует, что полярность общero магнитного поля Солнца (напряженность этого поля достигает 1 эрстеда) время от времени изменяется. Поэтому был сделан вывод, что общее магнитное поле не может пронизывать все Солнце, а располагается в его поверхностных слоях толщиной до 0,1 солнечного радиуса (~69 600 км).

Ионизированное вещество движется вдоль силовых трубок магнитного поля, связывающих два пятна на краю солнечного дискаМагнитное поле солнечного пятна (по А. Б. Северному). Величина и направление вектора напряжённости поля показаны отрезками прямых линий. На периферии пятна силовые линии поля наклонены сильнее, чем в его центре.

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.

Дифференциальное вращение Солнца постепенно наматывает силовые линии магнитного поля.
0) начало, 1) после 1-го оборота, 2) после 2-го оборота, 3) после 3-го оборотапосле многоих оборотовСхема превращения полоидального магнитного поля в тороидальное (Babcock H.W.).

Рассмотрим простую модель Солнца: чисто дипольное поле, как, например, у обычного стержневого магнита, с невозмущенными силовыми линиями, соединяющими полюса и располагающимися в меридиональных плоскостях (полоидальное поле).

Затем заставим его вращаться, причем вещество на экваторе пусть вращается быстрее, чем вещество на более высоких широтах. Через несколько десятков оборотов линии первоначального простого поля обмотаются несколько раз вокруг Солнца.

Этот процесс продолжается и далее, и каждый раз, когда экватор совершает один оборот относительно полюса, магнитные тиски вокруг Солнца сжимаются сильнее, стягивая силовые линии все теснее и теснее.

Более того, то, что когда-то было магнитным дипольным полем, постепенно превращается в сильное поле, по форме напоминающее [бублик] пончик (или тороидальное поле).
Так происходит превращение полоидального поля в тороидальное, силовые линии которого параллельны экватору.

Омега- и Альфа- эффекты и «переполюсовка»

Омега-эффект — это намотка тороидального магнитного поля. Такая намотка происходит на Солнце всегда, пока есть полоидальное магнитное  поле и дифференциальное вращение.

«Магнитная «шпулька» на Солнце непрерывно работает!»2 Альфа-эффект производит обратное преобразование тороидального магнитного поля в полоидальное, чтобы замкнуть цикл…

Примерно каждые 11 лет общее магнитное поле Солнца меняет знак.

«Переполюсовка» полоидального магнитного поля происходит вблизи максимума солнечной активности, когда число пятен на Солнце максимально (максимум потока тороидального магнитного поля).

Силовые линии теснят друг друга. В конце концов, какое-то из полей (дипольное или тороидальное) должно уступить.

Когда напряженность поля в какой-либо части внешних слоев достигает примерно 10 000 Гс (это приблизительно в 100 000 раз больше напряженности поля Земли), магнитное давление становится достаточно сильным для того, чтобы уравновесить силу солнечного притяжения.

Теперь плазма закручивается и свивается в жгуты, запутывая силовые линии еще больше (см. схему на шапке страницы), благодаря перемешиванию внешних слоев за счет конвекции. Поле запутывается в виде беспорядочно переплетающихся жгутов или узлов.

Местами оно прорывается через фотосферу, образуя области всплывающего потока, которые являются первой стадией образования солнечной активной области. Линии нового магнитного поля таким образом, поднимаются на поверхность Солнца. Области, в которых они выходят на поверхность, имеют биполярную структуру в виде пары северного и южного магнитных полюсов.

Схема выхода магнитного поля на поверхность Солнца.

На некотором этапе закручивания силовых линий наступает неустойчивость магнитных полей и их распад на отдельные силовые трубки. Полное давление внутри трубки, равное сумме давления магнитного поля и давления газа, уравновешивается газовым давлением вне трубки.

Так как температура вне и внутри трубки одинакова, то это означает, что плотность внутри трубки меньше, чем вне ее. Поэтому на силовую трубку действует сила, направленная вверх. В расчете на единицу объема эта сила названа магнитной плавучестью.

Анализ показал, что при определенной длине силовая трубка всплывает на поверхность. При этом образуются пятна противоположной полярности.

Топология магнитных полей солнечных пятен (Babcock H.W.)Гигантские корональные петли (на снимке слева) вместе с меридиональной циркуляцией и диффузионной турбулентностью играют очень важную роль в полярных инверсиях [преобразованиях] магнитного поля. Часть энергии магнитного потока от средних широт идет на нагрев  плазмы в этих петлях.(илл. Соловьев А.А.)

Впервые биполярная структура наблюдалась в солнечных пятнах в начале XX столетия. Эта стадия может сопровождаться яркой флоккульной областью. Примерно через день возникает и сама пара солнечных пятен, и оба пятна связывает арочная структура волокон, которая, по-видимому, очерчивает структуру магнитного поля.

Эти арочные волокна могут достигать в длину 30 000 км и иметь высоту, равную 5 000 км, другими словами, могут быть много больше Земли.

Внутри области, занятой солнечными пятнами, магнитное поле в виде трубки выходит из одного пятна и, образуя арку, входит в другое.

Эта картина естественным образом объясняет двойную полярность и также хорошо согласуется с наблюдениями арочных волокон.

Наблюдения с космических аппаратов, особенно наблюдения активных областей, позволяют теперь проследить эту структуру и значительно выше фотосферы.

Меридиональная циркуляция (илл. из работы Соловьев А.А.)

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.

Согласно существующим предположениям, неоднородность вращения Солнца поддерживается меридиональной циркуляцией — медленным движением вещества в меридиональной плоскости (по направлению от полюсов к экватору и наоборот). В свою очередь это движение поддерживается движениями в конвективной зоне, а последние — источниками ядерной энергии, находящимися глубоко в недрах Солнца.

Современные данные о течениях на поверхности Солнца предоставляют инструменты Global Oscillation Network Group (GONG) и Michelson Doppler Imager (MDI) на борту станции SOHO. Оба этих инструмента определяют скорость движения плазмы путем измерения Допплеровского смещения спектральных линий.

Одной из основных задач, которая решается по данным GONG и MDI, является разделение различных компонент движения плазмы, в частности отделение компоненты скорости, связанной с течениями плазмы от компоненты, вызванной осцилляциями солнечной поверхности.

Эти усредненные изображения затем анализируются с целью отделить компоненту движения, связанную с вращением Солнца, от компонент, связанных с конвекцией и с меридиональными течениями. [здесь приведен] пример такого анализа, проведенный на основе наблюдений солнечной вспышки от 25 мая 1995 года.

В результате ее исследования удалось определить все три компоненты движения (рис. ниже).

Во-первых, получена картина дифференциального вращения поверхности Солнца, во-вторых определены направления и скорости меридиональных течений плазмы, и наконец восстановлена картина супергрануляции, связанная с конвекцией.

Три компоненты движения плазмы на повехности Солнца:
дифференциальное вращение, меридиональные течения и осцилляции солнечной поверхности.
Получены с помощью инструментов GONG и MDI (Источник: Энциклопедия Солнца)

Астрофизики, опираясь на уже известные знания о природе солнечной активности, продолжают разрабатывать теории, охватывающие весь комплекс этих грандиозных явлений.

Краткое изложение современных моделей магнитных полей Солнца и циклов солнечной активности можно посмотреть в презентации д-ра ф-м.н Соловьева А.А. «Роль меридиональной циркуляции в развитии солнечного цикла» (ГАО РАН), представленной 17.02.2009 в ИКИ РАН.
(ссылка ниже)

← Вернуться на предыдущую страницуЦиклы солнечной активности →

Картинка внизу: Компьютерная 3D модель п́ары солнечных пятен созданная суперкомпьютером BLUEFIRE в High Altitude Observatory National Center for Atmospheric Research (NCAR). Boulder, Colorado, USA (июль 2009).

Это первое представление того, что находится ниже поверхности солнечных пятен. Более светлые (яркие) цвета указывают более сильную напряженность магнитного поля в этом поперечном сечении подслоя двух солнечных пятен.

Источник: http://osiktakan.ru/astr_sun/ss_sun2.html

Роль магнитных полей на Солнце

Роль магнитных полей на Солнце

Данные о магнитном поле Солнца можно получать благодаря исследованию космических лучей. При этом проводится регистрация излучения, появляющегося во время взаимодействия заряженных частиц, атомов, молекул или всей плазмы с магнитным полем. Самый простой пример подобного взаимодействия – это движение электрона в магнитном поле.

Под поверхностью Солнца находится слой, который называют фотосферой.

Физические механизмы течения солнечной активности и ее источник находятся в зоне конвекции, под солнечной поверхностью. Около поверхности звезды возникает вихревое перемешивание плазмы, вынос энергии на поверхность происходит при движении вещества. Данный способ передачи энергии называют конвекцией, при этом слой, находящийся около поверхности Солнца называют конвективной зоной.

Замечание 1

Роль конвективной зоны очень велика, так как в конвективной зоне возникают перемещения солнечного вещества и магнитного поля.

Солнце в «спокойном состоянии» можно представить как газообразную сферу, равновесное состояние которой определено балансом гравитационной силы и градиента давления. Идущий в центре Солнца термоядерный синтез служит источником энергии.

Внешняя оболочка Солнца находится в состоянии стационарной конвекции, ячейки которой — это гранулы и супер гранулы, которые видно на поверхности. Данная конвекция не зависит от широты и долготы. Солнце совершает вращение и имеет магнитное поле.

Но вращение и общее магнитное поле настолько слабые, что не влияют на равновесие спокойного светила.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 2

Исследования показали, что напряженность магнитного поля Солнца в целом небольшая, в два раза больше, чем напряженность поля Земли.

В активном Солнце роль вращения и наличие магнитных полей становятся определяющими.

С появлением и развитием локальных сильных местных магнитных полей связано множество явлений, которые происходят в солнечной атмосфере, например:

  • возникновение темных пятен;
  • протуберанцев;
  • вспышек;
  • стримеров;
  • петель в солнечной короне;
  • факелов.

Определение 1

Области в атмосфере Солнца с сильным магнитным полем называют активными.

Механизмы солнечной активности

Увеличение количества протуберанцев, факелов, количества вспышек, интенсивности корпускулярного излучения объединены названием солнечная активность.

Характеристикой солнечной активности часто служат данные о количестве пятен на фотосфере. Пятна обладают запасом магнитной энергии, ее изменения порождают основные явления.

Отличительным качеством солнечной активности служит ее повторяемость (периодичность). Одиннадцатилетний цикл активности Солнца открыт в 1893 году астрономом Г. Швабе (Дессау).

Ученые считают, что число пятен, суммарная площадь поверхности, которую они занимают на диске Солнца, связаны с изменениями напряженности магнитного поля во время цикла солнечной активности.

Если учитывать изменение знака общего поля Солнца при переходе от цикла к циклу, азимутальная составляющая которого связана с пятнами и полоидальная компонента может быть ассоциирована с диполем, данную периодичность считают двадцати двух летней.

Эту периодичность объясни при помощи теории магнитного динамо.

Механизм действия солнечного динамо можно представить так:

  1. Термоядерный синтез в центре Солнца питает стационарную конвекцию в поверхностной оболочке, кроме этого он является источником энергии динамо-машины.
  2. Движущим механизмом является дифференциальное вращение, спиральность конвекции, турбулентная диффузия и диамагнетизм.
  3. Осциллирующая система – это крупное магнитное поле.
  4. Механизм, управляющий осциллятором, действует посредством дифференциального вращения Солнца, средней спиральности его турбулентной конвекции и турбулентной диффузии силовых линий магнитного поля.

Теория динамо, даже в ее простейшем виде объясняет периодичность магнитного поля (обращение полярности и изменения знаков полей пятен), движение максимума поля к более низким широтам и другие свойства солнечного цикла.

Явления, происходящие на поверхности Солнца

В области солнечных пятен всегда имеется сильное магнитное поле, с напряженностью в тысячи раз большей, чем в невозмущенных областях.

Данное поле действует на заряженные частицы плазмы и таким образом, препятствует возникновению потоков конвекции.

Тогда на этой площади газ с высокой температурой перестает подниматься к поверхности, в результате температура этой части поверхности существенно уменьшается.

В области факела магнитное поле менее сильное, чем при образовании пятен, оно не способно останавливать вертикальные потоки плазмы. Но это магнитное поле может подавлять беспорядочное перемещение плазмы в потоке и способно уменьшать внутреннее трение. При этом появляется устойчивый восходящий поток газа с высокой температурой, который называют факелом.

Если заряженная частица движется в постоянном магнитном поле, то изменяется направление скорости ее движения.

Переменное во времени магнитное поле, которое пронизывает плазму, способно изменять и направление, и модуль скорости заряженных частиц. Оно может образовывать направленное движение плазмы.

Это способствует образованию мощных плазменных потоков. Данные потоки выбрасывают большие массы газа, которые выходят далеко в корону, при этом образуются протуберанцы.

Переменное магнитное поле, связанное с развитием совокупностей пятен, может оказывать давление на плазму, тогда в хромосфере над этой группой пятен, возникает мгновенное сжатие плазмы, при этом повышается температура газа. В этой области хромосферы появляется хромосферная вспышка – внезапное и резкое увеличение интенсивности свечения.

Переменное магнитное поле выбрасывает в пространство космоса плазменные потоки, скорость перемещения которых составляет порядка 1000 км/ч. Эти потоки называют корпускулярными потоками. Часть таких частиц могут разогнаться до скоростей, приближающихся к скорости света, при этом возникают космические лучи.

Потоки заряженных частиц, которые выбрасывает Солнце:

  • долетают до Земли,
  • отклоняются магнитным полем Земли,
  • оказывают воздействие на магнитное поле Земли.

При наибольшей солнечной активности на Земле происходят сильные возмущения магнитного поля, которые называют магнитными бурями.

Некоторое количество заряженных частиц попадают в магнитное поле Земли и, перемещаясь по спиралям вдоль линий магнитной индукции магнитного поля нашей планеты, попадают в некоторую ловушку.

Концентрируясь в виде колец вокруг Земли, частицы составляют радиационные пояса. Эти пояса обнаруживают спутники.

В районах полюсов данные частицы попадают в атмосферу, при этом можно наблюдать полярные сияния.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/magnitnoe_pole/rol_magnitnyh_poley_na_solnce/

Самое сильное магнитное поле на Солнце нашлось там, где не ждали • Новости науки

Роль магнитных полей на Солнце

По результатам наблюдения одной из групп солнечных пятен японские астрофизики обнаружили маленькую (около 1000 км в диаметре) светлую область на поверхности Солнца, магнитное поле в которой составляет 6250 Гаусс.

Это одно из самых сильных полей, зарегистрированных на Солнце за всю историю измерений (110 лет), и самое сильное из достоверно определенных.

Но интереснее всего то, что эта область формально находится вне солнечного пятна — то есть там, где столь сильное поле ожидалось меньше всего.

Солнце, как и любая «обычная» звезда (а мы не будем говорить о всякой экзотике вроде нейтронных звезд или белых карликов), — это гигантский самогравитирующий шар горячей плазмы. Плазма, в свою очередь, — это газ с преимущественным содержанием заряженных частиц (электронов, ионов и т. п.). В горячей плазме эти частицы движутся с очень большими скоростями.

Как известно из основ электродинамики, там, где есть движущиеся заряженные частицы (то есть, по сути, электрический ток), есть и магнитное поле. И чем быстрее движется заряд — тем сильнее поле. Поэтому естественно, что магнитные поля являются неизменными спутниками жизни звезд, и в частности Солнца.

Более того, эти поля управляют многими проявлениями активности звезд: вспышками, выбросами вещества, образованием пятен.

Солнце обладает крупномасштабным дипольным магнитным полем (см. Магнитные поля Солнца), медленно «закручивающимся» вокруг нашей звезды из-за ее вращения и в конечном итоге меняющим свои полюса примерно раз в 11 лет (физика этого процесса ясна еще не до конца, но он порождает знаменитый цикл солнечной активности).

Индукция (грубо говоря, сила) этого поля на поверхности Солнца в среднем составляет около 1 гаусс. Это сравнимо с магнитным полем на поверхности Земли. В этом смысле Солнце, как звезда, — далеко не самая «замагниченная». Поля так называемых «магнитных звезд» в тысячи и десятки тысяч раз сильнее.

Но в отдельные моменты времени в отдельных областях поверхности нашего светила магнитные поля могут возрастать на порядки, что приводит к вспышкам и вызывает корональные выбросы массы. Эти быстрые потоки плазмы возмущают межпланетное магнитное поле, а достигая магнитосферы Земли, вызывают полярные сияния, магнитные бури и прочие явления, влияющие на жизнь людей.

Поэтому изучение магнитных полей Солнца — одновременно и прикладная задача, и, конечно же, чисто научная. Кроме того, на примере Солнца можно также в деталях изучать магнетизм похожих на него звезд.

Темные пятна на поверхности Солнца — еще одно из проявлений локального усиления магнитного поля звезды. Систематически наблюдаемые вот уже более 400 лет, солнечные пятна — в некотором роде не более чем оптическая иллюзия: не такие они уж и темные на самом деле. Пятна — это области фотосферы Солнца с пониженной температурой.

В среднем поверхность Солнца разогрета примерно до 6000 K, а вот пятна «остыли» до ~4500 K. Как известно, светимость нагретого тела меняется как четвертая степень его температуры (см. Законы теплового излучения).

Отсюда и получается, что пятна выглядят примерно в 3 раза более тусклыми, а на контрасте с ярким окружением — почти черными.

При чем здесь магнитное поле? Базовая картина возникновения солнечных пятен на данный момент выглядит следующим образом. Пятна получаются там, где силовые линии крупномасштабного магнитного поля как бы всплывают из-под поверхности Солнца, образуя компактную особенность — петлю (рис.

 1). Линии магнитного поля в основаниях петли собраны в плотные пучки, что эффективно усиливает поле в этом месте до 3–4 тысяч гаусс.

Столь сильное поле препятствует подводу тепла из внутренних областей Солнца к поверхности тем, что частично подавляет конвекцию вещества: в основании петли плазма остывает и наблюдается как пятно (рис. 2).

Отсюда же понятно, что пятна возникают парами и имеют разную полярность — северную или южную — в зависимости от того, как направлены в них линии локального магнитного поля (соответственно, из поверхности или в поверхность звезды).

Впервые магнитное поле Солнца было обнаружено и достоверно измерено в 1908 году американцем Дж. Хэйлом и как раз в одном из пятен (G. E. Hale, 1908. On the Probable Existence of a Magnetic Field in Sun-Spots).

Тогда величина поля оказалось равной 2 килогаусс, что в 2–4 тысячи раз больше, чем магнитное поле Земли (но почти в 10 раз меньше, чем поле современного аппарата магнитно-резонансной томографии, примерно в 50 раз меньше самых сильных полей, создаваемых человеком, и в миллиарды раз меньше полей некоторых нейтронных звезд).

Наблюдение за солнечными пятнами и изучение их магнитных полей — одна из повседневных задач современной гелиофизики. Этим занимается в том числе и японская космическая обсерватория Hinode, выведенная на орбиту еще в 2006 году.

В феврале 2014 года с ее помощью наблюдали одну из пар пятен, видимых тогда на Солнце (получившую обозначение NOAA 11967, рис. 3). Авторы исследования — сотрудники японской Национальной астрономической обсерватории Такенори Окамото (Takenori J. Okamoto) и Такаси Сакураи (Takashi Sakurai).

Они и представили свои результаты в статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Ученые провели спектральные наблюдения пары пятен, позволившие измерить величину магнитного поля в разных ее частях. В центре большего пятна поле оказалось примерно в 4 тысячи раз больше, чем в среднем по Солнцу (то есть около 4 килогаусс). Это было вполне ожидаемо.

Однако в светлой области между пятнами индукция оказалась еще больше и составила рекордные 6250 Гаусс. И вот это уже было сюрпризом. К слову, в 2013 году немецкие исследователи уже отчитывались о возможном обнаружении поля в 7 килогаусс в полутени солнечного пятна (M. van Noort et al., 2013. Peripheral downflows in sunspot penumbrae).

Но это была всё же часть самого пятна, и полученная оценка была скорее косвенной (см. врезку про эффект Зеемана).

проблема в том, что в светлой области между пятнами конвекция почти не подавлена и, казалось бы, сильного поля там быть не может. Поэтому авторам пришлось искать дополнительное объяснение этому парадоксу. Выглядит оно, в их представлении, следующим образом.

Каждое солнечное пятно порождает радиальный поток плазмы, который со скоростью в несколько километров в секунду движется от центра пятна во внешние области. Это наблюдательный факт, называемый эффектом Эвершеда.

Детали его еще не до конца прояснены, но вероятнее всего он связан с изменением наклона линий магнитного поля: вдали от центра пятна линии из вертикальных становятся горизонтальными и как бы стелются по поверхности звезды.

Поток Эвершеда существует как у северного, так и у южного пятна, но у одного из них он может оказаться сильнее. Тогда он способен немного прижать линии поля на границе соседнего пятна, от чего плотность энергии поля, а вместе с ней и величина самого поля должны существенно увеличиться (рис. 4). Это и есть идея, которая, в целом, объясняет полученные данные.

Интересно, что рецензент статьи, как указывают авторы в одном из примечаний к тексту, предложил и другую возможную интерпретацию: усиление поля в изучаемой области произошло из-за явления пересоединения (наложения) силовых линий магнитного поля (см. статью «Загадка солнечных вспышек»). При этом детально такая версия в статье не обсуждается.

В любом случае, полученные наблюдательные данные накладывают дополнительные ограничения на структуру и силу потоков вещества, наблюдающихся внутри пар солнечных пятен, — в том числе и потока Эвершеда, физика которого, напомним, еще до конца не ясна.

Любая модель, описывающая эти потоки, теперь должна допускать образование полей, по силе не уступающих обнаруженному.

А глубокое понимание физики солнечных пятен — это, в конечном итоге, понимание многочисленных эруптивных процессов происходящих на Солнце, влияющих на нашу глобально электрифицированную цивилизацию всё больше и больше.

Источник: Takenori J. Okamoto, Takashi Sakurai. Super-strong Magnetic Field in Sunspots // The Astrophysical Journal Letters. 2018. DOI: 10.3847/2041-8213/aaa3d8.

Антон Бирюков

Источник: https://elementy.ru/novosti_nauki/433196/Samoe_silnoe_magnitnoe_pole_na_Solntse_nashlos_tam_gde_ne_zhdali

Booksm
Добавить комментарий