Анатолий Цыцаркин - Земля и её пассажиры

В условиях вакуума свету понадобилось бы на это менее двух с половиной секунд. Роль света играют нейтрино. Регистрируя и изучая их спектр можно судить об особенностях процессов в глубине Солнца. И хотя мы купаемся в его лучах – ровесниках австралопитека, такие исследования могут быть полезными.

Более актуальным является изучение одиннадцатилетнего цикла активности, сопровождающегося сменой полярности магнитного поля через 22 года. Такая периодичность связана с особенностями передачи тепла в зоне, прилегающей к наружной поверхности Солнца.

Мощность термоядерного реактора и радиус светила однозначно определяют уровень эффективной температуры фотосферы менее 6000 К (5770 К). При этом возможна неполная диссоциация водорода и слабая ионизация таких элементов, как натрий, калий, магний, кальций, алюминий. Поэтому в поверхностных слоях связанные электроны всех элементов, включая водород и гелий, эффективно поглощают кванты излучения, что и определяет относительную непрозрачность среды в этой зоне. Температурные условия в более глубоких областях обеспечивают полную ионизацию элементов, кроме тяжелых, и тем самым высокую прозрачность.

За время существования Солнца тяжелые элементы световым давлением были вытеснены в поверхностные слои. В результате этого их весовая концентрация в отдельных областях может достигать 10 и более процентов, что в сотни раз превышает средние значения.

Когда лучистый механизм вывода тепла наружу не обеспечивает требуемого уровня, блокируемый поток тепла производит дополнительный подогрев среды. Это приводит, помимо роста радиационного потока, к возбуждению механизма конвекции. Условием ее возникновения и поддержания является снижение плотности среды на каждом уровне по сравнению с вышележащим, достигаемое перегревом. Его расчетное значение для водородной среды составляет 20 К на 1 км. и зависит от молекулярного веса и ускорения силы тяготения. Для тяжелых элементов эта величина должна быть на уровне сотен тысяч градусов на тысячу километров, что в реальности не наблюдается. Протяженность конвективной зоны составляет десятки тысяч километров при общем перепаде температур около 500 000 К.

Световое давление на частично ионизированные атомы тяжелых элементов практически на два порядка превышает их вес и создают движущий напор для циркуляционных контуров.

При ориентировочной массе тяжелых элементов в конвективной зоне 1027 кг (0.05% от массы Солнца) это давление может превышать 1012 Па, чего вполне достаточно для поддержания многоярусной циркуляции по радиусу. Отметим, что теплосодержание водорода в десятки раз превышает то же у тяжелых элементов, т.е. выявляется разделение функций между ними по передаче тепла и гидродинамическому обеспечению конвективных контуров. Скорость движения среды в контурах изменяется от сантиметров в секунду в глубине зоны до километров в секунду на границе фотосферы с тенденцией ускорения в фотосфере и хромосфере и отражает обратнопропорциональную зависимость от плотности.

Циркуляционные и конвективные потоки происходят в сложной магнитогидродинамической ситуации. В широких пределах меняются скорость, плотность, степень ионизации и диссоциации молекул, направление движения среды, а также тесно связанные с этими параметрами конфигурация и интенсивность магнитных полей.

Предполагается цикличность обращения тяжелых элементов в конвективной зоне до глубины (60÷70) тыс. км. Расчетное суммарное время подъема и осаждения (принимаются равными) составляет около 10.2 лет, что близко к наблюдаемому циклу активности Солнца (≈11 лет). Циклично изменяется число пятен. Максимальное число пятен может достигать двухсот и падает в цикле до нуля. Наблюдались длительные периоды с практически полным отсутствием пятен. Известен маундеровский минимум (с 1645 по 1715 г), когда насчитывалось всего 50 пятен. Это сопровождалось неурожаями в течение многих лет. Наиболее пострадали Скандинавия, Прибалтика, Россия, где от голода умерло до половины населения.

Пятна рождаются в широтных поясах от 10° до 50°; в полярных зонах и вблизи экватора их нет. Сначала появляется своеобразная пора на поверхности, которая превращается в пятно увеличивающихся размеров, затем образуется хвостовое пятно и другие пятна группы.

При средней величине ≈15 тыс. км. пятна достигают размеров 200 тыс. км., а группа пятен – до 1500 млрд. км2 (апрель 1977 г.). Время существования пятен составляет от нескольких часов до нескольких месяцев. Достигая предельных размеров и максимального удаления друг от друга, пятна и их группы распадаются. Дольше всех сохраняется головное пятно. Отмечается тенденция образования биполярных групп пятен, т.е. пар больших пятен с противоположной полярностью магнитного поля в сопровождении множества менее крупных.

Пятна излучают поток в несколько раз меньше, чем остальная поверхность, однако это с избытком компенсируется незначительным повышением температуры Солнца (<50 К).

Область, непосредственно прилегающая к пятнам, характеризуется наличием факелов и образующихся из них гранул более ярких, чем в центральной части солнечной поверхности.

Более мощными проявлениями солнечной активности являются протуберанцы – спокойные или бурные плазменные образования, удерживаемые в короне до двух месяцев магнитными трубками пятен. Их высота достигает 30 тыс. км.

Самыми взрывными энергиями сопровождаются солнечные вспышки. Их мощность достигает 1023 вт, что всего в 4000 раз меньше полной светимости, а энергия составляет до двукратной от приходящей на Землю в течение года. При этом удельная (отнесенная к единице массы) мощность энерговыделения в сотни миллиардов раз выше, чем для Солнца в целом.

Внешние проявления вспышки: глубокая ионизация тяжелых элементов, образование электронов и протонов с энергией до 1011 ЭВ, коротковолновый спектр излучения хромосферы и короны предполагает наличие высоконапряженных электрических полей.

Это может реализоваться при срабатывании скоростных потоков проводящей среды – плазмы в поперечных магнитных полях, т.е. в солнечных магнитогидрогенераторах.

Отметим, что преимущественная часть работы по ускорению плазмы производится световым давлением на тяжелые элементы, которое только в пределах хромосферы может произвести разгон среды до десятков километров в секунду.

Повышенная, по сравнению с долгосрочным средним уровнем солнечная активность, оборачивается ее закономерным спадом, как правило, более продолжительным. Восстановление сработавшего потенциала активности на глубине конвективной зоны около 75 тыс. км, производится преимущественно радиационным потоком с более низких уровней. Время прохождения тепловым потоком слоя в 30 тыс. км, составляет около 100 лет и увеличивается по мере углубления. Это является причиной проявления циклов активности Солнца с более длительными периодами.