Сергей Язев - Лекции о Солнце

Если легкие микроскопические нейтрино, рождающиеся в ядре, примерно за 2 секунды беспрепятственно преодолевают всю толщу Солнца и уносятся в космическое пространство, то для частиц (квантов) электромагнитного излучения – фотонов – это нелегкая задача. Энергичные фотоны гамма-излучения, которые рождаются в центре Солнца, сталкиваются с частицами вещества и изменяют направление своего движения (рассеиваются). В центре Солнца фотон пробегает не больше трех десятых миллиметра – и снова сталкивается с частицами плазмы! По мере удаления от центра длина свободного пробега фотонов понемногу растет, но все равно остается небольшой. Бесчисленные столкновения приводят к тому, что излучение с большим трудом пробирается наружу. Фотоны огромное число раз меняют направление движения, отражаются назад, в стороны, поглощаются частицами вещества, передавая им свою энергию. Частицы, получившие избыток энергии, сами излучают новые фотоны, но уже с чуть меньшей энергией (у соответствующего электромагнитного излучения несколько увеличивается длина волны). В результате гамма-кванты постепенно превращаются в более длинноволновое излучение, толща Солнца наполняется не только гамма-излучением, но и рентгеновским, а далее и более низкочастотным (длинноволновым). Процесс «просачивания» излучения из недр Солнца продолжается очень долго: расчеты показывают, что фотон, родившись в ядре звезды во время термоядерной реакции, «пробирается» на поверхность Солнца после бесчисленных актов поглощения и переизлучения порядка сотни тысяч лет!

Пространство от 0,2–0,3 радиуса Солнца до примерно 0,7 радиуса называется зоной лучистого переноса , лучистого равновесия или лучистой теплопроводности. По мере того как общий поток излучения продвигается наружу, он распределяется по все большей площади, попадая в очередные слои зоны лучистого равновесия все ближе к поверхности Солнца. Поэтому температура постепенно уменьшается по мере подъема из глубин Солнца (пропорционально квадратному корню из расстояния до центра светила).

На глубине 0,3 радиуса под фотосферой (в 0,7 радиуса Солнца от его центра) непрозрачность солнечного вещества становится еще более высокой – она сильно зависит от температуры. Поскольку температура в верхней части зоны лучистого равновесия согласно существующей модели составляет чуть меньше 2,5 миллионов градусов, здесь атомы уже ионизованы далеко не полностью! Во всяком случае, это касается атомов тяжелых элементов. Атомы тяжелых элементов поглощают при этих температурах довольно большую часть идущего снизу излучения (в итоге спектр излучения должен быть весь изрезан многочисленными линиями). Мы помним, что общая масса всех элементов, кроме водорода и гелия, составляет всего 2 % массы солнечного вещества, но на верхней границе зоны лучистого равновесия именно эти малочисленные атомы вносят основной вклад в непрозрачность среды.

Мощный поток энергии снизу уже не может полностью обеспечиваться только просачиванием фотонов, как ниже, в зоне лучистого равновесия, где горячая плазма относительно прозрачна. Здесь же среда становится почти непрозрачной. В результате энергия, начиная с этой глубины, начинает переноситься наверх, к поверхности Солнца, движениями самого вещества, восходящими потоками плазмы!

Здесь, на глубине 0,3 радиуса Солнца под фотосферой (это почти точно 200 тысяч километров под поверхностью), начинается так называемая конвективная зона . Укажем особые условия, возникающие здесь.

Из-за близости к поверхности звезды, откуда излучение постоянно и беспрепятственно уходит в окружающее пространство, эта поверхность сравнительно быстро охлаждается. В результате здесь скорость падения температуры с удалением от центра существенно увеличивается (по сравнению с более плавным ее спадом в зоне лучистого равновесия).

Из-за ускоренного падения температуры с перемещением наружу уменьшается и степень ионизации газа, что приводит, в свою очередь, к дополнительному росту непрозрачности. Кроме того, менее ионизованный газ становится более изотермичным (он более эффективно сохраняет свою температуру, невзирая на изменения давления и плотности).

Все эти факторы приводят к появлению принципиально нового эффекта в подфотосферных слоях. Допустим, что где-то на верхней границе лучистой зоны (на глубине 200 тысяч километров под фотосферой) случайно возник некий элемент с температурой несколько выше окружающей. Согласно законам идеального газа¸ давление в нем будет также повышенным. Это означает, что элемент будет расширяться и по закону Архимеда он будет всплывать по направлению к поверхности Солнца. Из-за особых условий, указанных выше, всплывающий элемент будет стараться сохранить избыток тепла по отношению к окружающей среде. Элемент будет оставаться более горячим по сравнению с окружающей средой! Поднявшись на высоту, примерно равную своим размерам, конвективный элемент окажется в среде, которая будет по-прежнему заметно отличаться от него и по температуре, и по плотности. В результате всплывание элемента будет продолжаться. Так формируется восходящий поток вещества.

Поднимаясь все выше, элементы конвекции излучают в пространство избыток энергии. При этом они испытывают торможение со стороны сил трения (вязкости). На уровне фотосферы резко увеличивается прозрачность среды, и элемент быстро охлаждается за счет ухода энергии в космическое пространство, уносимой излучением. В результате стремительно падает уровень ионизации: плазма становится газом.

Если высокоионизованная плазма внутри конвективной зоны способна поддерживать устойчивое состояние за счет того, что изменения температуры в ней компенсируются переходом тепловой энергии во внутреннюю ионизационную энергию и наоборот, то на уровне фотосферы это свойство теряется. Здесь конвекция прекращается. Охлажденные потоки газа растекаются в горизонтальном направлении, обтекают области подъема и сливаются, подобно множеству струй, в нисходящие потоки. В недрах конвективной зоны газ снова нагревается, ионизуется – и все происходит заново. В результате конвекция приводит к активному перемешиванию вещества во внешнем слое Солнца толщиной в 200 тысяч километров.

Конвективная зона играет огромную роль в «жизни» Солнца. Вращение светила, сохранившееся с древних времен, взаимодействует с конвекцией и приводит к появлению важнейших эффектов на Солнце.

Первый из них – это появление феномена дифференциального вращения . Этот эффект оказывается характерным именно в конвективной зоне; ниже (в зоне лучистого равновесия) Солнце вращается как твердое тело, не дифференциально.