Сергей Язев - Лекции о Солнце

Попытки объяснять солнечную активность влиянием планет делались отдельными исследователями и в ХХ веке (в их числе, например, был мой дед Иван Наумович Язев, а также пулковский астроном Галина Яковлевна Васильева). Однако эта концепция не подтверждается никакими идеями о действующих механизмах, вызывающих предполагаемое влияние. Кроме того, такие эффекты, как закон Шперера и магнитная переполюсовка в соседних циклах, воздействием планет никак не объясняются. С другой стороны, мизерная (по сравнению с Солнцем) суммарная масса всех планет должна давать ничтожный приливный эффект на Солнце, энергетика которого значительно ниже энергии, требуемой для формирования проявлений солнечной активности.

Пятна объяснялись в разные времена по-разному – от идеи «антициклонов» в атмосфере Солнца (Эгон Оппольцер) до идеи иллюзий, оптических эффектов типа рефракции света (Август Шмидт). На сегодняшний день основной парадигмой, объясняющей феномен солнечной активности, является так называемая теория динамо . Многие наблюдаемые факты объясняются с ее помощью вполне удовлетворительно. Немаловажным соображением является то, что в результате действия тех процессов, которые царят в глубинах Солнца, явления, описываемые теорией динамо, должны возникать неизбежно, согласно известным законам физики. А это значит, что отвергать их нельзя (они все равно есть!). Требуется лишь понять в деталях, как работает этот грандиозный механизм.

Рис. 22. Внешние области Солнца толщиной около 30 % от радиуса охвачены конвекцией. В более глубоких слоях конвекции нет. Стрелками показано неоднородное вращение. Оно генерирует тороидальное магнитное поле (тонкие линии), опоясывающее Солнце по долготе. Всплывание жгутов магнитного поля и выход их на уровень поверхности (фотосферы) приводит к появлению пятен

О теории динамо в настоящем разделе книги рассказывает один из крупных специалистов в этой области, мой коллега по Институту солнечно-земной физики СО РАН, доктор физико-математических наук Леонид Леонидович Кичатинов.

Итак, слово доктору Кичатинову.

«Происхождение цикла солнечной активности связывают с процессами, происходящими в конвективной зоне Солнца. Здесь, во внешнем сферическом слое толщиной около 30 % солнечного радиуса, происходит интенсивное перемешивание вещества, или конвекция (см. рис. 22). Генерация магнитных полей солнечного цикла требует затрат энергии. Считается, что магнитным полям передается часть энергии конвективных движений.

Сам процесс генерации магнитных полей называют гидромагнитным динамо , или просто динамо. Этот термин когда-то использовался в электротехнике, затем вышел из употребления. На рубеже 40–50-х годов ХХ века термин «динамо» снова вошел в употребление для обозначения процессов генерации магнитных полей в результате движений проводящих жидкостей.

Кроме конвекции в солнечном динамо участвует также дифференциальное, или неоднородное, вращение (которое, впрочем, также поддерживается конвекцией). Напомним, что экваториальные области Солнца вращаются быстрее полярных, причем период вращения монотонно возрастает с широтой и увеличивается от экватора к полюсам приблизительно на 30 %.

Для рассмотрения солнечного динамо нам потребуется ввести понятия так называемых полоидальных и тороидальных магнитных полей. И те и другие поля обладают симметрией относительно оси вращения.

Силовые линии полоидального поля лежат в плоскостях меридиональных сечений Солнца. Подобные поля создаются, например, обычным магнитным стержнем или кольцевым током. Силовые линии полоидального поля изображены на крайней слева и крайней справа частях рис. 23.

Тороидальные поля имеют лишь долготную (азимутальную) составляющую. Силовые линии такого поля опоясывают наше светило по долготе перпендикулярно меридианам Солнца (см. рис. 23).

Рис. 23. Схема действия солнечного динамо. Неоднородное вращение приводит к формированию тороидального поля из полоидального. Затем альфа-эффект генерирует из тороидального поля полоидальное, но противоположное исходному. В результате во время максимума цикла активности полоидальное поле меняет полярность. После этого неоднородное вращение начинает генерировать тороидальное поле, противоположное имеющемуся. Поэтому тороидальное поле исчезает (достигается минимум цикла активности) с полоидальным полем противоположной полярности по отношению к предыдущему минимуму (отрисовать)

Дифференциальное вращение вытягивает, увлекает за собой силовые линии полоидального поля. В результате у поля появляется тороидальная компонента. Этот простой процесс генерации тороидального поля из полоидального получил название омега-эффекта (буква Ω греческого алфавита традиционно используется для обозначения угловой скорости вращательного движения).

Механизм динамо включает в себя и обратное преобразование – процесс превращения тороидального поля снова в полоидальное. Такое преобразование выполняют конвективные течения. Дело в том, что конвективная зона Солнца сильно неоднородна. Давление и плотность здесь быстро возрастают с глубиной. Поэтому объемы солнечного вещества, поднимающиеся к поверхности, расширяются, а движущиеся вглубь Солнца – наоборот, сжимаются.

Так как эти объемы участвуют в глобальном вращении Солнца, все они получают некоторое количество углового момента и стремятся его сохранить. Поэтому опускающееся вещество приобретает собственное вращение, совпадающее по направлению с общим вращением Солнца. Это явление хорошо знакомо каждому, кто наблюдал соревнования по фигурному катанию: фигурист вращается с разведенными в сторону руками, затем прижимает руки к туловищу – и скорость вращения увеличивается (см. рис. 24).

Рис. 24. Иллюстрация альфа-эффекта. Собственное вращение поднимающихся из недр конвективной зоны объемов вещества приводит к формированию петель полоидального поля из исходного тороидального поля. Опускающееся вещество создает такие же петли

По тем же причинам поднимающиеся объемы вещества расширяются и приобретают собственное вращение в направлении, противоположном общему вращению Солнца. Увлекая за собой силовые линии тороидального поля, такие движения будут формировать «магнитные петли», как это показано на рис. 24. При этом собственное вращение участвующих в конвекции объемов вещества приведет к повороту петель таким образом, что в них снова появится полоидальная (вдоль направления меридиана) составляющая.