Сергей Язев - Лекции о Солнце

Легко понять, что хотя поднимающиеся и опускающиеся объемы вращаются в противоположных направлениях, формируемые ими петли полоидального поля подобны, т. е. они будут иметь одинаковую ориентацию магнитного поля! Данный процесс формирования полоидального поля из тороидального конвективными движениями получил названия альфа-эффекта.

Еще два обстоятельства, касающиеся этого эффекта, требуют пояснения. Во-первых, для образования глобального полоидального поля из отдельных петель должно произойти их слияние друг с другом. Этому процессу динамо способствует диффузия (сглаживание) магнитного поля. Во-вторых, собственное вращение конвективных объемов в северном и южном полушариях происходит в противоположных направлениях. Дело в том, что переход от одного полушария к другому равнозначен по сути изменению направления глобального вращения. Поэтому если бы в северном и южном полушариях тороидальное поле имело одинаковое направление, то создаваемые альфа-эффектом в этих полушариях полоидальные поля были бы противоположны.

На Солнце, однако, реализована обратная ситуация! Тороидальные поля северного и южного полушарий имеют как раз противоположные направления. При этом альфа-эффект приводит к появлению одинаковых по направлению полоидальных полей в обоих полушариях. Эти поля легко объединяются, формируя новое общее полоидальное поле Солнца.

Теперь можно перейти к рассмотрению солнечного цикла. Последовательность происходящих в нем событий схематически показана на рис. 23.

Предположим, что в некоторый момент времени на Солнце преобладает полоидальное поле, а тороидальное поле сравнительно мало. Такую ситуацию мы наблюдаем в фазе минимума магнитной активности Солнца, изображенной на крайней слева картинке рис. 23. Дифференциальное вращение с помощью омега-эффекта начинает генерировать из полоидального поля тороидальное, имеющее противоположные в северном и южном полушариях направления (вторая часть рис. 23). С появлением тороидального поля включается альфа-эффект, который, в свою очередь, начинает создавать полоидальное поле, противоположное исходному. В результате суммарное полоидальное поле на Солнце начинает уменьшаться, однако, даже уменьшившись, оно будет продолжать усиливать тороидальное поле из-за омега-эффекта.

В конце концов, полоидальное поле исчезает. В этот момент тороидальное поле достигнет максимальной величины! Эта ситуация соответствует эпохе максимума 11-летнего цикла солнечной активности. Дело в том, что омега-эффект для Солнца гораздо сильнее альфа-эффекта, поэтому и тороидальные поля оказываются значительно больше полоидальных. Собственно, именно они и определяют магнитную активность! Считается, что всплывание жгутов тороидального магнитного поля и их появление на солнечной поверхности приводит к образованию солнечных пятен (рис. 22, слева).

Рассмотрим дальнейшее развитие солнечного цикла. С исчезновением полоидального поля действие альфа-эффекта не прекращается. В итоге зарождается новое полоидальное поле (третья часть рис. 23). Его направление будет противоположно исходному полоидальному полю. При этом происходит так называемая «переполюсовка» – смена знака магнитного поля на полюсах Солнца. Но с появлением нового полоидального поля снова включается омега-эффект! А это означает, что неизбежно начнется генерация нового тороидального поля, противоположного по направлению имеющемуся тороидальному полю. Поэтому тороидальное поле начнет уменьшаться. Следовательно, определяемая этим полем солнечная активность вступит в фазу спада.

Важно, что при этом действие альфа-эффекта не прекращается, что приводит, в свою очередь, к усилению нового полоидального поля. Так будет продолжаться до тех пор, пока не исчезнет тороидальное поле. Солнце приходит к новому минимуму активности с обращенным полоидальным полем (см. рис. 23, справа).

Дальнейшее действие солнечного динамо повторит уже рассмотренный цикл, но с противоположным направлением магнитных полей. После этого система вернется к состоянию, с которого началось наше обсуждение солнечного цикла. Этот процесс, по всей вероятности, начался на Солнце около четырех миллиардов лет назад и будет продолжаться еще приблизительно столько же.

Рассмотренная схема, разумеется, дает лишь общее и довольно поверхностное представление о солнечном динамо. Реальные процессы намного сложнее. Обращение направлений тороидальных либо полоидальных полей происходит в различных областях Солнца в разные моменты времени, а не на всем Солнце одновременно. Тороидальные поля по мере развития магнитного цикла мигрируют к экватору, а вместе с ними перемещаются к экватору и области появления новых солнечных пятен (закон Шперера). Полоидальные поля, напротив, рождаются на низких широтах и затем мигрируют к полюсам.

Механизм солнечного динамо не до конца понятен ученым. До сих пор между ними имеются разногласия, в том числе и весьма существенные. Детальную картину магнитной активности можно получить с помощью сложных математических расчетов, проводимых на современных компьютерах. Надо признать, что результаты таких расчетов далеко не во всем согласуются с наблюдениями.

Тем не менее, показанная на рис. 23 схема солнечного цикла позволяет понять основные наблюдаемые явления – это изменение знака полярных полей в максимуме активности, факт наличия противоположных полярностей групп солнечных пятен, находящихся в северном и южном полушариях Солнца (это связано с изменением направления тороидального поля при переходе через экватор). Кроме того, приведенный сценарий объясняет полное обращение направления глобального магнитного поля Солнца за два последующих 11-летних цикла активности.

Итак, под воздействием дифференциального вращения, которое порождается конвекцией, в недрах конвективной зоны осуществляется процесс непрерывных циклических изменений магнитного поля: полоидальное превращается в тороидальное, которое порождает многочисленные явления солнечной активности. Эволюция тороидального поля приводит к его постепенному затуханию. Часть энергии передается полоидальному полю (но уже с обратным знаком), которое по мере исчезновения тороидальных полей, наоборот, усиливается.

Такие параметры Солнца, как его размеры, габариты конвективной зоны, скорость вращения, характеристики дифференциального вращения и многое другое, определяют скорость протекания данных процессов. Этими параметрами и определяется в конечном итоге периодичность в 11 лет, которая требуется для завершения полуцикла полного обращения магнитного поля. Обеспечение всех этих процессов энергией осуществляется конвекцией, которую, в свою очередь, поддерживает непрерывный поток энергии из глубин Солнца, – пока там текут термоядерные реакции».