книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Разде! /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

Солнце обладает светимостью 3,86 х 1033 эрг/с и находится на рассто­ янии 25 тыс. световых лет от центра Нашей Галактики. Масса Солнца 1,989 х 1033 г, что составляет более 99% массы всей Солнечной системы. Диаметр его больше земного в 109 раз, а масса — в 333 тыс. раза. Рассто­ яние до Земли равно почти 150 млн км, солнечный луч преодолевает его за 6 мин 19 с.

Солнце — раскаленный добела шар радиусом 695 997 км, в центре ко­ торого идут реакции по преобразованию водорода в гелий и создается осно­ ва энергетики Солнца. Каждую секунду наше светило теряет около 4 млн т солнечного вещества в виде светового, теплового, радиоволнового, рентге­ новского и других видов излучения. Границы Солнечной системы простира­ ются почти на 6 млрд км. Возраст Солнца оценивается в 5 млрд лет.

Согласно теоретическим расчетам, в центре Солнца располагается ядро, в котором идут ядерные реакции по превращению водорода в гелий (рис. 2.9). Энергия, освобожденная в центре Солнца, переносится к поверхности в виде жесткого электромагнитного излучения. По направлению от ядра наружу тем­ пература (Т), давление (Р) и плотность (р) быстро уменьшаются. Далее идут зона крупноячеистой конвекции (рис. 2.10), фотосфера и корона (рис. 2.11).

Рис. 2.10. Схема крупноячеистой конвекции на Солнце [Гибсон Э., 1977]

Солнце обладает дифференциальным вращением. Период вращения изменяется от 25 сут. на экваторе до 33 сут. на полюсах. Одно из объясне­ ний этого состоит в том, что недра Солнца вращаются быстрее, чем наруж­

82

Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

Небольшое усиление магнитного поля до десятков и сотен эрстед сопро­ вождается появлением в фотосфере более яркой области, называемой ф а к е ­ лом . В общей сложности факелы могут занимать значительную долю всей видимой поверхности Солнца. Они отличаются характерной тонкой струк­ турой и состоят из многочисленных прожилок, ярких точек и узелков — фа­ кельных гранул.

Факелы лучше всего видны на краю солнечного диска (здесь их конт­ раст с фотосферой составляет около 10%), в то время как в центре они поч­ ти совсем не видны. Это означает, что на некотором уровне в фотосфере факел горячее соседней невозмушенной области на 200—300°С, а на какойто другой глубине, наоборот, он несколько холоднее.

Возникновение факела связано с важным свойством магнитного поля — препятствовать движению ионизованного вещества, происходящему поперек силовых линий. Если магнитное поле обладает достаточно большой энергией, то оно «допускает» движение вещества только вдоль силовых линий. Слабое магнитное поле в области факела не может остановить сравнительно мощные конвективные движения. Однако оно может придать им более правильный ха­ рактер. Обычно каждый элемент конвекции, помимо общего подъема или опускания по вертикали, совершает небольшие беспорядочные движения в горизонтальной плоскости. Эти движения, приводящие к возникновению трения между отдельными элементами конвекции, тормозятся магнитным полем, имеющимся в области факела, что облегчает конвекцию и позволя­ ет горячим газам подняться на большую высоту и перенести больший поток энергии. Таким образом, появление факела связано с усилением конвекции, вызванным слабым магнитным полем.

Факелы — относительно устойчивые образования. Они без особых из­ менений могут существовать в течение нескольких недель и даже месяцев.

Пятна. В областях факелов с наибольшим усилением магнитного поля могут возникать солнечные пят на. Солнечное пятно появляется в виде кро­ шечной поры, едва отличающейся от темных промежутков между гранулами. Через день пора развивается в круглое темное пятно с резкой границей, диа­ метр которого постепенно увеличивается вплоть до размеров в несколько де­ сятков тысяч километров. Явление сопровождается плавным увеличением напряженности магнитного поля, которое в центре крупных пятен достигает нескольких тысяч эрстед. Пятна движутся в сторону общего вращения Солн­ ца быстрее окружающей их фотосферы (примерно на 140 м/с). Это указыва­ ет, что пятна связаны с подфотосферными слоями, которые вращаются бы­ стрее видимой поверхности Солнца. Обычно от 2 до 50 пятен объединены в группу, часто имеющую биполярную структуру: на одном конце группы на­ ходятся пятна одной магнитной полярности, а на другом — противополож­ ной. Но встречаются и мультиполярные группы.

Само пятно по форме является воронкой на видимой поверхности Солнца (эффект возникает из-за прозрачности атмосферы в этом месте).

84

Раздел / . Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

никают на все более низких широтах. Конец цикла знаменуется рождени­ ем и распадом нескольких пятен недалеко от экватора (10°). В течение ци­ кла большинство «лидирующих» (западных) пятен в биполярных группах имеет одинаковую магнитную полярность, причем она различна в северном и южном полушариях Солнца (рис. 2.13). В следующем цикле полярность лидирующих пятен меняется на противоположную. Поэтому часто говорят о полном 22-летнем цикле солнечной активности. В природе этого явления еще немало загадочного.

R

Примечание. Буквами в кружках обозначены полярности пар солнечных пятен (за­ кон полярности сопнечных пятен).

Рис. 2.13. Изменение среднегодовых чисел солнечных пятен (R) и приближен­ ных средних широт солнечных пятен (закон Шперера) за 1933— 1953 гг. График из книги: Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г. Тайны будущего. 2000.

Время жизни пятен — от нескольких часов до нескольких месяцев. Два смежных пятна чаще всего представляют два полюса подковообразного маг­ нита. Напряженность поля к экватору увеличивается, поэтому пятна продви­ гаются к нему.

Число пятен на диске подсчитывается по формуле:

N = k (10g S),

где N — цюрихское число пятен; S — число отдельных пятен; g — число групп пятен; к — корректирующий множитель.

Периодичность появления солнечных пятен представлена 11-летним сол­ нечным циклом, на который накладывается 80-летний цикл. Графики еже­ дневных цюрихских чисел выявляют и 27-дневную периодику. По количест­ ву пятен строится кривая чисел Вольфа (рис. 2.14).

86

Глава 2. Зешя во Вселенной

Рис. 2.14. Циклы солнечной активности [Ишков В.Н., Кононович Э.В., 1993, сайт: http://crydee.sai.msu.ru./Universe and_us/3num/V3pa]

87

Рам)е l I. Принципы ню иоции и взаимодействия сложных систем

диовсплески, ударные волны и возмущения солнечного ветра (при распро­ странении в корону). Аналогичные солнечным вспышкам мощные процес­ сы выделения энергии происходят и на удаленных от нас звездах, но толь­ ко на Солнце мы можем детально изучить физику вспышек и понять их механизм. Исследование солнечных вспышек на спутнике «КОРОНАС-Ф» осуществляется при помощи комплекса научных приборов, которые реги­ стрируют вспышечное излучение в широком диапазоне энергий с высоким временным и спектральным разрешением. Совокупность этих наблюдений и измерений, которые выполняются приборами спутника «КОРОНАС-Ф» по солнечным космическим лучам, позволит лучше понять механизмы ус­ корительного процесса частиц в солнечных вспышках — одного из наибо­ лее мощных в Солнечной системе и наиболее близкого во Вселенной.

Внешние части солнечной короны не могут удерживаться гравитаци­ онным полем Солнца, и. если им не препятствуют магнитные поля ароч­ ной формы (протуберанцы), они как бы стекают в окружающее простран­ ство. Этот поток называется корпускулярным излучением или солнечным ветром. Солнечный ветер в основном стекает там, где магнитные поля от­ крыты в межпланетную среду (коронарные дыры). Появление усиленного солнечного ветра связано в основном со вспышками.

Во время вспышек наблюдаются самые коротковолновые (т.е. наибо­ лее жесткие) рентгеновские спектральные линии, а в некоторых случаях — даже гамма-лучи. Увеличение (всплеск) излучения всех этих видов проис­ ходит за несколько минут. После достижения максимума уровень излуче­ ния постепенно ослабевает в течение нескольких десятков минут.

Помимо увеличения яркости, во время вспышек наблюдаются мощные движения газов, а также выбросы облаков плазмы в виде отдельных кон­ денсаций и «брызг».

Все перечисленные явления объясняются выделением большого коли­ чества энергии в результате неустойчивости плазмы, находящейся в обла­ сти очень неоднородного магнитного поля. В результате сложного процес­ са взаимодействия магнитного ноля и плазмы значительная часть энергии магнитного поля переходит в тепло, нагревая газ до температуры в десятки миллионов градусов, а также идет на ускорение облаков плазмы и элемен­ тарных частиц. Весь процесс имеет характер взрыва, сопровождающегося сильным сжатием вещества в некотором объеме хромосферы. В табл. 2.2 приведено распределение энергии при мощной солнечной вспышке.

Общее количество энергии, выделяющейся в виде оптического, ульт­ рафиолетового, рентгеновского и радиоизлучения, а также идущей на ус­ корение плазмы и отдельных частиц, достигает 10?s— 1012 эрг.

Ускорение частиц (корпускул) — электронов и протонов — во вспыш­ ках происходит соответственно до энергий в десятки килоэлектронвольт и даже в несколько мегал ектрон вольт. Частицы с такими энергиями явля­ ются космическими лучами, хотя они во много раз менее энергичнее, чем

90