Физические процессы на солнце

Лучистый перенос энергии из центральной области к периферии, конвективное движение газа во внешнем слое Солнца, явление хромосферных спикул. На фоне равенства прихода и расхода энергии в атмосфере Солнца интенсивно протекают вихревые неупорядоченные или турбулентные движения газов. Они свойственны помимо солнечной атмосферы и внешнему слою солнечного шара, образованному непрозрачным газом, - его конвективной области. Среди разного рода движений газов остановимся лишь на некоторых широко распространенных в атмосфере и на поверхности Солнца: солнечных пятнах, солнечных факелах, флоккулах и протуберанцах. Все они обусловлены взаимодействием различных магнитных полей.
Солнечные пятна. Если рассматривать диск светила через затемненное стекло, то временами в разных местах солнечной поверхности даже невооруженным глазом можно увидеть почти черные образования - пятна . Поперечник этих образований может достигать многих тысяч километров. Они распределяются на фоне видимого диска Солнца неравномерно - то одиночно, то группами. Эти образования непостоянны: они существуют от нескольких часов до нескольких месяцев, а затем исчезают, и вместо них, в других местах, появляются новые пятна.
Образующий Солнце, газ является прекрасным проводником электричества, особенно в центральной области, где условия экстремальны. В целом Солнце обладает единым магнитным полем и, кроме того, локальными полями. Например, вокруг солнечных пятен магнитные поля имеют напряженность в среднем 3000 Э. Для сравнения укажем, что у Земли магнитное поле несравненно слабее: на магнитных полюсах оно имеет напряженность всего 0,6 - 0,7 Э, а на магнитном экваторе и того меньше - 0,4 Э. Следовательно, оно в 7500 раз слабее, чем у солнечных пятен. Температура темных пятен у Солнца на 1000 - 20000 ниже, чем фотосферы в целом. 
В совокупности пятна и их скопления образуют на Солнце активные области. Изменение положения пятен, их количество и подвижность не остаются постоянными. Наиболее известен 11-летний цикл (11,2 года) активности пятен - это осредненный срок, фактически же он колеблется от 7,5 до 16 лет. Солнечные пятна рассматриваются как углубления, или провалы, в видимой поверхности. Ритм изменения солнечной активности отражается на многих процессах и явлениях земной поверхности и ее атмосферы (солнечные сияния, прохождения радиоволн в верхней атмосфере).
Солнечные факелы и флоккулы. На краю солнечного диска, где заметно потемнение, поскольку там находятся верхние, более холодные слои нижней атмосферы, часто наблюдаются светлые факелы. В центральной части диска, где сосредоточены более глубокие и более нагретые, а, следовательно, более яркие слои атмосферы, факелы не видны - они сливаются с фотосферой. Полагают, что факелы имеют несколько более высокую температуру, чем фотосфера, поскольку газ в них сильнее ионизирован, т. е. у него меньше нейтральных атомов. Факелы могут достигать в высоту тысячи, и даже десятки тысяч километров.
В хромосфере над факелами располагаются светлые облака - флоккулы. Они имеют по вертикали размеры в тысячи и сотни тысяч километров. Что же касается распространенности их в горизонтальном направлении, то в совокупности они занимают от 10 до 30% площади солнечного диска. Различают флоккулы, образованные преимущественно либо ионизированным водородом, либо кальцием.
Протуберанцы - особые формы неупорядоченного движения газов в солнечной атмосфере . Они наблюдаются на краю диска, имеют разнообразную и постоянно меняющуюся форму струй, фонтанов, арок, дерева, облака или столба дыма и т.д. С помощью кинематографического метода удалось с большой детальностью исследовать их движения. Установлены некоторые типичные метаморфозы этих образований. Раньше считалось, что протуберанцы - это выбросы Солнца, т. е. они имеют движение снизу вверх. Теперь обнаружены и многие другие формы их движения. Например, есть протуберанцы, зарождающиеся в верхней атмосфере Солнца, в короне, и движущиеся сверху вниз - к солнечной поверхности, в область солнечных пятен. Нередки движения от одного протуберанца к другому, т. е. параллельно поверхности солнечного диска. В движении газов наблюдается образование струй и узлов, и когда они опускаются, то, как бы притягиваются определенным центром или несколькими центрами.
Исследования протуберанцев проведенные кинематографическим методом, А. Б. Северным и В. Л. Хохловой, позволили выявить некоторую упорядоченность их движений. Различные виды протуберанцев можно свести к трем основным типам движения.
Пожалуй, наиболее характерными являются так называемые эруптивные протуберанцы. Такие газовые образования в течение нескольких дней могут иметь вид спокойного облака, или длинной струи дыма, или, наконец, арки. На этой стадии внутри протуберанца никаких заметных движений нет. Но затем они переходят в фазу бурного развития, когда возникают вихревые вращения всего протуберанца или поднимается одно из колен арки. Эти перестройки осуществляются быстро - в течение нескольких минут. Протуберанец начинает растягиваться, подниматься. Происходит как бы замедленный взрыв. Яркость его увеличивается, а потом сразу же ослабевает. При таких вспышках или взрывах движение протуберанца имеет в общем радиальное от Солнца направление и может достигать высоты, равной диаметру Солнца, а скорости движений могут измеряться сотнями километров в секунду. Достигая кульминационной высоты, такой протуберанец начинает распадаться - от него отделяются узлы и струи, которые почти отвесно падают вниз на поверхность Солнца. Весь процесс развития взрывного протуберанца продолжается не больше получаса, после чего все признаки его существования исчезают. Часть его вещества поднимается вверх, темнеет и перестает быть видимой. Пока не удалось установить, выбрасывается ли вещество в межпланетное пространство или остается в верхней атмосфере Солнца. Дело в том, что максимальная установленная скорость роста эруптивного протуберанца составляет 700 км/сек, а параболическая скорость в верхней атмосфере Солнца равняется только 450 км/сек (на высоте радиуса Солнца от его поверхности). Следовательно, вещество эруптивного протуберанца может выбрасываться в межпланетное пространство.
Эруптивные протуберанцы - явления относительно редкие, на их долю приходится всего 10-15% всех случаев образования протуберанцев.
Ко второму типу относятся протуберанцы, приуроченные к областям солнечных пятен. Для таких протуберанцев свойственно движение газовых струй и узлов по определенным искривленным траекториям, напоминающим силовые линии некоторых магнитных полей. Другими словами, наблюдается в какой-то степени упорядоченность движений этих газовых скоплений, приуроченность их к своеобразным каналам или путям, масса протуберанца не растекается. Иногда узлы и струи движутся по круговым путям: от поверхности Солнца к верхней атмосфере - одна ветвь и в обратном направлении - другая. Чаще происходит движение от коронарных облаков к поверхности Солнца. Имеются случаи появления в солнечной короне светящейся точки, быстро развивающейся в сложный протуберанец, который распространяется вниз, к поверхности Солнца, и в этом направлении сильно увеличивается в размерах и приобретает форму подобия облака. Скорости движения газовых сгустков в этих протуберанцах меньше, чем у эруптивных, они составляют всего десятки - первые сотни километров в секунду.
К третьему типу относятся многочисленные протуберанцы без упорядоченных движений, т. е. хаотическими движениями. Они претерпевают непрерывные изменения отдельных узлов, газовых струй и конфигураций в их совокупности. В протуберанцах исчезают и появляются новые узлы и струи, испытывающие то сжимание, то растяжение. В общем, для таких протуберанцев свойственны большие размеры; высота их может достигать 150 тыс. км. На солнечном диске протуберанцы видны как светлые струи, нередко они напоминают воздушные вихри земных циклонов.
До сих пор недостаточно раскрыта физическая сущность явлений протуберанцев. Очевидно, что неупорядоченные движения газовых масс протуберанцев объясняются неравномерностью теплового поля солнечной атмосферы и, следовательно, различной степенью ионизации ее газов, непостоянством магнитного поля, давления света и другими факторами. Можно лишь с уверенностью утверждать, что физические процессы на поверхности Солнца и в его атмосфере имеют совершенно особый, несравнимый с процессами на Земле характер, что исключает возможность сопоставления их между собой. Но в целом, как Земля, так и планеты реагируют на них, что и представляет для нас интерес. 

Края солнечного диска менее ярки, чем его центральная часть. Это происходит потому, что от середины солнечного диска к нам проникают лучи из более глубоких, а потому и более горячих слоев солнечных газов, чем от краев. Слои Солнца, дающие яркий свет, составляют ту его видимую поверхность, которая называется фотосферой.
В сильные телескопы фотосфера представляется не ровно сияющей, а имеет повсюду как бы зернистое строение. Вот как зарисовал фотосферу выдающийся русский астроном А. П. Ганский. Чередующиеся белые и темноватые зернышки или клубочки - так называемые гранулы - чрезвычайно изменчивы и все время находятся в движении. Из-за большой удаленности Солнца они даже в сильные телескопы едва заметны. В действительности же каждая гранула на Солнце имеет в длину от 700 до 1400 км. Это, вероятно, массы раскаленных газов, выталкиваемых из еще более горячих глубин.
Такой вид Солнце имеет почти всегда. Уже давно, задолго до изобретения телескопов, было замечено, что иногда на Солнце появляются сравнительно большие темные пятна и группы пятен. В пятнах можно различить среднюю, более темную часть - так называемую тень и окаймляющую ее - полутень. Впоследствии с помощью телескопов такие пятна стали наблюдать регулярно. Некоторые пятна держатся на Солнце по несколько дней и даже месяцев. Перемещение таких пятен от одного края диена Солнца к противоположному краю дало возможность установить, что солнечный шар вращается. По скорости движения пятен удалось определить период вращения Солнца. При этом оказалось, что различные зоны Солнца вращаются с разной скоростью: на солнечном экваторе период вращения составляет 25 суток, а ближе к солнечным полюсам - больше 30 суток. На основании этого ученые сделали также вывод, что Солнце вращается, как газообразное, а не как твердое тело.
Пятна на Солнце изменяются, распадаются на части и исчезают, диаметр отдельных больших пятен превосходит диаметр Земли. Пятна появляются не на всей поверхности Солнца, а только в двух сравнительно нешироких поясах по обе стороны солнечного экватора от 5° до 40°.
Пятна только кажутся нам темными на очень ярком фоне фотосферы. На самом деле они также испускают свет, изучение которого позволило определить их температуру. Она оказалась ниже температуры фотосферы, но все же очень высокой - около 4500°. Это значит, что пятна состоят из раскаленных газов и представляют собой воронкообразные вихревые движения.
Много лет астрономы наблюдали за пятнами в телескоп и подметили, что число их в разные годы бывает различным. Год, когда пятен особенно много, называется годом максимума пятен. Затем число их с каждым годом уменьшается, и лет через шесть они почти совсем пропадают. Наступает год минимума пятен. В следующие годы количество пятен опять увеличивается, а сами пятна становятся все крупнее, и лет через пять вновь наступает год максимума. Так это повторяется в среднем через каждые 11 лет, но иногда промежутки бывает меньше и больше (от 8 до 15 лет).
После минимума появляются новые пятна - обычно на высоких широтах Солнца, а затем на все более низких.
Около пятен часто видны более яркие, чем окружающая фотосфера, участки. Их назвали факелами. Они иногда встречаются и в тех областях, где нет пятен. Факелы особенно заметны у краев Солнца, где общий фон фотосферы не такой яркий. По-видимому, это более горячие области фотосферы.
Гранулы, пятна и факелы находятся в фотосфере Солнца, над которой простирается солнечная атмосфера.
Корональные дуги - это потоки газа, которые поднимаются на сотни тысяч километров над поверхностью Солнца, прежде чем упасть обратно в солнечную фотосферу со скоростью 100 км/с. Слева представлен снимок корональной дуги, полученный TRACE. Темным шариком в центре фоторгафии показан размер нашей планеты для сравнения с размерами Солнца.
Раньше считалось, что петли нагреты равномерно, и, таким образом, должны быть более горячими на их вершинах, где поток газа более тонкий и не так эффективно излучает. Но данные, полученные с помощью корабля TRACE, показали, что петли состоят из ряда связанных друг с другом отдельных петель, и в среднем температура отдельных петель изменяется намного меньше, чем предсказывалось теорией.
Чрезвычайно высокая температура короны, простирающейся на миллионы километров от Солнца, была одной из самых больших загадок для астрономов, изучающих Солнце. Температура короны может достигать миллионов градусов, в то время как температура фотосферы - поверхности Солнца - составляет немного меньше 6000° Цельсия.
Новые наблюдения показывают, что источник энергии, разогревающий корону, находится в пределах 16000 километров от видимой поверхности Солнца. Петли газа нагреваются и поднимаются вдоль линий магнитного поля Солнца на высоту 480000 км, затем охлаждаются и падают на его поверхность со скоростью более 100 км/с. Миллионы корональных дуг различных размеров составляют корону Солнца.
Изображения, полученные зондом TRACE, показывают ультрафиолетовое излучение Солнца, испускаемое горячим газом, который составляет корональные дуги. Ультрафиолетовый свет невидим для человеческого глаза.
Ученые заинтересованы в том, чтобы лучше понимать процессы, происходящие в короне, так как это та часть Солнца, где генерируются солнечные бури. Солнечные бури, называемые так же выбросами корональной массы, являются случайными извержениями газа, потоки которого перемещаются по солнечной системе со скоростью 960 км/ч и больше. Солнечный ветер, произведенный такой бурей, как известно, временно изменяет магнитное поле Земли. Сильный солнечный шторм может приводить к повреждениям спутников, находящихся на орбите вокруг Земли.
Малый космический корабль TRACE был запущен на полярную околоземную орбиту в апреле 1998 года. В его задачи входит исследование области перехода между фотосферой и короной Солнца. Исследования проводятся в ультрафиолетовой области спектра с использованием 30 - сантиметрового телескопа.

Конструктор сайтов - uCoz