как произошло магнитное поле солнца
Переворот на Солнце
Л. ШИРШОВ, научный сотрудник Института физики высоких энергий.
В самом начале нового века наше светило Солнце поменяло направление своего магнитного поля на противоположное. Переворот магнитных полюсов (реверс) зарегистрировали специалисты НАСА (Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства), ведущие наблюдение за поведением Солнца. В статье «Солнце произвело реверс», опубликованной 15 февраля, отмечается, что его северный магнитный полюс, который был в Северном полушарии всего лишь несколько месяцев назад, теперь находится в Южном.
Когда солнечная активность растет и увеличивается число солнечных пятен на поверхности Солнца, магнитное поле нашей звезды начинает изменяться. В солнечных пятнах замыкаются потоки магнитной индукции, и величина поля в этих областях в сотни раз возрастает. Как отмечает специалист по физике Солнца в Центре космических полетов имени Маршалла Дэвид Хатевэй (David Hathaway), «меридианаль ные течения на поверхности Солнца захватывают и несут магнитные потоки солнечных пятен от средних широт к полюсам, и дипольное поле устойчиво ослабевает». Используя данные, собранные астрономами Национальной обсерватории США в Пик Кит, он ежедневно регистрирует среднее магнитное поле Солнца в зависимости от широты и времени начиная с 1975 года по настоящее время. В результате получилась своего рода маршрутная карта, протоколирующая поведение магнитных потоков на поверхности Солнца.
Теория «солнечного динамо» находится в развитии и требует новых экспериментальных данных. До сих пор исследователи никогда не наблюдали непосредственно момент магнитной переполюсовки Солнца. Сегодня космический корабль «Улисс» (Ulysses) может позволить ученым проверить теоретические модели и получить уникальную информацию.
«Улисс» представляет собой плод международного сотрудничества Европейского космического агентства и НАСА. Он был запущен в 1990 году для наблюдения солнечной системы выше орбитальной плоскости планет. Миновав южный полюс Солнца, он сейчас возвращается, чтобы упасть на его северный полюс и добыть новую информацию. Корабль пролетал над полюсами Солнца в 1994 и 1996 годах, во время пониженной солнечной активности, и позволил сделать несколько важных открытий относительно космических лучей и солнечного ветра. Финалом миссии этого разведчика станет исследование Солнца в период максимальной активности, что позволит получить данные о полном солнечном цикле. Сведения о солнечном космическом корабле «Улисс» приведены по адресу http://ulysses.jpl.nasa.gov.
Магнитосфера Земли защищает жителей планеты от солнечного ветра. Вспышки на Солнце сопровождаются магнитными бурями и полярными сияниями, которые можно наблюдать на Аляске, в Канаде, Норвегии и северных территори ях нашей страны. Но существуют и другие, менее очевидные связи солнечной активности с процессами на планете. В частности, отмечено, что сейсмичность Земли увеличивается при прохождении максимума активности Солнца, и установлена связь сильных землетрясений с характеристиками солнечного ветра. Возможно, этими обстоятельства ми и объясняется серия катастрофических землетрясений, случившихся в Индии, Индонезии и Сальвадоре после наступления нового века.
Магнитное поле Солнца
Под верхним слоем фотосферы (солнечной поверхности) расположена конвективная зона Солнца. Именно внутри нее, как говорят современные ученые, и зарождается магнитное поле звезды. Невозможно представить, несколько большое значение имеет в происходящих на Солнце процессах магнитное поле. Скорее всего, оно есть ответом на все активные явления, которые происходят в атмосфере Солнца, включая и солнечные вспышки. То есть без него Солнце было бы не таким интересным для изучения человечеством.
Схема магнитного поля Солнца
Берут свое начало под влиянием магнитного поля практически все объекты, зафиксированные на Солнце. В первую очередь – это солнечные пятна, обозначающие собой места выходящих из недр Солнца гигантских магнитных петель, пересекающих солнечную поверхность. Из-за этого пятна обычно состоят из северной и южной магнитной полярности. Эти области равны основам магнитной трубки, которая выходит из недр Солнца. На циклы солнечной активности также влияет цикличность колебаний магнитного поля, которое происходит в недрах Солнца. Парящие над поверхностью Солнца протуберанцы, зрительно как бы висящие в пустоте, на самом деле пронизаны нитями магнитного поля, основываясь на нем. А также стримеры и петли, которые мы часто наблюдаем в короне Солнца, есть простым повторением формы топологии магнитных полей, что их окружают. Понимание всего этого позволяет вычислить, какая магнитная обстановка на Солнце ожидает нас сегодня и в любой другой день.
Методы измерения магнитного поля Солнца
Заряженные частицы, попадающие в магнитное поле, движутся под его влиянием. При этом электроны, движущие вокруг ядра правосторонне, под влиянием магнитного поля энергию увеличивают, левосторонне движущиеся – ее соответственно уменьшают. Этот так называемый эффект Зеемена расщепляет излучение атома на компоненты. Измеряя величину расщепления, мы имеем возможность узнать величину и направленность магнитных полей далеких объектов, которые невозможно исследовать непосредственно, например, Солнце. Определить с высокой точностью величину поля солнечной поверхности позволяют разработки последних лет, но они часто бездейственны при намерении измерить трехмерного поля в короне Солнца. В этом случае помогает использование методов математики.
Делать правдивые предсказания погоды космоса помогает знание природы и жизнедеятельности магнитного поля Солнца. Ожидание новой активной вспышки на Солнце можно определить в настоящее время по многим косвенным признакам. Однако на данном этапе научных процессов, относительно долгосрочных предсказаний времени и продолжительности протекающих солнечных циклов, остаются неточными. Они основываются больше на выведении эмпирических зависимостей, а не на конкретных физических моделях. Ближайшее будущее, надеемся, сможет разъяснить достаточно хорошо поведение и активность Солнца, и даст возможность, правильно смоделировав его активность, предсказывать погоду космоса не хуже погоды на Земле. Хотя уже сейчас можно точно сообщить о наличии магнитной бури на Солнце сегодня или в любой календарный день.
Смена активности и магнитных полюсов солнца
Согласно проведенным исследованиям, свойство магнитного поля Солнца существенно отличается от Земного. Оно крайне нестабильно и не поддается такому простому описанию, как дипольное поле Земли. Магнитное поле на Солнце является далеко не единственным. На него накладываются магнитные поля солнечных пятен. Они имеют величину в несколько тысяч гаусс. Это – холодные тёмные образования на поверхности солнца, часто имеющие форму круга. Количество пятен на Солнце зависит от его активности. Изменение их количества от минимума до максимума и обратно, называется солнечным циклом. Его средняя продолжительность составляет около 11 лет. В конце цикла, в период максимальной активности, происходит смена магнитных полюсов Солнца.
При существующей, относительно небольшой периодичности, смена полюсов Солнца повторялась уже большое количество раз, но до сих пор не нашла научного объяснения.
Все данные явления легко объясняются использованием предложенной мною гипотезы извержения вулканов и наличия суперзвезд (ГИВиНС) [1, с. 194]. Суть этой гипотезы схематично представлена на рисунке 1. Она заключается в том, что звезды – это не небесные тела в виде газового шара, а жерла вулканов, заполненные светящимся звездным веществом. Они располагаются на твердой поверхности гигантских суперзвезд сферической формы и связаны каналами с их внутренней частью (полостью), содержание которой аналогично существующему составу звезд. Суперзвезда вращается вокруг собственной оси и центра галактики.
Учитывая относительно огромные размеры суперзвезд, можно предположить, что на поверхности каждой из них может находиться большое количество звезд (жерл), различного диаметра. Все они соединяются каналами (жерлами) с одним общим центром, где протекают термоядерные реакции. Оболочка суперзвезд представляет собой твердую корку, которая по химическому составу соответствует планетам земной группы.
Гипотеза процесса образования суперзвезд и рождения звезды изложена в источнике [2, с. 239].
Наблюдениями за Солнцем установлено, что скорости вращения различных участков его поверхности существенно отличается. Экваториальная часть Солнца совершает полный оборот вокруг своей оси за 25 земных суток, а участки вблизи полюса за 36 дней. Поэтому условно принято, что Солнце совершает один полный оборот вокруг своей оси примерно за 1 месяц.
Это больше напоминает движение поверхности жидкости, налитой в емкость с круглой поверхностью, вращающуюся по окружности с достаточно большой скоростью. При этом будет иметь место более быстрое перемещение поверхности жидкости в наиболее широкой его средней части (экваторе) и замедленное, вследствие торможения о стенки емкости, в наиболее узкой части (на полюсах).
Поэтому более реальной, по моему мнению, является гипотеза расположения Солнца на поверхности гигантской суперзвезды. В этом случае время вращения Солнца будет равно длительности полного оборота суперзвезды вокруг своей оси. Считаю, что это время равно полному циклу смены полюсов Солнца, с возвращением их в исходное положение, т.е. составляет около 22 земных лет.
Этот процесс схематично представлен на рисунке 2, где для наглядности принято, что ось вращения суперзвезды расположена вертикально, а ось магнитного поля почти перпендикулярно к оси вращения.
Согласно общепринятой теории Солнце и планеты Солнечной системы сформировались из одного газопылевого облака. Его вращение привело к уплотнению центральной части, где образовалось Солнце. Из остатков газопылевого облака сформировались планеты. В этом случае ось вращения Солнца должна быть перпендикулярна плоскости орбит планет. Однако на самом деле она отклонена от вертикали примерно на шесть градусов. Попытки ученых найти этому объяснение оказались безрезультатными.
Наклон оси вращения Солнца легко объясняется расположением его на поверхности суперзвезды в ее северном полушарии под углом ; = 6° к оси вращения суперзвезды. Орбита вращения Солнца А1В1А2В2А1 при этом будет располагаться вблизи северного полюса оси вращения суперзвезды.
Рассчитаем ориентировочный диаметр суперзвезды (D), используя прямоугольный треугольник ОА1О1 рисунка 2 и следующие данные:
— скорость вращения внешних видимых слоёв Солнца на экваторе V = 7284 км/ч;
— полный цикл смены полюсов Солнца, с возвращением их в исходное положение, ; = 22 земных года;
— угол отклонения оси вращения Солнца от вертикали ; = 6°;
— количество суток в году 365,25;
— продолжительность суток 24 часа.
Тогда, диаметр суперзвезды можно определить по формуле (см. рис.)
Получается, что диаметр суперзвезды в 3077 раз больше диаметра Солнца.
Длительные наблюдения за цикличностью смены активности и полюсов у Солнца показали, что возможны отклонения от графика как в одну, так и в другую сторону. Особенно значительные колебания имеют место при переходе от максимума солнечной активности к ее минимуму и наоборот. Научного объяснения этому пока нет.
Утверждение [3, с. 1], что внутри звезды может присутствовать магнитное поле, не выходящее на поверхность и поэтому недоступное для прямых астрофизических наблюдений, можно отнести к суперзвезде, т.к. ее внутренняя часть полностью соответствует существующей модели звезды. Согласно предлагаемой мной гипотезе, перемещение Солнца осуществляется в магнитном поле суперзвезды, которое находится не на твердой поверхности, а внутри ее, и поэтому вместе с ней не вращается. Ориентация направления этого поля периодически может несколько отклоняться в ту или иную сторону, вследствие перемещения магнитных полюсов суперзвезды.
Аналогично происходит выход силовых линий из северного полюса Солнца в южный полюс суперзвезды. Скопление силовых линий в месте их выхода приводит к повышению напряженности магнитного поля в этом месте. Нагрев поверхности Солнца осуществляется за счет поднимающихся из глубинных слоев высокотемпературных порций плазмы, которая может двигаться только вдоль магнитных линий. Их выход с поверхности способствует оттоку тепла вместе с ними и препятствует разогреву вещества в данном месте. Таким образом, солнечные пятна на северном полюсе Солнца возникают в тех местах, где из него выходят на поверхность силовые линии.
Исследованиями ученых давно доказано, что на Земле величина магнитного поля, по мере удаления от полюса и приближения к экватору, уменьшается. Тоже самое происходит и у суперзвезды. Поэтому, минимум солнечной активности наблюдается в те моменты, когда Солнце, при вращении по орбите, пересекает линию условного экватора магнитного поля суперзвезды в точках В1 и В2 (рисунок 2). Это происходит два раза за полный цикл оборота суперзвезды вокруг своей оси, т.е. примерно через каждые 11 лет. Аналогично этому, максимум, примерно с такой же периодичностью, наблюдается в те моменты, когда солнце находится на наиболее удаленном расстоянии от магнитного экватора суперзвезды в точках А1 и А2, наиболее близко расположенных к магнитным полюсам суперзвезды.
Что касается смены магнитных полюсов, то как видно из рис. 2, если проследить по орбите движение Солнца по поверхности суперзвезды, то при прохождении им точки А2, возможны два варианта:
1 – под влиянием сильного магнитного поля южного полюса суперзвезды произойдет как бы притягивание (торможение) северного полюса солнца и отталкивание одноименного южного, т.е. произойдет переполюсовка. При дальнейшем движении также образуется магнитный квадруполь, аналогичный изображенному в нижней части на рисунке 3, но с движением Солнца в противоположную сторону. Взаимодействие силовых линий северного полюса суперзвезды с Солнцем приведет к образованию большого количества пятен на Солнце и повышению его активности. Процесс продолжится до точки А1, где произойдет такая же смена полюсов с возвратом к первоначальному состоянию. Это характеризует нормальное протекание процесса цикличности.
2 – при низкой напряженности магнитного поля южного или северного полюса суперзвезды, вследствие их значительного перемещения, фактической смены полюсов у Солнца не произойдет. Она окажется кажущейся (мнимой), т.е. поменяется только направление перемещения полюсов, если сначала (рисунок 2) южный полюс Солнца находился слева от наблюдателя, то после поворота на 180° он окажется справа от него. В этом случае, как видно из верхней части рисунка 3, нет взаимодействия силовых линий магнитного поля суперзвезды с поверхностью Солнца. Это приведет к значительному сокращению количества пятен на Солнце и увеличению длительности срока низкой его активности. Увеличение пятен на Солнце в основном вызвано взаимодействием силовых линий северного полюса магнитного поля суперзвезды с поверхностью Солнца. Удаление его от точки А1 на значительное расстояние, может привести к прекращению переполюсовки на Солнце и длительному периоду низкой активности Солнца, сопровождающемуся сильным похолоданием на Земле. Нормальная смены солнечной активности возобновится только после приближения северного полюса и нормализации переполюсовки на Солнце.
Таким образом, предложенная гипотеза позволяет аргументированно объяснить сущность всех процессов, происходящих при смене активности и полюсов у Солнца, и причины наблюдающихся при этом отклонений от нормы по длительности периодов между сменой солнечной активности.
Физическая природа магнитного поля Солнца и планет
Наличие у Солнца общего дипольного магнитного поля (как и у планет) – твёрдо установленный факт. Так же известно, что оно изменяется и по величине напряжённости, и по направлению. Эти изменения синхронизированы с изменением солнечной активности, характеризуемой количеством солнечных пятен на видимой поверхности Солнца, но сдвинутой по фазе на 90º.
Смена полярности его общего магнитного поля, регистрируемой на его полюсах, когда напряжённость равна 0, происходит в эпохи максимума солнечной активности, а его максимальная напряжённость – около 1 Гаусса – регистрируется в эпохи минимума солнечной активности.
Существование указанной взаимосвязи не вызывает сомнений из-за своей очевидности, но не ясна её физическая сущность. Как пишет американский астрофизик Э. Гибсон в своей книге «Спокойное Солнце»: «Из-за предательской запутанности физической картины здесь трудно отличить причины от следствия … Общее магнитное поле Солнца не имеет вполне определённой (постоянной) оси и не симметрично. Следовательно, нельзя считать, что его создаёт какой-то диполь, находящийся в Солнце».
Это мнение имеет основание, так как часто имели место случаи, когда в течение целого года на обоих гелиографических полюсах Солнца одновременно регистрируется наличие или только южных, или только северных магнитных полюсов его общего магнитного поля.
На основе выясненного механизма дифференциального вращения Солнца, в основе которого лежит падение на Солнце космических тел, позволяет раскрыть природу его общего магнитного поля. Доводом следует считать выяснение физической сущности взаимосвязи общего магнитного поля Солнца с солнечной активностью посредством возникновения дифференциального характера его вращения.
Известный английский физик Ампер утверждал, что магнитное поле Земли создано электрическим током, идущим в объёме Земли вокруг оси её вращения. До сих пор неизвестно, так ли это и как это происходит, учитывая то обстоятельство, что и магнитное поле Земли меняется и по величине, и по направлению.
Теперь вернёмся к магнитному полю Солнца, опираясь на утверждение Ампера относительно Земли. Наличие синхронизации процессов солнечной активности, его дифференциального вращения и характера изменения магнитного поля позволяет утверждать следующее. Угловая скорость видимой поверхности Солнца изменяется с периодичностью изменения солнечной активности. Она увеличивается, когда направление движения падающих на него крупных космических тел совпадает с направлением вращения Солнца, и уменьшается, когда эти тела падают навстречу его вращению.
Такие изменения угловой скорости происходят не во всём объёме вещества Солнца, а только в той его части, которая примыкает к видимой поверхности, где происходит взаимодействие с этой частью вещества Солнца вещества падающих на него космических тел.
Исходя из этого можно утверждать, что часть солнечного вещества, располагающаяся ближе к центру Солнца, сохраняет свою угловую скорость неизменной, поскольку она не испытывает внешнего воздействия, без чего не может измениться величина её момента количества движения.
Следовательно, примыкающая к видимой поверхности Солнца часть его вещества, включая расположенную выше солнечную хромосферу, то опережает, то отстаёт в движении от остальной части вещества Солнца.
Наличие мощного потока радиационного излучения Солнца из его объёма в направлении наружной поверхности приводит к смещению (под воздействие излучения) в том же направлении части свободных электронов. Наличие постоянного смещения электронов и его величина (в состоянии динамического равновесия) обусловлены возникновением компенсационной излучению силы, возникающей при смещении электронов электрического поля.
Избыток электронов в наружной области атмосферы Солнца при таком же по величине избытке положительных электрических зарядов во внутренней части солнечного вещества приводит к возникновению кругового электрического тока, обусловленного отличием угловых скоростей их движения. При этом в случае, когда угловая скорость внешней части Солнца будет больше угловой скорости его внутренней части, направление движения электрического тока будет соответствовать движению электронов, а в противоположном случае – движению положительных электрических зарядов. Соответственно будет меняться и направление силовых линий создаваемого электрическим током общего магнитного поля Солнца.
Учитывая то обстоятельство, что число и суммарная масса космических тел, упавших за одно и то же время (месяц, год) на северное и южное полушария как правило не совпадают, то и степень дифференциальности их вращения отличаются.
Например, за 11 лет 21-го цикла солнечной активности на северное полушарие упало 1777 космических тел, а на южное – 1886, каждое из которых привело к возникновению одной группы солнечных пятен. Разницей суммарных масс и количества выпавших на оба полушария космических тел и обусловлены и отсутствие у общего магнитного поля вполне определённой (постоянной) оси, и его несимметричность, и возможность возникновения одновременной одинаковой магнитной полярности на обоих полюсах Солнца, поскольку по существу в каждом его полушарии создаётся собственное магнитное поле.
Факт изменения полярности общего магнитного поля с переходом его напряжённости через 0 обусловлен тем обстоятельством, что в эпоху максимума активности Солнца текущего цикла достигается полная компенсация ускорения или торможения угловой скорости вращения внешней части атмосферы Солнца, которые были достигнуты в предшествующем ему цикле активности в результате соответствующего торможения или ускорения её вращения в текущем цикле. Это и приводит к отмеченному в начале статьи факту сдвига синхронизации изменения этих двух явлений на 90º.
Таким образом, гипотеза Ампера об электрической природе магнитного поля Земли нашла своё подтверждение в отношении магнитного поля Солнца. Есть все основания считать этот механизм общим и для планет. Нет никакого сомнения, что и на всех четырёх больших планетах (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), вещество которых находится в газообразном состоянии и на поверхность которых, как и на Солнце, падают космические тела, их дипольные магнитные поля создаются в результате различной угловой скорости внутренней и наружной частей их вещества.
Сложнее механизма формирования дипольного магнитного поля планет, вещество которых в основной своей массе находится в твёрдом состоянии – Марс, Земля, Венера и Меркурий. Но и у них физическая природа магнетизма электрическая.
Владимиров Е.А. и Владимиров А.Е.