> > Магнитное поле Солнца

Есть ли у Солнца магнитное поле : описание и характеристика с фото, наличие и роль в Солнечной системе, появление солнечных пятен и протуберанцев, исследование.

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 , включая и солнечные вспышки. То есть без него Солнце было бы не таким интересным для изучения человечеством.

Берут свое начало под влиянием магнитного поля практически все объекты, зафиксированные на Солнце. В первую очередь – это , 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 , зрительно как бы висящие в пустоте, на самом деле пронизаны нитями магнитного поля, основываясь на нем. А также и , которые мы часто наблюдаем в , 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.

Гелиосферный токовый слой

Гелиосферный то́ковый слой представляет собой поверхность в пределах Солнечной системы , при пересечении которой изменяется полярность магнитного поля Солнца. Эта поверхность простирается вдоль экваториальной плоскости Солнца и достигает границ гелиосферы . Форма токового слоя определяется воздействием вращающегося магнитного поля Солнца на плазму , находящуюся в межпланетном пространстве. Толщина токового слоя составляет порядка 10 000 км . В токовом слое наблюдается слабый электрический ток (откуда и название) - около 10 −10 А/м² . Возникающий ток формирует часть гелиосферного токового контура. Иногда гелиосферный токовый слой называют межпланетным токовым слоем.

Характеристики

Форма

В процессе вращения Солнца его магнитное поле извивается в особой формы спираль - спираль Паркера, представляющую собой вид архимедовой спирали и названную так по имени её первооткрывателя Юджина Паркера . Магнитное поле спирали разделено на две части токовым слоем, математическая модель которого была впервые разработана в начале 1970-х. Завивающееся спиралью магнитное поле меняет свою полярность и приобретает сложную форму волнистых спиральных складок, более всего напоминающих многослойную юбку балерины.

Причину формирования такой сложной формы иногда называют «эффектом садового шланга». Именно такую поверхность описывает струя воды, если перемещать шланг вверх-вниз и одновременно поворачиваться вокруг своей оси. В случае с Солнцем роль водяной струи играет солнечный ветер .

Магнитное поле

Гелиосферный токовый слой вращается вместе с Солнцем, делая один оборот за 27 дней . За этот период Земля, вместе со своей магнитосферой, проходит через горбы и впадины токового слоя, взаимодействуя с ним. Магнитная индукция на поверхности Солнца составляет примерно 10 −4 тесла . Если бы магнитное поле имело дипольную форму, его сила уменьшалась бы пропорционально кубу расстояния и в районе орбиты Земли составила бы 10 −11 тесла . Существование гелиосферного токового слоя приводит к тому, что фактические показатели в районе Земли в 100 раз больше.

Электрический ток

В соответствии с законами электродинамики , электрический ток в токовом слое направлен перпендикулярно магнитному полю, то есть ток движется почти по окружности вблизи Солнца и направлен почти радиально на больших расстояниях. Замыкает «электрическую цепь» направленный от Солнца ток, который идёт от солнечных полюсов в направлениях, перпендикулярных экватору, а затем по гелиопаузе спускается к экватору, к гелиосферному токовому слою. Общая сила тока в этой цепи составляет порядка 3⋅10 9 ампер . Для сравнения, токи, приводящие к возникновению полярных сияний на Земле, примерно в тысячу раз слабее и имеют величину порядка миллиона ампер. Максимальная плотность тока в листе составляет порядка 10 −10 А/м² (10 −4 А/км² ).

Комбинируя прямые наблюдения с компьютерным моделированием, гелиофизики НАСА создали модель движения плазмы в короне Солнца, которая позволит лучше понять природу магнитного поля Солнца

Поверхность Солнца непрерывно бурлит и танцует. Удаляющиеся от нее струи плазмы изгибаются, взметаются петлями, закручиваются в циклоны и достигают верхних слоев солнечной атмосферы - короны, имеющей температуру в миллионы градусов.

Результаты моделирования. Магнитное поле Солнца в 2011 гораздо больше сосредоточено вблизи полюсов. Пятен мало. (Изображение NASA"s Goddard Space Flight Center/Bridgman)

Магнитное поле Солнца в 2014 стало более запутанным и беспорядочным, создавая условия для вспышек и выбросов корональной массы. (Изображение NASA"s Goddard Space Flight Center/Bridgman)

Поверхность Солнца (изображение http://www.nasa.gov)

Это вечное движение, которое нельзя наблюдать в видимом свете, впервые заметили в 1950-х годах, и с тех пор физики пытаются понять, почему оно происходит. Сейчас уже известно, что вещество, из которого состоит Солнце, движется в соответствии с законами электромагнетизма.

Изучая магнитное поле Солнца, можно лучше понять природу космоса во всей Солнечной системе: оно влияет как на межпланетное магнитное поле и радиацию, сквозь которую приходится двигаться космическим кораблям, так и на космическую погоду на Земле (полярные сияния, магнитные бури и т.п. зависят от солнечных вспышек).

Но, несмотря на многолетние исследования, окончательного понимания природы магнитного поля Солнца еще нет. Предполагается, что оно возникает от движений заряженных частиц, которые перемещаются по сложным траекториям из-за вращения Солнца (солнечное динамо) и тепловой конвекции, поддерживаемой теплом от термоядерного синтеза в центре Солнца. Однако все детали процесса до сих пор не известны. В частности, неизвестно, где именно создается магнитное поле: близко к солнечной поверхности, глубоко внутри Солнца, или в широком диапазоне глубин.

Как можно увидеть невидимое магнитное поле? По движению солнечной плазмы. И вот, чтобы больше узнать о «магнитной жизни» Солнца, ученые НАСА решили проанализировать движение плазмы через его корону, комбинируя результаты компьютерного моделирования и данные, полученные при наблюдении в реальном времени.

Магнитное поле управляет движением заряженных частиц, электронов и ионов, из которых состоит плазма. Образующиеся при этом петли и прочие плазменные структуры ярко светятся на снимках, сделанных в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Кроме того, их следы на поверхности Солнца, или фотосфере, можно достаточно точно измерить с помощью инструмента, называемого магнитографом, который измеряет силу и направление магнитных полей.

Результаты наблюдений, которые описывают напряженность магнитного поля и его направление, затем объединяют с моделью движущейся солнечной плазмы в магнитном поле. Вместе они дают хорошее представление о том, как выглядит магнитное поле в короне Солнца и как оно там колеблется.

В периоды максимальной солнечной активности магнитное поле имеет очень сложную форму с большим количеством повсюду мелких структур, представляющих собой активные регионы. В минимуме солнечной активности поле слабее и концентрируется на полюсах. Образуется очень гладкая структура без пятен.

По материалам НАСА
Там же можно посмотреть анимацию по результатам моделирования.

За последние годы теория строения Солнца и явлений на нем сильно продвинулась вперед. В частности, на основе лабораторных опытов с плазмой пришли к выводу о том, что магнитные поля на Солнце играют очень большую роль в наблюдаемых на нем явлениях.

Ядерные реакции происходят в ядре Солнца, где температура достаточно высока - 16 млн. градусов. Радиус этой зоны, где вырабатывается энергия при ядерных реакциях, составляет, по-видимому, около 200 000 км. С удалением от центра Солнца температура падает быстро - на 20° на каждый километр. В этой области происходит перенос лучистой энергии излучением. Не доходя одной десятой по радиусу до фотосферы, температура падает медленнее, и в переносе энергии в ней принимает участие конвекция в виде вертикального подъема горячих газов и опускания холодных газов. Происходит перемешивание вещества, которое, однако, неравномерно по разным направлениям.

В фотосфере водородные атомы в основной своей массе нейтральны, в хромосфере, являющейся переходным слоем, они ионизуются и в короне наступает полная ионизация. Толщина фотосферы только 200-300 км, т. е. около V300 радиуса Солнца. Таким образом атмосфера Солнца состоит из плазмы - смеси ионов и свободных электронов. Хромосфера, в сотни тысяч раз менее плотная, чем фотосфера, переходит в корону. За счет облучения энергией, испускаемой фотосферой, при ее температуре в 6000° термометр в хромосфере показал бы 5000°, а в короне еще меньше. Частицы разреженного газа хромосферы и короны налетали бы на термометр так редко, что не могли бы его нагреть. Однако скорости движения частиц в хромосфере и короне очень велики. Известно, что температуру газа можно измерять кинетической энергией его частиц. Это так называемая кинетическая температура. В фотосфере температуры излучения и кинетическая соответствуют друг другу, а в хромосфере и короне различаются резко - в хромосфере кинетическая температура составляет десятки тысяч градусов, а в короне - около миллиона градусов.

«Нагревание» хромосферы происходит эа счет энергии распространяющихся в ней волн, порождаемых движением гранул в фотосфере. В короне, простирающейся на расстояние до 10 радиусов Солнца, число атомов в 1 см 3 в 100 миллиардов раз меньше, чем число молекул в 1 см 3 воздуха у поверхности Земли. При такой же плотности, как воздух, вещества в короне хватило бы на слой, окружающий Солнце при толщине всего в несколько миллиметров. В ней возникает основное» радиоизлучение Солнца. С такой же интенсивностьто, как корона, нагретое тело такого же размера излучало бы при температуре в миллион градусов, а такой кинетической температуры требуют, как мы видели, и наблюдаемые в спектре короны яркие линии многократно ионизованных металлов.

Изучение взаимодействия магнитного поля и плазмы показало, что на плазму в целом движение вдоль силовых линий магнитного поля не влияет. При движении же электрически заряженных частиц поперек линий поля (т. е. при течении тока) возникает дополнительное магнитное поле. Сложение этих магнитных полей вызывает искривление и вытягивание силовых линий вслед за движением вещества. Между тем у магнитных силовых линий есть натяжение, стремящееся их выпрямить. Это создает магнитное давление, и поле, мешая плазме пересекать силовые линии, его тормозит и даже может увлечь за собой, если поле сильно. Если оно слабо, то плазма перемещает силовые линии вместе с собой. Итак, во всех случаях можно говорить о том, что силовые линии как бы «вморожены» в плазму.

Эти сведения, а также регулярные измерения напряжения магнитного поля в разных местах на Солнце позволили подойти к объяснению многих явлений на нем.

Общее магнитное поле Солнца очень слабо, но оно, видимо, играет большую роль. Лучи короны, особенно в полярных областях Солнца, располагаются подобно силовым линиям, выходящим и входящим у полюсов намагниченного шара. Изменение направления поля в каждом полушарии Солнца от одного цикла солнечной активности к следующему также очень важно. Причина этого изменения еще не ясна, но известны звезды с очень мощными магнитными полями, у которых полярность поля также периодически меняется.

При вращении Солнца самые быстрые (экваториальные) слои увлекают за собой силовые линии слабого общего поля Солнца, которые в них «вморожены». Эти линии вытягиваются под фотосферой и за три года обвиваются вокруг Солнца шесть раз, образуя тугую спираль. Если силовые линии расположились при этом теснее, то, значит, тут общее (и искаженное здесь) магнитное поле Солнца усилилось.

Ближе к полюсам силовые линии общего поля выходят из фотосферы вверх, и поэтому поле здесь не усиливается. Впрочем, на самом экваторе, где угловая скорость вращения в некоторой зоне меняется мало, поле также не усиливается, а на широтах +30°, где скорость вращения меняется быстрее всего, усиление поля максимально. Так под фотосферой образуются подобия трубок из сгущенных силовых линий. Давление газа в них складывается с давлением магнитного поля, перпендикулярным к его линиям. Газ в «трубке» расширяется и становится как бы легче и может «всплыть» наверх. В этом месте, где она приближается к поверхности, на Солнце наблюдается усиление магнитного поля, а затем и появление факела, а за ним и поля факелов. Их горячие газы поднимаются выше, чем соседние места фотосферы, потому что слабое магнитное поле вокруг них гасит мелкие турбулентные движения, стремящиеся тормозить поток горячего выходящего газа. Над факелами в хромосфере также происходит нагрев и возникают горячие флоккулы. Наконец, над флоккулами в короне начинается более яркое свечение. Так развивается активная область на Солнце. Всплывая к поверхности и пересекая ее, трубка со сгущенными силовыми линиями образует местные усиления магнитного поля и возникают солнечные пятна. Их пониженная температура обусловлена тем, что очень сильное магнитное поле в этой области подавляет не только турбулентность, но и сильные конвективные движения. Поэтому здесь приток снизу горячих газов прекращается, тогда как вокруг пятна, в области факелов и флоккул, конвекция слабым магнитным полем усилена, так как оно подавляет слабую турбу-ленцию и там приток горячих газов снизу облегчен. Понятно, что пересечение изогнутой трубки с этой поверхностью в двух местах обусловливает у двух главных пятен противоположные магнитные полярности. Выход трубки из фотосферы и рассеивание ее линий ведут к дроблению и исчезновению двух главных пятен, образованных пересечением силовой трубки с поверхностью Солнца. Выход - силовых линий трубки в разреженные хромосферу и корону, где давление газа меньше, чем давление магнитного поля, ведет к тому, что линии расходятся, образуя петли и дуги.

Постепенно области активности с порождающими их магнитными трубками в восточной части образуют пятна с полярностями, противоположными той, какая была в начале цикла у этого полюса Солнца. Это вызывает сначала нейтрализацию прежнего общего магнитного поля, а затем, за три года до конца 11-летнего цикла солнечной активности, создает общее поле противоположной полярности.

Через 11 лет восстанавливается прежняя картина полярностей общего поля.

Так получает в основных чертах, по-видимому, правильное объяснение (данное Бэбкоком), 22-летняя периодичность солнечной активности.

Хромосферные вспышки на Солнце образуются вблизи нейтральных точек магнитных полей в активных областях, где с удалением от этих точек напряжение поля быстро возрастает. Здесь происходит крайне быстрое сжатие магнитного поля вместе с плазмой, в которую оно «вморожено», и энергия магнитного поля переходит при этом в излучение газа. Плазма сжимается в тонкий шнур и температура ее резко возрастает - до нескольких десятков тысяч градусов. Плотность хромосферы возрастает здесь за несколько минут в сотни тысяч раз.

Кроме огромного повышения температуры, а с нею и излучения, особенно ультрафиолетового и рентгеновского, хромосферная вспышка состоит и в так называемом всплеске радиоизлучения. На метровых волнах последнее усиливается до десятков миллионов раз.

Источник этого радиоизлучения перемещается из хромосферы в корону со скоростью около 1000 км/сек. Вероятно, он возникает в результате выброса космических лучей, порожденных вспышкой, и бомбардировки плазмы этими лучами, что и вызывает колебания плазмы, порождающие всплеск радиоизлучения.

Наблюдаемые в короне лучи, видимо, порождаются этими потоками быстрых, электрически заряженных частиц, тянущих за собой силовые линии магнитного поля. И это поле, и плазма короны тормозят потоки частиц, но часть их вырывается из атмосферы Солнца и, попадая в земную атмосферу, производит полярные сияния. Изменение картины магнитного поля Солнца от минимума его активности к максимуму и определяет изменения формы короны, о чем мы уже говорили.

Многие протуберанцы, как и лучи короны, обусловлены движением газа вдоль силовых линий, отчего и происходят, например, выбросы их по дугообразной траектории и «скатывание» их обратно на поверхность Солнца. По-видимому, протуберанцы находятся преимущественно в областях плавных изменений магнитного поля. Возникновение свечения протуберанцев внезапно вверху, а затем их движение только вниз обусловлено, по-видимому, процессами, аналогичными тем, какие дают хромосферные вспышки, но менее резкими. Сжатие магнитного поля ведет к сжатию относительно холодного газа, к подъему его плотности и к свечению.

Таковы основные черты современной, в основном газомагнитной, теории солнечных явлений.

«Вояджеры» в полете уже более 33 лет . После множества открытий, совершенных внутри Солнечной системы, теперь . Аппараты уже пересекли гелиосферную ударную волну, впереди их ждет область гелиопаузы (граница, вдоль которой уравновешивается давление солнечного ветра и межзвёздной среды).

«Вояджер-1» немного вырвался вперед, сейчас он находятся на расстоянии свыше 17 млрд. км от Земли (116 астрономических единиц, т.е. 116 расстояний от Земли до Солнца), его скорость больше 60000 км/ч , а сигнал с него идет на Землю около 14 часов . Но даже с такого расстояния аппараты передают данные, ведущие к новым открытиям.

Одно из открытий касается магнитного поля Солнца . Размеры солнечного магнитного поля несравнимо масштабнее земного и выходят далеко за пределы планетарных орбит. Ранее считалось, что на границе Солнечной системы устроено обычным образом: величина магнитного поля убывает, силовые линии изгибаются и возвращаются обратно к Солнцу. Теперь же оказалось, что это не так.

Магнитные поля на границе Солнечной системы очень слабые, поэтому понадобилось более 4 лет, чтобы накопилось достаточно данных, передаваемых обоими «Вояджерами». Когда же, наконец, данные были и построены соответствующие модели, ученые были крайне удивлены. Оказалось, что магнитная граница Солнечной системы представляет собой “пену” исполинских размеров . Каждый “пузырёк” в этой пене имеет диаметр порядка 1 а.е. (1 астрономическая единица = 150 млн.км). На пересечение такого “пузырька” «Вояджер» тратит 3-4 месяца.

Причиной возникновения магнитных “пузырей” является вращение Солнца вокруг своей оси, в результате которого на пределе своего распространения магнитные линии “запутываются” и происходит их пересоединение . Эффект магнитного пересоединения был знаком астрофизикам и раньше - именно данный эффект считается источником энергии солнечных вспышек (см. описание эффекта в комментариях), однако они никак не ожидали встретить его на границе Солнечной системы.

Линии магнитного поля Солнца ориентированы в разные стороны в разных его полушариях. Т.к. ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Солнца, его магнитное поле извивается в форме сложной спирали, разделенной на сектора с различной полярностью. За границей ударной волны, с уменьшением скорости солнечного ветра (который и раздувает магнитное поле Солнца в огромный пузырь гелиосферы ) расстояния между его разнополярными “складками” резко уменьшаются. В результате линии магнитных полей разрываются, пересоединяются и от спирали отпочковываются новые участки поля – магнитные пузыри.

В результате пересоединения образуются магнитные поля, которые оказываются отделенными от “материнского” магнитного поля Солнца. Они-то и “зацикливаются” в пузыри, частично связанные друг с другом.

Если это действительно так (а данные о магнитном поле, переданные с «Вояджеров», наиболее логично выстраиваются именно в такую картину), то граница магнитного поля Солнца и, соответственно нашей Солнечной системы, напоминает не простую “береговую линию”, а линию прибоя, отделяющего наш “остров” от океана межзвездного вещества .

И это новое знание о границе нашей Солнечной системы не так далеко от нашей повседневной жизни, как можно было бы подумать. Дело в том, что магнитное поле Солнца защищает Землю от разнообразных “посланников” других звезд и галактик так же, как магнитное поле Земли защищает нас от Солнца. И среди этих “посланников” могут быть весьма опасные для жизни на Земле - например, высокоэнергетические частицы , разогнанные взрывами сверхновых и/или прошедшие вблизи черных дыр…

Перед учеными теперь стоит задача определить - является ли такая граница магнитного поля Солнца более надежной защитой, чем обычная ? Тормозятся или, наоборот, еще сильнее разгоняются в магнитных пузырях, летящие к нам из-за границ Солнечной системы, заряженные частицы? Или же магнитная пена столь слаба и в ней так много “дыр”, что она практически не оказывает никакого влияния на космические лучи?..

И более абстрактный, но не менее интересный вопрос - если граница Солнечной системы столь “непроста”, то насколько мы, находясь внутри , способны увидеть то, что находится вне нашей Солнечной системы (речь, естественно, идет, прежде всего, об электромагнитной картине мира)?..

Наглядно представить историю с открытием магнитной пены поможет видео-ролик, созданный NASA:

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: