МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА

1.1. Стандартная солнечная модель

 

Солнце – самая близкая к нам звезда: квант света – фотон, покинув Солнце, достигает орбиты Земли за 8 минут. Свет от другой ближайшей к нам звезды Проксима Центавра затрачивает на подобное путешествие более 4 лет. На поверхности этой другой ближайшей звезды не удается что-либо разглядеть даже в самые мощные телескопы. Вот почему изучение Солнца важно и интересно не только само по себе: наблюдая Солнце, мы многое узнаем о звездах вообще. Но и исследованные миры звезд очень помогают разобраться в солнечной физике: ведь другие звезды мы наблюдаем на разных стадиях эволюции, в юном и преклонном возрасте, при несколько ином химическом составе, массе, радиусе.

Все, что сейчас известно о строении Солнца, его химическом составе, процессах, протекающих в его недрах, суммировано в так называемой «стандартной солнечной модели». Эта модель построена на колоссальном, тщательно проанализированном материале наблюдений Солнца и большого числа звезд. Исходя из этой модели, многие величины, характеризующие солнечные явления, могут быть вычислены с большой точностью. Согласно этой модели  Солнце представляет собой газовый шар, состоящий из водорода с небольшой примесью гелия (и совсем малой примесью более тяжелых элементов). Температура возрастает от поверхности  (6000° С)  вглубь, достигая близ центра 14 млн. град.; соответственно возрастает и плотность; электроны оторваны от ядер водорода, так что вещество находится в плазменном состоянии. При температуре и плотности, которые достигаются близ центра, ядра водорода достаточно часто сближаются на расстояния, при которых оказываются возможными ядерные реакции. При этом из четырех ядер водовода образуется ядро гелия и выделяется энергия, обеспечивающая светимость Солнца. Одновременно с возникновением ядра гелия образуется еще и нейтрино – частица, практически не взаимодействующая с веществом. Поэтому нейтрино свободно покидает зону протекания ядерных реакций и само Солнце и поэтому может быть зарегистрировано на поверхности Земли.

Солнце принадлежит к типу медленно эволюционирующих устойчивых звезд. Оно не может взорваться. Солнечные термоядерные реакции идут уже около 5 миллиардов лет и будут продолжаться с той же скоростью еще миллиарды лет.

Зона ядерных реакций, где выделяется энергия, занимает небольшую часть объема Солнца. Это сфера всего 0.1 его радиуса. Остальные зоны Солнца проводят (переносят) эту энергии наружу. В основной массе Солнца этот перенос осуществляется фотонами.
Но за 0.3 радиуса от поверхности включается еще один механизм переноса – конвекция: нагретый газ поднимается к поверхности, охлаждается и опускается вниз за новой порцией тепла. Соответственно в строении Солнца выделяют зону лучистого равновесия и конвективную зону. Из-за того, что конвекция реализуется на вращающемся шаре, общая картина циркуляции вещества в конвективной зоне очень сложная. Разобраться в ней полностью не удалось до сих пор. Чрезвычайно важным является то, что циркулирующим веществом при этом является плазма, состоящая из заряженных частиц, поэтому ее движение – это не что иное, как электрический ток. А протекание тока неизбежно сопровождается появлением магнитного поля.

Магнитные поля играют очень важную роль в процессах, происходящих на поверхности Солнца. Но они оказывают влияние и на динамику конвективной зоны. Отсюда понятно, почему специалисты по физике Солнца уделяют изучению солнечного магнетизма так много внимания.

Циркуляция солнечного вещества в конвективной зоне, когда часть кинетической энергии превращается в энергию магнитных полей, а эти поля влияют на картину течений, порождает самовозбуждающиеся колебания. Такой тип колебаний называют автоколебаниями.
Они возникают спонтанно в системах самой разной природы, и мы будем говорить о них на страницах этой книги неоднократно. Широко известен период 11,07 года, однако основным периодом колебаний конвективной зоны является период 22,14 года. Он соответствует полному циклу изменения магнитного поля Солнца, когда в течение одного 11-летнего периода северный магнитный полюс совпадает с северным гелиографическим, а на протяжении следующего 11-летнего цикла на северном гелиографическом полюсе господствует южный магнитный полюс. Имеются косвенные данные, свидетельствующие о существовании таких колебаний многие десятки миллионов лет назад. Вполне вероятно, что они возникали в эпоху формирования самой солнечной системы. Вообще говоря, рассматриваемые колебания носят сложный характер. Имеются и другие периоды, накладывающиеся друг на друга и взаимодействующие друг с другом (более подробно об этом будет рассказано дальше). Наконец, следует упомянуть и о том, что на Солнце существуют колебания, охватывающие все Солнце, а не только его конвективную зону.
О них также пойдет речь ниже. Самое главное, о чем здесь было рассказано, отражено на схеме строения Солнца (рис.).

См. продолжение...