Предложен наземный метод измерения геомагнитного поля в средних масштабах. Магнитные поля Солнца и Звёзд Электромагнитное поле солнца
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 90?. 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 90?. 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.
Необходимые сведения о Солнце. Солнце – плазменный шар, центральное тело нашей солнечной системы и единственная ближайшая звезда, которую видим не как точку, а как диск. Линейный радиус Солнца составляет R C =695990 км. Масса Солнца равна M C =2 10 30 кг . Температура в центре (ядре) равна 15 млн. K. Плотность ядра 1,6 10 5 кг. Хотя ядра атомов «упакованы» здесь примерно в 1000 раз плотнее, чем в металлах, высокая температура поддерживает вещество в газообразном состоянии .
Согласно теоретическим данным в настоящее время Солнце пребывает на стадии главной последовательности (на стадии превращения ядер водорода в ядра гелия) уже 4,6 10 9 лет и будет продолжать находиться на этой стадии примерно столько же времени, пока водород в ядре не будет исчерпан. Внутреннее строение Солнца приведено на рис. 1 .
Наружный слой Солнца, из которого излучается принимаемое нами оптическое излучение, фотосфера нагрета до 6000 K. Газ в фотосфере ионизован лишь на 0,1%, но этого вполне достаточно, чтобы электропроводимость была высокой. Выше и ниже фотосферы газ ионизован практически полностью, поэтому проводимость еще выше. Над фотосферой расположена верхняя атмосфера Солнца. Ее делят на нижнюю часть – хромосферу, толщиной в несколько тысяч км с температурой 6 10 3 – 10 4 K, среднюю, переходную область с резким переходом температуры от 10 4 до 10 6 K и корону – очень протяженную внешнюю атмосферу, нагретую, в среднем до 2 млн. K и плавно переходящую в межпланетную среду. Непосредственно под фотосферой располагается конвективная зона Солнца, в которой энергия из недр наружу передается в основном конвективным путем. Конвекция на Солнце развита сильно, напоминает бурное кипение в гигантских масштабах и проявляет себя на фотосфере в виде грануляций и супергрануляций. Под конвективной зоной располагается, самая протяженная область, зона лучистого переноса энергии, а под ней находится ядро Солнца. Средний период вращения нашего светила составляет 27 земных суток. Вращение является дифференциальным .
Магнитные поля Солнца.
На Солнце и на более удаленных небесных телах магнитные поля измеряют лишь косвенно. Впервые это сделал Д. Хейл в 1908 г., который обнаружил, что в солнечных пятнах имеются магнитные поля до 0,3 Тл (3000 Гс). Он был первым, кто обнаружил существование магнетизма за пределами Земли. Более слабые поля измеряют изобретенным Г. Бэбкоком магнитографом, который дает возможность измерить продольную (вдоль луча зрения) компоненту индукции магнитного поля, равную примерно 10 -4 Тл (1 Гс) и даже меньше. Многолетние наблюдения показали, что сильные магнитные поля имеются лишь в так называемых активных областях Солнца – в солнечных пятнах, где магнитная индукция порядка десятых долей Тесла (тысячи Гаусс). В других местах типичны поля 0,1 – 0,2 мТл (1 – 2 Гс). В околополярных областях магнитное поле имеет структуру близкую к дипольной с магнитными полюсами, примерно совпадающими с осью вращения. В умеренных широтах Солнца (|φ
|<=50 о) преобладают биполярные (двуполярные) области, вытянутые вдоль экватора и униполярные (однополярные) области. Характерной чертой магнитных полей Солнца оказалось то, что изменения их полярности имеют 11-летнюю периодичность. Таким образом, полный инверсионный цикл магнитных полей Солнца (далее МПС) составляет порядка 22-23 года . Наиболее ярким наблюдательным проявлением 11-летнего цикла являются периодические вариации количества активных областей (пятен) на Солнце. Новый цикл солнечной активности начинается с того, что в период минимума числа пятен появляются активные области на гелиографических широтах ±30 о. Далее, с течением цикла, средняя широта пятен убывает до нуля. Получающаяся диаграмма распределения пятен по широтам в функции времени напоминает бабочек. Ее часто называют «бабочками» Маундера, по фамилии ученого впервые построившего такую зависимость (Рис. 2) .
Вид внешних частей солнечной короны сильно зависит от фазы солнечной активности. В период минимума солнечной активности корона имеет «приглаженный» симметричный вид (Рис. 3), а в периоды максимума более сложный «растрепанный» вид .
В начале прошлого XX столетия исследователями Солнца было внесено понятие активных долгот. Речь идет о существовании отдельных долготных интервалов в 30–40 о, проявляющих повышенную активность в течение нескольких (от 1 до нескольких) 11-летних солнечных циклов. Также удалось установить, что эти активные долготы не связаны с дифференциальным вращением Солнца .
На протяжении примерно 70 лет (с 1645 по 1715 г.г.) солнечных пятен практически не было. Это явление получило название минимума Маундера. Радиоуглеродным методом удалось установить, что аналогичные минимумы то большей, то меньшей глубины и продолжительности имели место и раньше каждые несколько веков. Однако, не смотря на отсутствие пятен, 11-летние периоды солнечного магнетизма все же проявляли себя .
Со времени открытия МПС были предложены целый ряд гипотетических моделей генерации этих полей. Эти модели можно условно подразделить на три типа гипотез. 1- й тип: те, которые предполагают причины солнечной активности за пределами
Солнца; 2-й тип: те, которые предполагают причины солнечной активности в самом Солнце и 3-й тип промежуточный . Последним словом гипотетических моделей является, как ее сторонники называют, «господствующая динамо теория», которая основана на усилении затравочного незначительного магнитного поля асимметричными потоками (вихрями) электропроводной среды. Для полной ясности приведем цитату из , поясняющую динамо процессы в упрощенном виде: «далеко не всякий вид движений электропроводной среды способно приводить к усилению магнитных полей. Как показали специальные исследования, никакие симметричные движения, сводящиеся к двумерным или центрально-симметричным, осе – симметричным или зеркально-симметричным, не способны привести к устойчивому усилению поля и, в конечном счете, вызывают диссипацию (исчезновение) его. Тип движений способный привести к усилению поля, схематически показан на рис. 4. Представим себе исходную магнитную трубку (вещество с вмороженным в него полем) в виде тора (1). Если движения вещества таковы, что, растягивая тор, они перекручивают его в «восьмерку» (2), а затем складывают эту «восьмерку» в два кольца (3), так что в результате получается тор тех же размеров, что и вначале, то напряженность поля станет в два раза больше, чем в исходной ситуации (1), при сохранении геометрии поля». Однако в этой гуще случайных событий, трудно представить, что этот вид движений будет идти именно в нужном направлении.
Сущность предлагаемой модели МПС. В данной работе автор предлагает альтернативную теоретическую модель, призванную описать генерацию и инверсионно -циклическое развитие МПС. Эта модель, являясь универсальной, логически вписывается в имеющиеся данные и факты магнетизма Солнца и не требует особых условий для ее реализации. Необходимыми условиями являются наличие вращения небесного тела вокруг своей оси, существование проводящих слоев в его толще и затравочного (внешнего или собственного) магнитного поля .
Если проводящий шар (Солнце) вращается вокруг собственной оси в магнитном поле (затравочное поле), имеющем составляющую вектора индукции B o , направленную вдоль оси вращения с юга на север (рис.5, а), то на каждый заряд (электрон, протон, ион), находящийся в нем и вращающийся вместе с ним, с линейной скоростью
v = ω · r
действует сила Лоренца со стороны затравочного магнитного поля
F = q · v · B o · sin α
где ω – угловая скорость вращения, r – расстояние от оси вращения до заряда q . Угол α = 90 º т.к. векторы v иB o перпендикулярны. Применив соответствующее правило (левой руки) легко убедиться, что эта сила разделяет свободные заряды, отрицательные – к оси вращения, а положительные – к внешнему краю вращающегося шара. В результате длительного действия этих сил на свободные заряды во вращающемся теле образуются две кольцевые области в виде полых концентрических цилиндров, имеющие некомпенсированные противоположные заряды, отрицательная Q – (внутреннее кольцо) вблизи оси вращения, и положительная Q + (внешнее кольцо) дальние от оси вращения края шара (небесного тела) (рис.5, а). Эти области имеют суммарные некомпенсированные заряды противоположного знака, равные по модулю
| Q + | = | Q – | .
При вращении небесного тела вокруг собственной оси эти области, вращаясь вместе с ней, создают концентрические кольцевые токи противоположного направления (I + – с запада на восток и I – – с востока на запад).
I + = Q + / T ; I – = Q – / T ,
где T – период вращения. Эти кольцевые токи создадут собственные магнитные поля с векторами индукции B + и B – соответственно. Определив направления кольцевых токов и их полей (правило буравчика), легко убедиться, что направления векторов B + , B – и B o в промежутке между кольцевыми токами I + и I – совпадают и взаимно усиливают друг друга, следовательно, способствуют дальнейшему разделению зарядов и увеличению магнитных сил отталкивания (закон Ампера) между этими кольцевыми токами противоположного направления. Заметим, что наряду с магнитным полем возникнет и электрическое поле, противодействующее разделению зарядов. Однако это электрическое поле, практически полностью, будет экранировано , разделяющим кольцевые области, высоко проводящим веществом солнечной плазмы. Таким образом, этот механизм сохраняет «жизнеспособность» и в отсутствие затравочного поля B o . При этом значение вектора индукции B собственного магнитного поля вращающегося небесного тела (шара) в каждой точке пространства вне и внутри шара определяется суперпозицией векторов B + и B – . В дальнейшем главным необходимым условием существования и развития собственного магнитного поля небесного тела становится лишь наличие его вращения вокруг собственной оси .
Проанализируем существование и дальнейшее развитие этой модели генерации магнитного поля применительно к условиям Солнца. Итак, мы имеем два кольцевых тока I + и I – в проводящей плазме Солнца (Рис.5, а). По мере накопления зарядов растут силы магнитного отталкивания между кольцевыми токами (закон Ампера), а также силы электрического отталкивания между близлежащими одноименными зарядами внутри каждого кольца (стремление некомпенсированного заряда к поверхности проводящей среды ). Результирующее действие этих сил в течение длительного времени приведет к росту диаметров обоих кольцевых областей и постепенному входу внешней кольцевой области Q + в пределы конвективной зоны, где ее северные и южные концы начнут разрушать конвективные процессы. В то же самое время внутри достаточно расширившейся полости внутреннего кольца Q – , под действием той же силы Лоренца, начнет зарождаться новая (зародышевая) кольцевая область с положительным некомпенсированным зарядом q + вокруг оси вращения Солнца, т.е. зарождается новый кольцевой ток J + (Рис.5, б). Отметим, что зарождение этого кольцевого тока есть начало инверсии МПС в будущем.
Количество зарядов в этом зародышевом кольце q
+ постепенно растет, набирая силу и расширяясь в диаметре. Рост количества зарядов в этой области q
+ сопровождается одновременным убыванием их во внешней областиQ
+ за счет
потерь по причине их разрушения конвективными процессами. В этот период равновесие зарядов Солнца в целом сохраняется и выражается как
| Q – | = | Q + | + | q + | .
Таким образом, в этот период в солнечном шаре образуются три концентрических кольцевых тока I + , I – и J + , которые создают магнитные поля с векторами индукции B + , B – и b + соответственно. При дальнейшем развитии МПС расширение колец приведет к постепенному входу внешнего кольца Q + сначала в пределы конвективной зоны, затем (через процесс образования пятен) и через фотосферу к внешнему краю активно вращающейся части солнечной атмосферы, вплоть до полного уничтожения его конвективными и прочими процессами Солнца (Рис.5, в, г). К этому времени кольцевая область q + станет полноценным кольцевым током, и количество зарядов в ней достигнет до уровня количества зарядов в кольце Q – т.е.,
| Q – | = | q + | .
Этим завершается первая 11-летняя часть инверсионного цикла основного (дипольного) поля Солнца, составляющий половину одного полного 22-летнего цикла (Рис.5, д). Должно быть, читателю уже стал ясен сценарий дальнейшего непрерывного инверсионно-циклического развития МПС. Оно сопровождается расширением колец Q – и q + , образованием нового зародышевого кольца q – вокруг оси Солнцас отрицательным некомпенсированным зарядом (Рис.5, е), и дальнейшим циклическим повторением процесса. Одним словом течение этого процесса в целом аналогично инверсионно – циклическому развитию магнитного поля Земли , с учетом поправок на отличия во внутреннем строении и других параметров Солнца и его атмосферы. Математическое обеспечение этой модели МПС также аналогично земному, которое подробно приведено в , и поэтому здесь не дается. Это и есть краткое описание модели основного магнитного поля Солнца (иногда его называют дипольным или полоидальным), которое имеет непрерывное инверсионно – циклическое развитие. Кроме этого основного магнитного поля на Солнце наблюдаются, упомянутые выше, магнитные поля солнечных пятен, механизму возникновения которых, посвящается нижеследующий абзац.
Образование солнечных пятен. Любая модель, посвященная объяснению МПС должна содержать описание процесса образования солнечных пятен (далее пятен). Для этого обратимся к некоторым известным процессам, происходящим в атмосфере Земли – к вихрям (циклоны, тайфуны, торнадо, смерчи). Сравнение параметров земной атмосферы с параметрами атмосферы Солнца, включая конвективную зону, (вертикальную мощность, высокую температуру, бурлящее кипение), дает полную уверенность в том, что в солнечной атмосфере вихри (назовем их солнечными торнадо) гигантских, соответствующих параметрам атмосферы Солнца, размеров и мощностей есть явления часто происходящие. В те периоды, когда в эти солнечные торнадо вовлекаются части кольцевых областей с некомпенсированными зарядами (Рис. 5, б–е), очень сильное вращение некомпенсированного заряда в торнадо создает сильные магнитные поля (помимо основного дипольного поля). Этот процесс на фотосфере Солнца наблюдается в виде пятен. Темный цвет пятен автор связывает не спадом температур как в , а отсутствием возможности для рекомбинации (зарядов) ионов вследствие очень сильного разделения зарядов быстрым вращением плазмы в мощном магнитном поле (сила Лоренца). Автор также придерживается мнения, что магнитные поля в пятнах являются локальными и виртуальными (временными) полями. Эти поля лишь косвенно связаны с основным инверсионно-циклически развивающимся (дипольным) магнитным полем Солнца. Они появляются при условии совмещения кольцевой области с некомпенсированным зарядом с соответствующим солнечным торнадо, «проглотившим» клочок этой кольцевой области, следовательно, обусловлены не общепринятыми магнитными трубками вмороженного тороидального поля, т.е. никакого тороидального поля вовсе не существует. Здесь важно понять то, что не все торнадо могут образовать пятна, а лишь «проглотившие» клочок некомпенсированного заряда от кольцевой области. Все сопутствующие явления вокруг солнечного пятна связаны с процессами развития и угасания соответствующего торнадо в реальных условиях высоких температур, быстрых движений и бурлящего кипения. Второму концу (хвосту) торнадо касаться или не касаться (оставаться ниже или выше) фотосферы, конечно, решают соответствующие процессы в атмосфере Солнца. С другой стороны солнечные вихри могут быть как восходящими (начинаться со стороны конвективной зоны), так и нисходящими (начинаться со стороны хромосферы). Это создает дополнительные трудности при объяснении наблюдаемых процессов. Пятна могут наблюдаться группами оттого, что около основного крупного торнадо часто образуются вторичные вихри поменьше . Чтобы глубже понять эти процессы следует глубже изучить, более доступные нам, земные вихри (циклоны, тайфуны, торнадо, смерчи). Должно быть, они подчиняются одним и тем же законам природы. Известно, что направление вращения крупных земных вихрей в разных полушариях Земли разное. В северном полушарии – против часовой стрелки, а в южном – по часовой стрелке, если смотреть сверху . Этот закон природы действует и на солнечные вихри. Это положение дает объяснение тому, что магнитные поля ведущих пятен в северном и южном полушариях Солнца имеют противоположные направления. Оно также, через понимание процессов в солнечных пятнах, дает возможность прийти к очень важному обратному умозаключению, что направление вращения вихрей (быть может, и процесс образования вихрей) определяется основным магнитным полем небесного тела.
Диаграмма «бабочек» Маундера . Со времени первого получения подобных диаграмм прошло уже более века, но природа этих периодичных диаграмм в виде «бабочек» до настоящего времени остается загадкой. Однако если рассматривать процессы с точки зрения модели, предложенной автором, то объяснения этих диаграмм «приходят» сами собой (Рис. 5). Ведь пятна могут образоваться лишь в тех поясах, где происходят соприкосновения расширяющейся кольцевой области с некомпенсированным зарядом в форме полого цилиндра с конвективной зоной. В процессе расширения кольцевых областей, с течением времени, по обе стороны от экватора широты этих поясов убывают. Цикл завершается, когда конвективная зона полностью раскромсает в клочья расширяющуюся кольцевую область с некомпенсированным зарядом (см. Рис. 5 связывая по вертикали с Рис. 6) и широты этих поясов достигнут до нуля. А к тому времени расширяющаяся следом кольцевая область с противоположным некомпенсированным зарядом уже успевает подойти вплотную к конвективной зоне со сторон более высоких широт (Рис. 5, д) и процесс повторяется в следующем 11-летнем цикле солнечных пятен.
Активные долготы
. Описание предложенной модели выше велось для идеального случая протекания солнечных процессов, где кольцевые области с некомпенсированными зарядами представляют собой симметричных полых цилиндрических поверхностей правильной формы. Однако в реальном процессе эти кольцевые области далеки от идеала (серые кольца 2, 3 на Рис.7). Явления активных долгот вызваны несимметричностью и неравномерностью толщины внешней кольцевой области с некомпенсированным зарядом, недостатки которой будут переняты («унаследованы» через магнитное поле) вновь образованными внутренними кольцевыми областями. Таким образом, первопричины этих неравномерностей находятся во внутренних областях зарождения колец (Рис. 5), поэтому и не связаны с дифференциальным вращением. При этом долготы, которые совпадают с широкими
участками внешнего кольца (отмечены кружками на Рис. 7), должны проявлять высокую активность, чем другие участки. Из вышеизложенного следует, что активные долготы проявляют себя в нескольких 11-летних циклах, т. к. их первопричины «наследуются» и находятся в околоосевых зонах Солнца, где зарождаются кольцевые области с некомпенсированными зарядами.
Минимумы солнечной активности . Солнечный «климат», так же как земной, видимо периодами бывает суровым (активным), или тихим (без торнадо). Если нет крупных солнечных торнадо, следовательно, и нет пятен, т.к. в процессе образования пятен необходимо совмещение торнадо с частью кольцевой области с некомпенсированным зарядом. В периоды минимума солнечной активности отсутствие крупных торнадо не означает абсолютное спокойствие, т.к. в эти периоды разрушителями кольцевых областей являются бурлящее конвективное течение и относительно мелкие вихри (не наблюдаемые с Земли), которые создают магнитные поля от десятков до сотен Гаусс. В эти периоды относительного спокойствия все остальные процессы, кроме торнадо, (основное инверсионно – циклическое (дипольное) магнитное поле Солнца и его 11- и 22-летние циклы) протекают без особенностей.
Выводы . Основной целью данной работы является информирование ведущих специалистов в области астрофизики и других читателей, о выдвинутой автором модели генерации и непрерывного инверсионно-циклического развития магнитных полей Солнца, претендующей на научное открытие. Эта точка зрения опирается на фундаментальных законах электродинамики и, по мнению автора, основывается на новом явлении (эффекте) – генерации собственного магнитного поля проводящих тел, вращающихся вокруг собственной оси во внешнем или собственном (затравочном) магнитном поле, вследствие разделения зарядов под действием сил Лоренца . Это явление проливает свет на многие факты магнетизма Солнца, как инверсии МПС, образования пятен и диаграммы «бабочек», активные долготы и т.п., доселе считающиеся загадочными. Эта точка зрения является универсальной для описания магнетизма планет и звезд.
Магнитные поля Солнца и Звёзд
Магн. поля присутствуют, по-видимому, на всех звёздах. Впервые магн. поле было обнаружено на ближайшей к нам звезде - Солнце - в 1908 г. амер. астрономом Дж. Хейлом, измерившим зеемановское расщепление спектр. линий в солнечных пятнах (см. ). Согласно совр. измерениям, макс. напряжённость магн. поля пятен 4000 Э. Поле в пятнах есть проявление общего азимутального магн. поля Солнца, силовые линии к-рого имеют различное направление в Северном и Южном полушариях Солнца (рис. 1). В 1953 г. амер. астроном X.У. Бэбкок открыл значительно более слабую дипольную составляющую солнечного магн. поля (~1 Э) с магн. моментом, ориентированным вдоль оси вращения Солнца (рис. 2). В 70-х гг. 20 в. удалось обнаружить примерно такую же слабую по напряжённости неосесимметричную крупномасштабную составляющую солнечного магн. поля. Она оказалась связанной с межпланетным магн. полем, имеющим различные направления радиальных составляющих в разных пространств. секторах (см. ), что соответствует на Солнце квадруполю, ось к-рого лежит в плоскости солнечного экватора (рис. 3). Наблюдалась также и двухсекторная структура, соответствующая диполю. В целом крупномасштабное магн. поле Солнца выглядит достаточно сложным. Ещё более сложная структура поля обнаружена в малых масштабах. Наблюдения указывают на Существование мелкомасштабных иглоподобных полей с напряженностью до 2000 Э. Мелкомасштабные магн. поля связаны также с конвективными ячейками (см. , ), наблюдаемыми на поверхности Солнца. Магн. поле Солнца не остается неизменным. Осесимметричное крупномасштабное поле квазипериодически изменяется с периодом прибл. 22 года (). При этом каждые 11 лет происходят обращение дипольной составляющей и смена направления азимутального поля. Неосесимметричная секторная составляющая поля изменяется прибл. с периодом обращения Солнца вокруг своей оси. Мелкомасштабные магн. поля изменяются нерегулярно, хаотически.Магн. поле несущественно для равновесия Солнца; равновесное состояние определяется балансом сил тяготения и градиента давления. Зато все проявления солнечной активности связаны с магн. полями ( , ). Магн. поле играет определяющую роль в создании и в нагреве (до миллионов градусов) . Наблюдения, выполненные на космич. станции "Скайлэб" (США, 1973-1974 гг.), показали, что высвечиваемая в УФ- и рентг. диапазонах энергия выделяется в многочисл. локализованных областях, отождествляемых с петлями магн. поля. С другой стороны, области, в к-рых излучение значительно ослаблено (), отождествляются с открытыми во внеш. пространство конфигурациями магн. силовых линий. Считается, что в этих областях берут начало быстрые потоки .
Все звезды, кроме Солнца, столь удалены от нас, что воспринимаются как точечные объекты. Поэтому непосредств. наблюдения далёких звёзд позволяют определить напряжённость магн. поля, усреднённую по поверхности звезды, и мало что говорят о конфигурации (геометрии) поля. Относительно малое количество света, принимаемого от удалённых звёзд, позволяет регистрировать с помощью эффекта Зеемана только достаточно сильные магн. поля. Таким способом удалось обнаружить особую группу звёзд с сильными (до Э) полями - . Количество звёзд, у к-рых магн. поле зарегистрировано прямым зеемановским методом, невелико (неск. сотен).Существование магн. полей у др. звёзд удаётся доказать непрямыми методами. У звёзд главной последовательности обнаружены хромосферы. У более чем десяти таких звёзд удалось проследить звёздный цикл (аналогичный солнечному циклу), наблюдая изменения интенсивности хромосферных линий Са. Открыты и изучены звёзды (типа BY Draconis), поверхность к-рых покрывается пятнами на 20-30%. У Солнца пятна покрывают не более 2% поверхности. Рентгеновские наблюдения, выполненные со станции НЕАО-2 (1980 г., США), позволили обнаружить горячие короны у большого количества звёзд различных спектральных классов, от самых горячих 0- и В-звёзд до холодных карликов классов К, М. Поскольку на Солнце все подобные явления связаны с наличием магн. поля, эти факты можно рассматривать как свидетельство присутствия магн. полей на др. звёздах. Напряжённость и геометрию полей, разумеется, можно оценивать лишь косвенно. Впрочем, известна звезда Воо (G 8), у к-рой наряду с перечисленными выше косвенными свидетельствами поле ( Э) зарегистрировано и прямо по эффекту Зеемана. Это убеждает в правильности общего вывода о магнетизме звёзд.
Очень сильные магн. ноля имеются у ряда звёзд, находящихся в заключит. стадии эволюции. У нек-рых , как показывают наблюдения круговой поляризации их непрерывного излучения, напряжённость поля достигает 10 6 -10 8 Э. Ещё более сильные магн. поля связаны с быстровращающимися нейтронными звёздами - . Источником энергии пульсара служит вращение нейтронной звезды. Магн. поле явл. передаточным звеном, трансформирующим энергию вращения звезды в энергию частиц и излучения. Согласно оценкам, для объяснения наблюдаемых эффектов напряжённость поля на поверхности звезды должна достигать ~ 10 12 Э.
Очень сильные магн. поля удалось обнаружить также у нейтронных звёзд, входящих в
состав двойных звёздных систем. Примером может служить нейтронная звезда, проявляющаяся
в
виде в двойной
системе. Ионизованный газ с норм. звезды падает па нейтронную звезду. Магн. поле
нейтронной
звезды тормозит газ вблизи поверхности, на к-рой сравниваются газовое и магн. давления,
и направляет его в область магн. полюсов звезды, где газ излучает. Наблюдениям удовлетворяют
модели с сильным (10 10 -10 13 Э)
полем. В зависимости от величины магн. поля, потока газа и параметров системы, исходящее
рентг. излучение приобретает определённую направленность и поляризацию. Исследование
диаграммы направленности и поляризации позволят сделать выводы о величине и геометрии
магн. поля звезды. Для прямого исследования этих полей используют спектр. линии (гиролинии),
обусловленные излучением электронов в магн. поле (см. ). Гиролиния обнаружена, напр., в рентг. спектре
пульсара Her X-1 [магн. поле Э]. Интерпретация гиролинии
в спектрах источников , позволила
доказать, что источниками всплесков явл. нейтронные звёзды с напряжённостью магн.
поля 
Э.
Как показал В.Л. Гинзбург, незаряженная не должна обладать магн. полем. При коллапсе звезды её магн. дипольный момент и моменты более высокого порядка асимптотически исчезают. Однако магн. поля, по-видимому, играют существенную роль в процессах, происходящих в окрестностях чёрных дыр. В частности, согласно существующим теориям, в двойных звёздных системах, одним из компонентов к-рых явл. чёрная дыра, с помощью магн. поля может осуществляться перенос углового момента газа, падающего на чёрную дыру, и тем самым формирование диска, излучающего в рентг. диапазоне.
Звёзды образуются из межзвёздного газа, пронизанного магн. полем. Простейшее решение проблемы (эволюц. подход), заключающееся в том, что наблюдаемые поля звёзд представляют собой продукт сжатия исходного поля, оказывается недостаточным. Адиабатич. сжатие газа, не сопровождающееся потерей , привело бы к слишком сильным полям, поскольку ср. плотность обычной звезды типа Солнца больше плотности межзвездной среды прибл. в 10 24 раз. Коэфф. адиабатич. усиления поля при этом равен 10 16 , т.е. межзвёздное поле ~ 10 -6 Э превратилось бы в поле с напряжённостью 10 10 Э, что противоречит наблюдениям. Эволюц. подход к происхождению магн. поля, по-видимому, справедлив лишь для нек-рых типов звёзд (магн. звёзд, пульсаров, возможно, для белых карликов). У большинства звёзд поле исчезает и восстанавливается за времена, короткие по сравнению с характерными временами . Такие быстрые изменения невозможно объяснить омической диссипацией (джоулевым затуханием, см. ) или эволюц. изменениями. Они происходят в результате преобразования магн. полей под действием движений хорошо проводящего вещества звёзд. Наиболее эффективно поле изменяют неоднородное вращение и конвективные движения (см.
Магнитное поле есть, по – видимому, у всех звезд. На Солнце оно обнаружено в 1908г Дж. Хейлом (США) по зеемановскому расщеплению фраунгоферовых линий в солнечных пятнах. По современным представлениям оно ≈ 4000 Э (напряженность), или 0,4 Тл (магнитная индукция). Поле в пятнах есть проявление общего азимутального поля Солнца, силовые линии которого имеют различное направление в северном и южном полушарии.
Рисунок 56.Дипольная осесимметричная составляющая крупномасштабного магнитного поля Солнца. Наиболее
выражена у полюсов.
Слабую дипольную составляющую магнитного поля обнаружил в 1953г Бэбкок (США) (≈1Э или 10ˉ 4 Тл)
В 70 –х годах 20 века обнаружена такая же слабая неосесимметричная крупномасштабная составляющая магнитного поля. Она оказалась связанной с межпланетным магнитным полем, имеющим различные направления в радиальных составляющих в разных пространственных секторах. Это соответствует квадруполю, ось которого лежит в плоскости солнечного экватора. Наблюдаются и двухсекторная структура, соответствующая магнитному диполю.
В целом крупномасштабное поле Солнца сложно. Еще сложнее структура поля, обнаруженного в мягких масштабах. Наблюдения указывают на существование мелкомасштабных иглоподобных полей напряженностью до 2*10 3 Э (индукция 0,2 Тл). Магнитное поле Солнца изменяется. Осесимметричное крупномасштабное поле изменяется с периодом ≈ 22 года. Каждые 11 лет происходит обращение дипольной составляющей и смена направления азимутального поля.
Неосеммитричная составляющая, (секторная) изменяется приблизительно с периодом вращения Солнца вокруг своей оси. Мелкомасштабные поля изменяются нерегулярно, хаотично.
Магнитное поле несущественно для равновесия Солнца. Равновесное состояние определяет баланс сил тяготения и градиента давления. Но все проявления солнечной активности (пятна, вспышки, протуберанцы и др.) связаны с магнитными полями. Магнитное поле играет определяющую роль в создании солнечной хромосферы и в нагреве до миллиона градусов солнечной короны. Высвечиваемая в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах энергия выделяется в многочисленных локализованных областях, отождествляемых с петлями магнитного поля. Области, в которых излучение ослаблено (корональные дыры) отождествляются с открытыми во внешнее пространство конфигурациями магнитных силовых линий. Считается, что в этих областях берут начало потоки солнечного ветра.
Модель внутреннего строения Солнца. Источники солнечной энергии.
Рисунок 57. Схема строения солнца.
Внешние слои Солнца (атмосферы) непосредственно доступны наблюдениям. Поэтому теоретические модели их строения проверены. Модели внутреннего строения в основном теоретические. Они получены на экстраполяции физических условий, на поверхности и характеристиках: размеры, масса, светимость, вращение, химический состав.
По геологическим данным возраст Солнца около 5 млрд лет. Последние 3 млрд лет светимость его мало изменилась. За эти 3 млрд. лет Солнце излучило 3,6*10 44 Дж, то есть каждый килограмм массы Солнца выделил ~1,8*10 13 Дж энергии. Такое количество энергии, как показали расчеты, не могут обеспечить химические процессы и гравитация. (гравитационная энергия Солнца = 4*10 41 Дж).
Единственным возможным, посовременным представлением, источником энергии может быть ядерная энергия. Если на Солнце идут ядерные реакции и вначале все вещество – водород, то при современной светимости Солнца ядерной энергии хватило бы на 170 млрд. лет. Для протекания ядерных реакций нужна температура порядка десяти млн. градусов. Следовательно, из высокой светимости следует высокая температура внутри Солнца. По наблюдениям в фотосфере температура с глубиной растет с градиентом 20 К на 1 км. Это дает в центре ~1,4*10 6 К. Температуру можно оценить по условию гидростатического равновесия, считая солнечное вещество идеальным газом: газовое давление уравновешивают силы тяготения. Получается ≈ 14*10 6 К в центре, что в 3 раза выше средней.
Наиболее существенной в недрах Солнца является протон – протонная реакция . Она начинается с крайне редкого события – β – распада одного из двух протонов в момент особенно тесного их сближения (14 * 10 9 лет).
При β – распаде протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Объединяясь со вторым протоном, нейтрон дает ядро тяжелого водорода – дейтерия. Для каждой пары протонов процесс, в среднем осуществляется за 14 миллиардов лет, что и определяет медленность термоядерных реакций на Солнце и общую протяженность его эволюции. Дальнейшие ядерные превращения протекают значительно быстрее. Возможны несколько вариантов, из которых чаще всего должны происходить столкновения дейтерия с третьим протоном и образование ядер изотопа гелия которые, объединяясь и испуская два протона, дают ядро обычного гелия.
Другая реакция в условиях Солнца играет значительно меньшую роль. В конечном счете, она также приводит к образованию ядра гелия из четырех протонов. Процесс сложнее и может протекать только при наличии углерода, ядра которого вступают в реакцию на первых ее этапах и выделяются на последних. Таким образом, углерод является катализатором, почему и вся реакция носит название углеродного цикла.
При термоядерных реакциях в недрах Солнца выделяется в виде жестких гамма-квантов. При движении к поверхности они многократно переизлучаются, дробятся на кванты меньшей энергии. Процесс занимает миллионы лет. Из одного γ – кванта образуется несколько миллионов квантов видимого света, которые и покидают поверхность Солнца.
При термоядерных реакциях выделятся нейтрино. Из –за ничтожно малой массы и отсутствия электрического заряда нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Почти свободно проходит Солнце и со скоростью света вылетает в межпланетное пространство. Его регистрация сложна, но нейтрино может жать важную информацию о внутреннем строении и условиях внутри Солнца и звезд.
Рисунок 58. Схематический разрез Солнца и его
Л. ШИРШОВ, научный сотрудник Института физики высоких энергий.
Солнечный ветер (поток за- ряженных частиц) обтекает Землю и взаимодействует с ее магнитным полем, порож- дая ударную волну на рассто- янии десяти земных радиусов от планеты.
Структура магнитного поля Солнца в плоскости эклиптики. Поле разбито на несколько секторов, в которых направлено либо к светилу, либо от него.
Распределение магнитного поля Солнца в космическом пространстве. Поле охватывает всю Солнечную систему гигантским «пузырем»; его граница именуется гелиопаузой. Из-за вращения Солнца магнитное поле принимает форму спирали Архимеда. Эту кривую описывает точ
Солнечный ветер (поток заряженных частиц) обтекает Землю и взаимодействует с ее магнитным полем, порождая ударную волну на расстоянии десяти земных радиусов от планеты.
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.
Такое событие - явление далеко не уникальное. Полный 22-летний магнитный цикл связан с 11-летним циклом солнечной активности, и переворот полюсов происходит во время прохождения его максимума. Магнитные полюса Солнца останутся теперь на новых местах до следующего перехода, который случается с регулярностью часового механизма. Загадочны причины и реверса, и самой цикличности солнечной активности. Геомагнитное поле также неоднократно изменяло свое направление, но последний раз такое случилось 740 тысяч лет назад. Некоторые исследователи полагают, что наша планета уже просрочила момент переворота магнитных полюсов, но никто не может точно предсказать, когда теперь он произойдет.
Хотя магнитные поля Солнца и Земли ведут себя по-разному, имеют они и общие черты. В течение минимума солнечной активности магнитное поле светила, как и геомагнитное поле нашей планеты, направлено вдоль меридиана, его силовые линии концентрируются у полюсов и разрежены в области экватора. Такое поле называется дипольным - в названии отражается наличие двух полюсов. Напряженность магнитного поля Солнца составляет около 50 гаусс, а магнитное поле Земли слабее его в 100 раз.
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.
В модели "солнечного динамо" (http://science.msfc.nasa.gov/ssl/pad/solar/dynamo.htm) предполагается, что наше светило работает как генератор постоянного тока, действующего преимущественно в зоне конвекции. Магнитные поля создаются электрическими токами, которые возникают при движении потоков горячих ионизированных газов. Мы наблюдаем ряд потоков относительно поверхности Солнца, и все они могут создавать магнитные поля высокой интенсивности. Меридианальное течение на поверхности Солнца выносит от экватора к полюсам большие массы (75% массы Солнца составляет водород, около 25% - гелий, а на долю других элементов приходится менее 0,1%). На полюсах эти потоки уходят внутрь светила и образуют внутренний встречный противоток вещества. За счет такой циркуляции заряженной плазмы и работает солнечный магнитный генератор постоянного тока. На поверхности Солнца скорость движения потока вдоль меридиана составляет около 20 метров в секунду. В глубине Солнца плотность материи намного выше, и поэтому скорость обратного противотока снижается до 1-2 метров в секунду. Этот медленный поток несет материал от полюсов к экватору приблизительно двадцать лет.
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 .
Продолжающиеся изменения не ограничены областью космоса вблизи нашей звезды. Магнитное поле Солнца ограничивает нашу Солнечную систему гигантским "пузырем", образующим так называемую гелиосферу. Она простирается от 50 до 100 астрономических единиц (1 а.е. = 149 597 871 км, среднему расстоянию от Земли до Солнца) далее орбиты Плутона. Все, что находится внутри этой сферы, считается Солнечной системой, а далее - межзвездное пространство.
"Сигнал о переполюсовке магнитного поля Солнца передается через гелиосферу солнечным ветром, - объясняет Стив Суесс (Steve Suess), другой астрофизик из Центра космических полетов имени Маршалла. - Требуется около года, чтобы эта весть дошла от Солнца до внешних границ гелиосферы. Поскольку Солнце вращается, совершая один оборот каждые 27 дней, магнитные поля за пределами светила имеют форму спирали Архимеда. Их сложная форма не позволяет заранее оценить в деталях влияние реверса магнитного поля на поведение гелиосферы".
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.
