Магнитное поле (МП) Солнца имеет сложную меняющуюся во времени конфигурацию. Дипольная составляющая ориентирована вдоль оси вращения и меняет полярность через каждые 11 лет с периодом 22 года. Кроме дипольного МП имеются выходы локальных магнитных полей в приэкваторной области, меняющие полярность синхронно с основным полем.
Рисунок статистики пятен (бабочка Маундера) имеет симметричный вид. Механизм МП должен быть одинаков для обеих полярностей, быть простым и энергетически обоснованным.
Масштабное МП можно создать только масштабными плазменными токами внутри Солнца. А масштабные токи постоянного направления в течении 11 лет вызовут накопление электрического заряда одного знака масштабного объема, сравнимого с половиной Солнца.
Поэтому вырисовывается следующий механизм генерации МП Солнца. Он аналогичен работе транзисторного мультивибратора, широко применявшего в радиоэлектронике. Осциллограмма напряжения в плече мультивибратора такая же, как предыдущая диаграмма полярности МП.
В мультивибраторе накопление электрических зарядов каждого плеча происходит поочередно в емкостях двух конденсаторов. Инверсия состояния мультивибратора происходит при превышении порогового напряжения на накопительном конденсаторе, после которого за счет положительной обратной связи состояние мультивибратора лавинообразно переключается.
В Солнце накопление электрических зарядов происходит во внутренних полярных областях: заряды одной полярности скапливаются в конденсаторе северного полушария, другой – южного. Через 11 лет полярность зарядов в конденсаторах меняется.
Отличие радиоэлектронного мультивибратора в том, что в нем заряды накапливаются одной полярности (из-за применения схемы с однополярным питанием) по очереди в двух конденсаторах. В солнечном мультивибраторе накопление разнополярных зарядов происходит в северном и южном конденсаторах одновременно. Изменение величины дипольного МП Солнца происходит не резко (как напряжение в транзисторном мультивибраторе), а в течении нескольких лет, по мере распространением токов плазмы внутри Солнца.
Каков механизм генерации тока и создаваемого им магнитного поля?
Представим однородную частично ионизированную плазму. Случайные магнитные поля в ней генерируются тепловым движением местных флуктуаций заряда в пределах дебаевского радиуса. Макро-конфигурации МП возможны только под воздействием внешних факторов. Например, направленной струи вещества плазмы.
Организуем поток вещества плазмы в форме струи круглого сечения длиной много большей диаметра струи и одновременно обеспечим вращение вещества струи вокруг своей оси. Вращение заряженных частиц одинаковой полярности (например, положительной) создаст продольное МП, аналогичное МП соленоида (рис.1). Направление вектора магнитной индукции B этого соленоида определяется «правилом буравчика» (рис.2).
Направление силы, действующей со стороны МП на движущую заряженную частицу (положительной полярности), определяется по правилу «левой руки» (рис.3). Для вращающихся и находящихся внутри соленоида частиц, она направлена от центра струи. Для находящихся снаружи соленоида частиц сила направлена к центру струи. В результате, частицы данной положительной полярности сконцентрируются в стенке соленоида. Частицы противоположной полярности будут отторгаться далеко от струи. Поэтому снаружи струи газ будет обеднен от носителей заряда, т.е. будет непроводящим. Все эти процессы приведут к тому, чтобы возникший соленоид максимально усилился и сохранялся.
Кулоновское поле внутри струи и слабое круговое МП (рис.4) практически не влияют на формирование основного МП соленоида и нами не учитываются.
Но есть глобальные факторы, которые будут ограничивать длительность существования такого соленоида. Заряды положительной полярности будут переноситься и накапливаться перед головной частью соленоида, заряды отрицательной полярности будут оставаться и накапливаться вблизи начала соленоида. Электрическое поле этих зарядовых облаков будет препятствовать движению зарядов соленоида, разрушать механизм соленоида и приведет к затуханию МП.
Постараемся исправить эту проблему. Внутри среды плазмы (в центре Солнца) разместим металлическое (проводящее) ядро с двумя диаметрально расположенными отверстиями. Вращение плазмы и ядра вокруг оси, проходящей через эти отверстия, обеспечивается вращением всего Солнца. Организуем две струи вещества плазмы, истекающие через отверстия под давлением в противоположных направлениях. В этом случае возможно стабильное длительное состояние, когда прямо на поверхности металлического ядра заряды разделяются. В одном направлении от ядра истекают положительные заряды, в другом – отрицательные, и в ядре не возникает накопления зарядов одной полярности. Индукция B МП образованных таким способом двух соленоидов направлена в одну сторону и суммируется, общий магнитный поток кратно усиливается. Полярные объемные области в теле Солнца на внешних концах струй будут играть роль накопительных емкостей для зарядов. Смена полярности потоков плазмы из ядра в северном и южном направлениях будет происходить автоматически после накопления больших объемных зарядов полярными конденсаторами, электрические поля которых полностью пересилят действие МП соленоидов по вытягиванию из ядра зарядов нужной для соленоида полярности.
В реальности количество струй и соленоидов, генерируемых ядром Солнца, составляет многие тысячи. Область каждой струи на поверхности Солнца можно приблизительно определить: либо по структурам супергрануляции в видимом свете, либо по магнитной сетке на основе эффекта Зеемана, либо по хромосферной сетке в линиях кальция.
Весь 22-летний цикл МП Солнца можно разделить на 8 фаз.
Соленоиды полярных областей не в состоянии достичь поверхности, потому что еще на глубине разрушаются либо в результате рекомбинации зарядов соленоида с зарядами противоположного знака полярных конденсаторов, либо в результате отталкивания одноименных зарядов тех же конденсаторов.
Струи, распространяющиеся в теле Солнца вблизи экватора, имеют вектор угловой скорости почти перпендикулярный направлению струи. Поэтому МП соленоидов приэкваторной области изначально слабое и недостаточное для вытягивания из ядра зарядов нужной полярности. Такие соленоиды малостабильны, могут дробиться или исчезать. Основной источник зарядов для них – миграция зарядов в теле Солнца. Заряды перетекают между струями под действием объемных электрических полей, образуя новые соленоиды ближе или дальше от экватора. Часть зарядов может исчезать, рекомбинируя с зарядами другой полярности, местными или мигрирующими через экватор. Заряды другой полярности могут захватываться струями и организовываться в соленоиды с противоположным направлением МП. Часто разнополярные струи-соленоиды организуют относительно стабильные пары. В общем, картина на поверхности (пятна, выбросы плазмы) сложная и не совсем регулярная.
Но даже вблизи экватора существует механизм усиления МП соленоидов. Соленоиды в теле Солнца существуют не в виде трубок плазменного тока в стенках струй (рис.5). Плазменные токи в стенках струй (трубках) в реальности структурируются именно в витки соленоида, соединенные последовательно (рис.6 и 7). Стабильность витковой структуры каждого соленоида обеспечивается межвитковым электростатическим отталкиванием (диаметр витков порядка 10 тыс км и между витками набегает значительное падение электрического напряжения), магнитным взаимным притягиванием соседним витков и кинетикой частиц плазмы.
Вблизи экватора, где угол между осью вращения Солнца и осью струи близок к 90°, ток в витках будет усиливаться за счет поступательной энергии струи вдоль ее оси. Кинетические силы (через столкновения) в комплексе с магнитными силами, будут принуждать носители заряда двигаться в витках с угловой скоростью, намного превышающий проекцию угловой скорости Солнца на ось струи, и создавать большой магнитный поток. Такое усиление плазменных токов работает во всех областях Солнца, в т.ч. и полярных.
Вблизи экватора соленоид может дожить до поверхности только в паре с другим соленоидом, имеющим противоположную полярность носителей заряда. В этом случае впереди пары не будет накапливаться зарядовых облаков, тормозящих и разрушающих соленоиды. Противоположные заряды облаков будут автоматически рекомбинировать друг с другом и исчезать.
В теле Солнца такая пара соленоидов будет держаться на близком расстоянии за счет кулоновских сил притяжения. При приближении к поверхности Солнца эти пары будут расширяться в диаметре из-за уменьшающей плотности плазмы. Токовые витки плазмы соленоидов могут выходить в хромосферу. При удачной фазе эти витки двух разнополярных соленоидов могут встретиться на высоте нескольких тыс км (рис.8). В этом случае, вся магнитная энергия пары гигантских соленоидов в короткий срок освободится в небольшом объеме плазмы со всеми сопутствующими излучениями – это так называемые Солнечные вспышки (взрывы), самые мощные феномены атмосферы Солнца (рис.10). Непосредственно перед вспышкой часто можно наблюдать одно или двух ленточные структуры вдоль нейтральной линии (рис.9 и 11). Вспышки обычно происходят в активной области, как вблизи пятен, так и вне пятен.
В других случаях происходят процессы более спокойной и длительной разрядки магнитной энергии соленоидов. Это волокна-протуберанцы, корональные петли, стримеры и другие плазменные структуры, которые наблюдаются в хромосфере и короне Солнца.
Гранулы фотосферы – это всплывающие пузыри водорода в оболочке кальция, наподобие «пены» на поверхности кипящего внутрисолнечного «бульона». Струи сгенерированного в центре Солнца водорода, при превышении интенсивности их потока определенного порога, начинают сдувать гранулы, освобождая голые участки поверхности – так называемые солнечные пятна. В пользу этого говорит эффект Эвершеда (видимое движение газов радиально из центра пятен) и наклон волокон.
Генерацию нового вещества в центре Солнца обеспечивает механизм гравитации – поток извне гратонов и их взаимодействие с веществом ядра. В центре Солнца находится металлическое ядро, в котором при высоких температуре и давлении происходит непрерывный генезис водорода. Избыточное давление выталкивает этот водород во внешние слои Солнца по различным направлениям. Так образуются движущие поступательно струи вещества.
Показанный качественно механизм обеспечивает генерацию магнитного поля звезд и планет. Генерация МП Земли имеет свои особенности. Это большая длительность периодов между инверсиями (млн лет) и большой разброс этой длительности. Причина – большие вязкость и неоднородность мантии, наличие коры с разными физическими свойствами. Результаты исследования палеомагнитологов показывают, что частота инверсий МП Земли постепенно увеличивается, что подтверждает теорию роста Земли и разбавление ее состава легкими фракциями (водород, вода, углеводороды).
Ссылки
1. Эдвард Гибсон, «Спокойное Солнце», Мир, 1977.
1. Витинский Ю.И., «Солнечная Активность», Наука, 1983.
2. Филипов Б.П., «Эруптивные процессы на Солнце», ФИЗМАТЛИТ, 2007.
3. Мирошниченко Л.И., «Физика Солнца и солнечно-земных связей», МГУ, 2011.
4. Веселовский И.С., Статьи, НИИ ядерной физики МГУ.
5. Кононович Э.В., «Солнце – дневная звезда», 1982.
6. Попов С.Б., Лекция «Солнце», ГАИШ МГУ, 2018.
7. Якунина Г.В., Лекция «Физические процессы на Солнце», ГАИШ МГУ, 2014.
8. Наговицын Ю.А., Лекция «Что мы знаем и не знаем о Солнце», ГАО РАН.
01.11.2021
