Солнечные пятна: происхождение, развитие и назначение

Введение

Со времен открытия солнечных пятен многие ученые мира задумывались над следующими вопросами:

• какова причина возникновения солнечных пятен
• какие условия образования солнечных пятен и их природа
• могут ли солнечные пятна изменяться
• являются ли солнечные пятна причиной солнечных вспышек
• является ли накопление положительного заряда в атмосфере Солнца основной причиной солнечной активности.

Начнём с того, что удалось выяснить ученым за время наблюдения за Солнечными пятнами?

Солнечные пятна, происхождение, развитие и назначение

Солнечные пятна – темные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500К по сравнению с окружающими участками фотосферы. Темные пятна образуются в результате нарушений теплообмена плазмы внутри пятна с окружающей атмосферой Солнца понижение температуры в пятне объясняется влиянием магнитного поля. Магнитное поле особенно если оно сильное, тормози движение вещества, происходящие поперек силовых линий. По этому конвективной зоне под пятном ослабляется циркуляция газов, которая переносит из глубины наружу существенную часть энергии. В результате температура пятна оказывается меньше чем в не возмущенной фотосфере [2]. Известно, что Солнечные пятна не возникают в области полюсов и экваторов нашей звезды. Так же известно, что на поверхности фотосферы пятна располагаются чаще всего группами от 2 до 50 и более. Количество пятен изменяется постоянно и, в среднем, с одиннадцатилетней периодичностью их максимумов и минимумов. Продолжительность цикла активности от одного минимума до другого не постоянна и изменяется в диапазоне от 7 до 17 лет. В течение одного цикла меняется количество пятен и их местоположение на различных географических широтах.

За время своего существования размеры пятен постепенно увеличиваются, а в конце «жизни» – уменьшаются до полного исчезновения. Чем крупнее пятно, тем дольше оно «живёт».

Своеобразное развитие активной области во времени. С усилением магнитного поля в фотосфере Солнца возникает факел, постепенно увеличивающий свою площадь и яркость. Примерно через сутки в нем возникает несколько темных точек – пор, развивающихся затем в солнечные пятна .10-11 сутки жизни характеризуются наиболее бурными процессами в хромосфере и короне Солнца [1].

Отдельное солнечное пятно появляется из крошечной поры, едва отличающейся от темных промежутков между гранулами. Через день пора развивается в круглое темное пятно с резкой границей, диаметр которой постепенно увеличивается вплоть до размеров нескольких десятков тысяч километров. Это явление сопровождается плавным увеличением напряженности магнитного поля, которое в центре крупных пятен достигает нескольких тысяч эрстед [2].

Известный астрофизик М.А. Лившиц в статье “Солнце” [1] разместил схему напряженности магнитных полей внутри солнечного темного пятна (рис. 1) полученную А.Б. Северным. Полученная схема (рис. 1) совпадает с схемой распределения напряженности магнитных полей круговых токов (см. рис. 2). Можно предположить, что причиной образования магнитных полей темного пятна являются круговые токи, протекающие в атмосфере Солнца. На рисунке 3 изображена примерная схема протекания электрических токов в области темного пятна.

Рис. 1. Магнитное поле солнечного пятна (по А. Б. Северному). Величина и направление вектора напряжённости поля показаны отрезками прямых линий. На периферии пятна силовые линии пола наклонены сильнее, чем в его центре

Рис. 2. Схема распределения магнитных полей кругового тока: B – силовые линии магнитного поля; C – вектора напряженности магнитного поля

Рис. 3. Схема протекания токов в области темного солнечного пятна: а – круговой электрический ток вокруг темного солнечного пятна; б – силовые магнитные линии, образованные круговым током; в – потоки эмиссионных электронов, выходящие из темного пятна вдоль магнитных силовых линий кругового тока

Круговой электрический ток в атмосфере Солнца можно получить в результате вихревого вращения заряженной плазмы атмосферы Солнца. Атмосферные вихри в атмосфере Солнца периодически возникают, так же как и на других газовых планетах, в том числе и Земле. На рисунке 4 и 5 показаны вихри в форме тайфунов на Земле в качестве сравнения и отдельно темное Солнечное пятно.

Рис. 4. Разорив Микронезию несколько дней назад, супертайфун «Майсак» усилился и направляется в сторону Филиппин. На этой неделе циклон, достигший устойчивой скорости ветра 257 км/ч, отнесли к 5 категории. Максимальная устойчивая скорость ветра достигает 240 км/час

Рис. 5. Большое солнечное пятно (фото из Кань-Ю / Ритмы и циклы: мир и человек)

Рассматривая рисунки № 4 и №5, мы видим в них много общего. Тот и другой образованы вихревым движением атмосферы Солнца и Земли. Скорость вихревого движения атмосферы вблизи пятна многократно больше, чем на периферии, чем быстрее вихревое движение заряженной плазмы Солнца, тем больше круговой ток, тем сильнее образованными ими магнитные поля, которые препятствуют теплообмену в данной области. На периферии темного пятна скорость вихревого движения заряженной плазмы значительно меньше, следовательно, слабее круговые токи, слабее образованные ими магнитные поля. Которые не так сильно ослабляют теплообмен плазмы в данном месте с окружающей Солнечной атмосферой. Что объясняет появление полутени вокруг пятна. Солнечное темное пятно, так же, как и Земной тайфун, может перемещаться по поверхности атмосферы. Солнечные темные пятна образуются исключительно в зоне турбулентности Солнечной атмосферы. Наблюдения Витинского подтверждают это: “Группы солнечных пятен появляются не по всему диску Солнца, а только в так называемых “королевских зонах”, расположенных на расстоянии примерно до 400 по обе стороны солнечного экватора” [3] (в зонах турбулентности). Над темным Солнечным пятном возникает столб радиально движущихся электронов, вдоль магнитных силовых линий, образованных магнитным полем кругового тока, которые можно представить, как некий проводник с током. Он образует вокруг себя трубчатое магнитное поле подобно проводнику с током, магнитное поле потока электронов также затрудняет теплообмен области пятна с окружающей поверхностью атмосферы Солнца. Соседние Солнечные пятна, выбрасывая столбы радиально движущихся электронов притягиваются друг к другу подобно проводникам с током, образуя скопление темных пятен (рис. 6). В дальнейшем скопление уплотняется, образуя большое единое пятно эллипсовидной формы (рис. 7). Магнитные поля темного солнечного пятна, не только препятствуют теплообмену плазмы внутри пятна с окружающей атмосферой Солнца, но и удерживают положительно заряженную плазму внутри пятна, не давая положительному заряду равномерно распределиться по поверхности Солнца. С течением времени, в связи с непрерывным выходом потока электронов из области темного пятна, концентрация положительно заряженных ионов плазмы внутри пятна увеличивается. Радиальный поток электронов, покидающих поверхность пятна, увеличивает величину и плотность положительного заряда пятна. Слои положительно заряженных ионов внутри пятна усиливают радиальную скорость потока электронов и его мощность, одновременно увеличивая плотность положительного заряда внутри пятна на поверхности Солнца.

Внутри пятна накапливается положительно заряженная плазма, плотность положительного заряда которой становится намного больше, чем в окружающей поверхности Солнца. И эта плотность постепенно нарастает, достигая критических значений.

Рис. 6. Группа пятен на Солнце, сфотографированная в видимом свете. Снимок сделан космическим аппаратом Hinode 13 декабря 2006 года

Критическая плотность заряда внутри Солнечного пятна позволяет положительно заряженным ионам плазмы преодолеть силы гравитационного притяжения со стороны Солнца и за счет сил отталкивания преодолеть силы Солнечного притяжения и вырваться в околосолнечное пространство (рис. 8). Этот процесс происходит в виде взрыва с большим выделением электромагнитной энергии – обычно этот процесс, происходящий в виде взрыва, с большим выделением электромагнитной энергии называют “Солнечной вспышкой” (рис. 8). Таким образом, темные пятна выбрасывают заряженную плазму в окружающие пространство, уменьшая избыточный положительный заряд атмосферы Солнца. После уменьшения избыточного положительного заряда атмосферы Солнца, темные пятна распадаются из-за отсутствия необходимой концентрации положительного заряда в атмосфере Солнца.

Рис. 7. Пятно на Солнце удалось сделать 24 августа в Калифорнийской обсерватории. Этот снимок сделал Алан Фридман прямо в городке Буфалло, штат Нью-Йорк. Полученные снимки были черно-белыми, изображение получило цвет после специальной ретуши

Рис. 8. На рисунке изображен выброс сгустка положительно заряженной плазмы в околосолнечное пространство

На рисунке 7 изображено развитое Солнечное пятно. Отдельные “волоски”, которые мы наблюдаем вблизи поверхности темного пятна, это струи заряженной плазмы, которая поднимается из более низких слоев вдоль, силовых линий магнитного поля, образованного кольцевыми токами вокруг пятна. Солнце накапливает избыточный положительный заряд в своей атмосфере в результате мощного эмиссионного излучения электронов и отрицательных ионов в околосолнечное пространство (солнечный ветер). В соответствие с законом сохранения электрического заряда, общий отрицательных заряд электронов и отрицательных ионов, покинувших Солнце, равен положительному избыточному заряду, оставшемуся в атмосфере Солнца. Солнечная вспышка уменьшает избыточный положительный заряд атмосферы Солнца, выбрасывая в околосолнечное пространство положительно заряженную плазму. Таким образом, образуется цикл накопления и сброса атмосферой Солнца избыточного положительного заряда. Циклические процессы увеличения и сброса избыточного положительного заряда, Солнечная активность, вспышки на Солнце, тесно связаны между собой и имеют одинаковые циклы. Но главную определяющею роль играет процесс накопления и сброса атмосферой Солнца избыточного положительного заряда. Именно он определяет длительность цикла Солнечной активности.

Одиннадцать лет – это время, в течение которого атмосфера Солнца накапливает и сбрасывает избыточный положительный заряд.

Заключение

Темное пятно в атмосфере Солнца образуется вследствие вихревого, кругового движения заряженной плазмы в данном месте.

Темные пятна могут перемещаться по поверхности Солнца, взаимодействуя друг с другом, сливаться, образовывать скопления.

Темные пятна накапливают избыточный положительный заряд в атмосфере Солнца, вплоть до критических значений, при достижении которых происходит выброс заряженной плазмы в околосолнечное пространство (вспышка).

При уменьшении плотности избыточного заряда в атмосфере Солнца, в результате солнечных вспышек, темное пятно распадается на части и исчезает.

Основной причиной возникновения солнечных пятен является вихревое движение атмосферы и определенная концентрация избыточного положительного заряда в атмосфере Солнца.

Одиннадцатилетний цикл накопления и сброса избыточного положительного заряда атмосфере Солнца причина цикла Солнечной активности.