Чтение онлайн

Хотя солнечные пятна являются единственным признаком активности, наблюдаемым невооруженным глазом, солнечная активность — значительно более широкое понятие. Активная область на Солнце — чрезвычайно возмущенная зона, часто (хотя и не всегда) связанная с солнечными пятнами, — это область, где происходят многие явления активности: факелы, вспышки, протуберанцы и т.д. Единственное, что связывает все эти явления воедино, это интенсивное магнитное поле, достигающее нескольких тысяч гаусс. В действительности активные области, размеры которых составляют от 10 000 до 500 000 км, представляют собой наиболее поразительное свидетельство магнитной жизни Солнца.

Факелы — это области в фотосферных слоях, которые кажутся яркими на фотоснимках в белом свете и снимках, полученных через фильтр. Вблизи молодых и развитых активных областей факелы плотные и яркие. Гевелий в XVII столетии, по-видимому, был первым солнечным наблюдателем, который заметил факелы. Тесно связаны с факелами флоккульные области; они наблюдаются в хромосфере и сливаются с внутренней короной. Для активных областей могут быть построены карты распределения эмиссии в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Одной из наиболее важных задач орбитальных обсерваторий как раз и является получение снимков в ультрафиолетовом и рентгеновском излучении. В этих диапазонах изображение активной области расплывается и имеет менее четкую структуру, однако она все еще ограничена магнитным полем.

Бушующая хромосфера — это именно та область, в которой многие из эффектов солнечной активности проявляются наиболее резко. Эту область и неустойчивые слои над ней нелегко исследовать с поверхности Земли, поэтому столь важной задачей исследований на «Скайлэбе» и других спутниковых программ было изучение солнечной активности. Многие из событий наиболее хорошо исследованы в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах излучения потому, что их бурное развитие проявляется главным образом на этих длинах волн. Исследование солнечных пятен и больших активных областей было нетрудной задачей для «Скайлэба».

Транзиентные же и взрывные явления потребовали уже более тщательных наблюдений с космического корабля и наземных обсерваторий. Эти совместные наблюдения позволили получить значительно более ясную картину возмущений в хромосфере и короне.

По данным о солнечных пятнах и активных областях может быть построена модель активности, но мы подчеркиваем, что это именно модель, а не законченная теория. Фактически мы пытаемся объяснить механизм формирования «погоды» во внешних слоях Солнца таким же образом, каким метеорологи объясняют области пониженного и повышенного давления, фронты в атмосфере Земли. С точки зрения теории и прогноза метеорологи значительно опередили астрономов-солнечников. Это едва ли удивительно, так как понимание механизма формирования «погоды» на «космическом корабле» Земля для человечества гораздо важнее исследований Солнца.

Еще существеннее то, что солнечная «погода» связана с горячей плазмой — материей, которую трудно чем-либо удержать и которая течет вдоль силовых линий магнитного поля, что приводит к проблемам большой математической сложности. С другой стороны, недостаточность понимания нами активности не является серьезным ограничением в отношении исследования Солнца как звезды, так как даже наиболее сильные солнечные бури меняют выход энергии Солнца лишь на одну миллионную долю, а это не может изменить общей картины его эволюции.

В настоящее время широко принято, что солнечная активность своим происхождением обязана магнитному полю и что она возникает вследствие того, что Солнце не вращается как жесткое тело. Наблюдения показывают, что экваториальная зона постоянно опережает при своем вращении полярные области. Возможно, хотя не существует ни доказательств, ни отрицания этого утверждения, внутренние слои Солнца вращаются быстрее внешних. К чему это нас приводит?

Прежде всего, нам необходимо уяснить одну важную мысль, а именно ту, что солнечное вещество горячее, вследствие чего в нем существует много свободных электронов, образующихся в результате частичной ионизации атомов. Это происходит лишь при очень высокой температуре. Электроны образуют электрический ток; вещество же, содержащее свободные электроны, является хорошим проводником электричества, подобно железу и меди. (Свободные электроны существуют в холодных металлах благодаря тому, что атомы в металлах образуют кристаллическую решетку. Это приводит к разделению положительно заряженных атомов и свободных электронов.) Когда электрически заряженное вещество, имеющее высокую проводимость, пытается двигаться в направлении, противоположном направлению магнитного поля, обнаруживается, что сделать это оно не может. В том случае, если оно все же пытается перемещаться, поле создает электрические токи, которые текут таким образом, что возникающая вторичная магнитная сила противодействует движению. Если эти рассуждения смущают Вас, можно посмотреть на все и иначе: когда облако электронов перемещается относительно магнитного поля, они автоматически генерируют дополнительное магнитное поле, которое, вместо того чтобы ускорять движение, противодействует ему. Если бы это было не так, то сейчас весь транспорт и энергетика Земли обеспечивались бы машинами, работающими по принципу вечного двигателя.

Что же касается Солнца, то на Солнце магнитное поле захватывается горячим веществом или вмораживается в него. При своем движении солнечное вещество увлекает за собой столько магнитного поля, сколько сможет. Так как экватор при вращении опережает полюса, силовые линий магнитного поля растягиваются, но в отличие от спагетти линии поля при таком наматывании не обрываются; они скорее похожи на чрезвычайно эластичную резину. Как и у резины, чем больше они растягиваются, тем больше в них запас энергии. Для начала возьмем простую модель Солнца: чисто дипольное поле, как, например, у обычного стержневого магнита, с невозмущенными силовыми линиями, соединяющими полюса. Затем заставим его вращаться, причем вещество на экваторе пусть вращается быстрее, чем вещество на более высоких широтах. Через несколько десятков оборотов линии первоначального простого поля обмотаются несколько раз вокруг Солнца. Этот процесс продолжается и далее, и каждый раз, когда экватор совершает один оборот относительно полюса, магнитные тиски вокруг Солнца сжимаются сильнее, стягивая силовые линии все теснее и теснее. Более того, то, что когда-то было магнитным дипольным полем, постепенно превращается в сильное поле, по форме напоминающее пончик (или тороидальное поле). Силовые линии теснят друг друга. В конце концов какое-то из полей (дипольное или тороидальное) должно уступить.

Когда напряженность поля в какой-либо части внешних слоев достигает примерно 10 000 Гс (это приблизительно в 100 000 раз больше напряженности поля Земли), магнитное давление становится достаточно сильным для того, чтобы уравновесить силу солнечного притяжения. Теперь плазма закручивается и свивается в жгуты, запутывая силовые линии еще больше, благодаря перемешиванию внешних слоев за счет конвекции. Поле запутывается в виде беспорядочно переплетающихся жгутов или узлов. Местами оно прорывается через фотосферу, образуя области всплывающего потока, которые являются первой стадией образования солнечной активной области. Линии нового магнитного поля таким образом поднимаются на поверхность Солнца. Области, в которых они выходят на поверхность, имеют биполярную структуру в виде пары северного и южного магнитных полюсов. Впервые биполярная структура наблюдалась в солнечных пятнах в начале XX столетия. Эта стадия может сопровождаться яркой флоккульной областью. Примерно через день возникает и сама пара солнечных пятен, и оба пятна связывает арочная структура волокон, которая, по-видимому, очерчивает структуру магнитного поля. Эти арочные волокна могут достигать в длину 30 000 км и иметь высоту, равную 5 000 км, другими словами, могут быть много больше Земли.

Внутри области, занятой солнечными пятнами, магнитное поле в виде трубки выходит из одного пятна и, образуя арку, входит в другое. Эта картина естественным образом объясняет двойную полярность и также хорошо согласуется с наблюдениями арочных волокон. Наблюдения с космических аппаратов, особенно наблюдения активных областей, позволяют теперь проследить эту структуру и значительно выше фотосферы.

В конце 1960-х гг. Спенсер Р.Вирт детально исследовал возникновение новых активных областей на Солнце. Использование метода киносъемки, показывающего развитие активной области на Солнце в ускоренном темпе, позволило ретроспективно проследить развитие солнечного пятна вплоть до первых нескольких часов его появления. Одним из удивительных открытий было то, что всплывающая из-под солнечной поверхности арка магнитного поля первоначально образует произвольный угол по отношению к экватору. Однако через несколько часов под действием магнитного поля и за счет перестройки силовых линий всплывающая трубка разворачивается и занимает нужное положение. Таким образом обеспечивается параллельность пары солнечных пятен по отношению к экватору на Солнце. Тот факт, что ориентация трубок на более ранних стадиях почти случайна, предполагает, что магнитное поле под поверхностью может представлять собой хаотическое переплетение силовых линий.

Когда всплывает арка магнитного поля новой группы пятен, она разворачивается и занимает нужное положение. Асимметричный характер области солнечных пятен может возникать следующим образом. Если всплывающее магнитное поле нуждается лишь в небольшом повороте, группа пятен растет. Когда же это поле необходимо повернуть на большой угол, «неправильное» пятно (пятно с обратной полярностью) больше, и группа вскоре исчезает. По этой причине почти у всех в действительности наблюдаемых пятен предшествующее пятно больше; другие группы просто не выживают.

«Скайлэб» впервые дал астрономам возможность исследовать протяженные структуры активных областей, простирающиеся в верхнюю хромосферу и нижнюю корону. Наблюдения, проводившиеся одновременно на нескольких «невидимых» длинах волн, выявили тонкую структуру в области, лежащей непосредственно над активной областью в фотосфере. Наиболее важным открытием было то, что активные области, несомненно, определяются арочными магнитными трубками. Внутри этих трубок, упирающихся своими основаниями в солнечную поверхность, удерживается высокотемпературное вещество.