Главная Фотогалерея Рефераты Новости Видеогалерея Статьи  
 
 
Содержание
 
   

Фотосфера Солнца

фотосфера солнца фото Фотосферу удобно рассматривать как внешний, поверхностный слой Солнца, видимый в белом цвете. Этому слою можно приписать температуру 6700 К. Слой этот по сравнению с другими довольно тонкий даже по нашим земным меркам, он простирается примерно на 500 километров, сливаясь, с одной стороны, с зоной конвекции, а с другой - с хромосферой. Поразительной особенностью фотосферы является так называемая грануляция, о которой мы уже упоминали чуть выше. Гранулы - это многоугольники на поверхности фотосферы, пересеченные узкими темными прожилками. Размеры гранул порядка тысячи километров, живут они несколько минут, сменяясь потом другими гранулами. Именно поэтому и возникло довольно удачное сравнение с кипящей рисовой кашей.
Уже чисто интуитивно напрашивается ответ на вопрос о природе подобных образований. Если каша кипит, то мы должны иметь дело с конвекцией.
    И действительно, если мы начнем путешествие вместе с квантами излучения из центральных районов Солнца к его поверхности, то сначала ни кванты, ни воображаемый путешественник не будет испытывать заметных трудностей. Температуры там высоки, непрозрачность мала, и кванты без труда «просачиваются», диффундируют к поверхности.
     С понижением температуры начинается рекомбинация электронов и ядер атомов в ионы, которые могут уже взаимодействовать с фотонами, в частности, поглощать их. Ясно, что непрозрачность при этом сильно возрастает.
       Однако звезда должна «сбрасывать» энергию; выделяющуюся в ее недрах, если бы этого не было, она просто бы взорвалась. И вот здесь в игру вступает другой, уже известный нам механизм переноса энергии - конвекция, когда горячие элементы всплывают и отдают свое избыточное тепло окружающей среде, подогревают ее. Ну а веществ, которое опускается при конвективном перемешивании, холоднее окружающей среды, почему и кажется (при тех температурах, с которыми мы имеем дело) более темным. Поэтому можно считать, что разделяющие гранулы темные полосы - участки поверхности фотосферы.
      Конвективная зона на Солнце начинается выше уровня, где значение радиуса достигает 0,85 полного радиуса Солнца. Здесь эффективность конвекции очень велика, она переносит почти весь поток солнечной энергии, хотя сама эта зона содержит всего около двух процентов массы Солнца.
       Итак, грануляция фотосферы - типичное конвективное движение. Скорость этого движения около 300 метров в секунду, разница в температурах между светлыми и темными участками примерно 300 К В конвективной зоне происходит еще один удивительный процесс, имеющий большое значение не только для фотосферы, но и для хромосферы, и для короны Солнца. Что же это такое?      Еще раз вернемся к явлениям конвекции и грануляции. На первый взгляд может показаться, что и тот, и другой процессы должны быть совершенно хаотическими. Образование каждой ячейки, так же как и в кипящей рисовой каше, должно происходить случайно. Оказалось, однако, что это не так. В 1960 году было обнаружено, что вся поверхность в некоторых участках слоя, расположенного над верхней границей конвективной зоны, поднимается и опускается относительно некоторого среднего положения, смещаясь при этом на высоту примерно 25 километров. Причем горизонтальный размер области, которая поднимается и опускается, достигает 50 тысяч километров!
     Долгое время это явление не находило объяснения. В последние годы картина все-таки прояснилась. Оказалось, что Солнце, вернее - его конвективная зона, работает как гигантский орган, генерируя акустические волны. Этот факт имеет огромное значение не только потому, что в руках астрофизиков появился новый метод изучения и фотосферы и конвективной зоны Солнца. «Пятиминутные» колебания переносят энергию в верхние слои атмосферы Солнца, определяя во многом происходящие в них процессы.
       В последние годы в Крымской обсерватории под руководством академика Л. Северного открыты более длиннопериодные колебания Солнца. Они носят глобальный характер. Здесь уже двигается вся «поверхность» Солнца в целом. Период этих колебаний составляет 160 минут. Так как колебания охватывают весь раскаленный газовый шар, звезду, они, по всей видимости, также могут немало сказать о структуре недр Солнца. Однако объяснить природу этих колебаний сегодня нелегко, даже не учитывая причин их возбуждения. Более того, в рамках современных представлений о внутреннем строении Солнца и протон-протонном цикле внутри его теоретические оценки дают значение периода колебаний нашей звезды не 160, а 130 минут.
      Таким образом, не только проблема солнечных нейтрино омрачает настроение теоретиков. Один из крупнейших специалистов в области исследования Солнца, А. Северный, полагает даже, что совокупность нерешенных вопросов может привести к «новому фундаментальному пересмотру наших представлений о внутренних процессах на Солнце». Он отмечает, что на сегодняшний день есть три «трещины» в фундаменте знаний о нашем светиле. О двух из них мы уже знаем. Это проблема борных нейтрино (в реакциях их образования участвует бор) и только что упоминавшиеся 160-минутные колебания.
     Что касается третьей «трещины», то она, по всей видимости, не столь опасна, как две предыдущие. Связана эта «трещина» с противоречием, на первый взгляд очевидным, между палеоклиматическими и геологическими данными и следствиями, вытекающими из теории внутреннего строения Солнца. Вспомним, в чем состоит суть дела.
      Если современные представления о внутреннем строении Солнца справедливы, то с того времени, как Солнце «село» на главную последовательность, и до настоящего момента его светимость должна была увеличиться примерно на 30 процентов. Но тогда мы должны были 3-4 миллиарда лет назад «иметь» очень холодную Землю, сплошь покрытую льдом. В то же время геологические данные неопровержимо свидетельствуют о том, что уже 3,8 миллиарда лет назад на Земле были океаны, была жизнь. В этом парадоксе некоторые астрофизики усматривают серьезный камень преткновения для теории внутреннего строения Солнца. Но на самом деле парадокс этот совсем не носит устрашающего характера. Он без труда разрешается в рамках теории возникновения и эволюции атмосфер планет.        Посмотрим, как это делается. Сначала обратим внимание на тот принципиальный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяется вода и углекислый газ. Об этом свидетельствуют множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах - базальтах. По оценкам разных авторов, отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу - от 4:1 до 10:1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, хотя Солнце грело плохо. Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю Температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).       Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной и Меркурием можно принять за 0,1. И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33° ниже нуля по Цельсию.
     Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра: основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он, создавая парниковый эффект, начал подогрев. С ростом концентрации СО2 в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась и льды начали таять.
        Можно подсчитать, сколько СО2 должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до 0°С. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан известным советским астрофизиком В. Морозом. Такой расчёт не прост, точной цифры не получишь. Поэтому в конце концов были найдены верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.      Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.
       Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы. Что же происходит дальше? При выделении из мантии 1013 граммов углекислоты в год (полагают, что именно так оно и было) давление 0,3 атмосферы будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние, и альбедо поверхности земли быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу, происходит его растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов...
     Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывают снег и лед. Вот мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.
     Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан. Правда, мы не учли весьма важного обстоятельства: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.
       Нижняя возможная граница атмосферного содержания СО2 в цикле оценена нами в 1,5Х V21 граммов. Самое неопределенное в уравнении этого баланса - время жизни молекулы СО2 в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И расчеты строились на этом щедром допущении.
       Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет. Бесспорно, что конкретные цифры, полученные в этих оценках, несут на себе печать некоторого произвола. Однако поскольку эти оценки основаны на хорошей физике, они в принципе полностью цементируют одну из «трещин» в теории Солнца.
       Закончив наше небольшое отступление, посвященное одной из загадок Солнца, вернемся снова к фотосфере, вернее  к «дефектам» сферы света. Эти дефекты - пятна на Солнце, пожалуй, самые легкие для наблюдения объекты из всех явлений, связанных с нашим светилом. О них очень много известно, но тем не менее специалисты считают, что до сих пор мы не можем понять два основных факта, прямо касающихся пятен: почему пятна темные и почему они вообще существуют. Ответ на первый вопрос может показаться очевидным, поскольку разгадку может дать любой человек, мало-мальски знакомый с физикой.
     «Разумеется, ответит он, пятна темные, так как они холодные». Этот ответ будет абсолютно правильным, пятна холоднее окружающей фотосферы на 1500-2000 К. Но почему они холодные?
     Ясно, что тем или иным образом дело здесь связано с магнитными полями. Вообще говоря, магнитные силовые линии в сравнительно слабых полях как бы «вморожены» в вещество и следуют за ним при всех его движениях. Это понятно, так как при высоких температурах фотосферы мы имеем хорошую проводимость вещества. Но в области пятен магнитные поля в тысячи раз сильнее, чем среднее магнитное поле Солнца, и поэтому ряд исследователей считает, что сильные магнитные поля в области пятна подавляют конвективные движения, вещество как бы приклеивается к магнитным силовым линиям, и это тормозит восходящие и нисходящие потоки вещества.
     Однако подобное объяснение сталкивается с целым рядом трудностей. Отнюдь не все специалисты разделяют эту точку зрения, и проблему понижения температуры фотосферы в области пятен никоим образом нельзя считать полностью решенной.
       Пятна на солнце редко появляются в одиночку, обычно возникает сразу группа пятен. Иногда в области пятен на солнце можно наблюдать магнитное поле одной полярности, иногда группы пятен биполярны. Интересно, что пятна на солнце имеют небольшие собственные движения на диске Солнца.
       Появлению пятен на солнце в активной области предшествует рождение факела - более яркой области фотосферы. Затем уже в районе факела можно увидеть темные поры. Разрастаясь, они сливаются друг с другом в пятно. Диаметр пятна на солнце составляет 10-15 тысяч километров, но, как мы уже говорили, бывают и более крупные пятна. пятна на солнце, по всей видимости, вращаются быстрее, чем окружающий их газ.
       Очень интересны результаты анализа поведения пятен на солнце за историческое время. Этот анализ показал, что начиная с 1645 по 1715 год, то есть в течение 70-летнего промежутка времени, циклы солнечной активности практически исчезли. С 1672 по 1704 год в северном полушарии Солнца пятен не было видно совсем! Этот период времени был назван маундеровским минимумом.
  Удивительно, что дифференциальное вращение поверхностных слоев Солнца в течение нескольких лет перед маундеровским минимумом было в три раза больше обычного. Вдобавок этот период времени (минимум) совпал с так называемым «малым ледниковым периодом» - чрезвычайно холодной погодой в северном полушарии. Внутренняя связь всех этих явлений не представляется очевидной, но ясно лишь одно - сюрпризы и загадки астрофизики находятся не только в глубинах Вселенной, но и прямо перед нашими глазами.
     Явления, связанные с пятнами на Солнце, не ограничиваются одной лишь фотосферой. Так, например, «плюмажи» интенсивного излучения, имеющие форму замкнутых петель, уходят в корону. 


   
Поиск
Rambler's Top100