Сергей Богачев

Физик

Как устроены пятна на Солнце

На диске Солнца появилась одна из самых крупных в этом году активных областей, а значит, на Солнце снова есть пятна — притом что наша звезда вступает в период минимальной активности. О природе и истории обнаружения солнечных пятен, а также об их влиянии на земную атмосферу рассказывает сотрудник Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, доктор физико-математических наук Сергей Богачев.

В первом десятилетии XVII века итальянский ученый Галилео Галилей и немецкий астроном и механик Кристоф Шейнер приблизительно одновременно и независимо друг от друга усовершенствовали изобретенную за несколько лет до этого подзорную трубу (или телескоп) и создали на ее основе гелиоскоп — прибор, позволяющий наблюдать Солнце, проецируя его изображение на стену. На этих изображениях ими были обнаружены детали, которые можно было бы принять за дефекты стены, если бы они не перемещались вместе с изображением — небольшие пятна, усеивающие поверхность идеального (и отчасти божественного) центрального небесного тела — Солнца. Так в историю науки вошли солнечные пятна, а в нашу жизнь — поговорка о том, что на свете нет ничего идеального: «И на Солнце есть пятна».

Солнечные пятна являются основной деталью, которую можно разглядеть на поверхности нашей звезды без применения сложной астрономической техники. Видимые размеры пятен составляю порядка одной угловой минуты (размер 10-копеечной монеты с расстояния в 30 метров), что находится на пределе разрешения человеческого глаза. Однако достаточно совсем простого оптического прибора, увеличивающего всего в несколько раз, чтобы эти объекты были обнаружены, что, собственно, и произошло в Европе в начале XVII века. Отдельные наблюдения пятен, впрочем, регулярно происходили и до этого, причем часто они делались просто глазом, но оставались незамеченными или непонятыми.

Природу пятен некоторое время пытались объяснить, не затрагивая идеальность Солнца, например, как облака в солнечной атмосфере, но довольно быстро стало понятно, что они относятся посредственно к солнечной поверхности. Природа их, тем не менее, оставалась загадкой вплоть до первой половины XX, когда на Солнце впервые были обнаружены магнитные поля и оказалось, что места их концентрации совпадают с местами формирования пятен.

Почему пятна выглядят темными? Прежде всего надо заметить, что их темнота не является абсолютной. Она, скорее, подобна темному силуэту человека, стоящего на фоне освещенного окна, то есть является лишь кажущейся на фоне очень яркого окружающего света. Если измерить «яркость» пятна, то можно обнаружить, что оно также излучает свет, но лишь на уровне 20-40 процентов от нормального света Солнца. Этого факта достаточно, чтобы без каких-либо дополнительных измерений определить температуру пятна, так как поток теплового излучения от Солнца однозначно связан с его температурой через закон Стефана-Больцмана (поток излучения пропорционален температуре излучающего тела в четвертой степени). Если положить яркость обычной поверхности Солнца с температурой около 6000 градусов Цельсия как единицу, то температура солнечных пятен должна составлять около 4000-4500 градусов. Собственно говоря, так оно и есть — солнечные пятна (а это впоследствии было подтверждено и иными методами, например спектроскопическими исследованиями излучения), являются просто участками поверхности Солнца более низкой температуры.

Связь пятен с магнитными полями объясняется влиянием магнитного поля на температуру газа. Такое влияние связано с наличием у Солнца конвективной (кипящей) зоны, которая простирается от поверхности на глубину примерно трети солнечного радиуса. Кипение солнечной плазмы непрерывно поднимает из его недр к поверхности горячую плазму и тем самым повышает температуру поверхности. В областях, где поверхность Солнца пробивают трубки сильного магнитного поля, эффективность конвекции подавляется вплоть до полной ее остановки. В результате без подпитки горячей конвективной плазмой поверхность Солнца остывает как раз до температур порядка 4000 градусов. Формируется пятно.

В наши дни пятна изучают в основном как центры активных солнечных областей, в которых концентрируются солнечные вспышки. Дело в том, что магнитное поле, «источником» которого являются пятна, приносит в атмосферу Солнца дополнительные запасы энергии, которые являются для Солнца «лишними», и оно, как и любая физическая система, стремящаяся минимизировать свою энергию, пытается от них избавиться. Эта дополнительная энергия так и называется — свободная. Для сброса лишней энергии существует два основных механизма.

Первый, когда Солнце просто выбрасывает в межпланетное пространство отягощающую его часть атмосферы вместе с лишними магнитными полями, плазмой и токами. Эти явления называют корональными выбросами массы. Соответствующие выбросы, распространяясь от Солнца, достигают порой колоссальных размеров в несколько миллионов километров и являются, в частности, главной причиной магнитных бурь — удар такого сгустка плазмы по магнитному полю Земли выводит его из равновесия, заставляет колебаться, а также усиливает электрические токи, текущие в магнитосфере Земли, что и составляет суть магнитной бури.

Второй способ — это солнечные вспышки. В этом случае свободная энергия сжигается непосредственно в солнечной атмосфере, однако последствия этого тоже могут доходить до Земли — в виде потоков жесткого излучения и заряженных частиц. Такое воздействие, являющееся по своей природе радиационным, является одной из главных причин выхода из строя космических аппаратов, а также полярных сияний.

Не стоит, впрочем, обнаружив на Солнце пятно, сразу готовиться к солнечным вспышкам и магнитным бурям. Довольно частой является ситуация, когда появление на диске Солнца пятен, даже рекордно крупных, не приводит даже к минимальному повышению уровня солнечной активности. Почему так происходит? Связано это с природой высвобождения магнитной энергии на Солнце. Такая энергия не может высвободиться из одного магнитного потока, точно так же как лежащий на столе магнит, как бы его ни трясли, не создаст никакой солнечной вспышки. Таких потоков должно быть, как минимум, два, и они должны иметь возможность для взаимодействия друг с другом.

Поскольку одна магнитная трубка, пробивающая поверхность Солнца в двух местах, создает два пятна, то все группы пятен, в которых пятен всего два или одно, создавать вспышки не способны. Эти группы образованы одним потоком, которому не с чем взаимодействовать. Такая пара пятен может быть гигантской и существовать на диске Солнца месяцами, пугая Землю своими размерами, но не создаст ни одной, даже минимальной, вспышки. Подобные группы имеют классификацию и называются типом Альфа, если пятно одно, или Бета, если их два.

 Если вы обнаружили сообщение о появлении на Солнце нового пятна, не поленитесь и посмотрите тип группы. Если это Альфа или Бета, то можете не беспокоиться — ни вспышек, ни магнитных бурь Солнце в ближайшие дни не произведет. Более сложным классом является Гамма. Это группы пятен, в которых существует несколько пятен северной и южной полярности. В такой области существует как минимум два взаимодействующих магнитных потока. Соответственно, такая область будет терять магнитную энергию и подпитывать солнечную активность. И, наконец, последний класс — Бета-Гамма. Это максимально сложные области, с предельно запутанным магнитным полем. Если такая группа появилась в каталоге, можно не сомневаться — распутывать эту систему Солнце будет не менее нескольких дней, сжигая энергию в виде вспышек, в том числе крупных, и выбрасывая плазму, пока не упростит данную систему до простой конфигурации Альфа или Бета.

Впрочем, несмотря на «устрашающую» связь пятен со вспышками и магнитными бурями, не следует забывать, что это одно из наиболее замечательных астрономических явлений, которое можно наблюдать с поверхности Земли в любительские инструменты. Наконец, солнечные пятна, это очень красивый объект — достаточно посмотреть на их снимки, полученные с высоким разрешением. Тем же, кто даже после этого не способен забыть о негативных аспектах этого явления, можно утешиться тем, что число пятен на Солнце все-таки относительно мало (не более 1 процента поверхности диска, а чаще гораздо меньше).

Ряд типов звезд, как минимум красные карлики, «страдают» в куда большей степени — пятнами в них может быть покрыто до десятков процентов площади. Можно вообразить, какие проблемы с космической погодой имеют гипотетические обитатели соответствующих планетных систем, и еще раз порадоваться, рядом с какой относительно спокойной звездой нам посчастливилось жить.

Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.