Дайте понятие магнитного поля солнца кратко

Обновлено: 30.06.2024

Наличие у Солнца общего дипольного магнитного поля (как и у планет) – твёрдо установленный факт. Так же известно, что оно изменяется и по величине напряжённости, и по направлению. Эти изменения синхронизированы с изменением солнечной активности, характеризуемой количеством солнечных пятен на видимой поверхности Солнца, но сдвинутой по фазе на 90º.

Смена полярности его общего магнитного поля, регистрируемой на его полюсах, когда напряжённость равна 0, происходит в эпохи максимума солнечной активности, а его максимальная напряжённость – около 1 Гаусса – регистрируется в эпохи минимума солнечной активности.

Это мнение имеет основание, так как часто имели место случаи, когда в течение целого года на обоих гелиографических полюсах Солнца одновременно регистрируется наличие или только южных, или только северных магнитных полюсов его общего магнитного поля.

На основе выясненного механизма дифференциального вращения Солнца, в основе которого лежит падение на Солнце космических тел, позволяет раскрыть природу его общего магнитного поля. Доводом следует считать выяснение физической сущности взаимосвязи общего магнитного поля Солнца с солнечной активностью посредством возникновения дифференциального характера его вращения.

Известный английский физик Ампер утверждал, что магнитное поле Земли создано электрическим током, идущим в объёме Земли вокруг оси её вращения. До сих пор неизвестно, так ли это и как это происходит, учитывая то обстоятельство, что и магнитное поле Земли меняется и по величине, и по направлению.

Теперь вернёмся к магнитному полю Солнца, опираясь на утверждение Ампера относительно Земли. Наличие синхронизации процессов солнечной активности, его дифференциального вращения и характера изменения магнитного поля позволяет утверждать следующее. Угловая скорость видимой поверхности Солнца изменяется с периодичностью изменения солнечной активности. Она увеличивается, когда направление движения падающих на него крупных космических тел совпадает с направлением вращения Солнца, и уменьшается, когда эти тела падают навстречу его вращению.

Такие изменения угловой скорости происходят не во всём объёме вещества Солнца, а только в той его части, которая примыкает к видимой поверхности, где происходит взаимодействие с этой частью вещества Солнца вещества падающих на него космических тел.

Исходя из этого можно утверждать, что часть солнечного вещества, располагающаяся ближе к центру Солнца, сохраняет свою угловую скорость неизменной, поскольку она не испытывает внешнего воздействия, без чего не может измениться величина её момента количества движения.

Следовательно, примыкающая к видимой поверхности Солнца часть его вещества, включая расположенную выше солнечную хромосферу, то опережает, то отстаёт в движении от остальной части вещества Солнца.

Наличие мощного потока радиационного излучения Солнца из его объёма в направлении наружной поверхности приводит к смещению (под воздействие излучения) в том же направлении части свободных электронов. Наличие постоянного смещения электронов и его величина (в состоянии динамического равновесия) обусловлены возникновением компенсационной излучению силы, возникающей при смещении электронов электрического поля.

Избыток электронов в наружной области атмосферы Солнца при таком же по величине избытке положительных электрических зарядов во внутренней части солнечного вещества приводит к возникновению кругового электрического тока, обусловленного отличием угловых скоростей их движения. При этом в случае, когда угловая скорость внешней части Солнца будет больше угловой скорости его внутренней части, направление движения электрического тока будет соответствовать движению электронов, а в противоположном случае – движению положительных электрических зарядов. Соответственно будет меняться и направление силовых линий создаваемого электрическим током общего магнитного поля Солнца.

Учитывая то обстоятельство, что число и суммарная масса космических тел, упавших за одно и то же время (месяц, год) на северное и южное полушария как правило не совпадают, то и степень дифференциальности их вращения отличаются.

Например, за 11 лет 21-го цикла солнечной активности на северное полушарие упало 1777 космических тел, а на южное – 1886, каждое из которых привело к возникновению одной группы солнечных пятен. Разницей суммарных масс и количества выпавших на оба полушария космических тел и обусловлены и отсутствие у общего магнитного поля вполне определённой (постоянной) оси, и его несимметричность, и возможность возникновения одновременной одинаковой магнитной полярности на обоих полюсах Солнца, поскольку по существу в каждом его полушарии создаётся собственное магнитное поле.

Факт изменения полярности общего магнитного поля с переходом его напряжённости через 0 обусловлен тем обстоятельством, что в эпоху максимума активности Солнца текущего цикла достигается полная компенсация ускорения или торможения угловой скорости вращения внешней части атмосферы Солнца, которые были достигнуты в предшествующем ему цикле активности в результате соответствующего торможения или ускорения её вращения в текущем цикле. Это и приводит к отмеченному в начале статьи факту сдвига синхронизации изменения этих двух явлений на 90º.

Таким образом, гипотеза Ампера об электрической природе магнитного поля Земли нашла своё подтверждение в отношении магнитного поля Солнца. Есть все основания считать этот механизм общим и для планет. Нет никакого сомнения, что и на всех четырёх больших планетах (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), вещество которых находится в газообразном состоянии и на поверхность которых, как и на Солнце, падают космические тела, их дипольные магнитные поля создаются в результате различной угловой скорости внутренней и наружной частей их вещества.

Сложнее механизма формирования дипольного магнитного поля планет, вещество которых в основной своей массе находится в твёрдом состоянии – Марс, Земля, Венера и Меркурий. Но и у них физическая природа магнетизма электрическая.

Так как солнечная плазма имеет достаточно высокую электропроводность , в ней могут возникать электрические токи и, как следствие, магнитные поля . Непосредственно наблюдаемые в солнечной фотосфере магнитные поля принято разделять на два типа, в соответствии с их масштабом.

Согласно современным представлениям, разделяемым большей частью исследователей, магнитное поле Солнца генерируется в нижней части конвективной зоны с помощью механизма гидромагнитного конвективного динамо , а затем всплывает в фотосферу под воздействием магнитной плавучести . Этим же механизмом объясняется 22-летняя цикличность солнечного магнитного поля.

Существуют также некоторые указания на наличие первичного (то есть возникшего вместе с Солнцем) или, по крайней мере, очень долгоживущего магнитного поля ниже дна конвективной зоны — в лучистой зоне и ядре Солнца .

Солнечная активность и солнечный цикл

Комплекс явлений, вызванных генерацией сильных магнитных полей на Солнце, называют солнечной активностью. Эти поля проявляются в фотосфере как солнечные пятна и вызывают такие явления, как солнечные вспышки , генерацию потоков ускоренных частиц, изменения в уровнях электромагнитного излучения Солнца в различных диапазонах, корональные выбросы массы , возмущения солнечного ветра , вариации потоков галактических космических лучей ( Форбуш-эффект ) и т. д.

С солнечной активностью связаны также вариации геомагнитной активности (в том числе и магнитные бури ), которые являются следствием достигающих Земли возмущений межпланетной среды, вызванных, в свою очередь, активными явлениями на Солнце.

Существуют также вариации солнечной активности большей длительности. Так, во второй половине XVII века солнечная активность и, в частности, её одиннадцатилетний цикл были сильно ослаблены ( минимум Маундера ). В эту же эпоху в Европе отмечалось снижение среднегодовых температур (т. н. Малый ледниковый период ), что, возможно, вызвано воздействием солнечной активности на климат Земли. Существует также точка зрения, что глобальное потепление до некоторой степени вызвано повышением глобального уровня солнечной активности во второй половине XX века . Тем не менее, механизмы такого воздействия пока ещё недостаточно ясны.

Самая большая группа солнечных пятен за всю историю наблюдений возникла в апреле 1947 года в южном полушарии Солнца. Её максимальная длина составляла 300 000 км, максимальная ширина — 145 000 км, а максимальная площадь превышала 6000 миллионных долей площади полусферы (мдп) Солнца, что примерно в 36 раз больше площади поверхности Земли . Группа была легко видна невооружённым глазом в предзакатные часы. Согласно каталогу Пулковской обсерватории , эта группа (№ 87 за 1947 год) проходила по видимой с Земли полусфере Солнца с 31 марта по 14 апреля 1947 года, максимальная её площадь составила 6761 мдп, а максимальная площадь наибольшего пятна в группе — 5055 мдп; количество пятен в группе достигало 172.

Солнце как переменная звезда

Так как магнитная активность Солнца подвержена периодическим изменениям, а вместе с этим изменяется и его светимость (или Солнечная цикличность ), его можно рассматривать как переменную звезду . В годы максимума активности Солнце ярче, чем в годы минимума. Амплитуда изменений солнечной постоянной достигает 0,1 % (в абсолютных значениях это 1 Вт/м², тогда как среднее значение солнечной постоянной — 1361,5 Вт/м²).

Также некоторые исследователи относят Солнце к классу низкоактивных переменных звёзд типа BY Дракона . Поверхность таких звёзд покрыта пятнами (до 30 % от общей площади), и за счёт вращения звёзд наблюдаются изменения их блеска. У Солнца такая переменность очень слабая.

Планетная система

Вокруг Солнца обращается большое количество небесных тел меньшего размера, а именно:

Восемь больших планет ( Меркурий , Венера , Земля , Марс , Юпитер , Сатурн , Уран , Нептун ) и их спутники .
Множество астероидов и планет-карликов , которые группируются в пояс астероидов и пояс Койпера .
Кометы .

Самые далёкие из этих тел удалены на расстояния порядка 100 а. е. от Солнца. В состав Солнечной системы включают также гипотетическое облако Оорта , которое должно быть расположено ещё в примерно 1000 раз дальше. Все объекты Солнечной системы образовались в то же время, что и Солнце, из того же газопылевого облака.

Солнце является основным источником энергии для Земли и всей Солнечной системы. Без него жизнь на нашей планете была бы невозможна. Неслучайно у многих древнейших цивилизаций (например, у египтян) именно бог Солнца считался верховным божеством, которому все остальные Боги были подчинены. Однако современная наука может рассказать о нашем светиле значительно больше, чем древнеегипетские мифы. Какие процессы протекают внутри Солнца, какова история этой звезды, и какое будущее ожидает ее через миллиарды лет?

Общая характеристика

Солнце – это огромный разогретый шар из газа, чей диаметр оценивается в 1,392 млн км. Это в 109 раз больше диаметра нашей планеты. На звезду приходится 99,87% всей массы Солнечной системы.

С Земли кажется, что светило имеет желтый цвет, однако это иллюзия, связанная с влиянием атмосферы нашей планеты на солнечный свет. На самом деле Солнце излучает почти белый свет.

Солнце – это одна из сотен миллиардов звезд галактики Млечный путь. Ближайшая к Солнцу звезда – это Проксима Центавра, находящаяся от неё на расстоянии 4,24 световых лет. Для сравнения – расстояние от Земли до Солнца, принимаемое за астрономическую единицу (а.е.), солнечный свет проходит всего за 8,32 минут.

Влияние Солнца на окружающие небесные тела огромно. Солнечный ветер (частицы вещества, излучаемого звездой), доминируют в межпланетном пространстве на расстоянии до 100-150 а.е. от светила. Считается, что гравитация нашей звезды определяет орбиты тел, находящихся даже на расстоянии светового года от неё (в облаке Оорта).

Само Солнце также вращается вокруг своей оси. Так как оно состоит из газов, то разные его слои вращаются с разной угловой скоростью. Если в районе экватора период обращения составляет 25 дней, то на полюсах он увеличивается до 34 дней. Более того, последние исследования показывают, что внутренние области совершают оборот значительно быстрее, чем внешняя оболочка.

Таблица “Основные физические характеристики Солнца”

Внутреннее строение Солнца

Внутренняя структура нашей звезды включает следующие слои:

В центре светила располагается ядро. Именно в этой области идут термоядерные реакции. Радиус ядра оценивается в 150 тыс. км. Температура здесь не опускается ниже 13,5 млн градусов, а давление доходит до 200 млрд атм. Из-за этого вещество здесь находится в крайне плотном состоянии. Его плотность составляет 150 г/куб. см. Это в 7,5 раз выше плотности золота. Именно такие условия необходимы для протекания термоядерных реакций. Надо понимать, что именно в ядре вырабатывается энергия, которую и излучает Солнце. Все остальные области звезды лишь обогреваются ядром, но сами ее не вырабатывают.

Зона лучистого переноса

Зона конвективного переноса

Выше располагается зона конвективного переноса толщиной 200 тыс. км. Здесь плотность уже невысока, и вещество активно перемешивается – нагретые газы поднимаются наверх, отдают тепло, остывают и снова погружаются вниз. Скорость газовых потоков может достигать 6 км/с. Именно это движение порождает магнитное поле Солнца. Температура на поверхности падает до 6000° С, а плотность на три порядка ниже плотности земной атмосферы.

Атмосфера

Атмосфера Солнца состоит из следующих слоев:

Фотосфера

Нижний слой атмосферы называют фотосферой. Именно она излучает тот свет, который согревает планеты Солнечной системы. Толщина фотосферы колеблется от 100 до 400 км. На внешней границе фотосферы температура падает до 4700° С.

Хромосфера

Над фотосферой располагается хромосфера – слой толщиной около 2000 км. Её яркость очень мала, поэтому с Земли её можно наблюдать довольно сложно. Удобнее всего это делать во время солнечных затмений. Она имеет специфический красный оттенок. В хромосфере можно наблюдать спикулы – столбы плазмы, выбрасываемые из нижних слоев хромосферы. Время существования одной спикулы не превышает 10 минут, а длина доходит до 20 тыс. км. Одновременно в хромосфере находится около миллиона спикул. Интересно, что с увеличением высоты температура хромосферы не падает, а растет, и на верхней границе может доходить до 20 000° С.

Корона

Верхний слой атмосферы называется короной. Ее верхняя граница до сих пор четко не определена. Вещество в ней крайне разрежено, однако температура в ней может достигать нескольких миллионов градусов. На сегодня ученым не удалось полностью объяснить, за счет каких механизмов солнечная корона разогревается до такой температуры. В короне можно наблюдать протуберанцы – выбросы солнечного вещества, чья высота над поверхностью звезды может достигать 1,7 млн км.

Магнитное поле Солнца

У Солнца есть магнитное поле. Исследователи выделяют глобальное поле звезды и множество локальных полей.

В разных районах Солнца могут наблюдаться и малые, то есть локальные магнитные поля. Их напряженность может в тысячи раз превышать напряженность глобального поля, однако время их существования редко превышает несколько десятков дней. Особенно часто локальные поля наблюдаются в районе солнечных пятен. Дело в том, что эти пятна как раз и являются теми точками, через которые магнитные поля из внутренних областей выходят наружу.

Жизненный цикл Солнца

Возраст Солнца оценивается учеными в 4,5 млрд лет. Сформировалось оно из газопылевого облака, которое постепенно сжималось под действием собственной гравитации. Из этого же облака возникли планеты и почти все остальные объекты в Солнечной системе. Когда в центре сжимающегося облака плотность, а вместе с ней температура и давление выросли до критических значений, началась термоядерная реакция – так зажглось Солнце.

Постепенно из-за выгорания водорода ядро будет уменьшаться в размерах, а вся звезда в целом – увеличиваться. Через 6,4 млрд лет водород в ядре закончится, радиус звезды в этот момент будет больше современного в 1,59 раз. В течение 700 млн лет звезда расширится до 2,3 современных радиусов.

Далее рост температуры приведет к тому, что термоядерные реакции горения водорода запустятся уже не в ядре, а в оболочке звезды. Из-за этого она резко расширится, и ее внешние слои будут достигать современной земной орбиты. Однако к тому моменту светило потеряет значительную часть своей массы (28%), что позволит нашей планете перейти на более отдаленную орбиту. Солнце в этот период своей жизни, который продлится 10 млн лет, будет являться красным гигантом.

Из-за пульсаций, связанных с изменениями температуры Солнца, его внешние слои отделятся от ядра и образуют планетарную туманность. Само же ядро превратится в белый карлик – объект, чьи размеры будут сопоставимы размерами Земли, а масса будет равна половине современной солнечной массы. Далее этот карлик, состоящий из углерода и кислорода, будет постепенно остывать. Никаких термоядерных реакций в белом карлике идти не будет, поэтому со временем (за десятки млрд лет) он превратится в черный карлик – остывшую плотную массу вещества. На этом эволюция Солнца завершится.

Орбита и расположение Солнца в галактике Млечный путь

Солнце вместе со всей Солнечной системой вращается относительно центра Млечного пути, в котором располагается огромная черная дыра. Расстояние от нее до нашего светила составляет 26 тыс. св. лет. Один оборот Солнечная система совершает примерно за 225-250 млн лет. Скорость движения звезды относительно центра галактики составляет 225 км/с.

Исследование Солнца

Аристарх Самосский в III в. до н. э. первым предположил, что именно Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Но лишь во времена Коперника и Галилея эта теория была принята научным сообществом. Тогда же начались исследования Солнца с помощью телескопа. Галилей понял, что солнечные пятна – это часть светила. Изучая их, он понял, что звезда вращается вокруг своей оси, и даже смог определить период обращения.

В 1672 г. Д. Кассини смог достаточно точно рассчитать расстояние до светила. Для этого он определял положение Марса на небосводе в Париже и Кайенне (Южная Америка). Он получил значение в 140 млн км.

В XIX в. физики стали изучать спектр солнечного света. Этот метод позволял определить химический состав звезды. В 1868 г. было обнаружено, что в состав светила входит элемент, до того неизвестный человечеству. Его назвали гелием.

Большой загадкой для ученых оставалась природа энергии, излучаемой Солнцем. Выдвигались ошибочные версии, что звезда нагревается за счет падения на нее метеоритов или за счет гравитационного сжатия. Лишь с открытием ядерных реакций физики смогли предположить, что источник солнечного тепла – это термоядерный синтез.

Интересные факты о Солнце

Для любого объекта, излучающего тепло, можно посчитать отношение мощности к его объему. Оказывается, что удельная мощность Солнца примерно в тысячу раз меньше, чем удельная мощность человеческого организма! Это означает, что огромный объем выделяемого светилом тепла в первую очередь объясняется его гигантскими размерами.

Периодически всплески солнечной активности приводят к геомагнитным бурям. Мощнейшая из них произошла в 1859 г. В результате на Земле перестала работать телеграфная связь, а северное сияние наблюдалось даже над Кубой.

Сейчас общепризнанна теория, что Солнце образовалось из газопылевого облака. Однако откуда появилось само облако? Ученые предполагают, что оно является остатком предыдущих звезд. Химический анализ показывает, что Солнце является звездой уже третьего поколения. Это значит, что вещество, из которого состоит светило, ранее входило в состав двух других звезд, уже прекративших существование.

Хотя большинство планет вращаются вокруг Солнца в плоскости эклиптики, экватор самой звезды не совпадает с этой плоскостью, а наклонен на 7°. Эту аномалию до сих пор не удалось объяснить. Возможно, причиной этого является существование ещё одной планеты в Солнечной системе, чья орбита лежит не в плоскости эклиптики, а под углом к ней. Ряд наблюдений подтверждает существование Девятой планеты, но пока что говорить об ее открытии преждевременно.

Данные о магнитном поле Солнца можно получать благодаря исследованию космических лучей. При этом проводится регистрация излучения, появляющегося во время взаимодействия заряженных частиц, атомов, молекул или всей плазмы с магнитным полем. Самый простой пример подобного взаимодействия – это движение электрона в магнитном поле.

Под поверхностью Солнца находится слой, который называют фотосферой.

Физические механизмы течения солнечной активности и ее источник находятся в зоне конвекции, под солнечной поверхностью. Около поверхности звезды возникает вихревое перемешивание плазмы, вынос энергии на поверхность происходит при движении вещества. Данный способ передачи энергии называют конвекцией, при этом слой, находящийся около поверхности Солнца называют конвективной зоной.

Роль конвективной зоны очень велика, так как в конвективной зоне возникают перемещения солнечного вещества и магнитного поля.

Исследования показали, что напряженность магнитного поля Солнца в целом небольшая, в два раза больше, чем напряженность поля Земли.

В активном Солнце роль вращения и наличие магнитных полей становятся определяющими.

С появлением и развитием локальных сильных местных магнитных полей связано множество явлений, которые происходят в солнечной атмосфере, например:

Готовые работы на аналогичную тему

возникновение темных пятен;
протуберанцев;
вспышек;
стримеров;
петель в солнечной короне;
факелов.

Области в атмосфере Солнца с сильным магнитным полем называют активными.

Механизмы солнечной активности

Увеличение количества протуберанцев, факелов, количества вспышек, интенсивности корпускулярного излучения объединены названием солнечная активность.

Характеристикой солнечной активности часто служат данные о количестве пятен на фотосфере. Пятна обладают запасом магнитной энергии, ее изменения порождают основные явления.

Отличительным качеством солнечной активности служит ее повторяемость (периодичность). Одиннадцатилетний цикл активности Солнца открыт в 1893 году астрономом Г. Швабе (Дессау).

Ученые считают, что число пятен, суммарная площадь поверхности, которую они занимают на диске Солнца, связаны с изменениями напряженности магнитного поля во время цикла солнечной активности. Если учитывать изменение знака общего поля Солнца при переходе от цикла к циклу, азимутальная составляющая которого связана с пятнами и полоидальная компонента может быть ассоциирована с диполем, данную периодичность считают двадцати двух летней.

Эту периодичность объясни при помощи теории магнитного динамо.

Механизм действия солнечного динамо можно представить так:

Термоядерный синтез в центре Солнца питает стационарную конвекцию в поверхностной оболочке, кроме этого он является источником энергии динамо-машины.
Движущим механизмом является дифференциальное вращение, спиральность конвекции, турбулентная диффузия и диамагнетизм.
Осциллирующая система – это крупное магнитное поле.
Механизм, управляющий осциллятором, действует посредством дифференциального вращения Солнца, средней спиральности его турбулентной конвекции и турбулентной диффузии силовых линий магнитного поля.

Теория динамо, даже в ее простейшем виде объясняет периодичность магнитного поля (обращение полярности и изменения знаков полей пятен), движение максимума поля к более низким широтам и другие свойства солнечного цикла.

Явления, происходящие на поверхности Солнца

В области солнечных пятен всегда имеется сильное магнитное поле, с напряженностью в тысячи раз большей, чем в невозмущенных областях. Данное поле действует на заряженные частицы плазмы и таким образом, препятствует возникновению потоков конвекции. Тогда на этой площади газ с высокой температурой перестает подниматься к поверхности, в результате температура этой части поверхности существенно уменьшается.

В области факела магнитное поле менее сильное, чем при образовании пятен, оно не способно останавливать вертикальные потоки плазмы. Но это магнитное поле может подавлять беспорядочное перемещение плазмы в потоке и способно уменьшать внутреннее трение. При этом появляется устойчивый восходящий поток газа с высокой температурой, который называют факелом.

Если заряженная частица движется в постоянном магнитном поле, то изменяется направление скорости ее движения. Переменное во времени магнитное поле, которое пронизывает плазму, способно изменять и направление, и модуль скорости заряженных частиц. Оно может образовывать направленное движение плазмы. Это способствует образованию мощных плазменных потоков. Данные потоки выбрасывают большие массы газа, которые выходят далеко в корону, при этом образуются протуберанцы.

Переменное магнитное поле, связанное с развитием совокупностей пятен, может оказывать давление на плазму, тогда в хромосфере над этой группой пятен, возникает мгновенное сжатие плазмы, при этом повышается температура газа. В этой области хромосферы появляется хромосферная вспышка – внезапное и резкое увеличение интенсивности свечения.

Переменное магнитное поле выбрасывает в пространство космоса плазменные потоки, скорость перемещения которых составляет порядка 1000 км/ч. Эти потоки называют корпускулярными потоками. Часть таких частиц могут разогнаться до скоростей, приближающихся к скорости света, при этом возникают космические лучи.

Потоки заряженных частиц, которые выбрасывает Солнце:

долетают до Земли,
отклоняются магнитным полем Земли,
оказывают воздействие на магнитное поле Земли.

При наибольшей солнечной активности на Земле происходят сильные возмущения магнитного поля, которые называют магнитными бурями.

Некоторое количество заряженных частиц попадают в магнитное поле Земли и, перемещаясь по спиралям вдоль линий магнитной индукции магнитного поля нашей планеты, попадают в некоторую ловушку. Концентрируясь в виде колец вокруг Земли, частицы составляют радиационные пояса. Эти пояса обнаруживают спутники. В районах полюсов данные частицы попадают в атмосферу, при этом можно наблюдать полярные сияния.

Читайте также: