Когда вы смотрите на небо в солнечный день, Солнце может показаться ярким пятном, неизменным в небе. Но Солнце — это сложное, динамичное небесное тело, окутанное электрическими токами и магнитными полями, которые постоянно движутся и переплетаются по мере его вращения. Временами поверхность Солнца очень активна, выбрасывая мощные сгустки плазмы, называемые корональными выбросами массы, а в другое время она спокойнее.
Я физик-солнечник, который провел более десяти лет, исследуя Солнце. Его движение и активность напрямую связаны с условиями на Земле: солнечные вспышки и выбросы вызывают космическую погоду, которая порождает красивое северное сияние, но угрожает спутникам. Эта активность следует примерно 11-летнему циклу, и изучение этого цикла помогает исследователям прогнозировать будущую космическую погоду.
Внутри Солнца
Солнце — это звезда, состоящая из плазмы: горячего ионизированного газа. Плазма действует как электрически проводящая жидкость и генерирует крупномасштабные магнитные поля, которые опоясывают Солнце.
Солнце состоит из нескольких слоев, все из которых состоят из плазмы, примерно на 70% состоящей из водорода и на 28% из гелия по массе.
У Солнца есть твердое ядро в центре и плотный слой за пределами ядра, где частицы света отражаются, перенося энергию наружу. За этим слоем находится тонкая линия, называемая тахоклином, которая отделяет эти внутренние слои от внешнего слоя. Эта внешняя зона более холодная и менее плотная, что позволяет плазме перемещаться.
Внутри ядра частицы сталкиваются и выделяют невероятное количество энергии, которая излучается от Солнца в виде света — процесс, называемый ядерным синтезом. Свет движется наружу к лучистой зоне за пределами ядра, прежде чем достичь тахоклина.
Во внешнем слое Солнца над тахоклином, называемом конвективной зоной, горячая плазма движется из глубин Солнца к его поверхности. По мере движения плазма остывает и сжимается, заставляя ее опускаться обратно. Этот циклический процесс называется конвекцией.
Солнце постоянно генерирует магнитные поля, которые растут и скручиваются под его поверхностью. Два процесса контролируют эти магнитные поля, перемещая электрические заряды в плазме. Один из них — конвекция, а другой — вращение Солнца.
Ученые считают, что вместе эти два процесса в конечном итоге ответственны за цикл магнитной активности Солнца, во время которого Солнце переходит от упорядоченного к менее упорядоченному расположению магнитного поля. Весь цикл, называемый циклом Швабе, занимает примерно 11 лет. В течение двух циклов Швабе магнитные полюса Солнца меняются местами, а затем возвращаются в исходное положение.
Цикл Швабе
Когда Солнце находится в упорядоченном состоянии, его центр напоминает гигантский вертикальный полосовой магнит с положительным и отрицательным концами вверху и внизу, или наоборот — это называется магнитным диполем. В 11-летнем солнечном цикле эта фаза известна как солнечный минимум.
Хотя невидимое магнитное поле нельзя увидеть напрямую, светящаяся плазма прилипает к этим силовым линиям. Форма магнитного поля во время солнечного минимума похожа на магнитное поле Земли: с разомкнутыми силовыми линиями на северном и южном полюсах и замкнутыми петлеобразными полями вблизи экватора. После состояния солнечного минимума магнитное поле Солнца со временем становится все более запутанным. В конце концов, оно достигает состояния солнечного максимума, когда солнечная атмосфера напоминает перепутанные спагетти.
Две основные силы запутывают магнитное поле, когда Солнце вращается, а плазма бурлит в конвективной зоне: омега-эффект и альфа-эффект.
Альфа- и омега-эффекты
Солнце вращается не как твердое тело повсюду. Внутренняя часть Солнца — ядро и лучистые слои — вращается как твердая сфера, как баскетбольный мяч. За пределами этих слоев конвективная зона и поверхность Солнца вращаются не все вместе.
Наблюдая за видимой поверхностью Солнца, ученые обнаружили, что солнечный экватор в центре вращается быстрее, чем полюса, расположенные вблизи верха и низа Солнца. Солнечному экватору требуется около 25 дней, чтобы совершить полный оборот, в то время как полюсам требуется больше времени — около 35 дней. Поскольку экватор движется быстрее, он обгоняет полюса в явлении, называемом дифференциальным вращением.
Дифференциальное вращение растягивает вертикальные силовые линии магнитного поля вокруг Солнца, заставляя их оборачиваться вокруг Солнца горизонтально, как пояс. Силовые линии натягиваются на Солнце все туже по мере продолжения дифференциального вращения в течение солнечного цикла в процессе, известном как омега-эффект.
Считается, что второй эффект, называемый альфа-эффектом, возникает из-за конвекции, происходящей под поверхностью Солнца, в сочетании с его вращением. Подобно пузырькам, поднимающимся на поверхность в кипящей воде, запутанное магнитное поле становится плавучим и извилистым, прорываясь через поверхность, образуя солнечные пятна.
Солнечные пятна выглядят как скопления темных пятен на поверхности Солнца. Ученые также могут идентифицировать активные области с чрезвычайно сильными и сложными пучками магнитного поля, делая снимки Солнца в ультрафиолетовом свете, где эти пучки выглядят как яркие структуры.
Солнечные извержения, называемые солнечными вспышками и корональными выбросами массы, наиболее часто происходят в этих активных областях. Появление большего количества солнечных пятен, активных областей и солнечных извержений — все это сигнализирует ученым о том, что Солнце вступает в фазу солнечного максимума.
Движущиеся магнитные полюса
В течение солнечного цикла магнитные полюса Солнца перемещаются. В солнечный минимум магнитные полюса ориентированы вертикально через центр Солнца. Но в течение солнечного цикла полюса начинают наклоняться, пока полюс, ранее находившийся на вершине Солнца, не оказывается направленным примерно на его экватор.
Но в то же время все запутанные магнитные поля делают полюса менее определенными. Это хаотическое магнитное состояние частично приводит к появлению солнечных пятен и солнечных извержений. После солнечного максимума, по мере того как магнитное состояние Солнца снова становится более упорядоченным, полюса появляются снова и продолжают мигрировать обратно к верху и низу Солнца.
Однако магнитный полюс, ранее направленный вверх, теперь направлен вниз, и наоборот. Конфигурация выглядит перевернутой по сравнению с тем, что было 11 лет назад. Полный магнитный цикл занимает два цикла Швабе — за это время полюса Солнца переворачиваются дважды и возвращаются в исходную ориентацию.
Ученые наблюдали, что у нескольких других звезд, не только у нашего Солнца, есть цикл магнитной активности, хотя их продолжительность может различаться. И, как и наше Солнце, другие звезды также производят извержения, такие как звездные вспышки и корональные выбросы массы, вероятно, из-за своих циклов активности.
Изучение магнитных циклов у других звезд может помочь астрономам определить, могут ли далекие планеты поддерживать жизнь. Магнитная активность звезды напрямую определяет количество космической погоды, которую испытывают планеты вокруг этой звезды. Эти эффекты могут сдувать защитные атмосферы вокруг планет, не позволяя им поддерживать жизнь.
Эта статья перепечатана из The Conversation, некоммерческой независимой новостной организации, предоставляющей вам факты и надежный анализ, чтобы помочь вам разобраться в нашем сложном мире. Она была написана: Йейми Дж. Риверой, Смитсоновский институт
Читать далее:
Что такое солнечные бури и солнечный ветер? 3 астрофизика объясняют, как частицы, приходящие от Солнца, взаимодействуют с Землей
Солнечная буря выводит из строя высокотехнологичные тракторы фермеров — инженер-электрик объясняет, как более сильная буря может вывести из строя электросеть и интернет
Солнечные бури влияли на нашу историю — историк окружающей среды объясняет, как они также могут угрожать нашему будущему
Йейми Дж. Ривера не работает, не консультирует, не владеет акциями и не получает финансирования от какой-либо компании или организации, которая могла бы извлечь выгоду из этой статьи, и не раскрыла никаких соответствующих связей, помимо своей академической должности.