Квазиравновесные структуры, связанные с фотосферой
Если несколькими словами охарактеризовать современное состояние наших знаний о локальных структурах Солнца, то, за малым исключением, оно состоит из огромной массы фотографий, которые, однако, не "сжаты" в четкие схемы, описываемые математическими моделями. Поэтому здесь мы ограничимся описанием связанных с фотосферой трех типов структур, которые, с некими оговорками, можно назвать термическими, магнитными и токовыми. Это гранулы, солнечные пятна и "спокойные протуберанцы", а также сопровождающие их "подструктуры". В этом пункте речь будет идти о квазистационарных состояниях указанных структур, а в следующем — о взрывных процессах, связанных с солнечными пятнами и спокойными протуберанцами. 490 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика Гранулы. На рис. 9.3.3 представлен типичный участок фотосферы с малыми сол- нечными пятнами при хорошем разрешении. Видно, что поверхность не однородна, а имеет ячеистое строение. Эти ячейки конвекции называются обычно гранулами. Они подобны ячейкам Бенара. Характерный размер гранул 500-1000 км. Гранулы живут недолго — обычно ~ 5-7 минут. § ~« • ¦«..%. i* 3 ' " ^ V, ..¦ t , *" * ¦> Рис. 9.3.3. Солнечная грануляция и маленькие Рис. 9.3.4. Хромосфера со спикулами пятна 5 июля 1885 г. Масштаб 1 мм = 1" Внимательное рассмотрение грануляции фотосферы показывает, что эти гранулы объединяются в некие комплексы — супергранулы, которые наиболее четко проявля- ются в расположенной над фотосферой хромосфере. Магнитные поля в районе гранул — если солнечные пятна далеки, составляют величину ^ 10 Э. На спектрогелиограммах хромосферы также видны при благоприятных услови- ях съемки гранулы фотосферы. Однако чаще видна сетка из объединений гранул (супергранул), которые покрывают весь диск Солнца. Супергранулы представляют собой внешнюю часть более крупных (~ 3000 км) и соответственно глубже распо- ложенных в толще Солнца конвективных ячеек. Таким образом, мы сталкиваемся здесь с иерархией конвективных структур: от крупных в глубине до относительно мелких в фотосфере Солнца. Исследования доплеровского сдвига на разных участках супергранул показывают, что в центре поток солнечной субстанции направлен из солнечных глубин к поверх- ности, а на периферии наоборот — вглубь Солнца. Супергранулы плотно покрывают поверхность Солнца, и поэтому их границы имеют вид многоугольников. Так что поверхность Солнца в целом напоминает ананас. Супергранулы живут сравнительно долго ~ 10 часов. Течение плазмы от центра супергранул к их периферии сопровождается переносом магнитного поля. В резуль- тате на границе между ними "скапливается" магнитное поле, величина которого достигает сотен эрстед, а в углах ~ A—2) • 103Э. Магнитное поле, существующее между супергранулами, проникает в верхние слои хромосферы и в корону. Вдоль силовых линий этих полей проходят кратковременные плазменные потоки — "спику- лы", рис 9.3.4. Им обязана во многом волокнистая структура хромосферы. Спикулы хорошо видны в виде частых сравнительно тонких и не длинных выбросов вблизи края солнечного диска. 9.3. Солнце 491 Солнечные пятна. На рис. 9.3.5а,б представлены фотографии типичного одиноч- ного солнечного пятна и типичной группы пятен. У пятен различают тёмное бес- структурное пятно — "тень" и "полутень", образованную большим числом вытянутых "волокон". Размеры пятен весьма различны. Так однажды наблюдалось пятно диамет- ром ~ 180000 км. Однако средние размеры пятен ~ 40000 км. Пятна, по сравнению с гранулами, долгоживущие объекты. Хотя разброс времен жизни весьма велик, но среднее время для малых пятен порядка недели, а для крупных — несколько месяцев. При возникновении пятна, когда его полутень еще мала, в нем видны те же фотосферные гранулы, которые потом уступают место волокнам с большим временем жизни. Что касается видимой глубины пятен, то часто они представляют собой углубления (в виде мелкой тарелки) с конически сжимающимися стенками, уходящими вглубь Солнца. ч ¦" чт Рис. 9.3.5. Солнечные пятна: а — оди- ночное пятно, хорошо видна грануляция фотосферы Солнца; б — группа пятен; в — возможная структура приповерхност- ной части группы пятен В зоне пятна наблюдается сложная картина течений со значительными скоро- стями (~ 3 км/с). При этом преобладает вытекание вещества из пятна в районе его стенок и втекание в центральной части пятна. Существующие данные четко указы- вают, что в пятне температура находится на уровне ~ 4500 К, тогда как в фотосфере она rsj 5800 К. Таким образом, солнечные пятна сравнительно холодные образования. Благодаря этому степень ионизации водорода и особенно гелия здесь мала. Характерно, что во многих случаях наблюдаются сравнительно далеко распо- ложенные друг относительно друга пятна противоположной магнитной полярности, явно проявляющие взаимную связь. Это дает основание считать, что наблюдаемые пятна суть сечения поверхностью Солнца магнитных трубок, частично погруженных в Солнце. Темная центральная часть пятна соответствует той углубленной части трубки, где газокинетическое давление окружающей плазмы Р0.п. становится равным магнитному давлению, т. е. Роп. = Рн. 492 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика Магнитное поле в пятне ~ 4-5 кЭ и его давление (~ 1 атм) больше давления окру- жающей плазмы фотосферы (^0,01 атм), а тем более прилегающей хромосферы (~ ~ 10~5атм). Поэтому здесь магнитный поток расширяется, образуя "полутень" пятна. В этой области фотосфера имеет вид хорошо сформированных волокон. На фотографиях видно, что около пятен наблюдаются (особенно вблизи края диска) светлые неправильной формы волокнистые образования. Они получили назва- ние "факелов". Сравнительно часто эти факелы покрывают значительные площади, образуя так называемые факельные поля. Факелы и их поля проникают, растекаясь, достаточно глубоко в хромосферу, и при съемке в узких участках спектра в хромо- сфере они могут экранировать большие площади. Характерный размер одиночных факелов порядка размеров гранул, время их существования — месяцы, их температу- ра ~ 6500 К. Факелы могут быть истолкованы как каналы более интенсивного сброса энергии из внутренних объёмов магнитной трубки, компенсирующие её слабый сброс из солнечных пятен. Упомянутую выше структуру в виде группы тесно расположенных пятен можно пытаться трактовать как результат расщепления за счет неустойчивости единого первоначального магнитного потока. В соответствии со сказанным, кажется вероятной структура типичных пятен, подобная рисунку 9.3.5в. Спокойные протуберанцы [223, 232]. В отличие от гранул и солнечных пятен, спокойные протуберанцы представляют собой более сложные и даже загадочные образования. На фотографии 9.3.6а такой протуберанец снят при небольшом про- странственном разрешении на фоне солнечного диска. Он виден как длинное тонкое и тёмное образование, длина которого соизмерима с радиусом Солнца. На второй фотографии (рис. 9.3.66), снятой с хорошим разрешением, показан фрагмент проту- беранца, а на фотографии рис. 9.3.6в спокойный протуберанец находится на краю диска и виден сбоку, весьма напоминая арочный мост. Характерные размеры таких протуберанцев грандиозны: их длина достигает ~ 200000 км, высота над хромосфе- рой до 50000 км, а толщина горизонтальной части ~ 10000 км. Горизонтальная часть опирается на вертикальные столбы — "основания", которые уходят в фотосферу. Типичная плотность протуберанцев ~ 1010—1011 см~3, тогда как плотность короны, в которую они погружены, на два порядка меньше (~ 108—109 см~3). Температура плазмы, образующей протуберанец, ~ 10000 К, тогда как температура прилегающей короны на два порядка больше (~ 1—2 • 106К). Таким образом, давления в протубе- ранце и короне близки. Отметим еще несколько особенностей рассматриваемых структур. Время их жиз- ни изменяется в широких пределах: от нескольких дней (для малых) и до нескольких месяцев для больших протуберанцев. Располагаются они, в основном в полярных зонах Солнца и вытянуты преимущественно в широтном направлении. На снимках (рис. 9.3.66, и 9.3.6в) с хорошим пространственным разрешением видно, что для данных протуберанцев характерна прерывисто-волокнистая структу- ра. Ширина фрагментов ^ 350 км, хотя может оказаться, что они, в свою очередь, состоят из более мелких субволокон. Несмотря на видимую "лохматость" протуберанца, наиболее вероятным фактором, удерживающим его тяжелую горизонтальную часть от падения на фотосферу, явля- ется наличие электрического тока, текущего вдоль этой конфигурации. Необходимое для создания поддерживающей амперовой силы магнитное поле должно, так или иначе, генерироваться в фотосфере и хромосфере. Таким образом, если солнечные пятна — это магнитные структуры, то спокойные протуберанцы могут считаться токовыми структурами. 9.3. Солнце 493 Шф Рис. 9.3.6. Спокойные протуберанцы: протуберанец на фоне диска (а), структура протуберан- ца, снятого при высоком разрешении, на фоне диска (б), то же на краю диска (в) Рис. 9.3.7. Вероятные магнитные конфигурации спокойного протуберанца в плоскости, пер- пендикулярной протуберанцу: а — конфигурация с линией нулевого магнитного поля, б — конфигурация с током изображения в фотосфере 494 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика Многочисленные наблюдения показывают, что спокойные протуберанцы распо- лагаются преимущественно вблизи границ между супергранулами. В зоне горизон- тальных участков таких протуберанцев магнитное поле параллельно солнечной по- верхности и имеет значительную компоненту вдоль его оси. Таким образом, силовые линии как спирали обвивают протуберанцы. Наконец, установлено, что протуберанец располагается, как правило, над нулевой линией в фотосфере. В сечении, перпенди- кулярном протуберанцу, силовые линии, возможно, выглядят так, как показано на рис. 9.3.7. Т.е. плазма лежит на силовых линиях, образующих "люльку". Рис. 9.3.8. Протуберанцы: а — эволюция короткоживущего протуберанца A, 2, 3,4 — вре- менная последовательность кадров. На кадре 1 в виде яркой точки для сравнения изображён приблизительный размер Земли; б — примеры активных (эруптивных) протуберанцев На промежутках между основаниями плазма может поступать в протуберанец как из хромосферы, так и из короны ("конденсация" корональной плазмы) и стекать в основания со скоростями ~ 5 км/с. Эта скорость меньше скорости звука и альфве- новской скорости.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Квазиравновесные структуры, связанные с фотосферой» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
