Данный раздел посвящен ближайшей к нам звезде — Солнцу. Мы увидим насколько все там сложно. Это не просто "термоядерный реактор над головой", как часто говорят, но и сложнейший МГД-генератор токов и магнитных полей. Если рассмотренные в разделе 9.1 атмосферные вихри хорошо описываются аналитически и моделируются в "кастрюле" с водой, если облик магнитосферы разумно моделирует- ся на компьютерах и в лабораторном эксперименте, а, кроме того, детальный анализ свойств магнитосферы можно выяснить в любой ее точке с помощью космических аппаратов и активных экспериментов, то в случае с Солнцем ситуация совершенно иная. А, тем не менее, как уже говорилось ранее, знание механизмов функционирова- ния Солнца имеет большое практическое значение, в частности для предсказания 9.3. Солнце 485 космической погоды и принятия защиты космонавтов и космических аппаратов, защиты наземных систем связи и энергетических сетей, а также предупреждения о вредных воздействиях магнитных бурь на организмы людей. Наряду с этим изуче- ние процессов на Солнце является мощным двигателем научного прогресса многих областей знания, вплоть до общего мировоззрения. В середине XX века складывалось впечатление, что в основном физика Солнца ясна: оформилась концепция термоядерной природы энерговыделения внутри Солнца DН^ |Не), а появившаяся "космическая электродинамика" позволит просто все объяснить. Но вот проходит более 50 лет, и видно, что, хотя базовые представления о тер- моядерной энергетике и роли магнитного поля не изменились, целый ряд принципи- ально важных явлений остается необъясненным. Вот самые известные из них [232]: - 11-летний период активности Солнца, в том числе период смены полярности его общего магнитного поля; - дифференциальное вращение Солнца, благодаря которому время оборота на разных глубинах и широтах разное; - механизмы генерации и структура магнитного поля в глубине Солнца и осо- бенности его выхода на поверхность Солнца в виде пятен, факелов и других образований; - механизмы выброса плазмы в виде протуберанцев; - волокнистая "структура" всех наблюдаемых образований на Солнце. И этот список можно продолжать и продолжать... Причины плохого знания физики Солнца известны. Это, прежде всего, - Большая сложность происходящих на Солнце процессов и невозможность по- строения сравнительно простых адекватных самосогласованных моделей Солн- ца. Этому препятствуют трёхмерность турбулентных МГД-процессов, огромный диапазон плотностей и температур, а также ядерное энерговыделение; - Удаленность Солнца не только от Земли, но и от специальных космических аппаратов. Из-за этого нельзя рассмотреть объекты, меньшие ~ 300 км. В то же время наблюдения показывают универсальность волокнистого строения всех объектов видимых на Солнце, а недостаточное разрешение изображения не позволяет определить минимальный размер волокон; - Отсутствие способов заглянуть в глубины Солнца, хотя 11-летний цикл маг- нитного поля и многое другое определяются именно внутренней зоной Солнца. Но, к счастью, ситуация сейчас начинает резко изменяться. Начать с того, что космические аппараты все ближе подлетают к Солнцу и позволяют непрерывно наблюдать Солнце, снимая фильмы во многих случаях от начала процесса до его конца, и при этом без искажений, вносимых атмосферой Земли и ее вращением. Отсутствие атмосферы между космическим аппаратом и Солнцем позволили для наблюдений использовать весь спектр электромагнитных волн, а это дает много нового материала. Вторым принципиальным достижением последних десятилетий является — каза- лось бы, совершенно невероятное, создание методов диагностики внутренних обла- стей Солнца. Таких методов сегодня два. Первый из них сводится к фиксации солнечных нейтрино, образующихся в ре- зультате термоядерной реакции Известно, что нейтрино обладает очень малым сечением взаимодействия с другими частицами, и поэтому почти свободно выходит из глубин Солнца. Но, естественно, что, благодаря этому, ловить нейтрино, приходящие на Землю, очень непросто. И, 486 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика тем не менее, такие детекторы были созданы сначала в Япониии, Канаде, а затем в других странах. Представление о масштабах этих установок дают параметры японского детектора Superkamoikande. Его основой является бак с очень чистой водой диаметром ^ 35 м и высотой 45 м. На стенках этого бака размещается 13 • 103 датчиков для фиксации излучения, возникающего при захвате нейтрино. Эти эксперименты привели к фундаментальному открытию "осцилляции нейтри- но", но для нас важно, что с помощью указанных детекторов были подтверждены рассчитанные параметры солнечного термоядерного реактора. Другим направлением развития диагностики внутренних областей Солнца явля- ется так называемая "гелиосейсмология", т. е. изучение колебаний солнечного шара, подобно обычной сейсмологии, которая позволила "просветить" глубины Земли [235]. Отметим, что гелиосейсмология берет свое начало в 1960 году, когда Р. Лейгтон, анализируя локальные допплеровские сдвиги на изображениях Солнца, показал, что поверхность Солнца ритмично пульсирует с периодом ~ 5 минут. Однако комплекс- ное исследование такого рода колебаний в широком диапазоне частот началось в 1990 году. Эти исследования, в частности, подтвердили предсказание наличия в Солнце ядра, где энергия переносится излучением, и внешней оболочки, где перенос энергии происходит благодаря конвекции (рис. 9.3.1). Но есть еще одно обстоятельство, которое радикально способствует прогрессу в изучении Солнца. Это появление мощных компьютеров. Очевидно вызванный космической гелиосейсмологией и нейтринными наблюдениями, огромный поток ин- формации был бы в существенной степени обесценен, если бы параллельно не шел рост мощности компьютеров и изощренности моделирования солнечных процессов. Вот мнение астрофизика Р. Стайна: "В изучении Солнца компьютерные модели сыграли не меньшую роль, чем спутники и телескопы" [236]. В итоге, как говорят сами астрофизики, наступает "золотой век изучения Солн- ца". И еще одно замечание. Создается впечатление, что время, когда астрофизики поймут главное в солнечных процессах, будет то же время, когда на Земле физики и инженеры создадут промышленные термоядерные реакторы. Но вернемся к нашей книге. Процессы на Солнце исключительно многообразны. Поэтому в данном параграфе будут предельно коротко описаны только поверхностная (видимая) структура Солнца в "спокойном состоянии" (грануляция, солнечные пятна и спокойные протуберанцы), а затем хорошо видимые бурные динамические процессы (эруптивные протуберанцы, вспышки, выбросы корональной массы). В конце параграфа будет описана "стандартная" модель Солнца в целом и пока- зано место Солнца среди других звезд.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Солнце» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
