20. Активность Солнца

Как уже говорилось, глобальные характеристики Солнца практически не менялись на протяжении нескольких миллиардов лет. Однако локальные могут претерпевать временные флуктуации. Общей причиной зарождения и формирования тех или иных образований на Солнце является магнитное поле. Остановимся вкратце на отдельных проявлениях нестационарности Солнца. В дальнейшем эта информация будет важна для понимания некоторых процессов в звездах.

Пятна  это темные образования на поверхности Солнца. Размера их от нескольких сотен километров до десятков тысяч и даже до ста тысяч километров (рис. 17,18). Уже то обстоятельство, что пятно выглядит как темное образование на поверхности Солнца, подсказывает, что температура вещества в пятне меньше, чем в окружавшей его области. Измерения показали, что яркость пятна примерно раз в 10 меньше яркости соседних областей. Тогда по закону Стефана-Больцмана температура в пятне , т.е. действительно примерно на две с половиной тысячи градусов меньше. Спрашивается: какая причина привела к такому значительному (пусть и локальному) понижению температуры? Ответ на этот вопрос таков: вследствие весьма сложных магнитогидродинамических процессов на Солнце формируются магнитные жгуты или магнитные силовые трубки. Пятна образуются там, где эти силовые трубки выходят на поверхность Солнца (см. рис. 19). Какая связь между магнитным полем и темными пятнами? Дело в том, что сила Лоренца, действующая на частицы вещества Солнца (а надо учесть, что оно - хороший проводник), препятствует движению вещества поперек силовой трубки (почему?). Поэтому вещество, захваченное силовой трубкой, может двигаться лишь вдоль нее. По этой причине не происходит перемешивания вещества внутри трубки с веществом вне ее. Вещество внутри трубки остывает, не получая энергию извне, и когда оно вместе с силовой трубкой выходит на поверхность. то это и проявляется в виде темных пятен. Как можно проверить такое объяснение? Очевидно, для этого следовало бы измерить напряженность магнитного поля в пятне и вне его. Такая возможность существует^. Оказалось, что напряженность магнитного поля Солнца вне пятна примерно 1 гаусс(гс), что приблизительно в два раза больше напряженности магнитного поля Земли. Напряженность же магнитного поля в пятне достигает нескольких тысяч гс. Зарегистрирован случай, когда напряженность поля в гигантском пятне была около 5000 гс. Таким образом, действительно природа пятен связана с магнитным полем (рис. 20).

Хромосферные вспышки  наиболее мощные проявления солнечной активности. Вспышки происходят вблизи границы раздела полярности магнитного поля между пятнами. При этом энергия магнитного поля очень быстро, в течение буквально нескольких минут переходит в тепло, нагревая газ до десятков миллионов градусов. Процесс имеет характер взрыва. Выделяется огромное количество энергии в виде различного рода электромагнитного излучения от рентгеновского до радио. Происходит ускорение до очень больших скоростей заряженных частиц. Так образуются солнечные космические лучи. Эти вспышки оказывают сильное влияние на геофизические явления.

Протуберанцы – это активные образования в виде арок в самой внешней области  короне. Длина их может достигать порядка нескольких сотен тысяч километров (рис. 21).

Исследования показали, что степень активности Солнца, которая характеризуется количеством пятен, периодически меняется с периодом, равным 11 годам. С этим периодом изменяется и общая полярность магнитного поля Солнца.

Задача №20. Рассчитать стационарное изотермическое непрерывное истечение газа со звезды (задача Е. Паркера о звездном ветре).

Решение: Второй закон Ньютона для сплошной среды (или уравнение Эйлера) выглядит следующим образом:

,

где  масса элемента объема газа, u  скорость этого элемента, выражение для и см. §13. Подставляя, получим:

.

Здесь r  расстояние от центра звезды, M  масса звезды. Учитывая, что d/dt  полная производная, запишем: . Стационарность течения означает, что u/t =0. Окончательно второй закон Ньютона для стационарного течения принимает вид:

Из условия сохранения вещества в сферически симметричном течении ur² = const, или d(ur²)/dr = 0. Наконец, уравнение состояния Менделеева-Клапейрона

,

где T  температура газа. Величина a = (kT/m_H)^1/2 = const (no условию изотермичности)  называется изотермической скоростью звука. Эту систему уравнений можно свести к одному уравнению:

По условно непрерывности течения в точке r = r_a , где u = a (так называемая звуковая точка), правая часть должна равняться нулю .

С учетом этого решение уравнения имеет вид:

,

где A  константа интегрирования. Определим ее из условия, что u = a при r = r_a . Тогда A = 3. Качественная зависимость u(r) приведена на рис. 22.

Задача №21. Оценить скорость солнечного ветра на радиусе земной орбиты, положив T ~ 10⁶ K - температура в короне.

Решение: a  80 км/с, r_a  10⁷ км. Обозначим . Тогда . Это уравнение можно решить методом последовательных приближений: ; ; . Если ограничиться этим, то .

Ответ: .