Изменение скорости вращения в атмосфере

Из спектральных исследований было замечено, что скорости вращения, определенные по разным фраунгоферовым линиям, не одинаковы. Это различие трактовалось существованием градиента скорости с глубиной в фотосфере. Такой результат трудно объяснить моделью фотосферы, верхние слои которой конвективно устойчивы, а нижние испытывают некоторые конвективные движения.

4%-ное различие в скорости вращения между фотосферой и хромосферой маловероятно, так же, как и градиент скорости в фотосфере. Но, с другой стороны, амплитуда эффекта настолько велика, что ее трудно объяснить ошибкой в наблюдениях. Уменьшение скорости вращения внутрь Солнца удовлетворяет современным конвективным моделям, по которым вращение убывает с уменьшением радиуса Солнца. Но это противоречит кинематической модели динамо, где принимается, что скорость увеличивается к центральным частям Солнца.

В принципе, внутреннее вращение можно измерить по частотным сдвигам солнечных глобальных колебаний, о чем уже упоминалось выше. Изучение солнечных колебаний разных типов (солнечная сейсмология) обещает дать огромную информацию о внутренних частях Солнца и звезд, о которой всего десятилетие назад ученые не могли и мечтать.

К настоящему времени астрономы имеют следующие данные о вращении Солнца.

1. Солнце, как звезда класса G, вращается довольно медленно.
2. Угловая скорость звезд солнечного класса уменьшается с возрастом возможно пропорционально корню квадратному из времени жизни.
3. В среднем вращение поверхностных слоев солнечной атмосферы уменьшается с широтой от максимума на экваторе к минимуму у полюсов, по крайней мере, с разницей в 20%.
4. Возможно, что Солнце внутри вращается в 20 раз быстрее, чем на поверхности.
5. Скорость вращения атмосферы незначительно увеличивается с высотой до расстояния, примерно, двух солнечных радиусов.
6. Различные трассеры показывают более быстрое вращение на всех широтах, чем доплеровские измерения.
7. Магнитные поля вращаются примерно на 5% быстрее, чем фотосферная плазма.
8. Характер изменения угловой скорости с широтой для магнитных полей вне активных областей (фоновые поля) более близок к твердотельному вращению по сравнению с активными областями.
9. Дифференциальное вращение меняется со временем в зависимости от фазы цикла солнечной активности.

В распоряжении современной астрономии нет совершенной теории, которая могла бы объяснить все наблюдаемые аспекты вращения Солнца. Однако много теоретиков пытаются не без успеха решить эту проблему.

Так, для первых трех пунктов применяются модели развития солнечного углового момента. Для остальных теория предлагает модель взаимодействия конвекции и вращения. Эти две модели базируются на различных временных шкалах. Модели, использующие развитие углового момента, могут быть реально применены лишь для усредненного вращения, в то время как наблюдаемое дифференциальное вращение всецело определяется динамикой конвективной зоны с влиянием среднего вращения.

Высокая удельная проводимость солнечной плазмы имеет отношение к турбуленции и вращению атмосферы, к генерации и движению магнитного поля. Отсюда вытекает, что причиной солнечного дифференциального вращения является динамика внутренних течений, комбинация истечения энергии и эффект Кориолиса. Это, по так называемой динамо-теории, связано с гигантскими конвективными ячейками, чье существование она и предсказала. Однако следы этих гигантских элементов не обнаружены наблюдениями. Вопрос, следовательно, остается открытым.

Из-за магнитного поля, конвекции и движения вверх распространяющихся волн различного типа вращение фотосферы, хромосферы и внутренней короны связано с конвективной зоной. Вращение Солнца взаимодействует также с межпланетной средой, главным образом через магнитные поля, которые простираются в пространство и тянутся через среду вдоль оси вращения. Однако влияние межпланетной среды слишком слабо по сравнению с результатами других эффектов. Общая же скорость вращения увеличивается во время солнечного минимума активности, так как в этот момент значительная часть солнечного магнитного поля отсутствует. Из этого следует, что часть внешнего воздействия оказывает магнитное поле.

Наше понимание явления дифференциального вращения Солнца еще далеко от полного. Неизвестно и непонятно такое явление,, как крутильные колебания (локальные избытки скорости, распространяющиеся в виде волн), которые только что обнаружены на солнечной поверхности. Не ясно, например, будет ли движение крутильных волн более или менее однородно распределено по солнечной поверхности в любой момент времени, или же они состоят из локализованных областей, которые движутся неправильно, так что среднее движение кажется крутильной волной.

Итак, Солнце - единственная звезда, которую мы можем детально исследовать с учетом последних достижений атомной физики, ядерной физики, физики плазмы и магнитогидродинамики. Проводимые в наше время исследования Солнца дают основу для многочисленных астрофизических теорий и моделей. Сюда входят:

• фундаментальная теория высвобождения термоядерной энергии и переноса энергии в оболочках звезд;
• модели звездных структур и звездной эволюции; теории, объясняющие вращение звезд и их активности;
• модели звездного ветра и звездных корон;
• теории магнитных явлений на звездах и высвобождение накопленной магнитной энергии в виде взрыва, когда частицы ускоряются до энергий в миллиарды электрон-вольт на один нуклон.

Прогресс в теории солнечной активности, достижения в изучении действия солнечного ветра и межпланетного магнитного поля стимулируют исследование действия солнечного вращения и поля крупномасштабных скоростей на солнечное динамо. (Динамо-эффект - самовозбуждение магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Динамо-эффект применяют для объяснения происхождения или поддержания магнитных полей Земли, звезд и других небесных тел). Исследование скорости вращения Солнца, ее изменение с широтой, временем и радиусом имеет не только прикладной характер. Эта проблема является одной из самостоятельных фундаментальных задач физики Солнца. В настоящее время принято, что во вращающихся астрофизических объектах, имеющих конвективную зону, генерируются крупномасштабные магнитные поля. Усиление солнечного магнитного поля достигается за счет дифференциального вращения конвективной зоны. Таким образом, существует тесная связь между теориями дифференциального вращения и теориями динамо, что налагает серьезные ограничения как на те, так и на другие. Следовательно, очень важно достоверно установить, что механизм динамо действительно работает в конвективной зоне Солнца, и тем самым показать, что дифференциальное вращение проявляется не только на; поверхности, а действует на всем протяжении конвективной зоны. Наши знания о явлениях, происходящих внутри Солнца ("под поверхностью"), и ответственных за основной механизм цикла активности, очень ограничены. Именно поэтому данные о дифференциальной характеристике вращения с изменением угловой скорости, глубины и времени являются жизненно необходимой частью информации, доступной нам.

Решение этих вопросов зависит от лучшего теоретического анализа солнечного "динамо". В конечном счете, однако, это все зависит от наблюдений, которые и позволят сделать окончательный вывод о таком сложном и многообразном явлении, как вращение Солнца.

Из краткого обзора явлений на Солнце можно понять, почему в течение многих сотен лет Солнце не перестает удивлять ученых, и волновать умы людей.

Сейчас человек много знает о Солнце. Однако каждое открытие в области гелиофизики, каждый новый результат наблюдений оживляют солнечную астрономию, дают толчок развитию фундаментальных исследований, разработке новых теоретических методов, появлению все более смелых гипотез, созданию более совершенной техники для наблюдений. Сейчас Солнце исследуют с поверхности Земли с помощью оптических и радиотелескопов, с шаров-зондов, баллонов и стратостатов, ракет и орбитальных солнечных обсерваторий. В недалеком будущем Солнце будет изучаться с Луны. Будущие исследователи смогут дать полный ответ на многие вопросы, касающиеся природы многочисленных явлений на Солнце, на те вопросы, которые ставят в тупик современных гелиофизиков. Изучение каждого явления на Солнце вырастает в конечном итоге в сложнейшую проблему, связанную с проведением длительных высокоточных наблюдений, интерпретации полученных данных на основе самых последних теоретических представлений, созданием в ряде случаев новых теорий. Путь от гипотезы до научного открытия и тернист, и пройти его нелегко. Но другого пути в науке нет.