С полноценными картинками этот материал можно прочитать в моем жж:
https://nebula8.livejournal.com/326316.html
Может ли быть порядок в кипении, и можно ли проткнуть дырку в атмосфере Солнца? Может ли одна часть Солнца вращаться с одной скоростью, а другая с другой? Казалось бы — глупые вопросы, не правда ли? Ан нет.
Давайте по порядку. Знаете ли вы, что Солнце вращается вокруг своей оси, как и многие другие небесные тела? Если не знаете, то догадываетесь. Многие небесные тела вращаются вокруг своей оси, одни быстрее, другие медленнее. Некоторые ну очень медленно, и лишь некоторые вообще не хотят вертеться.
Солнце вращается, но очень хитрым образом. Экваториальная часть Солнца вращается с одной скоростью, а полярные области - с другой. Заметим, например, точку на солнечном экваторе… Постойте, как это можно? Солнце это большой кипящий котел, его поверхность состоит даже не из раскаленного газа, а из раскаленной плазмы. Как в него можно воткнуть палку где-нибудь на экваторе или на высоких широтах, чтобы проследить, когда эта палка исчезнет из вида и когда она появится снова на виду, чтобы определить, с какой скоростью Солнце крутится вокруг своей оси? Как это возможно? Где тот стабильно привязанный к месту объект, по которому можно узнать скорость вращения?
Хорошо, давайте разберемся постепенно и с самого начала.
Температура Солнца, как и любой звезды, очень велика. Считается, что в глубине Солнца она достигает многих миллионов градусов Цельсия, но на поверхности — только около 6000 градусов. Впрочем в науке температуру измеряют не по шкале Цельсия, а по шкале Келвина, но и по этой шкале температура поверхности Солнца тоже около 6000 градусов, и это число в данном случае не важно. Важно, что она просто высокая. Высокая настолько, что атомы газа, из которого состоит атмосфера Солнца, не могут удержать свои электроны, и те соскакивают со своих орбит.
Помните из курса школы про три главных состояния вещества? Первое, твердое, когда атомы собраны в решетку, то есть стоят ровными рядами; второе, жидкое, когда атомы нагреты и выскакивают из решетки, начинают бегать свободно, но все еще поддерживают связи друг с другом, а третье, газообразное, когда при еще большем нагреве атомы полностью теряют связи между собой и разлетаются в виде газа. А плазма это четвертое состояние вещества, когда при дальнейшем нагреве сами атомы рассыпаются на составные части: ядра атома, которые имеют положительный заряд, теперь летают отдельно от своих электронов, заряженных отрицательно, как мы помним из школьного курса физики. Так что мы имеем не просто газ, а более легкий и к тому же заряженный газ, который реагирует на электрические и магнитные поля.
Итак, Солнце очень горячее. Оно как большая кипящая кастрюля, подогреваемая снизу от горелки, нагретой (как считается) до нескольких миллионов градусов. Казалось бы при таких температурах на Солнце должен был бы твориться настоящий хаос и только он один! Ан нет. В любой самой булькающей кипящей кастрюле оказывается есть свой внутренний порядок, как это ни странно звучит. Кипение, при всей его хаотичности, не так уж хаотично. Заметил это один ученый, который начал разглядывать масло на раскаленной сковородке. И заметил, что даже при совершенно равномерном нагреве, горячее и потому более легкое масло в одних местах будет подниматься из глубины вверх на поверхность, где будет растекаться по поверхности и остывать, а в других местах это остывшее и потому более тяжелое масло будет опускаться вниз. Получается структуры, которые так и назвали ячейками Бенара по имени ученого. Или еще одно название — ячейки Релея-Бенара, где добавлено имя другого ученого, тоже изучавшего процессы в нагреваемых средах. И выглядеть это все будет как на видео по ссылке.
https://www.youtube.com/watch?v=H-9do9iayyc
Примерно так же идет процесс нагрева и охлаждения в атмосфере Солнца, и любой другой звезды. То, что происходит в верхних слоях атмосферы Солнца, выглядит очень похоже на те же ячейки Бенара.
Да что там звезды — это происходит и в океанах, где нагретая на низких широтах вода будет уноситься течениями в более холодные области, и внутри нашей планеты, где горячая магма совершает такие же путешествия (порой двигая даже материки по пути). Да и в любом месте, где есть нагрев с одной стороны, а охлаждение с другой, будут происходить такие же процессы. В простой комнате с обогревателем воздух будет собираться в поток и циркулировать по определенным траекториям. Нагреваясь он поднимается вверх, остывая, течет вниз. И предпочитает это делать собираясь в стабильные потоки-течения (если ему не мешать).
Этот процесс называется конвекцией. Или в случае перемещения больших масс воздуха, воды и другой среды в горизонтальной плоскости — адвекцией. Только здесь уже не маленькие (сравнительно) ячейки, в которых происходит теплообмен, а глобальные потоки, сравнимые по масштабам с размерами планеты или звезды.
Мысленно разделим солнечный интерьер на три главные части — плотное внутреннее ядро, где идет (как считается) цепная ядерная реакция, и где давление чудовищно велико. Второй слой, внешняя часть ядра, где давление еще очень велико, но уже не достаточно для ядерной реакции, и в этой зоне происходит просто передача тепла через радиацию. И третий слой — это более разрежённая среда, которая уже может двигаться, так называемая зона конвекции. В нижней части этого слоя давление еще велико и среда по своему состоянию более похожа на океан, чем на атмосферу. Плотный и очень горячий океан, в нижней своей части напоминающий по состоянию земную магму. И лишь верхнюю часть этого океана можно назвать солнечной атмосферой, где раскаленные массы двигаются с большой скоростью и мы видим явления, похожие на языки пламени и протуберанцы.
Солнце слишком разогрето, чтобы иметь твердое ядро, однако давление в этом ядре очень велико, оно очень плотное, потому оно вращается как единое целое. Частота вращения ядра Солнца вокруг оси — один оборот в неделю, что выяснили совсем недавно.
Вращается оно в том же направлении, что и Земля, то есть видимая нам с Земли сторона перемещается слева направо. Или если мы поднимемся над северным полюсом Солнца и посмотрим на него сверху, то вращение будет против часовой стрелки.
Солнечная атмосфера вращается куда более медленно. На Солнце в экваториальной области атмосфера совершает полный оборот за период около 26-27 суток, а вот в полярных областях за более чем 30 суток.
В чем причина такого странного поведения солнечной атмосферы? Во-первых, причина именно в той глобальной конвекции, которая переносит нагретые массы солнечной атмосферы сначала вдоль поверхности более плотного ядра из полярных областей в экваториальные, где совершенно раскаленные и ускоренные центробежной силой массы атмосферы выходят на видимую поверхность Солнца, приобретая дополнительное ускорение в направлении вращения Солнца. А затем эти же массы начинают растекаться по поверхности и двигаться в обратном направлении к полюсам.
Откуда мы узнали о таком замысловатом поведении солнечного океана (если конечно можно так выразиться)? Во первых, потому, что некоторые элементы, некоторые возникшие на поверхности Солнца явления могут просуществовать не только дни, но и недели. Это так называемые пятна, петли магнитных полей и прочие образования, которые стали видны благодаря фантастическому разрешению новых телескопов. И эти-то стабильные структуры и показывают скорость вращения разных слоев солнечной атмосферы — подобно тому, как можно отследить скорость движения земной атмосферы по скорости перемещения облаков. И вот как раз по этим элементам и выяснили, что экваториальная часть солнечной атмосферы совершает полный оборот за 26-27 дней, а вот полярные области не такие торопливые. Им на полный оборот требуется на несколько дней больше.
Хорошо, это понятно, скажете вы. Поведение верхней части атмосферы при наличии привязанных (пусть даже временно) к поверхности элементов может указать на скорость перемещения этой самой верхней части атмосферы. Но как можно определить, куда и как движется нижняя часть атмосферы? Как можно увидеть, что огромный поток раскаленного солнечного океана движется вниз к экватору? Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, требуется понять, что происходит с магнитными полями Солнца, и это очень интересная и непростая тема, она требует отдельного и большого рассмотрения. Я расскажу об этом в следующем выпуске.
Материал с картинками и ссылками - в жж
https://nebula8.livejournal.com/326316.html
Продолжение следует