|
Источник магнитного поля Солнца находиться у поверхности
|
|
|
|
Поверхность Солнца представляет собой яркое зрелище солнечных пятен и вспышек, вызванных магнитным полем Солнца, которое генерируется внутри планеты в результате процесса, называемого динамо-действием. Астрофизики предположили, что солнечное поле генерируется глубоко внутри звезды. Но исследование Массачусетского технологического института показало, что солнечная активность может быть обусловлена гораздо более мелким процессом. В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи из Массачусетского технологического института, Эдинбургского университета и других организаций обнаружили, что магнитное поле Солнца может возникать из-за нестабильности в самых отдаленных слоях Солнца. Команда ученых создала точную модель поверхности Солнца и обнаружила, что, когда они моделировали определенные возмущения или изменения в потоке плазмы (ионизированного газа) в верхних 5-10% поверхности Солнца, этих изменений поверхности было достаточно для создания реалистичных моделей магнитного поля, характеристики которых были аналогичны тем, которые наблюдали астрономы на солнце. Напротив, их моделирование в более глубоких слоях показало менее реалистичную солнечную активность.
|
|
|
|
Полученные данные свидетельствуют о том, что солнечные пятна и вспышки могут быть результатом слабого магнитного поля, а не поля, которое зарождается глубже на Солнце, как в основном предполагали ученые. "Особенности, которые мы видим, когда смотрим на Солнце, такие как корона, которую многие люди видели во время недавнего солнечного затмения, солнечные пятна и вспышки на Солнце, связаны с магнитным полем Солнца", - говорит автор исследования Китон Бернс, научный сотрудник математического факультета Массачусетского технологического института. "Мы показываем, что изолированные возмущения вблизи поверхности Солнца, вдали от более глубоких слоев, могут со временем усиливаться, потенциально создавая магнитные структуры, которые мы видим". Если магнитное поле Солнца действительно возникает в его самых отдаленных слоях, это может дать ученым больше шансов прогнозировать вспышки и геомагнитные бури, которые могут привести к повреждению спутников и телекоммуникационных систем.
|
|
|
"Мы знаем, что динамо-машина работает как гигантские часы со множеством сложных взаимодействующих частей", - говорит соавтор Джеффри Васил, исследователь из Эдинбургского университета. "Но мы не знаем многих деталей и того, как они сочетаются друг с другом. Эта новая идея о том, как запускается солнечное динамо, необходима для его понимания и прогнозирования". В число соавторов исследования также входят Дэниел Лекоане и Кайл Огастсон из Северо-Западного университета, Джеффри Ойши из Бейтс-колледжа, Бенджамин Браун и Кит Джулиен из Университета Колорадо в Боулдере, а также Николас Браммелл из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Солнце представляет собой раскаленный добела шар плазмы, кипящий на его поверхности. Эта область кипения называется "зоной конвекции", где слои и столбы плазмы бурлят и перетекают. Зона конвекции составляет верхнюю треть радиуса Солнца и простирается примерно на 200 000 километров под поверхностью. "Одна из основных идей о том, как запустить динамо-машину, заключается в том, что вам нужна область, где много плазмы движется мимо другой плазмы, и это сдвигающее движение преобразует кинетическую энергию в магнитную", - объясняет Бернс. "Люди думали, что магнитное поле Солнца создается движениями в самом низу конвекционной зоны".
|
|
|
|
Чтобы точно определить, где зарождается магнитное поле Солнца, другие ученые использовали масштабное трехмерное моделирование, пытаясь понять, как протекает плазма во многих слоях внутренней части Солнца. "Для такого моделирования требуются миллионы часов на национальных суперкомпьютерных установках, но то, что они производят, по-прежнему далеко не так бурно, как на самом солнце", - говорит Бернс. Вместо того чтобы моделировать сложный поток плазмы по всему телу Солнца, Бернс и его коллеги задались вопросом, может ли изучение стабильности плазменного потока вблизи поверхности быть достаточным для объяснения происхождения динамо-процесса. Чтобы исследовать эту идею, команда сначала использовала данные из области "гелиосейсмологии", где ученые используют наблюдаемые колебания на поверхности Солнца для определения средней структуры и потока плазмы под поверхностью. "Если вы снимете видео с барабаном и посмотрите, как он вибрирует в замедленном режиме, вы сможете определить форму и жесткость головки барабана по режимам вибрации", - говорит Бернс. "Точно так же мы можем использовать колебания, которые мы наблюдаем на поверхности солнца, чтобы определить среднюю структуру внутри".
|
|
|
|
Для своего нового исследования ученые собрали модели структуры Солнца на основе гелиосейсмических наблюдений. "Эти средние потоки выглядят как луковица, в которой разные слои плазмы вращаются друг напротив друга", - объясняет Бернс. "Затем мы спрашиваем: существуют ли возмущения или крошечные изменения в потоке плазмы, которые мы могли бы наложить поверх этой усредненной структуры и которые могли бы вызвать усиление магнитного поля Солнца?" Для поиска таких закономерностей команда использовала Dedalus Project — разработанную Бернсом систему численного моделирования, которая позволяет с высокой точностью моделировать многие типы потоков жидкости. Код был применен для решения широкого круга задач, от моделирования динамики внутри отдельных ячеек до океанической и атмосферной циркуляции. "Мои сотрудники много лет думали о проблеме солнечного магнетизма, и возможности Dedalus теперь достигли той точки, когда мы могли бы решить ее", - говорит Бернс.
|
|
|
|
Команда разработала алгоритмы, которые они внедрили в Dedalus, чтобы обнаружить самоподдерживающиеся изменения в средних потоках на поверхности Солнца. Алгоритм обнаружил новые закономерности, которые могут усиливаться и приводить к реалистичной солнечной активности. В частности, команда обнаружила закономерности, которые соответствуют местоположению и временным рамкам солнечных пятен, наблюдавшихся астрономами со времен Галилея в 1612 году. Солнечные пятна - это временные образования на поверхности Солнца, которые, как полагают, формируются под воздействием магнитного поля Солнца. Эти относительно более холодные области выглядят как темные пятна по сравнению с остальной раскаленной добела поверхностью Солнца. Астрономы давно заметили, что солнечные пятна появляются циклически, увеличиваясь и уменьшаясь каждые 11 лет, и, как правило, тяготеют к экватору, а не к полюсам. В ходе моделирования ученые обнаружили, что определенных изменений в потоке плазмы, происходящих только в верхних 5-10% поверхностных слоев Солнца, было достаточно для создания магнитных структур в тех же областях.
|
|
|
|
Напротив, изменения в более глубоких слоях создают менее реалистичные солнечные поля, которые сосредоточены вблизи полюсов, а не вблизи экватора. Команда была заинтересована в более тщательном изучении структуры потоков вблизи поверхности, поскольку условия там напоминали нестабильные плазменные потоки в совершенно других системах: аккреционных дисках вокруг черных дыр. Аккреционные диски - это массивные диски из газа и звездной пыли, которые вращаются по направлению к черной дыре, движимые "магнитовращательной нестабильностью", которая создает турбулентность в потоке и заставляет его падать внутрь. Бернс и его коллеги подозревали, что подобное явление имеет место и на Солнце, и что магнитовращательная нестабильность в самых отдаленных слоях Солнца может быть первым шагом в формировании магнитного поля Солнца. "Я думаю, что этот результат может быть спорным", - говорит он. "Большая часть сообщества была сосредоточена на поиске динамического действия в глубине солнца. Теперь мы показываем, что существует другой механизм, который, по-видимому, лучше соответствует наблюдениям". Бернс говорит, что команда продолжает изучать, могут ли новые структуры поверхностного поля генерировать отдельные солнечные пятна и полный 11-летний солнечный цикл.
|
|
|
|
Источник
|
