|
Загадочная особенность Солнца
|
|
|
|
В конце 1980-х годов ученые поняли, что могут понять внутренние свойства Солнца, наблюдая за звуковыми волнами, которые резонируют внутри него. Этот метод, названный гелиосейсмологией, выявил таинственно тонкий динамический слой в недрах Солнца, который стал известен как тахоклин.
|
|
|
|
Тахоклин чрезвычайно тонок, но считается, что он играет важную роль в формировании магнитных свойств Солнца. В течение многих лет ученые теоретизировали, рассчитывали и моделировали эти слои Солнца, но вопрос о динамике, которая приводит к существованию тахоклина, остается чрезвычайно сложной математической загадкой.
|
|
|
|
Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе создали первые самосогласованные модели внутреннего строения Солнца, которые учитывают соответствующую динамику и самопроизвольно создают тахоклин, что знаменует собой важный шаг вперед в физике Солнца. Их модели были созданы с помощью самого мощного суперкомпьютера НАСА, и результаты опубликованы в журнале Astrophysical Journal Letters.
|
|
|
|
Для нас, жителей Земли, тахоклин важен из-за его предполагаемой роли в формировании магнитных полей Солнца. Эти поля вызывают такие события, как солнечные вспышки и корональные выбросы массы — всплески активности Солнца, которые могут привести к разрушению глобальных энергосистем и выходу из строя наших спутников. Надежное предсказание того, когда произойдут эти события, требует точного моделирования внутренней части солнца, особенно тахоклина.
|
|
|
|
|
|
|
Изучение свойств тахоклина нашего Солнца на удалении от дома может дать представление о магнитной активности других звезд. Ученые полагают, что магнитные свойства звезды могут иметь решающее значение для ее способности принимать у себя другие планеты, поддерживающие жизнь.
|
|
|
|
"Мы знаем много информации о солнце, но солнце - это всего лишь одна звезда", - говорит Лорен Матильски, аспирант Калифорнийского университета в Санта-Крузе и первый автор исследования.
|
|
|
|
"Мы многое узнаем о динамике нашего солнца, и в процессе, я думаю, мы также узнаем о том, как это работает на других звездах. Вопросы о тахоклине становятся все более важными в свете изучения других звездных систем и экзопланет".
|
|
Чрезвычайно тонкие
|
|
|
|
Матильски, его наставник Николас Браммелл, профессор прикладной математики в инженерной школе Баскина, и бывшая аспирантка Калифорнийского университета в Санта-Крузе Лидия Корре, которая в настоящее время является научным сотрудником Университета Колорадо в Боулдере, продолжили исследование тахоклина в рамках работы "Последствия полей и течений внутри и снаружи зданий". научный центр sun (COFFIES) DRIVE.
|
|
|
|
Эта крупная межведомственная группа, важной частью которой является Калифорнийский университет Санта-Крус, стремится понять солнечное "динамо" - физический процесс, который создает магнитные поля Солнца.
|
|
|
|
Тахоклин играет важную роль в солнечном динамо, поскольку он разделяет две различные области Солнца. Под тахоклином находится зона излучения, которая составляет 70% радиуса Солнца и вращается так же, как вращается твердый бейсбольный мяч.
|
|
|
|
Над тахоклином находится конвективная зона, самая удаленная от Солнца на 30% по радиусу, которая вращается по-разному с характерной для газа текучестью. Между этими двумя зонами находится чрезвычайно тонкий тахоклин, большие колебания скорости которого, вероятно, играют ключевую роль в работе динамо-машины.
|
|
|
|
"Изначально, глядя на динамику, вы не ожидали бы, что тахоклин будет таким тонким, потому что существует множество процессов, которые могут привести к распространению тахоклина, если предоставить их самим себе, поэтому всегда остается большой загадкой: "Почему этот слой такой очень, очень узкий?" — сказал Бруммелл.
|
|
|
|
В течение многих лет исследователи пытались решить математические уравнения магнитной гидродинамики для солнечной геометрии, чтобы подтвердить предсказания и модели, связанные с тахоклином.
|
|
|
|
Но солнце - это очень мощный и турбулентный газовый шар, а это означает, что его движение зависит от огромного диапазона масштабов, от очень маленьких (скажем, 10 метров) до очень больших (скажем, 1 миллион километров). Аналогичным образом, существует огромный диапазон соответствующих временных масштабов. Это чрезвычайно затрудняет моделирование Солнца, и предыдущие попытки не смогли воспроизвести основные реалистичные динамические процессы, происходящие в недрах Солнца.
|
|
|
|
Расчеты "Героя"
|
|
|
|
Несмотря на эти трудности, Матильски, по его собственным словам, "рад принять достойный вызов". Он и компания Korre взялись за масштабную задачу по созданию "героических" расчетов — чрезвычайно сложных и объемных математических симуляций, которые более точно моделировали физические процессы, происходящие в режиме, подобном солнечному.
|
|
|
|
В прошлых попытках моделирования солнца не удавалось правильно расставить приоритеты в физических процессах, влияющих на солнечное динамо. Это опять-таки связано с огромным диапазоном длин и временных масштабов, которые охватывают эти процессы. В этой работе команда впервые смогла вложить вычислительные ресурсы, необходимые для достижения правильного упорядочения динамики.
|
|
|
|
Их модели отдают предпочтение процессу, называемому "радиационным растеканием", который со временем приводит к утолщению тахоклина, в отличие от другого процесса утолщения, который, как считается, незначителен на солнце и называется "вязким растеканием".
|
|
|
|
"Лорен и Лидия проводили очень сложные, масштабные симуляции, в которых мы сделали их достаточно масштабными и сложными, чтобы можно было изменить вязкость в пользу гораздо более реалистичного процесса распространения излучения", - сказал Бруммелл.
|
|
|
|
Запустив свои модели с измененными приоритетами, используя суперкомпьютер Pleiades НАСА Эймса в течение десятков миллионов часов суперкомпьютерных вычислений в течение 15 месяцев, они впервые смогли создать полностью самосогласованную модель того, как работает тахоклин.
|
|
|
|
Без специального указания их модели конвективной и радиационной зон самопроизвольно создали тахоклин. Интересно, что именно силы, создаваемые динамо-машиной, работающей в конвективной зоне, были ключом к поддержанию тонкости тахоклина в этой модели.
|
|
|
|
"Здесь есть синергия, потому что считается, что тахоклин играет фундаментальную роль в возникновении динамического процесса. Теперь кажется, что обратное также может быть правдой, в том смысле, что магнитное поле от динамо-машины может вызвать существование тахоклина в первую очередь", - сказал Матильски.
|
|
|
|
Источник
|
