Метеоритно-кометная природа дифференциального вращения Солнца

 

Введение

 

Сущность дифференциального вращения Солнца состоит в том, что угловая скорость вращения его видимой поверхности уменьша­ется в направлении от экватора к полюсам, т.е. по мере повышения гелиографической широты места[1].

При этом наблюдаются следующие особенности, обобщенные в работах[2,3]:

— зависимость угловой скорости от широты места неодинакова в северном и южном полушариях Солнца;

— значения угловой скорости и дифференциальности вращения зависят от фазы 11-летнего цикла солнечной активности и макси­мальная скорость в экваториальной зоне на­блюдается в эпохи ее минимумов;

— изменения скорости могут быть различной величины и про­должительности и дости­гать 20% ее среднего значения;

— на этапе своего формирования солнечные пятна (далее — пятна) имеют собственное движение в направлении восток—запад со скоростью до 8•10² см/с, скорость движения пя­тен на после­дующих этапах тем меньше, чем больше их размеры;

— пятна, расположенные на шпротах менее 16°, со временем смешаются в направлении экватора, а расположенные на широтах более 16° — смещаются к полюсам со скоростью до 80 см/с.

Предполагают[1,4], что дифференциальный характер вращения Солнца обусловлен или большей скоростью вращения его внутренних слоев, отчего они передают наружным слоям, расположенным в области экватора, больший момент количества движений, или нали­чием так называемых волн Россби, переносящих к экватору веще­ство солнечной атмосферы, имеющее более высокий момент коли­чества движения.

Однако ни одной из указанных причин до сих пор не дано убеди­тельного обоснования. Более того, в Крымской астрофизической обсерватории АН СССР получены данные, кото­рые, как считают авторы работы[5], опровергают мнение о более высокой скорости враще­ния внутренних слоев Солнца по сравнению с наружными его слоями. Таким образом, про­блема дифференциального вращения Солнца, обнаруженного немецким исследователем Шейнером ещё в 1630 году по перемещению пятен, до сих пор не решена. По нашему мне­нию, это обусловлено тем, что не было оценено влияние на видимую поверхность Солнца такого важного фактора, каким является падение на него крупных метеоритов и комет, обла­дающих при скорости падения 6•10⁷ см/с большим запасом кинети­ческой энергии[6]. Такое воздействие будет осуществляться:

— непосредственно, через ударное взаимодействие, в результате которого вещество упавшего тела, находящееся сначала в твердом, а после испарения — в газообразном состоя­нии, тормозится за счет вовлечения в совместное движение в том же направлении части ат­мосферы Солнца, расположенной вдоль траектории падения;

— косвенно, через образуемые в местах испарения осколков упав­шего тела циклониче­ские вихри с осью, перпендикулярной поверх­ности Солнца и проявляемые на ней в виде солнечных пятен.

 

1. Ударный механизм дифференциального вращения Солнца

 

В науке часто используют прием, когда необходимые параметры двигающегося тела определяют по результатам его воздействия на окружающую среду. Так, к примеру, массу, величину кинетической энергии и направление движения упавшего на Землю метеорита оп­ределяют по числу, размерам и топографии расположения крате­ров, образованных его ос­колками на поверхности почвы[7]. Телу большей массы, естественно, соответствуют боль­шие число и раз­меры кратеров. Такой прием можно использовать и по отношению к телам, упавшим на Солнце, только вместо кратеров анализировать образующиеся на его поверхно­сти пятна.

Величину влияния на вращение Солнца упавших на него тел рассмотрим на примере 21-го цикла солнечной активности. Взятые из публикаций[8,9] необходимые для этого дан­ные за 1976— 1986 гг. представлены в таблице. В ней имеются сведения о еже­годном числе групп пятен пяти стандартизованных размеров зани­маемой ими площади поверхности Солнца, измеряемой в миллион­ных долях его полусферы (м.д.п.), которые расположены в столб­цах 5—9 таблицы и имеют следующие размеры площади: 1—50, 51-200, 201-500, 501-1000 и более 1000 м.д.п. Группы пятен указанных размеров образуются при падении тел, имеющих массу, соответствующую значениям: 5•10¹¹ — 5•10¹²; 5•10¹² — 5•10¹³; 5•10¹³ — 5•10¹⁴; 5•10¹⁴ — 5•10¹⁵; 5•10¹⁵ — 5•10¹⁶ при средних значениях 10¹², 10¹³, 10¹⁴, 10¹⁵ и 10¹⁶ г[10]. Тела меньшей массы образуют единичные, не входящие в группы пятна и здесь не учитываются.

 

Таблица

 

Год	Количество групп пятен (всего штук)			Количество групп пятен различной площади поверхности (всего штук)					Средняя широта места пятен (градусы)
	На всём Солнце	Северн. полуш.	Южное полуш.	0–50 м.д.п.	51–200 м.д.п.	201–500 м.д.п.	501–1000 м.д.п.	Более 1000 м.д.п.	Северн. полуш.	Южное полуш.
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1976	77	36	41	52	15	8	2	0	13	15
1977	185	121	64	132	31	20	2	0	23	22
1978	451	242	209	272	113	47	13	6	22	22
1979	621	328	299	348	169	76	27	7	18	20
1980	621	298	323	357	153	69	33	9	16	17
1981	606	311	295	365	139	63	27	12	13	15
1982	446	214	232	236	105	71	23	11	12	14
1983	303	92	211	194	69	27	12	6	11	14
1984	201	69	132	128	46	15	6	6	9	12
1985	86	36	50	57	20	6	3	0	6	11
1986	60	30	30	36	17	4	3	0	11	10
Итого:	3663	1777	1886	2177	877	405	151	57	Ср. 14	Ср. 16

 

Просуммировав произведения общего числа групп пятен каждого столбца таблицы на соответствующую им величину массы тела опре­делим, что за весь 21-й цикл активности на Солнце упали метеориты и кометы общей массой 10¹⁸ г. Топография расположения пятен, входящих в группу, и полярность магнитного поля ведущих пятен свидетельствуют, что на­правление движения тел в атмосфере Солнца было с востока на запад, т. е. совпадало с на­правлением вращения Солнца[10]. Угол наклона траектории движения тел в момент вхожде­ния в атмосферу Солнца и разница между ее температурой и температурой пятен позволяют утверждать, что глубина погруже­ния вещества тел в атмосферу на решающем участке тор­можения не превышала более чем в 3 раза толщины фотосферы и составляла 1,510⁸ см. Средняя плотность атмосферы в этом диапазоне ее глубины равна 10^-7 г/см³[6J.

Если исходить из того, что за продолжительность цикла активнос­ти, равный 11 годам, упавшие тела через воздействие на локальные области атмосферы окажут в итоге влияние на всю поверхность Солнца, площадью 6•10²² см²[6], то объем всей атмосферы, испытавшей ударное воздействие вещества упавших на Солнце тел, будет равен произведению площади его поверхности на глубину слоя 1,5•10⁸ см и иметь величину 9•10³⁰ см³, а масса при указан­ной плотности составит величину 9•10²³ г.

Исходя из условия, что в результате ударного взаимодействия вещества упавших испа­рившихся тел с веществом определенного объема атмосферы Солнца они будут иметь оди­наковую скорость движения, оценим величину их средней скорости движения, исполь­зуя классическую формулу

Vобщ. = (m₁•v₁ + m₂•v₂)/(m₁ + m₂),

где m₁ — масса всех упавших тел; m₂ — масса верхнего слоя атмос­феры; v₁ и v₂ — со­ответственно их скорости перед ударным взаимо­действием, равные 6•10⁷ см/с и 2•10⁵ см/с[6].

Элементарный расчет показывает, что их общая средняя скорость будет больше перво­начальной средней скорости верхнего слоя атмос­феры Солнца на 10² см/с.

Однако в связи с тем, что падение тел, приводящее к образованию пятен, ограничено областью достаточно низких широт и в начале цикла активности происходит (в среднем) на широтах 22—23°, к эпохе максимума активности постепенно перемещается на широту 15—17°, а в конце цикла их широта соответствует 10—11° (см. таблицу), то, следовательно, с та­кой же скоростью 1,5° в год или 50 см/с перемещается в направлении экватора зона первич­ного, наиболее сильного взаимодействия падающих тел с атмосферой Солнца, имеющая са­мое значительное изменение скорости движения по сравнению с найденным средним значе­нием.

К тому же необходимо учесть следующее. На изменение скорости вращения Солнца в области его экватора «работают» оба его полушария (северное и южное). В конце каждого цикла солнечной активности тела падают на поверхность Солнца в пределах всего диапазона широт: от 6° северной широты до 6° южной широты, но солнечные пятна формируются только у самых границ этой зоны, где скорость вращения видимой поверхности Солнца отличается уже существенно в зависимо­сти от гелиографической широты места в связи с шарообразной формой Солнца, но ударное воздействие падающих в этой области тел осуществляется в пределах всей поверхности эква­ториальной зоны. Это воздействие осуществляется в направлении падения тел на Солнце, отличающееся в нечётных и чётных циклах его активности. Этим и объясняется, почему именно в области экватора и именно в конце текущего и начале следующего цикла активности наблюдается самое значи­тельное изменение скорости вращения видимой поверхности Солнца. Здесь величина изме­нения скорости может в 4—6 раз превышать среднее значение и достигать величины по­рядка 5∙10² см/сек. При этом по тем же причинам в области полюсов Солнца изменение ско­рости, в результате ударного воздействия падающих тел, будет иметь минимальную вели­чину, что и приводит к характерному для дифференциального вращения Солнца уменьше­нию угловой скорости по мере повышения гелиографической широты места его поверх­но­сти.

 

2.  Циклонный механизм дифференциального вращения Солнца

 

Действие циклонного механизма дифференциального вращения Солнца рассмотрим применительно к эпохе максимума солнечной активности, когда на его поверхности одно­временно наблюдается до тысячи солнечных пятен, расположенных по всей окружности Солнца в диапазоне 10—25° широты на поверхности обоих его полушарий[8]. Поскольку, как уже отмечалось, солнечные пятна представляют собой циклонические вихри, вращаю­щиеся против часовой стрелки в северном полушарии Солнца и по часовой стрелке в южном его полушарии[10, 11], то их взаимодействие друг с другом в каждом полушарие приводит к возникновению об­щего охватывающего движения в том же направлении. Сначала это происходит с соседними пятнами, входящими в одну группу, затем общее вихревое движение охваты­вает соседние группы и, наконец, все группы пятен каждого полуша­рия в отдельности. На этом этапе в связи с тем, что пятна располо­жены по всей окружности полосы широт 10—25°, на перифе­рии и за пределами этой полосы в поверхностном слое солнечной атмос­феры, толщиной по­рядка 1,5•10⁸ см, возникают три глобальные замкнутые сами на себя охватывающие Солнце течения (движе­ния), параллельные экватору Солнца, и направленные с востока на запад в области экватора и с запада на восток в области высоких широт. В связи с этим, скорость собственного движения видимой поверхности Солнца, обусловленного его вращением во­круг своей оси, в экваториальной области увеличится, а в области высоких широт — умень­шится, что как раз и является характерным признаком дифференциального вращения Солнца.

Недавно в хромосфере Солнца обнаружено смещение расположен­ных в ней волокон в направлении с запада на восток на широтах более 40° и с востока на запад на широтах менее 20°, что, по мнению авторов этой работы[12], можно рассматривать как следствие развитая гигантского циркуляционного вихря, за который, как нам представляется, приняты глобаль­ные движения вещества в хромо­сфере, аналогичные тем, что и в фотосфере, имеющие те же природу и механизм. Действительно, через хромосферу проходят трассы не только тех ме­теоритов и комет, которые падают на Солнце, но и тех, перигелий которых расположен в пределах хромосферы. Именно по этой причине скорость вращения хромосферы выше, чем фотосферы, а у фотосферы должна быть, соответственно, выше, чем скорость вращения вещества кон­вективной зоны Солнца под его видимой поверхности.

Поскольку развитие глобальных экваториального и высокоширот­ных течений заверша­ется вовлечением в них наиболее удаленных от пятен участков атмосферы по всей поверх­ности Солнца, то, к примеру, максимальная скорость течения на экваторе, как показывают расчеты, установится спустя пять лет после его появления на широте 10°. В этом легко убе­диться, принимая во внимание удален­ность экватора от указанной широты на расстояние 1,2•10¹⁰ см, а скорость распространения самого течения в направлении эквато­ра ~80 см/с, если судить о ней по скорости «собственного» движе­ния в этом направлении солнечных пя­тен, расположенных на широ­тах менее 16°[3]. Именно по этой причине в нечётных циклах активности максимальная ско­рость движения атмосферы на экваторе наблюдается вблизи эпох завершения текущего цикла ак­тивности, тем более, что в это время и сами пятна, как уже отмечалось, образуются ближе всего к экватору[8].

Большая инерционность экваториального течения, обусловленная его колоссальной массой 2•10²³ г (протяженность течения по широте от +10° до —10° равна 2,5•10¹⁰ см, длина по экватору — 4,5•10¹¹ см, глубина — 1,5•10⁸ см, средняя плотность по глубине 10^-7 г/см³), приводит к тому, что именно в цикле, следующим за циклом с высоким уровнем солнечной активности, будет наблюдаться более высокая средняя за цикл скорость вращения поверхности Солнца в области экватора.

Различие в дифференциальности вращения северного и южного полушарий Солнца обусловлено различиями в них уровня солнечной активности и средней широты образования пятен в течение цикла активности. Из приведенных в таблице данных (столбцы 3 и 4) видно, что в 21-м цикле в северном полушарии наблюдалось 1777 групп пятен, а в южном полуша­рии 1886 групп пятен, средняя широта первых +14°, а вторых —16° (столбцы 10 и 11). При действии циклонного механизма дифференциального вращения Солнца на этих широтах ве­личина изменения скорости вращения имеет минимальное, нулевое значение. В области с более низкими значениями широт имеется дополнительная положительная составляющая скорости вращения, в ней пятна смещаются в направлении экватора, а в области с более вы­сокими значениями широт имеется дополнительная отрицательная составляющая скорости вращения, в ней пятна смещаются в направлении полюса Солнца. Эти резуль­таты согласу­ются с фактическими данными измерения смещения пятен в обе стороны относительно ши­роты 16°[3].

Так как угловая скорость вращения Солнца на экваторе на 1/143 часть больше, чем на широте 16°[6], то, следовательно, принятое среднее значение линейной скорости движения видимой поверхности Солнца на экваторе, равное 2,03•10⁵ см/с[6], выше ее средней скорости в случае отсутствия дифференциального характера враще­ния на 1,5•10³ см/с. Поскольку в нечётных циклах дей­ствие ударного механизма увеличивает линейную скорость движения поверхности Солнца на экваторе ~ на 0,5•10³ см/с, то, следовательно, повышение ее скорости на 1•10³ см/с обу­словлено действием циклонного меха­низма дифференциального вращения Солнца. Собст­венная же скорость движения экваториального течения, обусловленного дейст­вием обоих указанных механизмов, имеет величину 1,5•10³ см/с на экваторе и постепенно уменьшается с широтой до нуля при 16° широты.

 

3. Некоторые следствия ударно-циклонного механизма дифференциального вра­щения Солнца

 

Следствие первое. Непосредственными измерениями установ­лено[3], что в нечётных циклах активности пятна в тече­ние первых нескольких дней с момента, как они становятся видимыми на поверхности фото­сферы, двигаются в направлении восток—запад ~ на 8•10² см/с быстрее, чем после оконча­ния своего формирования, когда они имеют наибольшие раз­меры и устойчивость. Примерно на столько же быстрее двигаются уже сформированные пятна малых размеров, по сравне­нию с круп­ными пятнами правильной круглой формы. Исключение составляют крупные пятна неправильной формы, которые, поскольку пятна-вихри, по нашему мнению, представ­ляют собой группу близко рас­положенных мелких пятен, регистрируемых, как одно пятно.

Из сказанного следует, что главным фактором, влияющим на скорость движения пятен, являются их видимые размеры. Не вызы­вает сомнения, что пятна большего диаметра имеют и больший раз­мер в направлении оси образующего их вихря. Объем атмосферы, состоящий из частиц, находящихся в совместном, коллективном вихревом движении, перемещается в пространстве как единое целое. Располагаясь в среде, плотность которой увеличивается с глубиной, а скорость движения уменьшается, пятна будут перемещаться с некоторой сред­ней скоростью окружающей их среды, которая будет соответствовать ее скорости на глубине 2/3 размера пятна вдоль его оси. Следовательно, чем крупнее пятно и больше его размер вдоль оси, тем медленнее оно будет перемещаться в направлении движения окружающей атмосферы.

Следствие второе. Ударное взаимодействие вещества упавшего на Солнце тела, нахо­дящегося сначала в твердом, а затем в газообраз­ном состоянии, имеет ту особенность, что объем, а соответственно и масса атмосферы Солнца, испытавшей на себе этот вид воздейст­вия, постепенно возрастают, при этом средняя скорость всей массы также постепенно сни­жается. Следовательно, в зависимости от того, в какой момент времени после падения тела производится, с использо­ванием спектрального метода, измерение скорости движения атмо­с­феры, в пределах указанного его объема, таким будет и результат измерения. В первые су­тки после падения тела массой 10¹⁶ г объем и масса испытавшей ударное взаимодействие атмосферы будут иметь величину, при которой изменение ее скорости будет составлять 20% значения скорости движения окружающей атмос­феры. При этом скорость изменится в сто­рону ее увеличения, если направление движения тела в момент падения совпадала по направ­лению с движением атмосферы и изменится в сторону ее уменьше­ния в случае обрат­ного направления движения упавшего тела.

Следствие третье. Взаимодействие вихревых движений, обра­зующих пятна одной группы, как отмечалось, приводит к возникно­вению на периферии группы общего охваты­вающего все пятна вих­ревого движения в том же направлении. Чем больше размеры группы, тем масштабнее их общее вихревое движение и на большую глубину оно распространяется и именно поэтому их скорость в сред­нем на 2% меньше, чем скорость небольших групп пятен.

 

Заключение

 

Метеоритно-кометная природа и ударно-циклонный механизм дифференциального вращения Солнца позволили объяснить все изложенные в начале статьи особенности диф­ференциального вра­щения, чего не удавалось сделать на основе других подходов к этому явлению. Преимущество изложенных взглядов состоит в том, что они опираются на фунда­ментальные законы природы и допускают возможность их экспериментальной проверки, по­зволяют присту­пить к разработке теории вращения Солнца.

 

Литература

 

1. Гибсон Э. Спокойное Солнце. Пер. с англ./Под ред. Э.П.Кононовича. М.: Мир, 1977. 408 стр.

2. Солонский Ю.А., Xилов Е.Д. Солнце – загадки и открытия. Л.: Знание, 1939. 32 стр.

3. Мизун Ю.Г. Космос и погода. М.: Наука, 1986. 144 стр.

4. Кичатинов Л.Л. Модель дифференциального вращения Солнца. //Астрономи­ческий журнал. 1990. Т. 67. Вып. 6.  стр. 1288-1299.

5. Гопасюк С.И., Лямова Г.В., Ханейчук В.И. Крутильные колебания пятен и вращение подфотосферных слоев Солнца. //Изв. Крымской астрофиз. обсерватории АН СССР. 1988. № 79. стр. 34-41.

6. Аллен К.У. Астрофизические величины. Пер. с англ./Под ред. Д.Я. Мартынова. M.: Мир, 1977. 448 стр.

7. Кринов Е.Л. Железный дождь. М.: Наука, 1981. 192 стр.

8. Витинский Ю.И., Копецкий М.П., Куклин Г. В. Статистика пятнообразовательной деятельности Солнца. М: Наука, 1986. 296 стр.

9. Гневышева Р.С. Солнечная активность в 1986 и 1987 гг. //Астрономический кален­дарь. 1989. Вып. 93. стр. 184-191.

10. Владимиров Е.А., Владимиров А.Е. Метеоритно-кометная природа солнечных пятен и планетно-эстафетный механизм солнечных циклов. — В кн.: Владимиров А.Е., Владими­ров Е.А. Метеоритно-кометная природа солнечных пятен и дифференциация вращения Солнца. СПб.: Изд-во «Комета», 1994 г.

11. Погосянц Х.П. Циклоны. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 148 стр.

12. Духлеев П.И. и др. Об одной особенности крупномасштабной циркуляции в сол­нечной атмосфере, определенной по поведению долгоживущих волокон // Солн. магн. поля и корона: Тр. 13-го Консультативного совещания по физике Солнца. Одесса, 26 сент.-2 окт. 1988. Т. 2. Новосибирск, 1989. стр. 82-85.

 

Примечание: Эта статья является второй частью брошюры «Метеоритно-кометная природа солнечных пятен и дифференциального вращения Солнца», выпущенной в Санкт-Петербурге издательством «Комета» в 1994 году за счёт финансовых средств её авто­ров. ISBN 5-7116-0043-5.

Выпускные данные брошюры следующие.   

 

А.Е. Владимиров,

Е.А. Владимиров

«Метеоритно-кометная природа солнечных пятен и дифференциального враще­ния Солнца»

Сдано в набор 04.01.94. Подписано в печать 28.01.94. Формат 60х901/16. Объём 1,5 п.л. Бумага типогр. Печать офсетная. Тираж 500 экз.

Отпечатано на ротапринте Гипрорыбфлота. 190000 г. Санкт-Петербург ул. М. Морская д. 18 – 20