Рассуждения о вращении Солнца

Владимиров Е.А. и Владимиров А.Е.

Солнце вращается по-разному

Люди давно предполагали, что Солнце имеет вращение. Однако, только после изобретения Галилеем телескопа это предположение стало общеизвестным фактом. Обнаружение на Солнце тёмных пятен и наблюдение за их перемещением по всей видимой поверхности нашего светила позволило определить угловую скорость его вращения вокруг своей оси – примерно 12º в сутки или один оборот за месяц. При этом оказалось, что угловая скорость тем меньше, чем больше величина гелиографической широты места видимой поверхности Солнца (фотосферы). В то время, когда в области солнечного экватора угловая скорость соответствует одному его обороту за за 25 дней, на широте ± 30º - за 27 дней, в полярных его областях – за 30 дней.   

Кроме того, многолетними наблюдениями удалось выяснить, что в разные годы угловая скорость Солнца меняется определённым образом – то повсеместно становится больше, то меньше указанных значений.  Истинная причина такого – названного дифференциальным – вращения Солнца неизвестна до сих пор.

После того, как английским исследователем Джоном Гершелем (1792 – 1871) было высказано предположение, что солнечные пятна возникают в результате падения на Солнце больших космических тел, в частности комет, известным физиком лордом Кельвиным (1824 – 1907) было высказано предположение, что и дифференциальное вращение Солнца имеет ту же самую причину.

Для такого предположения имелись основания: высокая - 618 км/с - скорость движения комет в области их перигелия (ближайшем расстоянии от эллиптической орбиты космического тела до Солнца), а, значит, и большой запас у них кинетической энергии. Сомнения вызывал один факт – самая большая угловая скорость Солнца часто совпадала с эпохой минимального количества солнечных пятен, на что обращали внимание и другие учёные.

Из-за этого до сих пор не было сделано попыток научного обоснования этой гипотезы, да и исходная гипотеза Гершеля также вызывала сомнения.        

На сегодня исследователями принято, что дифференциальный характер вращения видимой поверхности Солнца обусловлен большей угловой скоростью внутренней части его вещества (по отношению к внешней), обладающего тем самым большим моментом количества движения в расчёте на единицу массы. За счёт этого происходит передача части момента количества движения внутреннего объёма вещества - внешнему.

Однако наличию указанной причины до сих пор не дано убеди­тельного обоснования. Более того, в Крымской астрофизической обсерватории были получены противоположные данные – о меньшей скорости вращения внутренних слоёв Солнца по сравнению с его наружным слоем.

Таким образом, проблема дифференциального вращения Солнца, обнаруженного немецким исследователем Шейнером ещё в 1630 году по перемещению пятен, до сих пор не решена. Скорее всего, это обусловлено тем, что не было оценено влияние на видимую поверхность Солнца такого важного фактора, каким является падение на него крупных космических тел, обладающих при скорости падения 6·10⁵ м/с большим запасом кинети­ческой энергии. Такое воздействие будет осуществляться:

— непосредственно, через ударное взаимодействие, в результате которого вещество упавшего тела, находящееся вначале в твёрдом, а после испарения — в газообразном состояниях тормозится за счёт вовлечения в совместное движение в том же направлении части атмосферы Солнца, расположенной вдоль траектории падения на него  космического тела;

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

Ударный механизм

В науке часто используют приём, когда необходимые параметры движущегося 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. Телу большей массы, естественно, соответствуют большие число и раз­меры кратеров. Такой прием можно использовать и по отношению к космическим телам, упавшим на Солнце, только вместо кратеров анализировать образующиеся на его поверхности солнечные пятна.

Величину влияния на вращение Солнца упавших на него тел рассмотрим на примере 21-го цикла солнечной активности, за который на Солнце упали космические тела общей массой 10¹⁵ кг. Топография расположения пятен, входящих в группу, и полярность магнитного поля ведущих пятен свидетельствуют, что направление движения тел в атмосфере Солнца было ориентировано с востока на запад, т. е. совпадало с направлением вращения Солнца. Глубина погруже­ния вещества космических тел в атмосферу Солнца в области его видимой поверхности составляла примерно 2·10⁶ м при средней плотность 10^-10 кг/м³.

Если исходить из того, что за продолжительность цикла активнос­ти, равного 11 годам, упавшие тела через воздействие на локальные области атмосферы окажут в итоге влияние на всю поверхность Солнца, площадью 6·10¹⁸ м², то объём всей атмосферы, испытавшей ударное воздействие вещества упавших на Солнце тел, будет равен произведению площади его поверхности на глубину слоя 1.5·10⁶ м и иметь величину 9·10²⁴ м³, а масса этой части атмосферы при указан­ной плотности составит величину 9·10²⁰ кг.

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

              (m₁·v₁ + m₂·v₂)

V_общ = ————————;

                  (m₁ + m₂)

где  m₁ — масса всех упавших на Солнце космических тел; m₂ — масса верхнего слоя атмос­феры Солнца; v₁ и v₂ — соответственно их скорости перед ударным взаимо­действием, равные 6·10⁵ м/с и 2·10³ м/с.

Элементарный расчет показывает, что их общая средняя скорость будет больше первоначальной средней скорости видимой поверхности Солнца на 1 м/с.

Однако в связи с тем, что гелиографическая широта мест падений космических тел, приводящих к образованию пятен, ограничена областью поверхности Солнца не более ± 30°, а в диапазоне широта ± 5° падение космических тел происходит без возникновения солнечных пятен (из-за незначительного различия угловой          скорости вращения атмосферы в этом диапазоне гелиографических широт), но их ударное воздействие на солнечную атмосферу сохраняется.  

Если к тому же учесть, что в направлении экватора «работают» одновременно оба полушария Солнца и что к концу цикла активности область появления пятен приближается к экватору (широты ± 5—6°), становится понятным, по­чему именно на экваторе и именно в конце цикла наблюдается самая высокая скорость вращения видимой поверхности Солнца. Здесь величина увеличения скорости может в 4—6 раз превышать расчётное значение и достигать величины порядка 5 м/с. 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.

В следующем 22 цикле активности в связи с падением космических тел на Солнце навстречу движению его атмосферы, обусловленному его вращением, угловая скорость внешнего вещества Солнца (оцениваемого на уровне видимой поверхности) уменьшается.  

Циклонный механизм

Действие циклонного механизма дифференциального вращения Солнца рассмотрим применительно к периоду максимума солнечной активности, когда на его поверхности одновременно наблюдается до тысячи солнечных пятен, расположенных по всей окружности Солнца, в основном в диапазоне 10—25° широты на поверхности обоих его полушарий. 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, то их взаимодействие друг с другом приведёт 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 1.5·10⁶ м, возникают три глобальные замкнутые сами на себя охватывающие Солнце течения (движе­ния), параллельные его Солнца и направленные с востока на запад в области широты менее ±5º и с запада на восток в области высоких широт (более ± 25º). В связи с этим, скорость собственного движения видимой поверхности Солнца, обусловленная 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.

В конце прошлого века учёные обнаружили  в хромосфере Солнца, расположенной выше его видимой поверхности, 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 можно рассматривать как следствие развития гигантского циркуляционного вихря, за который, как мне представляется, приняты глобальные движения вещества в хромо­сфере, аналогичные тем, которые происходят и на видимой поверхности. Скорее всего, они имеют одинаковые природу и механизм. Действительно, через хромосферу проходят трассы не только тех космических тел, которые падают на Солнце, но и тех, которые на него не падают, однако их перигелий расположен в пределах хромосферы. Именно по этой причине скорость вращения хромосферы выше, чем видимой поверхности Солнца.

Поскольку развитие глобальных экваториального и высокоширот­ных течений, обусловленных циклическим механизмом, завершается вовлечением в них наиболее удаленных от пятен участков атмосферы по всей поверхности Солнца, то максимальная скорость течения на экваторе установится спустя несколько лет после максимума солнечной активности. Именно по этой причине максимальная ско­рость движения атмосферы на экваторе наблюдается вблизи периода минимума солнечной активности, тем более что в это время и сами пятна, как уже отмечалось, образуются ближе всего к экватору.

Большая инерционность экваториального течения, обусловленная его колоссальной массой 2·10²⁰ кг (протяженность течения по широте от +10° до —10° равна 2.5·10⁸ м, длина по экватору — 4.5·10⁹ м, глубина — 1.5·10⁶ м, средняя плотность по глубине 10^-4 кг/м³), приводит к тому, что именно в цикле, следующим за циклом с высоким уровнем солнечной активности, будет наблюдаться более высокая средняя за цикл скорость вращения видимой поверхности на экваторе.

К примеру, в 21-ом цикле в северном полушарии наблюдалось 1777 групп пятен, а в южном полушарии 1886 групп пятен, средняя широта первых +14°, а вторых — (-16°) (то есть имелось значительное отличие). В связи с этим возникло и соответствующее отличие и в степени дифференциальности вращения северного и южного полушарий Солнца. При действии циклонного механизма вращения Солнца, на гелиографических широтах +14°и -16° вызванная им составляющая угловой скорости 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 наличия смещения пятен за период их жизни в обе стороны относительно гелиографической широты + 16°.

В чётных циклах активности, когда космические тела падают на Солнце, имея с ним противоположное направление движения, скорость вращения видимой поверхности Солнца будет меньше, чем в нечётные циклы активности. По этой причине скорость вращения видимой поверхности атмосферы Солнца к концу нечётного цикла солнечной активности будет больше, чем скорость вращения части вещества Солнца под этой поверхностью, а к концу чётных циклов – наоборот, меньше.    

Каков итог?

Ударно-циклонный механизм дифференциального вращения Солнца, обусловленный падением на него крупных космических тел, позволяет объяснить все особенности его вра­щения, чего не удавалось сделать на основе других подходов к этому явлению. Преимущество этой концепции состоит в том, что она опираются на фундаментальные законы природы, допускает возможность их экспериментальной проверки и позволяет присту­пить к разработке теории вращения Солнца.

 27 января 2008.