Тайна солнечных пятен раскрыта

Владимиров Е.А. и Владимиров А.Е.

«Пятнистое» Солнце

Скупые сведения летописей и 400 лет научных исследований… Что мы знаем о Солнце и периодически появляющихся солнечных пятнах – «тёмных» образованиях на поверхности его фотосферы? Кажется не мало, но по-прежнему нет ответов на следующие вопросы:

- какова причина возникновения солнечных пятен и что они собой представляют?

- что является причиной изменения их количества и почему они разной величины?

- чем обусловлена одиннадцатилетняя периодичность изменения количества солнечных пятен?

- почему они имеют различную полярность магнитного поля и чем вызвано различие полярности магнитного поля ведущего (как и замыкающего) пятна в группе в соседних циклах активности Солнца?

Перечень нерешённых вопросов на этом не закончен, но в рамках небольшой статьи осветить все просто невозможно. Поэтому я постараюсь ответить на часть из них, использую подсказку стопятидесятилетней давности. Отметим, что на данный момент нет даже единой гипотезы, которая смогла бы пролить свет на темный лик солнечных пятен.

Начнём с того, что удалось выяснить за 400 лет наблюдений за Солнцем.

Солнечные пятна не возникают в области полюсов и экваторов нашей звезды. Количество пятен изменяется от месяца к месяцу и от года к году в среднем с одиннадцатилетней периодичностью их максимумов и минимумов. Продолжительность цикла активности от одного минимума до другого не постоянна и изменяется в диапазоне от 7 до 17 лет. В течение одного цикла меняется и количество пятен на разных гелиографических широтах.

На поверхности фотосферы (видимой поверхности Солнца) пятна располагаются чаще всего группами от 2 до 50 и более, при этом в каждой группе, как правило, два солнечных пятна имеют существенно большие размеры. Они называются «ведущим» и «замыкающим» и имеют противоположную магнитную полярность.      

За время своего существования размеры пятен постепенно увеличиваются, а в конце «жизни» – уменьшаются до полного исчезновения. Чем крупнее пятно, тем дольше оно «живёт». Срок его «жизни» может достигать ста дней. Линейные размеры пятен могут доходить до 250 тысяч км – то есть в 20 раз превышать диаметр Земли.

Пятнообразование на Солнце с давних пор привлекает внимание учёных, но «Великая тайна солнечных пятен» - как назвал эту проблему Галилей – до сих пор полностью не раскрыта.

Всё дело в падении космических тел

Еще сэр Джон Гершель (1792 - 1871) предположил, что солнечные пятна образуются в результате падения на Солнце космических тел. Однако обоснования этому ни он, ни его последователи дать не сумели, а от общих допущений до научных доказательств – путь не близкий, поэтому эта идея, впоследствии, так и не получила своего развития.

И, как я считаю, совершенно незаслуженно. Ответы на все перечисленные вопросы можно дать с учётом падения на Солнце крупных (массой 10¹⁰—10¹⁶ г) космических тел – метеороидов, комет и даже малых астероидов.

По тем же самым физическим законам, по которым возникают циклоны в атмосфере Земли и водовороты над тонущими кораблями, в месте погружения в атмосферу Солнца и испарения упавшего на него космических тел, в ней образуется локальное разряжение и возникает газовый вихрь, вращающийся, как и циклон, против часовой стрелки в северном полушарии Солнца и по часовой стрелке — в южном его полушарии, поскольку Земля и Солнце вращаются вокруг своих осей в одинаковом направлении. В зоне вихря уменьшается приток тепла от центра Солнца к его поверхности, что приводит к охлажде­нию атмосферы в этой зоне, дальнейшему понижению в ней давления, повышения плотности солнечной плазмы и её погружению, вызывающему образование вихревого движения плазмы. После выравнивания давления, вращательное движение газа в области пятна будет продолжаться по инерции с постепенным понижением скорости и повышением температуры, ведущим к исчезновению пятна.

Таким образом, жизненный цикл пятна обусловлен возникнове­нием, развитием и затуханием вихря, вызванного падением в этом месте Солнца космического тела, его разрушением на части и последующим испарением. Жизненный цикл группы пятен обусловлен, кроме того, и взаимодействием образовавшихся вихрей.

При этом, чем больше масса упавшего тела, тем больше диаметр вихря и тем продолжительнее время его существования, так как быстрее затухают мелкие вихри.

Однако в области экватора Солнца (до ± 5° по широте) пятна при падении тела не образуются, так как из-за незначительной раз­ницы линейной скорости общего движения атмосферы Солнца на этих широтах, не возникают вихри. Не возникают вихри и в области полюсов, но уже по причине очень малой линейной скорости в этом месте общего движения солнечной атмосферы. Тоже самое наблюдается и на Земле с циклонами.

О магнитном поле пятен

Для возникновения магнитного поля характерной для пятен конфигурации необходимо наличие движения электрических зарядов в области полутени пятна вокруг его ядра. Возникновение такого вида электрического тока в условиях вихревого движения газа, нагретого до температуры 5000—6000°, неизбежно. Так, например, в зоне падения и испарения космического тела основной примесью водородной атмосферы Солнца будут атомы железа и никеля, находящиеся в ионизированном состоянии. Причем, из-за различного сродства с электроном образуются положительные ионы железа и никеля и отрицательные ионы водорода.

При этом в связи с высокой электрической проводимостью атмосферы Солнца -  как плазмы -  удельная плотность зарядов обоих знаков будет одинакова и в целом плазма будет нейтральной. Однако, несмотря на это, из-за большой разницы атомного веса указанных металлов и водорода (в 60 раз), а значит, и их ионов, более тяжёлые ионы металлов, в соответствии с законом инерции, при своём движении от периферии вихря к центру сделают большее число оборотов, чем ионы атомарного водо­рода.

Это равнозначно (в данном случае) возникновению элект­рического тока, обусловленного движением положительных зарядов ионов железа и никеля, а соответственно и магнитного поля северной полярности в северном полушарии Солнца и южной полярности — в южном его полушарии, так как направление вращения вихрей в этих полушариях противоположное. В зоне падения и испарения каменного космического тела основной примесью атмосферы будут молекулы и ионы окислов кремния и кислорода (SiO₂ → SiO + O), причем из-за их большего сродства с электроном в этом случае более тяжёлыми будут отрица­тельные ионы, а ионы атомарного водорода станут положительными. По этой причине направление электрического тока и полярность магнитного поля этих пятен будут противоположными пятнам, образо­ванным падением железных космических тел.

При достижении зоны тени пятна ионы начинают двигаться вдоль силовых линий магнитного поля и выносятся за периферию пятна. Это приводит к постепенному снижению их концентрации в пятне и уменьшению напряженности магнитного поля.

Такие же результаты даёт падение железо-каменных космических тел, поскольку содержание железа с никелем и окислов металлов в них почти одинаково.

Групповое магнитное поле

Наблюдения показали, что пятна на поверхности Солнца распределяются не равномерно, а группами. Причем, как правило, наряду с мелкими пятнами в каждой группе имеется два существенно более крупных пятна, расположенных относительно друг друга в направлении запад—восток и называемых, соответствен­но, западным или ведущим и восточным или замыкающим по отно­шению направления вращения Солнца. Особенностью этих пятен является отличие полярностей их магнитных полей. Когда ведущее пятно в группе имеет северную полярность магнитного поля, замы­кающее имеет южную полярность и наоборот. Из этого следует, что такие группы образованы падением, как минимум, двух крупных космических тел, одно из которых железное, а другое - каменное или падением одного железо-каменного космического тела, содержание железа и никеля в котором в сумме сравнимо с содержанием окислов кремния и других химических элементов.

Совместное одновременное падение железного и каменного космических тел возможно лишь при условии, что до паде­ния на Солнце эти разные по составу тела составляли пару близко расположенных друг к другу тел, двигающихся по одной орбите вокруг Солнца. Однако закономерность образования таких пар, на первый взгляд, кажется маловероятной. В то же время, приняв во внимание трёхкратное различие их удельного веса и соответствующее отличие (при равных массах) их аэродинамических характеристик из-за разных габаритов, можно утверждать, что при движении по одной и той же орбите в сильно разреженной, но всё же оказывающей сопротивление движению среде, железное космическое тело будет иметь несколько большую среднюю скорость, чем каменное. Это на предшествующем сближению с планетами этапе, в период движения к афелию, неизбежно приведет к их приближению друг к другу и образо­ванию пары, в которой «лидером» будет железное тело. Создавая сзади себя разреженную зону, он будет обеспечивать совместное их движение на время, достаточное для кристаллизации на поверх­ности тел такого количества льда, при котором между ними образуется прочное соединение.

К этим двум крупным телам возможно присоединение и нескольких мелких. Это соединение разрушается только на этапе приближения к Солнцу в области орбит внутренних планет. Такое разрушение наблюдалось у 25 комет, состоящих из двух, трёх и более частей. Дальнейшее раздельное движение космических тел приводит к некоторому увеличению рас­стояния между ними, что скажется на удалении друг от друга образовавшихся из них пятен одной группы.

Из-за более сильного торможения каменного тела, имеющего меньшую плотность, а соответственно, и более низкую аэродинамическую характеристику по сравнению с железным телом, второе всегда выпадает впереди первого по направ­лению их движения в атмосфере Солнца.

Именно по этой причине в тех случаях, когда движение космических тел при падении совпадает с направлением общего движения атмосферы Солнца, обусловленного его вращением, ведущее пятно в группе будет обра­зовываться падением железного космического тела и, соответственно, в се­верном полушарии его магнитное поле будет иметь северную поляр­ность, а в южном полушарии — южную полярность, что характерно, для нечётных циклов солнечной активности. В чётных циклах, по сравнению с нечетными, ведущие пятна в группах имеют другую полярность магнитного поля (замыкающие пятна тоже). Это явля­ется следствием того, что в этих циклах на Солнце падают тела с обратным движением, обусловленным повторным воздействием на них Юпитера, поскольку после первого его воздействия период их обращения вокруг Солнца не будет существенно отличаться от 6 лет, кратных периоду Юпитера (12 лет).

Цикличность возникновения солнечных пятен

Предлагаемая физическая природа пятен позволяет по новому объяснить причины изменения количества образующихся групп пятен. Их число на Солнце может быть обусловлено только изменением числа упавших на него космических тел. 

Известно, что сближение космических тел с массивными планетами приводит к резкому изменению их орбит, в том числе и в направлении прибли­жения перигелия к Солнцу, как это, например, произошло с орбитой кометы Вэста-Икемуры 1880 года. В итоге она из долгопериодической превратилась в короткопериодическую. Дву­кратное последовательное, ЭСТАФЕТНОЕ воздействие наиболее массивных планет - Сатурна и Юпитера - в ряде случаев приводит также к полному преобразованию орбит, в результате чего и в этом случае космические тела начинают обходить Солнце с обратным направлением своего движения вокруг него. Это, например, произошло с кометой Брукса 1886 года. Именно таким воздействием Юпитера и Сатурна на орбиты космических тел обусловлено падение последних на Солнце с обратным движением, характерным, как уже отмечалось, для чётных циклов активности.

Поскольку орбиты комет семейства Сатурна и Юпитера распределе­ны неравномерно, и их афелии концентрируются в области простран­ства обратной апексу Солнца, а сидерические периоды этих планет равны (с округлением) соответственно 30 и 12 годам, каждые 60 лет должны образовываться 2 максимума числа комет от воздействия Сатурна, 5 максимумов от воздействия Юпитера (через каждые 12 лет) и 3 максимума от поочередного эстафетного их воздействия с перио­дичностью 20 лет (частное от деления произведения сидерических периодов на их разность). Всё вместе это образует совокупный ряд из б максимумов через 12, 20—24, 30, 36—40, 48, 60 лет от точки отсчёта. Из них 3 максимума - через 12, 30 и 48 лет образуют максимумы нечетных циклов, а другие 3 - через 20—24, 36—4 0 и 60 лет, соответственно, эстафетные максимумы чётных циклов.

Таким образом, в среднем, продолжительность цикла сол­нечной активности равна 10 годам при наличии циклов, имеющих длительность от 8 до 12 лет. Из этого следует, что за 180 лет, а точнее (без округления сидерических периодов Сатурна и Юпитера) за 178 лет (периодичность наступления такого астрономического явления как «парад планет») должно произойти соответственно 18 циклов солнечной активности. Этот промежуток времени для анализа выбран потому, что он соответствует периодичности так называемого «парада» планет, т.е.  периодичности повторения определенного располо­жения всех планет (без Плутона) относительно звёзд и друг друга.

Однако, как это следует из данных наблюдения солнечных пятен с 1610 года, за каждые 178 лет происходит не 18, а всего 16 циклов. Пропажа одного нечётного и одного чётного циклов объясняется тем, что за указанный промежуток времени не происходит сближения Сатурна и Юпитера с кометами своего «семейства». Кроме того, при каждом последующем цикле за этот период (178 лет) происходит постепенное уменьшение численности комет в «семействах» в результате их падения на Солнце. Первоначальная численность «семейств» восстанавливается один раз за 178 лет за счёт «семейств» Урана и Нептуна.

Именно этим обусловлено появление циклов 15—17-летней про­должительности, в частности от максимума в 1788 г. до максиму­ма в 1804 году. Таким образом, есть все основания считать, что 11- и 22-летние циклы — это проявление 10- и 20-летних идеаль­ных циклов, обусловленных воздействием двух самых массивных планет Сатурна и Юпитера, имеющих наиболее многочисленные семейства комет.

Аналогичные рассуждения, проделанные относительно Урана и Нептуна с их «семействами» комет (с учетом сидерических периодов и эстафетных распо­ложений с Сатурном и Юпитером), приводят к неизбежности появле­ния так называемых длинных циклов изменения мощности солнеч­ной активности, связанных с пополнением «семейств» комет Сатурна и Юпитера, а рассуждения относительно внутренних планет и их эстафетных расположений приводят к неизбежности появления коротких циклов флуктуации солнечной активности.

Действительно, три внутренние планеты с наиболее короткими сидерическими пе­риодами дают периодичность эстафетных расположений, равных, (с округлением) для эстафетных пар: Земля и Меркурий -4 месяца, Венера и Меркурий - 5 месяцев, Земля и Венера - 19 месяцев. Совокупное их воздействие образует ряд: 0.4—5, 8, 10, 12, 15—16, 19—20 месяцев, из которого следует, что за 19,5 месяцев будет 6 коротких циклов, продолжительностью от 2 до 5 месяцев, при средней про­должительности 3.25 мес. Это наиболее чётко проявилось в 21 цикле солнечной активности с января 1976 г. по декабрь 1986 г., когда за 132 месяца произошла 41 флуктуация солнечной активности.

Поскольку периодичность 19.5 месяцев отражает периодичности эстафетных расположений всех трёх указанных эстафетных пар планет, она должна как-то проявляться. Анализ показывает, что если взять за точку отсчёта начало 21-го цикла, соответствующее минимуму солнечной активности (июль 1976 г.), то именно с такой перио­дичностью (19—20 месяцев) повторяются наиболее значительные минимумы, включая июль 1976 г., март 1978 г., октябрь 1979 г., июнь 1981 г., февраль 1983 г., октябрь 1984 г. и июнь 1986 г.

Особенно эффективно эстафетное воздействие Земли и Венеры, как самых массивных внутренних планет, в годы прохож­дения Венеры по диску Солнца, т.е. когда они находятся в области узлов своих орбит. Почти во всех случаях прохождений, даты про­хождений и максимумов цикла совпадают с точностью до 1 года, а в прохождениях 1761 и 1769 годов (интервал 8 лет!) даты совпали с точностью до 1 месяца. Многочисленность совпадений исключает их случайность и подтверждает наличие фундаментальной связи между расположением планет и уровнем солнечной активности через их воздействие на космические тела, которые в результате изменения орбит выпадают на Солнце. При этом в момент «парада планет», когда их суммарное притяжение внутрь Солнечной системы максимально, из внешнего кометного пояса, так называемого облака Оорта, происходит пополнение численности кометных «семейств» всех планет. 

Всё это и обеспечивает на тысячелетия деятельность эстафетного механизма цикличности солнечной активности. При этом Уран и Нептун приводят к неизбежности появления так называемых длинных циклов изменения мощности солнечной активности, Сатурн и Юпитер определяют среднюю продолжительность циклов, а Земля, Венера и Меркурий — моменты минимумов и максимумов.

Прогнозирование солнечной активности

Наличие установленной нами фундаментальной связи между расположением планет и числом пятен на Солнце из-за которой за 178 лет происходит 16 циклов солнечной активности, позволило поставить вопрос о разработке на этой основе метода прогноза насту­пления дат (эпох) её минимумов и максимумов. Проверка показала, что если к дате минимума, т.е.  начала, например, 1-го и 5-го циклов прибавить 178 лет, то получим дату начала, соответственно, 17-го и 21-го циклов. Проведенные расчеты для всех циклов, начиная с минус десятого, показали, что точность прогноза, выполненного по этой методике, составляет в среднем 0,3 года. Если к полученной дате минимума (начала) цикла прибавить 4 года, то будет определена с той же точностью дата максимума цикла.

Проверка использования для прогноза других чисел от 20 до 200 лет показала значительно худшие и неприемлемые для прогно­за результаты.

Преимущество изложенной методики прогноза в её простоте и высокой точности, как для краткосрочного, так и для долгосрочного (до 178 лет) прогноза.

Закон Шперера

Закон Шперера отражает тот факт, что в начале цикла пятна образуются, в основном, на широте ±25—30° в обе стороны от экватора, в середине цикла на широте ±10—25°, а в конце его на широте ±5—10°. Такое распределение обусловлено тем обстоя­тельством, что плоскости орбит планет и космических тел, падающих на Солнце, распо­ложены под углом друг к другу и к плоскости эклиптики, а эстафет­ное расположение планет может быть при их нахождении в различ­ных точках орбит относительно узлов. Из-за указанной несогласо­ванности, величина воздействия (силы) планет на космические тела разлагается на две составляющие: продольную и попереч­ную. Первая определяет величину приближения перигелия тел к поверхности Солнца, а вторая — величину смещения перигелия относительно плоскости экватора Солнца. Максимум цикла соответ­ствует моменту совпадения направления результирующего воздей­ствия Сатурна и Юпитера с плоскостью, около которой располагается большее число орбит космических тел, падающих на Солнце. Это обеспечивает большую зону охвата, а соответственно более протяжённую по гелиографичекой широте и сре­динную в диапазоне широт область Солнца, на которой наблюдаются пятна. В не­чётных циклах, когда планеты Сатурн и Юпитер действуют незави­симо друг от друга, играет роль положение каждой из планет в от­дельности.

Что показывают единицы измерения солнечной активности?

Для оценки уровня активности Солнца, связанной с пятнами, используются две единицы измерения. Первая — число Вольфа — основана на учёте числа групп и пятен в них, появившихся за месяц и год. Вторая – м.д.п. – учитывает площадь всех пятен на видимой полусфере Солнца за те же отрезки времени, взятой в миллионных долях от площади самой полусферы.

Однако физическая сущность, фундаментальная основа этих единиц измерения была неясна. Это не способствует совершенствованию единиц измерения и сдерживает развитие науки об активности Солнца.

Исходя из предложенной физической природы солнечных пятен следует, что число Вольфа характеризует число выпавших на Солнце космических тел, из которых смогли образоваться пятна, а м.д.п. — их суммарную массу, определяющую суммарную площадь пятен. Это показывает, что используемые единицы измерения солнечной активности отражают различную суть одного и того же процесса — падения тел на Солнце, а, следовательно, могут использоваться и совместно, и порознь, в зависимости от характера проводимых исследований.

Итак

Предложенная идея физической природы солнечных пятен, основанная на падении на Солнце космических тел, оказалась исключительно плодотворной. Исходя из неё был разработан эстафетно-планетный механизм цикличности появления пятен на Солнце, раскрыта своеобразная роль в этом механизме Сатурна и Юпитера, остальных внешних и внутренних планет в формировании основных, длинных и коротких циклов, причина флуктуации активности и проявления закона Шперера.

На основе этой идеи объяснена роль упавших на Солнце железных и каменных космических тел при формировании магнитных полей разной полярности ведущих и замыкающих пятен, понята сущность чётных и нечётных циклов, механизм образования пар космических тел, раскрыта физическая сущность единиц измерения солнечной активности, разработана методика её прогноза.

Проведенная работа позволила получить многочисленные косвен­ные доказательства правильности как самой основополагающей идеи, так и механизма цикличности числа пятен. Имеется возможность получения прямых доказательств правильности и самой идеи и большинства её следствий.

27 января 2008.