Тайны солнечных вспышек

Владимиров Е.А. и Владимиров А.Е.

Эти таинственные вспышки

Вспышки на Солнце, как и солнечные пятна, – одна из характеристик его активности. Каждая «вспышка» - внезапное кратковременное (взрывообразное) локальное физическое явление, происходящее в области хромосферы Солнца, сопровождающееся резким увеличением яркости его излучения, выделением огромной величины энергии (до 10³² Эрг) в виде электромагнитного и корпускулярного излучений с появлением потоков «солнечных» космических лучей.

«Сейчас предполагается, - пишет в монографии о Солнце астрофизик Э. Гибсон, что сильные магнитные поля на Солнце способны собирать и запасать энергию … Детали механизмов накопления, сохранения и освобождения энергии неизвестны. Очень важны также, хотя и непонятны, механизмы выброса и ускорения частиц до исключительно высоких энергий» (курсив автора).       

В решении проблемы солнечных вспышек сложилась парадоксальная ситуация, которую отметил отечественный астрофизик Ю.И. Витинский в своей монографии «Солнечная активность»: «… за последние 15 – 20 лет мы узнали о вспышках больше, чем о солнечных пятнах за 200 с лишним лет … Чем больше исследователи Солнца бьются над решением этой проблемы, тем больше возникает в ней новых вопросов. Поэтому было бы легкомысленным с нашей стороны изложить здесь даже самые главные и притом нередко противоречивые результаты попыток построить теорию солнечных вспышек» (курсив автора). 

Именно в связи с отсутствием результатов, Национальная академия США направила в 2006 г. на близкую к Солнцу орбиту космическую лабораторию для получения дополнительных сведений о солнечны вспышках.

Поскольку Э. Гибсон сформулировал вопросы, на которые необходимо ответить при решении проблемы солнечных вспышек, а Ю.И. Витинский обосновал отсутствие целесообразности изложения разработанных противоречивых теорий их объяснения, перейдём сразу к изложению своей концепции.    

Сплошные «почему»

Предварительно, обратим внимание на следующее: о Солнце известно множество фактов, но большинству из них (несмотря на многолетние попытки учёных разных стран) до сих пор не дано объяснений. 

Почему постепенное уменьшение температуры с 15 млн. градусов в центре Солнца до 6 тысяч градусов на его видимой поверхности, начинает по мере дальнейшего удаления от неё повышаться до 2 млн. градусов в солнечной короне?

Почему водородная корона Солнца обогащена ионами атомов всех химических элементов?

Почему скорость «солнечного ветра», состоящего из ионов солнечной короны, не уменьшается, как это должно быть в результате притяжения Солнца, а увеличивается по мере удаления от него?

Чем объясняется изменение параметров перечисленных явлений с изменением солнечной активности?

И ещё множество вопросов.

Кризис «физики Солнца»

Оценка, данная Витинским «теориям» солнечных вспышек, и многочисленный «почему», касающиеся других «солнечных проблем», свидетельствуют о кризисе «физики Солнца». Пытаться строить новые теории, не разобравшись в причине или причинах указанного кризиса - бессмысленно, поскольку идущие по ошибочному пути не могут достичь своей цели. В чём же ошибочность выбранного учёными пути?

Физика Солнца, вещество которого находится в состоянии плазмы (существенная часть составляющих хромосферу атомов - ионизирована), одновременно является и «физикой плазмы». Из теории физики плазмы (обстоятельно и в то же время ясно изложенной академиком Л.А. Арцемовичем в его книге «Элементарная физика плазмы» известно, что если в плазме имеется перемещающееся в пространстве или изменяющееся по величине напряжённости магнитное поле, неизбежно возникают электрические токи, обусловленные воздействием поля на составляющие плазму ионы атомов и электроны. То есть, по существу возникает нагрев и движение этой части плазмы в целом.

Уже в первых научных работах по теории солнечных вспышек, выполненных нашим соотечественником С.И. Сыроватским, возникновение солнечных вспышек объяснялось якобы возможным процессом «пересоединения» магнитных силовых линий при взаимодействии перемещающихся относительно друг друга двух или более локальных магнитных полей. Именно такая ситуация и имеет место в хромосфере Солнца, за исключением самой возможности процесса «пересоединения».

Все последующие «теории» опирались, в том или ином виде, именно на движение в пространстве и изменение во времени напряжённости локальных магнитных полей. В этом не было ничего удивительного, так как солнечные вспышки возникают только в плазме, находящейся в этих полях. Однако не было учтено одно обстоятельство – низкая скорость движения локальных магнитных полей относительно друг друга и медленное изменение величины их напряжённости в сопоставлении с продолжительностью процесса самой вспышки в рентгеновских и гамма лучах (одна – пять минут) без учёта последующего так называемого процесса «высвечивания» плазмы, продолжающегося (из-за грандиозного масштаба явления) десятки минут, а иногда и несколько часов (в зависимости от радиуса сферы, заключающей объём плазмы, охваченный вспышкой).              

Следовательно, изложенный «механизм» вспышки (посредством процесса пересоединения) не может иметь лавинообразного характера течения процессов, позволяющих обеспечить её кратковременность и высокую мощность.

Физиков можно понять – не видно никакой другой альтернативы, если рассматривать процессы на Солнце в отрыве от процессов в Солнечной системе, а в данном случае – и от процессов во Вселенной в целом. К сожалению, чаще всего, как и в данном конкретном случае, именно так и поступают. Иначе чем объяснить такое количество нерешённых проблем в «физике Солнца», да и в физике в целом?  

Поиск альтернативы

Отвергая «активную» роль магнитных полей в процессах солнечных вспышек, не отвергается их роль целиком. Ведь не случайно же вспышки происходят в локальных объёмах хромосферы, охваченных магнитными полями солнечных пятен. Возникает естественный вопрос: какой вид энергии собирают, запасают впрок и сохраняют до момента начала вспышек локальные магнитные поля, создаваемые солнечными пятнами в хромосфере? Кто «обладатель» этой энергии?

Правильные ответы на эти два «ключевые» для решения проблемы солнечных вспышек вопроса позволят ответить и на все остальные.

Прежде всего, ответим на первый вопрос – какого вида эта энергия? В соответствии с различными «формами» происходящих процессов, говорят и о различных видах энергии: механической (кинетической), тепловой, химической, электромагнитной, гравитационной, ядерной и т.д. Эти разграничения имеют условный характер. Все виды энергии могут быть отнесены или к кинетической энергии, или к энергии связи, или одновременно – в равной мере – и к той, и к другой.

То обстоятельство, что магнитные поля взаимодействуют с частицами, имеющими электрический заряд, а магнитные поля особой формы (конфигурации) даже обладают свойствами улавливать (захватывать) такие частицы в объёмы пространства, в котором они присутствуют (магнитные «ловушки») склонило чашу весов в пользу кинетической энергии частиц, имеющих электрический заряд. Другое обстоятельство – громадная величина энергии солнечной вспышки (до 10³² Эрг), достаточная до нагрева или миллиарда тонн плазмы до температуры 40 млн. градусов (при такой температуре становится возможной термоядерная реакция синтеза «тяжёлых» ядер химических элементов из «лёгких» ядер) или до температуры кипения всю воду океанов Земли заставило сделать выбор в пользу космических лучей, обладающих самой высокой величиной кинетической энергии на одну частицу (до 10¹⁹ электрон-Вольт (эВ)), которые состоят, в основном, из ядер водорода.

Если считать, что каждое такое ядро-протон имеет энергию 6·10¹⁸ эВ или 10⁷ Эрг, то для обеспечения самой мощной солнечной вспышки с энергией в 10³² Эрг потребуется всего 10²⁵ протонов. Учитывая, что 1 грамм водорода содержит 6·10²³ атомов (число Авогадро), масса, требуемых для солнечной вспышки ядер водорода (в виде частиц космических лучей) составит всего 16,7 грамма. Если же принять за величину энергии частиц галактических космических лучей, проникающих в пространство Солнечной системы, не максимальное, а среднее их значение (5·10¹⁴ эВ), то в этом случае потребуется всего 200 кг.  

Признаемся, с трудом верится в эту невероятную реальность.

Есть ли основания подозревать, что в «деле» солнечных вспышек «замешаны» частицы космических галактических лучей? Да, есть! По крайней мере, два.

Первое – в периоды максимума солнечной активности, когда количество солнечных пятен, а, соответственно и число магнитных полей высокой напряжённости (5000 Гаусс) в хромосфере, способствующих эффективности «захвата» Солнцем космических лучей из космоса, приводит к резкому (в 5 – 10 раз и более) уменьшению их потока на границе земной атмосферы.

Второе – громадная масса Солнца и соответствующее ей гравитационное притяжение, действующее в пространстве сферы, имеющей радиус 15 млрд. км.

Найдённые ответы на два «ключевых» вопроса позволили найти решение проблемы солнечных вспышек. Это даёт возможность ответить и на остальные вопросы, изложенные в начале статьи.            

Физический механизм Солнечных вспышек

Следующий вопрос, касающийся рассматриваемой проблемы – как локальное магнитное поле, создаваемое парой солнечных пятен противоположной полярности собирает, запасает и сохраняет энергию до момента вспышки. Это осуществляется точно так же, как и магнитным полем Земли в отношении частиц космических лучей и частиц, «выбрасываемых» из Солнца при солнечных вспышках. Наличие в «окрестностях» Земли двух радиационных поясов и полярных сияний в районе её полюсов свидетельствует о высокой эффективности «механизма захвата» этих частиц магнитными полями, приводящего к концентрации частиц и их кинетической энергии в локальном объёме пространства, заполненного плазмой.   

Аналогичные процессы происходят в импульсных термоядерных реакторах синтеза ядер гелия из ядер дейтерия («тяжёлого» водорода), оснащённых магнитными ловушками, конфигурация магнитного поля в которых подобна конфигурации локального магнитного поля, создаваемого парами солнечных пятен, имеющих противоположную полярность их полюсов.

Различие состоит только в том, что нагрев плазмы в термоядерных реакторах осуществляется посредством кратковременного электрического разряда вдоль магнитных силовых линий, а на Солнце - посредством частиц космических лучей, «захватываемых» из космоса сильными (до 5000 Гаусс) локальными магнитными полями солнечных пятен.

Закономерный поступательно-возвратный винтообразный характер движения «захваченных» частиц космических лучей вдоль силовых линий локального магнитного поля с магнитными отражающими «зеркалами»-«пробками» вызывает в результате столкновений точно такое же движение и у ионов и электронов солнечной плазмы, содержащихся в этом же магнитном поле.

Разделение в пространстве и по направлению винтообразного движения положительно заряженных ионов и электронов, обусловленного противоположным знаком их электрических зарядов и тысячекратным отличием массы частиц, существенно затрудняет процесс рекомбинации («деионизации»), а если она осуществляется, то кратковременно, с сохранением высокого уровня возбуждения. Благодаря этому и наличию постоянного воздействия на эти возбуждённые атомы фотонов излучения фотосферы (видимой поверхности Солнца) и частиц космических лучей («циркулирующих» в этом же объёме пространства), закономерное движение повторно ионизируемых атомов солнечной плазмы фактически не прерывается. Не прерывается до момента вспышки и процесс поступления сюда же дополнительного числа частиц и солнечной плазмы, и космических лучей.

В связи с этим в каждом локальном магнитном поле число частиц, а, соответственно, и плотность плазмы более чем в сто раз превышают те же параметры плазмы в окружающем пространстве. Особенно очевидно это проявляется в области расположения нейтральной плоскости локального магнитного поля, равноудалённой от создающей его пары солнечных пятен, что обусловлено так называемым процессом автофокусировки около нейтральной плоскости в магнитном поле такой «бочкообразной» формы.

Именно здесь постепенно формируются (наблюдаемые в хромосфере, где располагаются локальные магнитные поля солнечных пятен) «тёмные» волокна, в которых часть излучения фотосферы, проходящего сквозь них, расходуется на увеличение энергии электронов возбуждённых атомов до уровня, достаточного для их повторной ионизации.

Таким образом, уровень кинетической энергии, который частицы космических лучей имели при «захвате» магнитной «ловушкой», до момента вспышки изменяется незначительно.

Накопление частиц солнечной плазмы и космических лучей в локальных магнитных полях Солнца продолжается в течение всего времени между двумя солнечными вспышками, происходящими в одном и том же месте. Периодичность вспышек – одна за сутки или за несколько суток. Вспышка происходит, когда концентрация частиц достигает некоторой критической величины. Примером является необходимая для взрыва атомной бомбы определённая так называемая «критическая» величина массы радиоактивного урана для обеспечения цепной разветвляющейся реакции распада, инициируемой самими же «продуктами» этого распада.

Приближение момента начала солнечной вспышки визуально фиксируется появлением двух постепенно увеличивающих яркость областей, равноудалённых от нейтральной плоскости локального магнитного поля к его полюсам, где происходит закономерное изменение направления поступательно-возвратного движения частиц космических лучей.

По существу, эти две области «сияния» аналогичны областям возникновения северного и южного полярных сияний на Земле, также вызываемых захваченными частичками космических лучей. Приближение концентрации частиц солнечной плазмы и космических лучей в локальном магнитном поле к некоторому «критическому» уровню сопровождается увеличением частоты столкновения этих частиц друг с другом и соответствующему более быстрому уменьшению средней энергии частиц космических лучей, что приводит к уменьшению длины пути поступательно-возвратного их  движения. Это фиксируется визуально сначала как медленное, но постепенно ускоряющееся приближение двух светящихся областей к нейтральной плоскости локального магнитного поля, завершающееся солнечной вспышкой, поскольку частота взаимодействия частиц космических лучей с частицами плазмы приобретает лавинообразный характер.

Такой характер взаимодействия объясняется тем, что кинетическая энергия частиц плазмы становится сопоставимой с уменьшающейся кинетической энергией частиц космических лучей, в результате чего уже и они, как частицы космических лучей, начинают перераспределять свою возросшую энергию между другими частицами солнечной плазмы.

При этом развитие процесса вспышки происходит аналогично процессу возникновения в земной атмосфере широких атмосферных ливней, называемых «ливнями Оже», представляющих собой поток ионов атомов кислорода и азота с высоким уровнем кинетической энергии (образующимися в результате воздействий проникающих сюда частиц космических лучей с энергией 10¹² – 10¹³ эВ), вызывающих «каскадную» электронно-фотонную лавину.

Именно благодаря её возникновению, непосредственно сам процесс солнечной вспышки имеет, как уже отмечалось, очень малую продолжительность, чем и объясняется его высокая мощность. В результате этого и давление плазмы, и её температура при особо мощных вспышках, называемых «протонными», достигают таких значений, что регистрируются даже частицы, возникающие при ядерных реакциях синтеза ядер гелия из ядра водорода.

В связи с наличием в солнечной плазме и в космических лучах ядер «тяжёлых» химических элементов (более 4 а.е.) тормозное излучение в момент вспышки соответствует жёсткому рентгеновскому спектру с энергией квантов более 10⁵ эВ. При высокой интенсивности рентгеновского излучения в указанном диапазоне, в котором энергия кванта сопоставима с величиной произведения массы электрона на квадрат скорости света (m_э·c²) взаимодействие излучения с электроном сопровождается так называемым «комптоновским рассеянием» кванта на электроне. При этом уменьшается частота рентгеновского излучения из-за передачи части энергии кванта электрону, который приобретает дополнительную скорость.

При мощных солнечных вспышках поток рентгеновского излучения смещает электроны плазмы в направлении распространения излучения. Возникающее в результате этого электрическое поле вызывает движение ионов плазмы в этом же направлении. Поскольку рентгеновское излучение продолжается 2 – 5 минут, столько же продолжается и процесс ускорения ионов и ядер атомов, так как скорость распространения света всегда больше скорости ускоряемых частиц.

Так частицы постепенно ускоряются до значений скорости, соответствующей энергии частиц «солнечных» космических лучей.

Подведём итог

Разработанная концепция происхождения солнечной вспышки логично и обоснованно объясняет всю цепь процессов в хромосфере Солнца, составляющих это грандиозное физическое явление. Она начинается постепенным накоплением локальным магнитным полем частиц космических лучей и солнечной плазмы до критической плотности, обеспечивающей повышение частоты и эффективности их столкновений друг с другом до значений, соответствующих лавинообразному характеру взаимодействия, как это имеет место при цепных разветвляющихся реакциях взрывчатых веществ.

Взаимодействие («столкновение») каждой частицы космических лучей с энергией 10¹² эВ приводит к возникновению десяти частиц (протонов) с энергией 10¹¹ эВ, каждая из этих, в свою очередь, приводит к возникновению десяти частиц с энергией 10¹¹ эВ и т.д.

Таким образом, в солнечной плазме, заключённой в локальном магнитном поле, в результате захвата и накопления частиц космических лучей происходит развитие ядерно-каскадного процесса.  

Параллельно с каскадно-ядерным процессом развивается инициируемый им (возникающими гамма-лучами) электронно-фотонный каскадный процесс, протекающий особенно бурный в связи с вовлечением в него большой массы солнечной плазмы. Возникающие при этом кванты рентгеновского и ультрафиолетового «тормозного» излучения (энергия квантов которых сопоставима с величиной произведения массы электрона на квадрат скорости света) в результате так называемого «комптоновского» их рассеяния на электронах, передают им часть своей энергии. Движение этих электронов в направление внешней среды (в космос) вызывает и соответствующее движение протонов (ядер водорода), имеющих положительный электрический заряд. Большая плотность потока рентгеновских и ультрафиолетовых лучей за время солнечной вспышки «разгоняет» электроны, а, следовательно, и протоны до скорости, соответствующей средней величине энергии 10⁹ эВ, которые достигают орбиты Земли за время в 5 – 10 раз большее, чем излучение вспышки в видимом диапазоне.    

Вот такой является альтернативная теория солнечной вспышки.      

Проведённый оценочный расчёт подтвердил возможность возникновения частиц «солнечных» космических лучей с максимальной энергией 5·10¹¹ эВ (из «выброшенного» при мощной солнечной вспышки «облако» солнечной плазмы) в результате пятиминутного последовательного воздействия на каждую частицу квантов «жёсткого» рентгеновского излучения, возникших в очаге солнечной вспышки при торможении частиц галактических космических лучей с максимальной энергией 10¹⁹ эВ (захваченных Солнцем в его локальное магнитное поле). Величина отношения максимальных значений энергий частиц «солнечных» и «галактических» космических лучей соответствует числу 5·10^-8.

По существу, это число представляет собой коэффициент полезного действия процесса преобразования одних космических лучей в другие. Совершенно очевидно, что величина КПД этого процесса вполне реальна. Ещё в большей мере этот вывод относится к соотношению суммарных величин их энергий.

Имеются все основания предполагать, что именно за счёт высокой энергии частиц космических лучей, захватываемых общим магнитным полем Солнца, происходит не объяснённое до сих пор явление инверсии температуры в солнечной атмосфере, когда её уменьшение по мере удаления от центра Солнца сменяется повышением температуры плазмы солнечной короны до миллиона градусов, а в периоды максимума солнечной активности – ещё в два раза выше.

27 января 2008.