Каждый человек слышал о пятнах на Солнце. Думаю, многим известно о периодической закономерности их формирования. Предполагаю также, что некоторые читатели хорошо знакомы с механизмом их возникновения. Но абсолютно уверен, что никто не слышал о связи солнечных пятен с Большим Красным Пятном Юпитера – самым большим атмосферным ураганом в Солнечной системе. Такое категоричное и смелое заявление я позволил себе только потому, что это моя собственная гипотеза. В представленной статье я хочу познакомить с этой гипотезой вас, уважаемые читатели.
Сначала немного общеизвестной информации о героях сегодняшнего повествования, которая может быть полезной в наших дальнейших рассуждениях. По современным представлениям Солнце имеет достаточно сложную структуру.
Наше светило вращается вокруг собственной оси со скоростью один оборот за 25 земных дней. Экватор Солнца наклонен к плоскости эклиптики на 7 градусов. Периодичность возникновения солнечных пятен подчинена 11-летнему циклу. Т.е. за 11 лет количество солнечных пятен успевает измениться от минимума до максимума своих значений. Стабильность 11-летнего цикла невысокая и колеблется случайным образом в интервале от 9 до 14 лет. Причём, в ходе многолетних исследований, проводимых геофизическим центром РАН, была установлена циклическая асимметрия солнечных пятен в южном и северном полушарии Солнца. В результате этих исследований показано, что максимум солнечных пятен перемещается в течение каждого цикла из северного полушария в южное и достигает своего пика через 5 – 6 лет после его начала. Т.е. примерно в середине каждого 11-летнего цикла. На протяжении любого цикла группы пятен формируются по линии почти параллельной солнечному экватору с небольшим наклоном 1 – 2 градуса и постепенно спускаются из области более высоких широт (±25 – 30 градусов) в сторону экватора до низких широт (±5 – 10 градусов). Маленькие пятна чаще всего образуются попарно и всегда располагаются недалеко друг от друга, вдоль биполярных осей, проходящих от макушки Солнца к экватору под небольшим углом. Такие пары образуют магнитные диполи с различной полярностью. Большие пятна образуются путём слияния маленьких. Большие группы пятен на разных полушариях Солнца (южном и северном) также всегда связаны друг с другом магнитными силовыми линиями. Благодаря исследованиям в рамках проекта SOHO установлено, что фотосфера над пятнами проседает на 500 – 700 км. Кроме 11-летнего цикла также надёжно зафиксирована 100 летняя периодичность изменения максимального количества пятен и есть признаки существования других циклов, для подтверждения которых пока не хватает данных. На сегодня достоверно установлено, что пятна на Солнце возникают в результате возмущений отдельных участков магнитного поля Солнца. Почему возмущения отдельных участков магнитного поля Солнца происходят с 11-летней периодичностью и тем более со 100-летней пока не известно.
Переходим к Большому Красному Пятну Юпитера. Для начала немного информации о параметрах Юпитера. Это самая большая планета Солнечной системы, его масса превышает массу всех остальных планет вместе взятых более чем в два раза. Эксцентриситет орбиты Юпитера равен 0,05. Т.е. орбита представляет собой слабо вытянутый эллипс. Плоскость орбиты Юпитера наклонена к плоскости эклиптики Солнечной системы на 1,3 градуса. Период обращения Юпитера вокруг Солнца составляет 11,86 земных лет. Сутки на Юпитере равны 10 часам. Большое красное пятно (БКП) или глаз Юпитера имеет видимую поверхностью в виде эллипса с приблизительными размерами 15 на 30 тысяч километров. Размеры БКП не стабильны и меняются со временем, то уменьшаясь, то снова увеличиваясь. За последние 350 лет видимые размеры БКП уменьшились почти вдвое. Зато БКП отличает постоянство местонахождения. Он неизменно расположен на 22-ом градусе южной широты и дрейфует параллельно экватору Юпитера относительно верхней кромки облаков со скоростью что-то около одного оборота за 11 - 12 лет. Благодаря такой удивительной синхронизации скорости дрейфа БКП и угловой скорости вращения планеты вокруг Солнца, глаз Юпитера, практически всегда, смотрит в одну точку пространства Солнечной системы. Верхний слой БКП располагается выше кромки окружающих облаков примерно на 8 км. Будем считать, что знакомство с Большим Красным Пятном Юпитера мы тоже закончили.
Приступаем к обсуждению гипотезы, связывающей пятна на Солнце и Большое Красное Пятно Юпитера. Для начала давайте визуализируем систему Солнце – Юпитер с максимально возможным соблюдением их пространственной ориентации.
Синяя линия обозначает плоскость эклиптики Солнечной системы. Красная линия это орбитальная плоскость Юпитера. Угол между этими плоскостями составляет 1,3 градуса. Наклон экватора Солнца к плоскости эклиптики равен 7,25 градуса. Следовательно, максимальный угол между орбитальной плоскостью Юпитера и экватором Солнца равен 5,95 градуса. Солнце делает один оборот вокруг своей оси за 25 дней. Т.е. Солнце за 25 суток успевает повернуться к Юпитеру всеми своими боками. Таким образом, максимальный угол между экватором Солнца и орбитальной плоскостью Юпитера совершает полный оборот вокруг Солнца примерно за те же 25 дней. Примерно – потому что Юпитер движется вокруг Солнца в том же направлении, но с гораздо меньшей скоростью. Визуально след от такого перемещения должен выглядеть как полоса шириной 12 градусов, опоясывающая Солнце вдоль её экватора с небольшим наклоном 1,3 градуса относительно экватора Солнца. На рисунке эта полоса обозначена двумя серыми пунктирными линиями. Т.е. с каждой стороны экватора эта полоса захватывает примерно по 6 градусов. Помните под каким углом и до каких широт спускаются солнечные пятна? Да, да под углом 1 – 2 градуса и до широт ±5 – 10 градусов. Наша вычисленная гравитационная полоса с наклоном 1,3 и шириной 12 градусов идеально вписывается в реально наблюдаемые на Солнце 1 - 2 градуса наклона и ±5 – 10 градусов широты солнечных пятен. Теперь давайте попытаемся понять, случайны такие совпадения, или за этими цифрами скрывается некий физический смысл. Красная линия на рисунке не только орбитальная плоскость Юпитера, но ещё и линия действия взаимного притяжения между Юпитером и Солнцем. Вдоль этой линии в полном соответствии с законом всемирного тяготения действует гравитационное притяжение. Результатом такого взаимодействия должна быть гигантская приливная волна, состоящая из раскалённого вещества верхних слоёв конвективной зоны Солнца и самых нижних и самых плотных слоёв фотосферы. Эта волна распространяется вдоль экватора точно по этой полосе шириной 12 градусов.
Высота приливной волны в таком случае составляет как раз те самые 500 – 700 км, которые были зафиксированы в рамках проекта SOHO как провалы фотосферы над солнечными пятнами. Такая волна неизбежно должна стягивать в зону экватора Солнца гигантские объёмы фотосферы, растягивая и утончая её (фотосферу) на остальной поверхности Солнца. В результате этого по обе стороны от гравитационной полосы плотность фотосферы может существенно падать. Вот в эти утончённые участки фотосферы и прорываются магнитные силовые линии, разрывая её и образуя так называемые фотосферные факелы.
Дальнейший процесс формирования солнечных пятен из множества пор, возникающих вокруг факела, достаточно хорошо изучен и описан. При этом, предложенный механизм формирования солнечных пятен несколько уточняет общепринятое объяснение цвета этих пятен. Они выглядят темнее не из-за пониженной температуры фотосферы, а из-за отсутствия фотосферы в области пятен как таковой. Фактически солнечные пятна правильнее называть фотосферными дырами, сквозь которые проглядывают отдельные участки конвективной зоны Солнца.
В свете представленной гипотезы объяснение 11-летней цикличности формирования солнечных пятен естественным образом связывается с 11-летним периодом обращения Юпитера вокруг Солнца.
Если сюда добавить ещё такое явление как парад планет, то наверняка можно будет найти достаточно правдоподобное объяснение и другим циклам максимумов и минимумов солнечных пятен. В самом общем виде зависимость максимального количества пятен на Солнце определяется расстоянием между Юпитером и Солнцем. Чем ближе Юпитер к Солнцу, тем мощнее гравитационная волна и больше пятен в её окрестностях. Все остальные планеты солнечной системы, двигаясь по собственным орбитам, помогают Юпитеру в формировании гравитационной волны на поверхности Солнца. Для лучшего понимания индивидуального вклада каждой планеты в формирование приливной волны фотосферы Солнца ниже приведена сводная таблица, в которой указаны значения сил гравитации для каждой планеты в афелии и перигелии.
Из представленной таблицы видно, что суммарный вклад малых планет всего в 4 раза меньше силы гравитации Юпитера. При этом суммарное притяжение больших планет практически не оказывает влияния на формирование приливной волны. Так как оно меньше силы притяжения Юпитера к Солнцу более чем в 1000 раз. Такое, довольно парадоксальное, распределение силы гравитации между малыми и большими планетами объясняется обратной зависимостью этой силы от квадрата расстояния между планетами и Солнцем. Т.е. циклические закономерности солнечных пятен в основном зависят от орбитального положения Юпитера и малых внутренних планет. Что должно существенно облегчить поиск этих закономерностей.
После того, как мы достаточно успешно разобрались с природой возникновения пятен на Солнце, можно приступать к исследованию Большого Красного Пятна Юпитера. Никакой интриги в этом явлении теперь для нас с вами, уважаемы читатели, уже не осталось. Совершенно очевидно, что если Юпитер своей гравитацией сумел сформировать пятисот километровую волну на поверхности Солнца, то Солнце должно аналогичным образом действовать на атмосферу газового гиганта. Результатом этого простого умозаключения является констатация того факта, что глаз Юпитера располагается точно на линии, по которой действует сила гравитационного притяжения между Юпитером и Солнцем. Как нам теперь стало понятно, вихрь, наблюдаемый уже 350 лет, был на Юпитере всегда и будет до тех пор, пока не исчезнет Солнце. Скорее всего, Солнце своей гравитацией притягивает из глубин газового гиганта колоссальный объём его атмосферы, которая возвышается над облаками на 8 километров подобно вершине айсберга. На самом деле, высота этой приливной волны должна быть значительно больше. Как минимум те же 500 – 700 км что и высота приливной волны на Солнце. При этом, в образовавшуюся при подъёме верхних слоёв атмосферы пустоту должны устремляться нижние более плотные и более горячие слои атмосферы. Наверное, это явление можно сравнить с перевёрнутой воронкой, в которую устремляются потоки жидкого водорода из нижних слоёв атмосферы Юпитера. Эта воронка скользит по океану жидкого водорода и без устали перекачивает его в верхние слои атмосферы планеты, тем самым перемешивая нижние горячие слои с верхними холодными. Направление вращения такой воронки должно быть по часовой стрелке, так как она находится в южном полушарии Юпитера и движется навстречу собственному вращению планеты. Такая модель достаточно хорошо объясняет сумасшедшие скорости внутри этого вихря, его стабильное размещение в газовой среде Юпитера и не получившую объяснения в рамках других моделей высокую температуру термосферы Юпитера. Вместо расчётных 400 К, наблюдаемая температура термосферы составляет 800 – 1000 К. Это, скорее всего, результат интенсивного перемешивания кипящего жидкого водорода с более холодным атмосферным водородом, происходящим в недрах Большого Красного Пятна Юпитера. Представленная термодинамическая модель БКП позволяет сделать достаточно уверенный прогноз о дальнейшем уменьшении видимого размера пятна. На самом деле, размеры БКП сильно не меняются, просто в результате стабильного разогрева верхних слоёв атмосферы Юпитера увеличивается объём атмосферного газообразного водорода, который под своими облаками постепенно скрывает видимую верхушку айсберга. Вполне вероятно, что через несколько сотен лет глаз Юпитера полностью скроется в облаках. Но при этом не перестанет существовать как физическое явление. Ну вот, теперь покров загадочной таинственности окончательно сброшен с ока Юпитера и мы точно знаем, что оно всегда будет смотреть на Солнце. Однако наша модель гравитационного взаимодействия Солнца и Юпитера не исчерпала свои возможности. Разглядывая фотографии планет солнечной системы, мы безошибочно можем отличить Юпитер от любой другой планеты, даже если на этих фотографиях масштабы не соблюдены. Сделать такой правильный выбор нам помогает характерная полосатая раскраска Юпитера.
Как вы думаете, какие силы природы так старательно и аккуратно линуют поверхность Юпитера разноцветными полосами? Ответ на этот вопрос может быть очень простым, если мы сможем ответить на другой вопрос. Какова ширина фронта гравитационной волны, бегущей вдоль экватора Юпитера? Очень похоже на то, что БКП распространяется не только вдоль экватора Юпитера, а по всем широтам планеты. Эта гигантская волна раскинулась от южного до северного полюса Юпитера. При этом максимум амплитуды этой волны формируется точно по линии гравитационного взаимодействия между Солнцем и Юпитером на 22-ом градусе южной широты. Остальные пики скрыты от наших глаз густой облачностью Юпитера и периодически выглядывают из под этого плотного одеяла в виде более маленьких атмосферных вихрей на разных широтах. Чаще это происходит ближе к экватору, реже на высоких широтах. Тем не менее, сплошной фронт приливной волны движется по всей поверхности Юпитера навстречу его собственному вращению. В результате этого процесса мы наблюдаем полосатую раскраску всей поверхности Юпитера, регулярно повторяющуюся из года в год. Эти полосы следы приливной волны, перемешивающей нижние слои атмосферы с верхними. Если быть абсолютно точным, то полосы разного цвета соответствуют пикам и провалам амплитуды по всему фронту волны.
Такова суть новой модели формирования пятен на Солнце, которая заодно позволяет дать достаточно логичное объяснение ещё одной загадке нашей Солнечной системы - Большому Красному Пятну Юпитера.
