Солнечные пятна недостаточно изучены. Известно лишь, что они представляют собой относительно холодные участки поверхности Солнца (с температурой примерно 3900К, в то время как средняя температура поверхности Солнца 5600К), и поэтому кажутся темными.
Низкая температура солнечных пятен, возможно, объясняется тем, что они пронизаны мощными магнитными полями, которые препятствуют конвективному переносу тепла из внутренних областей Солнца к поверхности.
Число наблюдаемых на солнечном диске пятен меняется по 11-ти летнему циклу, в течение которого область образования пятен перемещается от широты 35° к экватору.
Однако, несмотря на проводимые в течение нескольких десятилетий теоретические исследования, до сих пор не найдены удовлетворительные ответы на два основных вопроса: почему пятна подчиняются именно этому циклу и чем вызваны столь сильные магнитные поля в них?
Р. Говард, сотрудник обсерваторий Маунт-Вилсон и Лас-Кампанас, и П. Джилмен из Высокогорной обсерватории в Боулдере (шт. Колорадо) сообщают о новых интригующих результатах наблюдений, которые еще требуют теоретического осмысления.
Говард и Джилмен измеряли суточное перемещение отдельных пятен на фотографиях Солнца в белом свете, сделанных на обсерватории Маунт-Вилсон. Они обнаружили, что скорость вращения Солнца непостоянна: она возрастает в периоды максимальной и минимальной солнечной активности, особенно в период минимума. За 62 года наблюдений, с 1921 по 1982 г., скорость вращения иногда возрастала на 3—4%.
Уже более ранние исследования давали основание предположить наличие некоторой связи между изменением скорости вращения и циклом солнечной активности, однако в этих исследованиях изучались перемещения не отдельных пятен, а их групп.
По мнению Говарда и Джилмена, такой метод давал ошибочные результаты, поскольку образование и распад входящих в группу пятен могли приводить к перемещению центра группы, не имеющему никакого отношения к вращению.
Говард и Джилмен получили свои результаты благодаря поистине героическим усилиям их научного сотрудника Памелы Джилмен, которая более двух лет измеряла положение каждого солнечного пятна на 23 000 фотографий путем перемещения курсора на экране дисплея.
Это позволяло представить информацию о положении пятна в цифровой форме, пригодной для обработки на ЭВМ, в которую был заложен специальный алгоритм распознавания образов, затем выбирались пятна, наблюдавшиеся в течение нескольких дней, и по их перемещению рассчитывалась скорость вращения Солнца.
Исследователи сравнивали результаты своих расчетов с данными-, полученными с помощью другого метода измерения скорости вращения Солнца — по доплеровскому смещению. Поскольку Солнце вращается в направлении с востока на запад, спектральные линии излучения, испущенного газом от восточного края диска, движущегося по направлению к Земле, оказываются смещенными к фиолетовому концу спектра; линии в спектре излучения западного края, удаляющегося от земного наблюдателя, смещаются к красному концу спектра.
Доплеровское смещение пропорционально скорости вращения. Результаты, полученные путем измерения доплеровского смещения на обсерватории Маунт-Уилсон 1967 г., совпадают с данными анализа перемещений солнечных пятен: максимальная скорость вращения зарегистрирована в 1971 г. (вскоре после максимума солнечной активности), в 1974—1976 гг. (перед минимумом) и в 1979 г. (вблизи следующего максимума).
Сравнение результатов этих исследований выдвигает дополнительно аргументы в пользу широко распространенной гипотезы о том, что средняя скорость вращения пятен примерно на 3% больше скорости вращения фотосферы Солнца, измеренной по доплеровскому смещению.
По современным представлениям, магнитные поля, вызывающие образование солнечных пятен, не ограничены поверхностью: они берут свое начало в более глубоком слое плотной плазмы.
Этот слой перемещается быстрее, чем поверхностный, и в процессе движения увлекает за собой магнитные поля пятен, напряженность которых столь велика, что они беспрепятственно перемещаются в газе. С точки зрения этой гипотезы максимальная скорость перемещения солнечных пятен в периоды максимальной и минимальной солнечной активности является результатом ускорения слоя, который порождает магнитное поле.
Максимальное доплеровское смещение связано и с ускорением поверхности. Поскольку полный момент количества движения Солнца не может изменяться и не обнаружены участки поверхности, замедляющие свое вращение одновременно с общим его ускорением, такое замедление должно происходить где-то во внутренних слоях Солнца, возможно в том самом слое, в который “вморожены” солнечные пятна.
Гипотеза Говард и Джилмен
Говард и Джилмен предлагают «весьма спекулятивную», по их мнению, гипотезу. Момент количества движения, утверждает их гипотеза, передается наружу от центра Солнца как медленные волны, ускоряя сначала слой пятен, а затем поверхностные слои, в которых волны отражаются обратно к центру. Этот механизм объясняет, почему изменение скорости вращения пятен отставало от изменения доплеровского смещения излучения поверхности в период с 1973 по 1982 г.: это мог быть период, когда волны момента количества движения отражались от поверхности Солнца внутрь.
Гипотеза будет заслуживать доверия, если в будущем обнаружится, что максимальная скорость вращения пятен предшествует максимальному доплеровскому смещению.
Связь между циклом солнечной активности и изменениями скорости вращения Солнца наводит на мысль о том, что оба эти явления обусловлены одной причиной, однако пока теоретики далеки от ее выяснения.
Они добились некоторых успехов в объяснении механизма солнечного цикла как следствия дифференциального вращения Солнца; известно, что экваториальные области вращаются быстрее (период вращения 25 суток), чем полярные (период вращения около 34 суток).
Согласно этой модели, силовые линии магнитного поля Солнца, направленные от северного полюса к южному, проходят через конвективную зону — слой под поверхностью, толщина которого равна примерно четверти радиуса Солнца и где раскаленный газ поднимается к поверхности.
Вследствие того что экваториальные области вращаются быстрее, магнитные силовые линии в этих областях растягиваются и образуют трубки, или пучки, в которых очень велик магнитный поток. Пятна появляются там, где эти трубки выходят на поверхность.
Исследования Джилмена
Джилмен считает, что слабым местом подобных моделей солнечного динамо является то, что в них не делается попытки объяснить, как впервые возникло дифференциальное вращение, и более того, они противоречат другим теоретическим моделям, в которых такие попытки предпринимаются.
Согласно модели Джилмена, быстрое вращение экваториальных областей есть следствие глобальной конвективной циркуляции, однако эта модель мало что дает для понимания причин существования солнечного цикла. Противоречие между теориями, объясняющими магнитные процессы на Солнце, и теми теориями, которые рассматривают его динамику, сохраняется уже почти в течение десятилетия. По мнению Джилмена, до создания всеобъемлющей теории пока далеко.