После обсуждения цикла активности Солнца, вы можете спросить: "Почему Солнце меняется так регулярно?" И вот в чем ответ - движущей силой солнечной активности является изменяющееся магнитное поле Солнца.
Солнечное магнитное поле измеряется свойством атомов, называемым эффектом Зеемана. Атом имеет много уровней энергии, а спектральные линии образуются при переходе электронов с одного уровня на другой. Если каждый уровень энергии точно определен, то разница между ними также достаточно точна.
В результате при изменении уровня электрона, возникает резкая, узкая спектральная линия (либо линия поглощения, либо линия излучения, в зависимости от того, увеличивается или уменьшается энергия электрона в процессе перехода).
При наличии сильного магнитного поля, однако, каждый уровень энергии разделен на несколько уровней, очень близких друг к другу. Разделение уровней пропорционально напряженности поля. В результате спектральные линии, формирующиеся при наличии магнитного поля, представляют собой не отдельные линии, а ряд очень близко расположенных линий, соответствующих подразделам уровней атомной энергии. Такое разделение линий в присутствии магнитного поля и называется эффектом Зеемана.
Измерения эффекта Зеемана в спектрах света из солнечных пятен показывают, что они имеют сильное магнитное поле. Магниты всегда имеют северный и южный полюса. Всякий раз, когда солнечные пятна наблюдаются парами или группами, одна из них обычно имеет магнитную полярность полюса, идущего на север, а другая имеет противоположную полярность. Более того, в течение данного цикла ведущие точки пар (или ведущие принципиальные точки групп) в Северном полушарии имеют тенденцию к одинаковой полярности, в то время как в Южном полушарии все они имеют противоположную полярность.
Однако в следующем цикле солнечных пятен полярность ведущих точек в каждом полушарии меняется на противоположную. Например, если бы в течение одного цикла все ведущие точки Северного полушария имели полярность северного полюса, то ведущие точки в Южном полушарии имели бы полярность южнонаправленного полюса. В течение следующего цикла ведущие точки Северного полушария будут иметь полярность, ориентированную на юг, в то время как ведущие точки Южного полушария будут иметь полярность, ориентированную на север. Поэтому, строго говоря, цикл солнечных пятен не повторяется в отношении магнитной полярности до тех пор, пока не пройдет два 11-летних цикла. Для визуального отображения связи между солнечными пятнами и магнитным полем Солнца можно использовать так называемую магнитограмму (рис. 15.16).
Почему у Солнца такое сильное и сложное магнитное поле?
Астрономы обнаружили, что именно динамика Солнца генерирует магнитное поле. Динамо - это машина, которая преобразует кинетическую энергию (т.е. энергию движения) в электричество.
На Земле динамо-машины используются на электростанциях, где, например, энергия ветра или проточной воды используется для вращения турбин. На Солнце источником кинетической энергии является бурное перемешивание турбулентных слоев ионизированного газа в недрах Солнца. Они генерируют электрические токи - движущиеся электроны, которые, в свою очередь, генерируют магнитные поля.
Большинство солнечных исследователей сходятся во мнении, что солнечная динамика располагается в зоне конвекции или в граничном слое между зоной конвекции и радиационной зоной под ней. По мере взаимодействия магнитных полей от динамики Солнца они ломаются, воссоединяются и поднимаются через его поверхность.
Хотя у человечества есть хорошие наблюдения, которые показывают, как меняется Солнце в течение каждого солнечного цикла, все еще очень трудно построить физические модели такого же сложного, как Солнце, которое может лишь удовлетворительно объяснить, почему оно меняется.
Исследователи еще не разработали общепринятую модель, которая подробно описывала бы физические процессы, управляющие солнечным циклом.
Расчеты показывают, что дифференциальное вращение (идея, что Солнце вращается с разной скоростью на разных широтах) и конвекция чуть ниже поверхности Солнца могут искажать магнитные поля. Это приводит к их росту, а затем распаду, регенерации с противоположной полярностью примерно каждые 11 лет.
По мере того, как поля становятся сильнее вблизи солнечного максимума, они текут изнутри Солнца к его поверхности в виде петель. Когда с поверхности Солнца возникает большой контур, он создает области активности солнечных пятен.
Эта идея магнитных петель дает естественное объяснение тому, почему солнечные пятна в активном регионе имеют противоположную полярность. Ведущее солнечное пятно совпадает с одним концом петли, а конечное пятно - с другим.
Магнитные поля также являются ключом к объяснению того, почему солнечные пятна холоднее и темнее, чем в регионах со слабым магнитным полем
Силы, создаваемые магнитным полем, сопротивляются движениям пузырящихся колонн поднимающихся горячих газов. Поскольку эти колонны переносят большую часть тепла изнутри Солнца на поверхность с помощью конвекции, а сильные магнитные поля подавляют её, поверхность Солнца охлаждается.
Помимо этой общей картины, исследователи все еще пытаются определить, почему магнитные поля столь велики, почему полярность поля в каждом полушарии меняется от одного цикла к другому, почему продолжительность солнечного цикла может меняться от одного цикла к другому и почему происходят такие события, как минимум Маундера.