Новое исследование Университета Колорадо в Боулдере может помочь ученым лучше понять явления, лежащие в основе «солнечных пятен».
Солнце давно интересовало ученых. Однако эту сферу из перегретой плазмы - ближайшую к Земле звезду - также очень сложно изучать, поэтому многие вопросы остаются без ответа.
Теперь у исследователей есть один возможный ответ на давно вызывающий недоумение солнечный феномен, называемый «конвективной головоломкой». Результаты, недавно опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences , открывают новое окно в загадочную внутреннюю работу Солнца и могут иметь будущее значение для понимания космической погоды, которая влияет на все, от спутников до электросети.
Солнце имеет несколько отличных друг от друга регионов. Одна из них, конвективная зона, простирается примерно на 200 000 километров (200 мегаметров) и составляет 30% внешней части Солнца. Энергия, генерируемая ядерным синтезом в ядре Солнца, движется наружу к поверхности. Когда она достигает конвективной зоны, энергия заставляет жидкость закручиваться в завихрениях и спиралях, называемых конвективными потоками.
Ученые посчитали, что самый большой из этих водоворотов должен быть примерно того же размера, что и сама конвективная зона - 200 000 километров, - и начали поиск этих так называемых «гигантских ячеек». Однако, несмотря на многолетние поиски, исследователи не смогли наблюдать конвективные потоки такого размера, отсюда и загадка.
«Почему не наблюдаются классические гигантские клетки? И почему и как наблюдения противоречат численным моделям? » сказал Кейт Жюльен, профессор Университета Колорадо в Боулдере и заведующий кафедрой прикладной математики и один из соавторов исследования.
Новое исследование Джеффри Васила из Сиднейского университета (PhDAstroPhys / Atmos'08), Николаса Фитерстоуна из Юго-Западного исследовательского института (PhDAstroPhys'10) и Жюльена предполагает, что вращение Солнца более важно, чем думали исследователи ранее. Сильное вращение создает вытянутые конвективные потоки овальной формы, которые на самом деле имеют размер 30 000 километров (30 мегаметров), а не 200 000.
Они сделали это теоретическое предсказание, опираясь на мультидисциплинарные уравнения и теории, используемые в областях физики, математики, метеорологии и океанографии.
«По сути, гигантских клеток нет», - сказал Жюльен. «Эта давняя вера или охота на них, возможно, были отвлекающим маневром. Вращение дает другую структуру потока жидкости, максимальную в этих масштабах 30 мегаметров ».
Эти результаты важны, потому что они предлагают решение научной проблемы, существовавшей десятилетиями, сказал Жюльен.
Но помимо этого, изучение солнечной конвективной зоны может помочь ученым лучше понять магнитное поле Солнца - явление, называемое глобальным солнечным динамо.
«Глобальное динамо-магнитное поле Солнца отвечает за космическую погоду, и это действительно большое дело», - сказал Жюльен. «Мы не сможем много говорить о космической погоде, не понимая, как работает динамо».
Магнитное поле Солнца представляет особый интерес для исследователей, правительств и компаний, поскольку оно влияет на сопротивление спутников и Международной космической станции.
Это также может нанести катастрофический ущерб. Магнитные поля Солнца появляются на его поверхности в виде солнечных пятен, которые иногда извергаются и выбрасывают на Землю радиоактивную плазму.
«Глобальное магнитное поле динамо Солнца отвечает за космическую погоду, и это действительно большое дело». - Кейт Жюльен
«Большое солнечное событие может легко уничтожить 10 триллионов долларов глобальной инфраструктуры за считанные дни», - сказал Василь. «И у нас было бы всего несколько часов, чтобы что-то с этим сделать. По сравнению с этим пандемия, которая сейчас мертвой хваткой охватывает земной шар, может выглядеть незначительной. Большое солнечное событие может означать отсутствие связи или электричества во всем мире. Это огромный риск, и почти никто об этом не знает ».
Эти результаты не дают прямого ответа на наши вопросы о магнитном поле Солнца, но они являются важным шагом на пути к пониманию глобального солнечного динамо, на котором могут опираться другие исследователи.
В ближайшем будущем эти результаты станут новым ограничением для исследователей, занимающихся численным моделированием Солнца, которые теперь могут лучше понять проблемы моделирования вращения.
«До сих пор модели динамо-машин не учитывали вращение должным образом», - сказал Василь.
Исследователи надеются, что они или другие ученые смогут подтвердить свои предсказания математически и в конечном итоге действительно наблюдать конвективные потоки на Солнце.
«По многим причинам трудно измерить типы потоков, которые мы прогнозируем во внутренних помещениях, - сказал Василь. «Частично причина в том, что на поверхности много шума, размер которого примерно такой же, как мы ожидаем глубже. Мы считаем, что это всего лишь совпадение. Но это означает, что наблюдателям понадобится гораздо больше данных, чтобы увидеть, что происходит ».
В более широком смысле, открытия приближают нас на один шаг к демистификации Солнца, которое поддерживает наше существование и содержит множество ключей к разгадке эволюции самой Вселенной.
«Солнце дает жизнь, но у него также есть много диковинок», - сказал Жюльен. «Наша Вселенная состоит из звезд, и мы знаем, что звезды также связаны с планетными системами, поэтому понимание нашей ближайшей планетной системы и нашей ближайшей звезды очень важно с общей научной точки зрения. Откуда мы пришли? Как мы здесь оказались?"
