Главная тайна Солнца: почему корона звезды жарче ее поверхности
Среди главных загадок Солнечной системы современные ученые называют аномальную температуру в короне Солнца. На расстоянии в 70 000 километров от поверхности звезды она не падает, а стремительно возрастает до огромных значений. Почему это происходит, существует множество теорий. Но ни одна из них не была признана подлинной, а анализ физических процессов, происходящих в Солнечной системе, позволяет выдвинуть новую гипотезу.
Солнечные аномалии
Солнечная корона — это внешняя наиболее горячая и разреженная часть атмосферы Солнца, простирающаяся от его хромосферы до Земли и далее. От поверхности Солнца она отделена сравнительно тонким переходным слоем, температура которого резко возрастает примерно в 100 раз с 4 000–15 000 К до 1 000 000–2 000 000 К. Своих максимальных значений она достигает на высоте примерно 1/10 радиуса Солнца, а затем начинает снижаться.
На орбите Земли она составляет примерно 100 000 К. В то же время, в активных областях Солнца температура повышается примерно на 500 000 К, а при вспышках на Солнце может достигать десятков миллионов градусов Кельвина. При этом верхняя граница короны Солнца до сих пор точно не установлена, а ее оптическое излучение прослеживается на десятки миллионов километров. Есть и другие интересные критерии солнечной короны.
Солнечная корона, запечатлённая во время полного солнечного затмения 11 августа 1999 года
Согласно научным данным, она является источником сильного рентгеновского и радиоизлучений. Излучения с длиной волны менее 20 нанометров (17,1 нм (171 Å), 19,3 нм (193 Å), 19,5 нм (195 Å)) исходят именно из короны Солнца, а не из фотосферы и хромосферы. И это ещё одна загадка Солнечной короны.
Аксионы: частицы «шпионы»
Сегодня существует множество гипотез в отношении природы необычно высокой температуры в короне Солнца по сравнению с его хромосферой и фотосферой. Одним из возможных механизмов ее нагрева, по мнению астрофизиков, является испускание Солнцем аксионов или аксионоподобных частиц, которые превращаются в фотоны в областях с сильным магнитным полем.
Кроме того, некоторые учёные выдвигают гипотезы, в которых в качестве элементов, участвующих в нагреве короны, рассматриваются магнитнозвуковые и альвеновские волны, магнитное пересоединение или микровспышки в короне. Но ни одна из гипотез не раскрывает механизмов образования предполагаемых волн или процессов, да и гипотетические аксионы и аксионоподобные частицы пока еще не найдены. Поэтому однозначного научного объяснения феномена нагрева Солнечной короны пока не получено.
Для понимания сути процессов нагрева Солнечной короны попробуем найти природные аналоги. Для этого необходимо рассмотреть ещё одно явление, открытое астрофизиками, — космические лучи и их воздействие на нашу планету.
Смертоносные лучи
Космические лучи — это потоки заряженных частиц высокой энергии, движущиеся на большой скорости во Вселенной. Приближаясь к Земле со всех сторон космического пространства, они непрерывно бомбардируют атмосферу планеты.
В составе космических лучей преобладают протоны (92%), ядра атомов гелия (6%), ядра более тяжёлых элементов (1%) и электроны (1%). Космические лучи могут быть внегалактические, галактические, солнечные и межпланетные. От смертоносного воздействия космических лучей биосфера Земли оберегается магнитным полем планеты и её атмосферой.
Фактически атмосфера — это защитный купол Земли, который экранирует её поверхность от солнечного ультрафиолетового излучения, сохраняет тепловой режим и защищает от метеоритных потоков, которые сгорают в плотных слоях атмосферы. Атмосферой Земли принято считать газовую среду, вращающуюся как единое целое вместе с нашей планетой.
В ее состав входят атомы различных газов, частичек пыли, морской соли, кристаллов льда, капель воды и продуктов горения. Атмосфера состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Атмосфера переходит в межпланетное пространство, которое начинается на высоте 500–1000 км от поверхности Земли.
Корона Земли тоже греется
Температура атмосферы меняется с изменением высоты от поверхности Земли. С увеличением высоты в тропосфере (8–18 км от поверхности Земли) ее температура через каждые 100 метров понижается в среднем на 0,65 градуса, достигая значений минус 800–900 С. Но затем в верхних слоях тропосферы снижение температуры прекращается, а в стратосфере (11–50 км от поверхности Земли) она и вовсе начинает увеличиваться от –56,50 до 00 С.
Резкое повышение температуры начинается в термосфере (верхний предел термосферы располагается примерно на высоте до 800 км) и может достигать значений от 200 К до 15 000 К в зависимости от высоты и степени солнечной активности. Интересно, что это расстояние равно примерно 1/10 радиуса Земли.
Считается, что причиной резкого повышения температуры являются электромагнитное (рентгеновские лучи и радиоволны) и корпускулярное (преимущественно протоны и электроны) излучение Солнца, а также галактические и внегалактические космические лучи, которые воздействуют на атомы газов, разрушают их, преобразуя атомы в частицы высоких энергий. При этом выделяется большое количество энергии, которое приводит к резкому повышению температуры окружающей среды.
В процессе разрушения атомов газов выделяются фотоны, нейтрино, позитроны и электроны, составляющие солнечную компоненту космических лучей. Повышение температуры продолжается и в экзосфере, расположенной выше 800 км от поверхности Земли и простирающейся до высот порядка 190 000 км. Протяжённую экзосферу планеты учёные часто называют короной Земли или геокороной. Она состоит из атомов водорода с концентрацией менее 107 частиц/см3.
Битва частиц в микромире
Попробуем связать проблемы нагрева солнечной короны, нейтринных осцилляций, воздействия космических лучей и солнечного излучения на атмосферу Земли, выдвинув гипотезу о причинах возникновения и физической сути этих космических явлений.
Итак, на атмосферу Земли действуют солнечное излучение и космические лучи, которые на высокой скорости соударяются с атомами и молекулами газов, находящимися в атмосфере планеты.
В результате соударений происходит их разрушение и выделение энергии, ведущее к ионизации атмосферы и как следствие резкому повышению температуры окружающей среды. Атмосфера планеты, а также атомы и молекулы газов, её составляющих, являются принадлежностью Земли и выделяются из её недр. Солнечное излучение и космические лучи галактического и внегалактического происхождения равномерно воздействуют на Землю со всех сторон, что обусловливается её непрерывным вращением вокруг своей оси. Нечто подобное происходит и с Солнцем. Оно не только излучает свет, тепло и все другие виды электромагнитного излучения, но и является источником электронных нейтрино, электронов, протонов, альфа-частиц и ядер более тяжёлых химических элементов, которые движутся в направлении от Солнца на очень высоких скоростях.
Вместе с тем на Солнце со всех сторон воздействуют космические лучи, которые тоже движутся к нему на очень высоких скоростях. Солнце, так же, как и Земля, вращается вокруг своей оси, формируя равномерно распределённое количество космических частиц, летящих к его поверхности. В окружающем Солнце пространстве движущиеся противоположно направленные частицы постепенно начинают всё чаще и чаще сталкиваться, разрушаться и выделять колоссальную энергию и температуру. Пространство, в котором происходит столкновение противоположно направленных частиц, по нашему мнению, можно характеризовать как корону Солнца.
Физика процесса
В короне Солнца наиболее интенсивно происходит столкновение частиц на расстоянии 70 000 км от видимой поверхности Солнца, которое определяется максимально возможным количеством соударений противоположно направленных частиц. Со стороны Солнца это пространство ограничено максимальной плотностью испускаемых им частиц, которые формируют непреодолимый фронт сопротивления космическим лучам. С другой стороны, это пространство характеризуется минимально необходимой плотностью расходящихся от Солнца потоков частиц для максимального количества столкновений.
Там, где количество столкновений максимально, температура нагрева солнечной короны тоже будет максимальной, достигая значений 1 000 000 К — 2 000 000 К. При дальнейшем расхождении потоков частиц и снижении их плотности температура солнечной короны будет снижаться, достигая значений примерно 100 000 К вблизи нашей планеты.
При проникновении вглубь короны Солнца количество бомбардирующих космических частиц уменьшится, также как и частота их столкновений, поскольку большое количество частиц космических лучей будет разрушаться при преодолении потока частиц, испускаемых Солнцем. В непосредственной близости от хромосферы Солнца поток частиц космических лучей иссякнет, вследствие их полного разрушения. Поэтому и температура по степени приближения к Солнцу тоже постепенно уменьшится до температуры хромосферы, т.е. составит примерно 6 000 К.
Очевидно, что в процессе взаимного разрушения сталкивающихся частиц выделяется огромное количество фотонов рентгеновского, ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиоизлучений. При этом фотоны рентгеновского и радиоизлучений образуются в начальный период разрушения частиц, поэтому исследователи и могут их фиксировать в короне Солнца.
В процессе столкновений участвуют также электронные нейтрино. В ходе соударений солнечные электронные нейтрино частично разрушаются, преобразовываясь в нейтрино других видов. В зависимости от видов частиц, участвующих в столкновении, проявляется степень частичных повреждений нейтрино, которая определяет образование предположительно мюонных и тау-нейтрино, движущихся в направлении от Солнца. К примеру, мюонные нейтрино могут возникать при столкновении с протонами, а тау-нейтрино — с электронами. Нельзя исключать, что в дальнейшем при повышении качества технической исследовательской базы возможно обнаружение новых множественных разновидностей нейтрино.
Космическая механика
Согласно нашей гипотезе, нагрев солнечной короны может проявляться в результате столкновения частиц, испускаемых Солнцем, с противоположно направленными к ним частицами, составляющими галактические и внегалактические космические лучи. Частота их столкновений определяет температуру нагрева короны Солнца. Максимальные показатели частоты столкновений определяют и максимальные значения температуры солнечной короны, а минимальные — соответственно минимальные значения ее температуры. Этим объясняется столь существенная разница в температурах солнечной короны на различных расстояниях от хромосферы Солнца.
Кроме того, нейтринные осцилляции могут возникать в результате столкновения электронных солнечных нейтрино с частицами космических лучей, что может приводить к образованию новых видов нейтрино (мюонные и тау-нейтрино). По сути, мюонные и тау-нейтрино — это повреждённые электронные солнечные нейтрино в результате столкновений нейтрино с различными противоположно направленными частицами. Таким образом, нагрев солнечной короны и образование нейтринных осцилляций — это, на мой взгляд, результат воздействия космических лучей, которые в этих процессах и являются главной причиной их возникновения.
