Строение Солнца. Фотосфера⁠⁠

Привет!

Ну вот мы и добрались с вами до атмосферы Солнца. До его видимого края. До фотосферы.

Фотосфера излучает в основном в оптическом диапазоне. Это ярчайший, с точки зрения нашего восприятия, слой нашей звезды. Мы не видим того, что спрятано под фотосферой — там вещество непрозрачно. Мы не видим и того, что находится выше — хромосферу и корону —  там вещество слишком разрежено, его излучение очень слабо и на фоне фотосферы глазом его разглядеть невозможно без специальных фильтров. А фотосфера — видимая поверхность Солнца. Её и сфотографировали первой. Чёрно-белые фотографии поверхности Солнца разлетались по миру в 1970-х и 80-х годах как диковинка.

В фотосфере мы наблюдаем гранулы, поры, пятна, факелы.

Фотосфера - точнее, нижняя её часть. Кипящая "каша" с дырами. Это - подкрашенное фото. Каша как будто пшеничная. На ч/б фото она больше напоминает рисовую. На фото более высокого разрешения, подкрашенных коричневым цветом - гречку.

Гранулы.

Нижняя, видимая граница фотосферы — это верхняя граница конвективной зоны. Мы помним, что конвективная зона "кипит", и единицей кипения в ней выступают гранулы — короткоживущие ячейки, в пределах которых горячее вещество Солнца (плазма) всплывает снизу вверх в центре гранулы (на фото эти центры гранул мы видим как "зернышки") и растекается из центра к краю гранулы. При этом оно остывает и к краю гранулы подходит уже не таким горячим, как было при всплытии. На краях гранул остывшее вещество опускается вниз в конвективную зону. Такая циркуляция происходит непрерывно, но сами гранулы на месте не стоят. Они возникают и минут через 5 - 10 сменяются новыми. На фильмах это выглядит как движение зернышек риса. При этом размер каждой гранулы — примерно 1 тыс. км. Температура фотосферы в среднем около 6 тыс. градусов.

Супергранулы.

Сами "зернышки" тоже образуют " кипящую кашу". Гранулы объединяются в более крупные образования — супергранулы. В центре супергранулы всплывают горячие зернышки-гранулы, растекаются от центра к краям, остывают и опускаются вниз. Супергранулы в фотосфере не видны, супергрануляционная сетка видна только в более высоком слое атмосферы Солнца — в хромосфере. Линейный размер супергранулы — примерно 32 тыс. км, время жизни — около суток.

Поры.

Поры возникают на границах между гранулами, в областях нисходящих течений плазмы. Это — места повышенной плотности магнитного потока. Где напряженность магнитного поля выше, там конвекция замедляется, температура вещества падает и на снимках оно не так ярко светится, то есть кажется тёмным. Диаметр пор — 200 - 300 км. Некоторые из них развиваются в полноценные солнечные пятна.

Пятна.

Пятна — самое заметное в фотосфере явление. На фоне фотосферы они пятна кажутся почти чёрными, потому что температура в них на пару тысяч градусов ниже, чем в окружающей фотосфере. Они похожи на гигантские кратеры глубиной в среднем около 200–500 км (это глубина так называемой вильсоновской депрессии). Причина образования пятен — выход на поверхность потока сильного магнитного поля. Оно прекращает конвекцию, «кипение» в «кастрюле» на месте пятна останавливается и вместо ярких зёрнышек «риса» мы видим в этом месте тёмную область. Пятно имеет сложную структуру. Тёмная его середина называется "тень". Это область, где конвекция не идёт. В разрезе пятно можно представить как кратер/кастрюлю. В его центре газ сильно разрежен, температура там около 4 тыс. градусов. Тень окружена более светлым кольцом — полутенью. Она состоит из тонких ярких горячих волоконец — течений горячей плазмы из центра пятна к краям (это течения Эвершеда, их скорость от 1 до 4 м/с).

Раньше предполагали, что пятна - глубокие образования, уходящие в глубь конвективной зоны почти до её дна. Теоретические разработки наших пулковских ученых 1990 - 2000 х годов показали, что пятна — это неглубокие образования. Пулковские расчеты позднее были подтверждены данными гелиосейсмологии: глубина пятна (кратера/кастрюли) - от 500 до 700 км для крупных пятен и около 200 км для пятен поменьше.

Результат обработки данных гелиосейсмологии. Пятно - относительно холодная область глубиной в 500 - 700 км; ниже, наоборот, температура плазмы оказывается выше, чем в окружении, что вполне логично. Сильное магнитное поле пятен подавляет конвекцию в пятне и под пятном (синяя область), а избыток тепла скапливается ниже холодной зоны (красная область). Ну а ещё ниже конвекция идет уже беспрепятственно.

Пятна бывают единичными, но нередко возникают группами или парами. Тогда различают ведущее пятно, которое первым появляется на диске Солнца с восточной стороны, и ведомое — следующее за ним. Ведущее пятно, как правило, более компактное, имеет большее магнитное поле и живёт дольше, иногда до двух оборотов Солнца (обычно пятна живут около недели). Группы пятен могут насчитывать сотни пятен, их суммарная площадь в группе может в десятки раз превышать площадь всего земного шара.

Пятна «мигрируют», то есть области их возникновения перемещаются по поверхности Солнца: вначале пятна появляются ближе к полюсам Солнца, на высоких широтах, потом постепенно места их появления сползают к экватору. То есть конкретное пятно «сидит» вполне себе на месте, но когда оно исчезает, следующее появляется уже «ниже», дальше от полюса. Эта закономерность возникновения пятен на диске Солнца называется законом Шпёрера. Количество пятен на солнце — один из основных показателей солнечной активности.

Факелы.

Это, наоборот, - области, где напряжённость магнитного поля меньше. Плазма в факелах более горячая, чем в окружающей фотосфере. Факелы хорошо заметны ближе к краям солнечного диска. Размеры факельного поля — до 30 тыс. км.