Впервые создана физическая модель солнечных пятен

Ученые впервые сумели создать физическую модель солнечных пятен, способную достаточно точно описать наблюдаемые на поверхности звезды явления.

Авторы публикации в журнале Science уверены, что их модель в будущем позволит существенно расширить знания как о процессах на поверхности светила, так и в его недрах.

Солнечные пятна впервые были открыты в начале 17-го века практически одновременно и независимо друг от друга Галилеем, Хэрриотом, Фабрицием и Шейнером и долгое время оставались загадочными явлениями. Сегодня принято считать, что появление солнечных пятен связано с магнитной активностью Солнца: увеличение этой активности приводит к появлению пятен. Магнитная активность Солнца меняется циклически - примерно каждые 11 лет она достигает максимума, после чего магнитные полюса светила меняются местами.

При этом пятна соответствуют областям с наиболее сильным магнитным полем, где линии его индукции "прорываются" наружу сквозь видимую поверхность звезды - фотосферу. Это поле сильнее в центре пятен - наиболее темной области (тени), где линии индукции магнитного поля направлены перпендикулярно поверхности. Более светлые края пятен (полутени) соответствуют линиям индукции магнитного поля, направленным под углом к поверхности.

При этом группы пятен чаще всего появляются парами, магнитное поле в которых имеет различную полярность. Считается, что магнитное поле затормаживает движение плазмы, составляющей фотосферу, что приводит к замедлению переноса энергии из глубины небесного тела на поверхность и остыванию этих областей поверхности по сравнению с остальными. Яркая поверхность солнца имеет температуру порядка 5,7 тысячи градусов Цельсия, тогда как в области пятен она понижается до 3,7 тысячи градусов.

Взаимодействие групп солнечных пятен с различной полярностью приводит к вспышкам на Солнце - выделению колоссального количества энергии, способного не только привести к красочным северным сияниям, но и помешать работе искусственных спутников Земли и даже наземных конструкций, например, линий электропередачи или радиолокационного оборудования.

По этой причине солнечные пятна являются чрезвычайно важным объектом исследования, понять физику которого без высокоточной компьютерной модели, по мнению ученых, попросту невозможно.

Коллектив ученых из США и Германии создал математическую модель, описывающую поведение плазмы на поверхности Солнца с учетом фундаментальных законов переноса энергии и массы, гидродинамики, магнитной индукции и ее обратной связи и других физических явлений. Применить эти законы для моделирования солнечных пятен позволил новейший суперкомпьютер IBM, способный совершать 76 триллионов элементарных вычислений в секунду.

С помощью этой машины ученые сумели создать трехмерную симуляцию поверхности солнца размером 98 тысяч километров на 49 тысяч километров и глубиной 6,1 тысячи километров. Каждая из 1,8 миллиарда виртуальных точек пространства оказалась отделена от другой на расстояние всего от 15 до 30 километров. Обсчет такого домена занял несколько недель.

Достоверность симуляции ученые контролировали с помощью огромного массива данных о наблюдениях за дневным светилом, накопленного как в наземных обсерваториях, так и с помощью космических телескопов.

Результаты моделирования позволили ученым впервые добиться детальной симуляции как областей тени, так и полутени и выявить волокнистые структуры плазмы, стремящейся из центра пятен во внешнее пространство и образующей область полутени.

"Нам впервые удалось смоделировать солнечное пятно целиком. Понимание процессов, определяющих возникновение и эволюцию солнечных пятен, необходимо для выявления всех движущих сил земной атмосферы. Наша работа позволит не только углубить понимание процессов внутри Солнца, но и выявить взаимосвязи между поведением светила и свойствами атмосферы Земли", - сказал Матиас Ремпель (Matthias Rempel), сотрудник Высотной обсерватории Национального центра по исследованию атмосферы, ведущий автор публикации, слова которого приводит пресс-служба центра.