Jeszcze raz o konwekcji, tym razem w aspekcie naszego Słońca, które po wielu miesiącach znów powoli dochodzi do głosu i wreszcie trochę grzeje.
Każdy kto interesuje się Słońcem chociaż trochę więcej , niż to wynika z codziennych życiowych potrzeb, zna kilka podstawowych pojęć dotyczących naszej rodzimej gwiazdy, bez której byłoby nam trochę niemiło, bo nas by w ogóle nie było, a i nie byłoby też Salonu.
O plamach słonecznych, ich cyklicznych zmianach intensywności występowania i zmianach polaryzacji można wiele znaleźć w sieci i nie będę tutaj jeszcze raz opisywał danych obserwacyjnych. W skrócie zatem tylko: Cykliczne zmiany liczby i polaryzacji plam słonecznych zachodzą synchronicznie ze zmianą biegunowości głównego pola magnetycznego Słońca i cały ten proces zmian nazywa się ogólnie cyklem słonecznym. Cykliczne, czasowe zmiany położenia plam słonecznych przedstawiane są na diagramie zwanym "diagramem motylkowym" przez podobieństwo symetrii rozkładu plam na północnej i południowej półkuli Słońca (też do znalezienia w sieci).
To co tutaj chciałbym przedstawić, to stan wiedzy, albo lepiej powiedziawszy wyobrażenia, dzisiejszej fizyki, o tym jak nasze Słońce jest zbudowane i jak działa. Faktem jest, że energia Słońca pochodzi z reakcji jądrowych, gdyż samo termodynamiczne grzanie przez grawitacyjne ściskanie, jak wcześniej zakładano wypaliłoby Słońce tak szybko jak kartkę papieru wrzuconą do pieca. W centrum Słońca panują temperatury pozwalające na fuzję jądrową wodór-hel, tj. ok. 15 milionów stopni. Do temperatury w centrum Słońca wrócę w rozważaniach dotyczących deficytu neutrin 8B. Tutaj przedstawię wyobrażenia i nieścisłości hipotez dotyczących samego cyklu słonecznego. Poniższy obrazek przedstawia w tle Słońce w aktywnym okresie tzn. z duża liczbą plam i efektownymi CME. W lewym górnym rogu fotografia plamy słonecznej z dobrze widoczną strukturą i granulami. W dolnej części nałożony czarno-biały rysunek przedstawia rozpowszechniane od lat wyobrażenie o polu magnetycznym Słońca.
Jak widzimy na ogólnej fotografii Słońca, jego powierzchnia nie należy do spokojnych, a im dalej w głąb tym gorzej, gdyż temperatura od ok. 6000 na powierzchni wzrasta do temperatury zapłonu fuzji H-He. Nawet w spokojnym okresie cyklu powierzchnia Słońca pokazuje wyraźne wszelkie cechy wrzącego gazu i intensywnych ruchów konwekcyjnych.
I przy tym obrazie wrzącej kuli gazu rozpowszechniany jest następujący obraz jej pola magnetycznego.
Linie sił strumienia magnetycznego na rys.1 są "wmrożone" (tak dosłownie się to nazywa) w materię słoneczną. W wyniku rotacji różnicowej (rotacja Słońca jest szybsza w okolicach równika niż na biegunach) linie sił pola magnetycznego są 'rozciągane' i 'owijane' wokół Słońca tak jak to pokazują rysunki 2 i 3. Tutaj musimy pamiętać, że całe to rozumowanie dotyczy obiektu widocznego na fotografii tła rysunku, czyli kuli gazu, o wrzącej powierzchni i wnętrzu.
Ale nie dość tego. Do tego rozumowania podpinane jest jeszcze jedno, którego celem jest próba wytłumaczenia cyklu plam słonecznych. Pole magnetyczne miałoby być w niektórych miejscach wypierane na powierzchnię, zawijane w swego rodzaju pętle (Rys.4), jedną albo dwie zależy od autora, pętle te "wystając" nad powierzchnię Słońca miałyby objawiać się jako plamy słoneczne. Z tym, że zawijanie tych pętli miałoby się odbywać cyklicznie raz w jedną, raz w drugą stronę, bo polaryzacja plam cyklicznie się odwraca.
Proces "nawijania" pola magnetycznego w materię słoneczną nazywa się efektem 'omega', a proces "zawijania i wypierania" nad powierzchnię Słońca 'pętli magnetycznych' nazywa się efektem 'alfa', przez podobieństwo postulowanych zjawisk do tych właśnie greckich liter. Dość gęstą mgłą tajemnicy owiane jest jednak w literaturze samo powstanie i zmiana polaryzacji pola głównego Słońca. Tu i ówdzie spotyka się jakieś wzmianki o efekcie MHD, jako o możliwym źródle pola głównego. Problem pozostaje jednak nadal tajemniczy, gdyż efekt MHD wymaga najpierw istniejącego pola magnetycznego, aby mógł w ogóle zaistnieć.
Na internetowej stronie The Solar Dynamo (The Solar Physics Group at NASA's Marshall Space Flight Center) pokazane są te dwa wyobrażenia (efekt alfa i omega ) na poniższych rysunkach. Ostatnia aktualizacja strony to 2 marca 2012, a więc rysunki pokazują aktualny stan wyobrażeń dzisiejszej fizyki (przynajmniej w USA) na ten temat.
Do efektu omega czytamy (MSFC):"...The Sun's differential rotation with latitude can take a north-south oriented magnetic field line and wrap it once around the Sun in about 8 months."
Takie wyobrażenie o "liniach sił pola magnetycznego" przewija się przez wszystkie rozważania dotyczące Słońca i to nie tylko w MSFC. Linie sił pola magnetycznego z tych hipotez alfa i omega przypominają jakieś tajemnicze, rozciągliwe włókna "wmrożone" we wrzącą i targaną konwekcją materię słoneczną. Gdybym był złosliwy porównałby je do spiętych końcami gumowych szelek, ale tego nie zrobię, zachowajmy powagę.
Tutaj stwierdzić należy jednoznacznie i z całym naciskiem, że linie sił pola magnetycznego w takiej postaci tajemniczych i rozciągliwych włókien nie istnieją.
Ogólnie rzecz ujmując linie sił pola magnetycznego są tylko swoistą pomocą myślową, aby można było sobie wyobrazić ten specyficzny rozkład przestrzeni wokół magnesu. Ta pomoc myślowa pozwala zrozumieć, w jakim kierunku ułoży się niewielki magnes próbny swobodnie zawieszony w badanym polu. Samo pole magnetyczne jest właściwością przestrzeni, a nie utkanym z tajemniczych nici magnetycznym kłębkiem. W całym karkołomnym rozumowaniu o efekcie alfa-omega wydaje się, że autorom umyka podstawowy fakt, że źródłem pola magnetycznego jest zawsze jakiś prąd elektryczny. Podstawową zasadą musi być zatem: "Jeśli istnieje jakieś pole magnetyczne, to istnieje prąd elektryczny, którego skutkiem jest to pole". I szukać należy tego, co takim prądem może być a nie "nawijać" na Słońce tajemnicze nici pochodzące nie wiadomo skąd. Może przy prędkościach podświetlnych dałoby się z równań elektromagnetyzmu wykrzesać jakieś tego typu pętle, ale to nie jest miejsce do relatywistycznych debat. A nie jest też wykluczone, że takowe pętle powstałyby i istniały tylko na jakimś twardym dysku, którego cierpliwość jest porównywalna z cierpliwością papieru.
Efekt omega mógłby być częściowo zrozumiały, gdyby to pole magnetyczne pochodziło z zewnątrz i było przez efekt prądów wirowych 'nawijane' na wirującą i przewodzącą plazmę materii słonecznej. Ale to jest zupełnie inny mechanizm, a poszukiwany jest mechanizm generowania pola wewnątrz Słońca.
Efekt alfa jest już kompletnie wzięty z sufitu, podparty jedynie bardzo wątpliwymi rozważaniami o różnicach gęstości materii słonecznej namagnesowanej i nienamagnesowanej i stoi w jaskrawej sprzeczności z danymi pomiarowymi. Pole główne Słońca to ok 1 Gauss, pole magnetyczne plam słonecznych to 1000-4000 Gaussów. Już zestawienie tych cyfr mówi, że to nie może być ten sam proces, czyli ten sam ruch ładunków i do tego pochodzący z konwekcji, niezależnie od tego na jakiej głębokości ta konwekcja miałaby występować. Pomijając już sam jakościowy fakt, że sam przepływ (ruch) plazmy, nawet bardzo zjonizowanej, ale dokładnie wymieszanej pola magnetycznego jeszcze nie generuje. Efekty magnetyczne od ładunków '+' i '-' się znoszą. Niezbędny jest jeszcze jakiś mechanizm przestrzennego grupowania ładunków.
Następny problem w rozpowszechnianych dzisiaj wyobrażeniach o wnętrzu Słońca to postulat tzw. cyrkulacji południkowej. Wyobrażenie tej cyrkulacji przedstawia poniższy rysunek. Nie będę się już znęcał nad tą nieco dziwną czerwoną nitką wystającą z powierzchni Słońca. O tym pisałem wcześniej. Powodem tejże cyrkulacji południkowej miałaby być, a jakże, konwekcja w jakiś dość mętny sposób powiązana z rotacją różnicową.
Cytat:"The combined action of convection and differential rotation builds up magnetic fields (red). Models can explain the cyclic activity of the Sun. (...) An additional large-scale meridional circulation is capable of transporting magnetic-field belts towards the equator."
Nie jestem pewien, czy się nie mylę, ale mam poważne podejrzenia, że każda cyrkulacja południkowa, niezależnie od kierunku, musiałaby przez efekt Coriolisa odwrócić rotację różnicową Słońca. Rotacja na biegunach musiałaby być szybsza niż na równiku, a jest dokładnie odwrotnie.
W przypadku Słońca mamy zatem:
- cykl słoneczny 2x11 lat,
- "długość życia" plam słonecznych od kilku dni do kilku miesięcy,
- jedna rotacja różnicowa na powierzchni Słońca ok. osiem miesięcy.
W świetle tych relacji czasowych powiązanych z faktem, że zmiany pola magnetycznego nadążają zdecydowanie szybciej za zmianami ruchu ładunków wywołującego to pole, możemy przyjąć, że od strony elektromagnetyzmu pole magnetyczne Słońca jest stacjonarne. Wystarczy zatem poszukać źródeł (prądów, czyli ruchów ładunków elektrycznych) dla poszczególnych zjawisk magnetycznych pod powierzchnią i głębiej we wnętrzu Słońca.
Na dzień dzisiejszy mamy zatem cały pakiet problemów, które są nierozwiązane, albo gdzie proponowane rozwiązania są sprzeczne z obserwacjami lub prawami fizyki:
Na stronie NASA MSFC mamy przedstawione otwarte problemy dzisiejszej astrofizyki The Big Questions
1.T he Coronal Heating Process
2. The Nature of Solar Flares
3. The Origin of the Sunspot Cycle
4. The Missing Neutrinos
Jak już wspominałem, duże zastrzeżenia wyłaniają się w stosunku do postulowanej cyrkulacji południkowej, która miałaby tłumaczyc cykl 2x11 lat. Dodajmy do tego jeszcze fakt, że sama rotacja różnicowa jest nad wyraz wstrzemięźliwie opisywana, wręcz wspominana tylko w kilku słowach na marginesie opracowań, a jej przyczyny podawane są jako 'ruchy termiczne' (podejrzewam, że chodzi o konwekcję).
Podsumowując, nie można oprzeć sie wrażeniu, że cała dzisiejsza wiedza o budowie wewnętrznej naszego Słońca jest zestawem hipotez, które nie zawsze jedna do drugiej i do niektórych praw fizyki pasują. Nic zatem dziwnego, że kiedy Raymond Davis jr. w latach sześćdziesiątych zainicjował jego Chlor-eksperyment, czyli swoisty neutrinowy remanent, że wtedy okazało się, że jednej trzeciej neutrin 8B brakuje.
Ale to już inna notka.
Pozdrawiam wszystkich, którzy do tego tekstu zbłądzili
