Дифференциальное вращение солнца это
Дифференциальное вращение солнечной фотосферы
Для определения скорости вращения атмосферы Солнца используются как спектральный, так и метод «трассеров». Однако поскольку скорость вращения атмосферы невелика, то ошибки измерений существенно влияют на ее точность. Например, шкала скоростей грануляции и отдельных супергранул соизмерима с величиной скорости вращения Солнца. Есть еще ряд всевозможных источников ошибок, таких как, например, красное смещение к краю солнечного диска, барометрические изменения, рассеяние света, изменение профилей спектральных линий и т. д. Все это необходимо учитывать при изучении скорости вращения Солнца по доплеровским сдвигам.
Трассеры также являются далеко не идеальными объектами для получения значений скорости. Во-первых, как уже отмечалось, они не обязательно показывают движение того слоя атмосферы Солнца, которому они принадлежат. Во-вторых, например, солнечные пятна, хотя и связаны со средой, в которой они существуют (с фотосферной плазмой), сильно, тем не менее они имеют собственные движения. В-третьих, образования солнечной атмосферы, которые берутся в качестве реперов, меняют свою форму и разрушаются со временем, что затрудняет отождествление их деталей день ото дня. Все это увеличивает ошибки при определении значений скорости вращения.
Вращение фотосферы по доплеровским сдвигам. Значения скоростей дифференциального вращения Солнца по измерениям доплеровских сдвигов спектральных линий получены многими исследователями. Не будем приводить историю исследования дифференциального вращения Солнца спектроскопическим методом, а сконцентрируем внимание на наблюдениях, проведенных в последнее время.
Современная электронная техника позволяет обнаружить поле скоростей на поверхности Солнца с точностью до
5 м/сек. В качестве примера приведем уникальные наблюдения вращения Солнца спектроскопическим методом, проведенные на 45-метровом солнечном башенном телескопе обсерватории Маунт Вилсон (США). Наблюдения проводятся ежедневно с 1967 г., когда позволяют погодные условия. Измерения ведутся в 24 тыс. точках солнечного» диска. Каждой точке соответствует сигнал скорости, который представляет собой скорость фотосферы, наблюдаемой в крыльях спектральной линии нейтрального железа с длиной волны λ 5250,2 Å Ход наблюдений Солнца вводится в ЭВМ, которая делает всевозможные эффемеридные коррекции (поправки с учетом вращения» Земли вокруг Солнца, Земли вокруг своей оси и т. д.) и обрабатывает данные, аппроксимируя их на первом этапе формулой
ω (φ) = A + В sin2 φ + С sin4 φ. (2)
Из результатов измерений 5 107 сдвигов этой линии за 5570 дней с января 1967 г. по настоящее время сделан вывод, что дифференциальное вращение, описываемое выражением (2), меняется со временем. Изменения составляют в среднем 10-20% без какой-либо временной закономерности. Отдельные значения скорости пока бывают, что в некоторые дни Солнце на экваторе вращается со скоростью, присущей высоким широтам.
Временные вариации скорости вращения Солнца были обнаружены почти одновременно с началом измерений скорости спектроскопическим методом. Природа этих временных флуктуации вращения Солнца еще не ясна. Широкие программы по исследованию этих явлений только начинают реализовываться с привлечением крупнейших солнечных телескопов и большого интервала длин волн.
Вращение Солнца, определяемое по солнечным пятнам. В начале 60-х годов нынешнего столетия начались планомерные регулярные наблюдения солнечных пятен с целью определения по ним скорости вращения Солнца. Эти наблюдения показали, что различные типы пятен дают разные значения скорости. Например, экваториальная скорость больше и профиль графика дифференциального вращения ω (φ) «круче» для солнечных пятен мелких размеров и для пятен с более асимметричными формами. Небольшие группы пятен двигаются в среднем на 2% быстрее, чем большие группы. Очень растянутые по долготе группы движутся быстрее, чем одиночные пятна. Средние значения скоростей вращения для разных типов пятен показывают значительное их различие в зависимости от времени наблюдения, широты и долготы этих образований. Пятна с большей угловой скоростью вращения имеют заметную тенденцию перемещаться к экватору, пятна же с медленным вращением дрейфуют к полюсам (или не так сильно движутся к экватору). Все это вызвано, вероятно, наличием вихревых движений или ячеек, которые увлекают своими действиями пятна. Если принять такую схему, то можно построить механизм для создания и поддержания экваториального ускорения вращения Солнца. Если еще учесть величины этих перемещений пятен, то нужно иметь мощный механизм торможения вращения на широтах, где образуются солнечные пятна королевской зоны. С учетом этого механизма дифференциальное вращение по величине должно быть в несколько раз больше того, которое наблюдается. Интерпретация связи движения пятен со скоростью вращения вызвала большую и принципиальную дискуссию среди гелиофизиков то ли этот эффект обусловлен реальными движениями пятен, или же это соединенные случайным образом всевозможные флуктуации размеров и форм пятен с их собственными движениями. Вопрос до сего времени остается открытым.
Из проведенных в последнее время исследований вращения Солнца по наблюдению солнечных пятен можно вывести следующее:
- Значения скоростей, определенных по пятнам, примерно на 4% выше таковых, найденных спектроскопическим методом.
- Кривая зависимости вращения Солнца от широты в свою очередь зависит от возраста, площади, стабильности и рекуррентности (повторяемости пятна в течение более одного оборота Солнца) трассеров.
- Скорость и дифференциальность вращения обладают северо-южной асимметрией, вид зависимости ω (φ) для северной и южной полусфер Солнца различны.
- Значения угловой скорости и дифференциальности вращения зависят от фазы 11-летнего цикла солнечной активности.
- Существуют коротко- и долговременные нерегулярные флуктуации вращения Солнца.
Источник
Дифференциальное вращение солнца это
Дифференциальное вращение Солнца — давняя проблема; на построение правдоподобной картины течений, в которой воспроизводились бы наблюдаемые движения вещества на солнечной поверхности, затрачено много усилий. Как мы уже не раз указывали в двух предыдущих главах, до сих пор о распределении момента количества движения внутри звезд известно очень мало Несмотря на работу Дикке и его сотрудников, Солнце не является исключением (ср. с разд. 11.4). Поэтому мы посвятим эту короткую главу таким моделям, в которых средняя скорость вращения Солнца объясняется взаимодействием вращения с турбулентной конвекцией и которые можно прямо сравнить с данными наблюдений. Эти данные таковы (см. разд. 2.2):
1) убедительно доказанное движение в направлении восток — запад (т.е. средняя скорость вращения) и изменение его скорости с широтой,
2) незначительность среднего движения в направлении север — юг (т.е. меридиональных течений),
3) квазипостоянство выходящего теплового потока и температуры на солнечном диске.
Для объяснения природы более высокой скорости вращения на экваторе и ее поддержания в фотосфере предлагались многочисленные теории. Однако в настоящее время не существует общепринятой модели, хотя во всех теориях в той или иной мере удается воспроизвести бблыиую часть данных наблюдений. Основная трудность состоит в том, что наблюдаемые движения вещества охватывают широкий диапазон горизонтальных размеров, скоростей и характерных времен жизни (рис. 9.1). Последние меняются от нескольких минут для гранул вплоть до периода вращения Солнца и выше для самых больших областей. Поскольку мы интересуемся главным образом самыми крупными масштабами (т.е. средней скоростью вращения), конвективные движения, размеры которых гораздо меньше, необходимо параметризовать. Это достигается обычно с помощью напряжений Рейнольдса и теории длины перемешивания для турбулентной конвекции (ср. с разд. 8.4). Магнитными полями мы полностью пренебрежем, поскольку они вряд ли служат исходной причиной дифференциального вращения Солнца (хотя их влиянием и может частично объясняться приблизительно синхронное вращение нижней короны). Существующие теории можно
Рис. 9.1. (см. скан) Логарифмическая диаграмма показывает приближенные диапазоны горизонтальных характерных размеров различных движений в фотосфере, а также их примерные скорости.
разбить на три класса в зависимости от того, какой механизм предлагается для возникновения и поддержания более высокой скорости вращения на экваторе:
1) меридиональные течения, вызванные анизотропной турбулентной вязкостью в конвективной зоне Солнца,
2) систематическое превращение энергии вихреобразных движений в кинетическую энергию осредненного течения вдоль солнечных параллелей,
3) прямое взаимодействие вращения с конвекцией в конвективной зоне Солнца.
Ниже мы кратко рассмотрим эти физические механизмы. Цикл солнечной активности, который дает независимые сведения о крупномасштабном поле скоростей в водородной конвективной оболочке, будет рассмотрен в разд. 15.5.
Источник
Дифференциальное вращение — Differential rotation
Дифференциальное вращение наблюдается, когда разные части вращающегося объекта движутся с разными угловыми скоростями (скоростями вращения ) на разных широтах и / или глубинах тела и / или во времени. Это указывает на то, что объект не твердый. В жидких объектах, таких как аккреционные диски , это приводит к сдвигу . Галактики и протозвезды обычно показывают дифференциальное вращение; примеры в Солнечной системе включают Солнце , Юпитер и Сатурн .
Примерно в 1610 году Галилео Галилей наблюдал солнечные пятна и рассчитал вращение Солнца . В 1630 году Кристоф Шайнер сообщил, что Солнце имеет разные периоды вращения на полюсах и на экваторе, что хорошо согласуется с современными значениями.
СОДЕРЖАНИЕ
Причина дифференциального вращения
Звезды и планеты вращаются в первую очередь потому, что сохранение углового момента превращает случайный дрейф частей молекулярного облака , из которого они формируются, во вращательное движение по мере их слияния. Учитывая это среднее вращение всего тела, внутреннее дифференциальное вращение вызвано конвекцией в звездах, которая представляет собой движение массы из-за крутых градиентов температуры от ядра наружу. Эта масса несет часть углового момента звезды, таким образом перераспределяя угловую скорость, возможно, даже достаточно далеко, чтобы звезда потеряла угловую скорость в звездном ветре . Таким образом, дифференциальное вращение зависит от разницы температур в соседних регионах.
Измерение дифференциального вращения
Есть много способов измерить и вычислить дифференциальное вращение звезд, чтобы увидеть, имеют ли разные широты разные угловые скорости. Наиболее очевидным является отслеживание пятен на поверхности звезды.
Выполняя гелиосейсмологические измерения солнечных «p-мод», можно определить дифференциальное вращение. Солнце имеет очень много акустических мод, которые колеблются внутри одновременно, и инверсия их частот может привести к вращению внутренних частей Солнца. Это зависит как от глубины, так и (особенно) от широты.
Уширенные формы линий поглощения в оптическом спектре зависят от v rot sin (i), где i — угол между лучом зрения и осью вращения, что позволяет исследовать компонент луча зрения v rot скорости вращения . Это вычисляется на основе преобразований Фурье форм линий с использованием приведенного ниже уравнения (2) для v rot на экваторе и полюсах. См. Также график 2. Дифференциальное вращение Солнца также видно на магнитограммах, изображениях, показывающих силу и расположение солнечных магнитных полей.
Возможно, удастся измерить дифференциал звезд, регулярно испускающих вспышки радиоизлучения. Используя 7 лет наблюдений за ультрахолодным карликом M9 TVLM 513-46546, астрономы смогли измерить незначительные изменения времени прихода радиоволн. Эти измерения демонстрируют, что радиоволны могут приходить на 1-2 секунды раньше или позже систематическим образом в течение ряда лет. На Солнце активные области — частые источники радиовспышек. Исследователи пришли к выводу, что этот эффект лучше всего объясняется появлением и исчезновением активных областей на разных широтах, например, во время цикла солнечных пятен .
Эффекты дифференциального вращения
Ожидается, что градиенты углового вращения, вызванные перераспределением углового момента в конвективных слоях звезды, будут основной движущей силой для генерации крупномасштабного магнитного поля посредством магнитогидродинамических (динамо) механизмов во внешних оболочках. Граница между этими двумя областями — это место, где градиенты углового вращения наиболее сильны и, следовательно, ожидается, что процессы динамо будут наиболее эффективными.
Внутреннее дифференциальное вращение является частью процессов перемешивания в звездах, перемешивания материалов и тепла / энергии звезд.
Дифференциальное вращение влияет на спектры оптических линий поглощения звезд из-за уширения линий, вызванного различным доплеровским смещением линий по поверхности звезды.
Солнечное дифференциальное вращение вызывает сдвиг в так называемом тахоклине. Это область, где вращение изменяется от дифференциального в зоне конвекции до почти твердотельного вращения внутри, на расстоянии 0,71 солнечного радиуса от центра.
Поверхностное дифференциальное вращение
Для наблюдаемых солнечных пятен дифференциальное вращение можно рассчитать как:
Ω знак равно Ω 0 — Δ Ω грех 2 Ψ <\ Displaystyle \ Omega = \ Omega _ <0>— \ Delta \ Omega \ sin ^ <2>\ Psi> 
где — скорость вращения на экваторе, а — разница угловых скоростей между полюсом и экватором, называемая силой сдвига при вращении. — гелиографическая широта, отсчитываемая от экватора. Ω 0 <\ displaystyle \ Omega _ <0>> Δ Ω знак равно ( Ω 0 — Ω п о л е ) <\ displaystyle \ Delta \ Omega = (\ Omega _ <0>— \ Omega _ <\ mathrm Ψ <\ displaystyle \ Psi>
- Величина, обратная вращательному сдвигу, — это время круга, то есть время, за которое экватор делает полный круг больше, чем полюса. 2 π Δ Ω <\ displaystyle <\ frac <2 \ pi><\ Delta \ Omega>>>
- Относительная дифференциальная скорость вращения — это отношение сдвига при вращении к скорости вращения на экваторе:
α знак равно Δ Ω Ω 0 <\ displaystyle \ alpha = <\ frac <\ Delta \ Omega><\ Omega _ <0>>>>
- Скорость доплеровского вращения на Солнце (измеренная по линиям поглощения с доплеровским смещением) может быть аппроксимирована следующим образом:
Ω 2 π знак равно ( 451,5 — 65,3 потому что 2 θ — 66,7 потому что 4 θ ) <\ displaystyle <\ frac <\ Omega><2 \ pi>> = (451,5–65,3 \ cos ^ <2>\ theta -66,7 \ cos ^ <4>\ theta)>нГц
где θ — совместная широта (отсчитываемая от полюсов).
Дифференциальное вращение Солнца
На Солнце изучение колебаний показало, что вращение примерно постоянно в пределах всей радиационной внутренней части и изменяется в зависимости от радиуса и широты в пределах конвективной оболочки. Солнце имеет экваториальную скорость вращения
2 км / с; его дифференциальное вращение означает, что угловая скорость уменьшается с увеличением широты. Полюса совершают одно вращение каждые 34,3 дня, а экватор — каждые 25,05 дня, как измерено относительно далеких звезд (сидерическое вращение).
Сильнотурбулентный характер солнечной конвекции и анизотропии, вызванной вращением, усложняют динамику моделирования. Масштабы молекулярной диссипации на Солнце как минимум на шесть порядков меньше глубины конвективной оболочки. Прямое численное моделирование солнечной конвекции должно разрешить весь этот диапазон масштабов в каждом из трех измерений. Следовательно, все модели солнечного дифференциального вращения должны включать некоторые приближения, касающиеся переноса количества движения и тепла турбулентными движениями, которые явно не вычисляются. Таким образом, подходы к моделированию можно классифицировать как модели среднего поля или модели больших вихрей в соответствии с приближениями.
Дифференциальное вращение Млечного Пути
Дисковые галактики не вращаются как твердые тела, а вращаются по-разному. Скорость вращения как функция радиуса называется кривой вращения и часто интерпретируется как измерение профиля массы галактики, как:
v c ( р ) знак равно грамм M ( р ) р <\ displaystyle v_
Источник