moralg
in
otrageniya
Колебания климата Земли. 3. Роль Солнца как периодической термоядерной печки.
Изменения климата Земли можно разделить на нерегулярные и циклические. К первым следует отнести обусловленные геологическим процессами и случайными воздействиями из космоса в виде падения на Землю крупных астероидов, а также впервые проявившиеся антропогенным воздействием. Для циклических же, отмеченных в 1-м псто этой серии, очевидной причины нет.
Но намек на эту причину возник около полувека назад при попытке подтвердить теорию устройства и работы Солнца измерением интенсивности потока солнечных нейтрино, рождающихся в термоядерных реакциях в недрах Солнца.
Причем тут нейтрино, спросите вы? А при том, что только нейтрино могут дать нам информацию о том, что творится в данный момент в центральной части Солнца, где идет приносящая нам солнечное тепло термоядерная реакция. И никакие другие частицы дать нам такую информацию не могут. Ибо даже рождающиеся в такой реакции фотоны непрерывно теряя свою энергию, просачиваются сквозь толщу Солнца миллионы лет. А рождающиеся в тех же реакциях нейтрино прямиком летят к нам практически не взаимодействуя с веществом Солнца.
Так что же дали и на что намекнули нам попытки поймать солнечные нейтрино?
Сразу скажу, что непосредственно солнечных нейтрино нейтринными телескопами было обнаружено почти втрое меньше, чем предсказывает теория, основанная на величине наблюдаемого потока поступающего на Землю энергии Солнца (стандартная модель Солнца). И этот результат остается неизменным (три следующих абзаца - про технологию этих измерений, можете пропустить).
Термоядерная реакция идет в центральной части Солнца радиусом примерно в 15% полного радиуса Солнца. На больших расстояниях от центра Солнца температуры и давления солнечной плазмы не хватает для такой реакции. В этой реакции два ядра изотопов водорода (чаще два дейтерия) сливаются в ядро гелия, а избыточная энергия отводится в основном одним жестким гамма-фотоном и в малой части - одним электронным нейтрино. Гамма-фотон непрерывно рассеиваясь на свободных протонах и электронах теряет свою энергию, медленно просачивается к поверхности Солнца и выходит на нее обычным фотоном в видимой нашими глазами части спектра.
Нейтрино же практически не взаимодействует с веществом и свободно вылетает из недр Солнца. Сколько же этих нейтрино вылетает оттуда? По расчетам их через каждый квадратный сантиметр нашей кожи пролетает примерно 60 миллиардов штук в секунду. И мы их совершенно не замечаем. Ибо они почти не взаимодействуют с веществом наших тел.
Как же измерить интенсивность потока нейтрино, если они практически не взаимодействуют с веществом? На самом деле они взаимодействуют, но чрезвычайно редко. Поэтому придумали нейтринные телескопы. Первые из них представляли собой очень большие цистерны, заполненные чистейшим изотопом хлора Сl37. И опущенные в глубокие шахты во избежание разного рода помех. Именно у ядра этого изотопа сечение взаимодействия с нейтрино одно из самых больших. В результате реакции ядро этого изотопа поглощает нейтрино, испускает электрон и превращается в ядро изотопа аргона Ar37. Эти факты экспериментаторы и фиксировали. И обнаружили, что солнечных нейтрино прилетает на Землю почти втрое меньше, чем предсказывает теория.
Возникает вопрос - как такой, неоднократно подтвержденный экспериментом результат трактовать? Ведь теория насчитала поток солнечных нейтрино исходя из потока поступающей на Землю солнечной энергии. А раз эксперимент обнаружил почти втрое меньше нейтрино, то и солнечной энергии поступать на Землю должно почти втрое меньше наблюдаемого? Но мы же не замерзаем от этого! Парадокс, однако. Чем-то похожий на проблему темной материи. Которую никто обнаружить не может, но ее влияние всем очевидно.
Так же, как в случае с ТМ, родилось две гипотезы. И так же, как в случае с ТМ, наиболее популярной оказалась та, теоретическое и эксперименталное обоснование которой до сих пор не найдено. С нее и начнем.
1. Гипотеза осцилляции нейтрино.
Известно три типа нейтрино - электронное, мюонное и тау-нейтрино. Для объяснения описанного выше парадокса было предположено, что эти частицы способны по дороге взаимопревращаться. И такую способность обозвали осцилляциями нейтрино. Эти взаимопревращения непосредственно не зафиксированы, но число нейтрино всех трех типов с энергетическим спектром близким к спектру солнечных электронных нейтрино оказалось гораздо ближе к предсказываемому стандартной моделью Солнца. Этот результат с некоторой натяжкой можно трактовать как намек на успех гипотезы осцилляций нейтрино.
У этого успеха есть, однако, очень неприятные последствия. А именно, из способности взаимопревращаться следует, что все типы нейтрино должны иметь отличные от нуля массы покоя. Величины которых пока никому не удалось измерить из-за их, якобы, малости. А будучи пусть и чрезвычайно маломассивными все типы нейтрино теряют право двигаться точно со скоростью света. Чего тоже никто в экспериментах не зафиксировал - пока во всех экспериментах нейтрино движутся точно со скоростью света. Таким образом, если гипотеза осцилляции солнечных нейтрино окажется верной, то это грозит серьезной переделкой основ релятивистской физики и квантовой теории, включая и Стандартную модель фундаментальных частиц.
Поэтому трудности гипотезы осцилляций нейтрино оставим следующему поколению физиков и перейдем к гипотезе понимания Солнца как периодической термоядерной печки.
2. Солнце - периодическая термоядерная печка.
Уже упоминал выше, что термоядерная реакция идет только в самой центральной части Солнца. Вне примерно 15% радиуса Солнца условий для нее нет. Энергия, вырабатываемая в этой зоне, переносится к поверхности Солнца и уже от нее - в окружающее пространство. Есть два способа переноса энергии в плазме Солнца - лучистый (продуцируемыми термоядерной реакцией фотонами) и конвективный (всплытием в поле тяжести Солнца более нагретого вещества вверх и самоутоплением менее нагретого вниз). Второй способ аналогичен конвекции воздуха в комнате от батареи отопления зимой.
Какой из этих способов преобладает в теле Солнца - зависит от прозрачности вещества Солнца. Стандартная модель Солнца говорит, что в интервале расстояний ~ 0,15-0,7 радиуса от центра Солнца преобладает конвективный перенос. Выше - лучистый, но и конвективный продолжает работать.
Тем самым, вырисовывается следующая картина. Из-за того, что фотоны не могут быстро отвести энергию из зоны термоядерной реакции, эта зона перегревается и возникают условия для конвективного всплытия ее вещества вверх и прихода в эту зону более холодного вещества снаружи. Этот сценарий реализуется и, поскольку в "прохладном" веществе условий для реакции по температуре недостаточно, интенсивность работы термоядерной печки в центре Солнца существенно уменьшается. Может быть втрое, а может и в большее число раз. Но поток энергии от Солнца на Землю при этом уменьшается лишь на немногие проценты. Поскольку эта энергия поступает к нам с поверхности Солнца, а не непосредственно из его ядра.
Затем опустившиеся вниз "прохладные" слои Солнца постепенно разогреваются и в них снова начинает идти интенсивная термоядерная реакция. Остается один главный вопрос. Какова длительность одного такого цикла конвекции? Расчеты по достаточно адекватным моделям Солнца дают такой ответ: порядка 100-300 миллионов лет. В течение этого периода светимость Солнца тоже должна испытывать соответствующие изменения. Разумеется, с существенно меньшей амплитудой, чем почти 3-кратная амплитуда колебаний количества нейтрино. Просто из-за инерционности вывода энергии из недр Солнца гамма-фотонами.
Таким способом описанный выше главный конвективный цикл в ядре Солнца может объяснить "сверхдолгосрочные" факты изменения климата Земли ("великое оледенение" примерно 550-600 миллионов лет назад и каменноугольный период). Более "краткосрочные" факты изменения климата можно, очевидно, попытаться объяснить аналогично. В предположении, что от центра Солнца по направлению к его поверхности выстроена многоэтажная система конвективных зон. С уменьшающимися по длительности во времени циклами по мере приближения к поверхности Солнца. С помощью конвекции в этих зонах выработанная в недрах Солнца энергия постепенно переносится к поверхности Солнца. И лишь потом излучается в пространство.
В этой схеме самая верхняя и наиболее тонкая из таких зон обеспечивает хорошо известный 11-летний цикл солнечной активности. Практически не ощущаемый в климатическом плане. А эта зона тоже конвективная. О чем свидетельствуют конвективные ячейки на поверхности Солнца, видимые на этом снимке:
Лежащая непосредственно под самой тонкой 11-летней зоной и несколько более "толстая" конвективная зона с примерно 80-летним циклом обеспечивает наблюдаемые и широко ныне обсуждаемые 30-40-летние "глобальные" потепления и похолодания (они видны на графике, приведенном в 1-м псто этой серии). Более глубокие и еще более "толстые" конвективные зоны будут в этой схеме определять и "среднесрочные" и "долгосрочные" циклы изменения климата.
Основной вывод: Характер протекающих в недрах Солнца процессов вполне может объяснить наблюдаемые циклические изменения климата на Земле. Но для полной уверенности в таком объяснении необходимо построение адекватных моделей Солнца и детальное сопоставление огромного объема геологических данных с результатами моделирования динамики внутрисолнечных процессов.
Но намек на эту причину возник около полувека назад при попытке подтвердить теорию устройства и работы Солнца измерением интенсивности потока солнечных нейтрино, рождающихся в термоядерных реакциях в недрах Солнца.
Причем тут нейтрино, спросите вы? А при том, что только нейтрино могут дать нам информацию о том, что творится в данный момент в центральной части Солнца, где идет приносящая нам солнечное тепло термоядерная реакция. И никакие другие частицы дать нам такую информацию не могут. Ибо даже рождающиеся в такой реакции фотоны непрерывно теряя свою энергию, просачиваются сквозь толщу Солнца миллионы лет. А рождающиеся в тех же реакциях нейтрино прямиком летят к нам практически не взаимодействуя с веществом Солнца.
Так что же дали и на что намекнули нам попытки поймать солнечные нейтрино?
Сразу скажу, что непосредственно солнечных нейтрино нейтринными телескопами было обнаружено почти втрое меньше, чем предсказывает теория, основанная на величине наблюдаемого потока поступающего на Землю энергии Солнца (стандартная модель Солнца). И этот результат остается неизменным (три следующих абзаца - про технологию этих измерений, можете пропустить).
Термоядерная реакция идет в центральной части Солнца радиусом примерно в 15% полного радиуса Солнца. На больших расстояниях от центра Солнца температуры и давления солнечной плазмы не хватает для такой реакции. В этой реакции два ядра изотопов водорода (чаще два дейтерия) сливаются в ядро гелия, а избыточная энергия отводится в основном одним жестким гамма-фотоном и в малой части - одним электронным нейтрино. Гамма-фотон непрерывно рассеиваясь на свободных протонах и электронах теряет свою энергию, медленно просачивается к поверхности Солнца и выходит на нее обычным фотоном в видимой нашими глазами части спектра.
Нейтрино же практически не взаимодействует с веществом и свободно вылетает из недр Солнца. Сколько же этих нейтрино вылетает оттуда? По расчетам их через каждый квадратный сантиметр нашей кожи пролетает примерно 60 миллиардов штук в секунду. И мы их совершенно не замечаем. Ибо они почти не взаимодействуют с веществом наших тел.
Как же измерить интенсивность потока нейтрино, если они практически не взаимодействуют с веществом? На самом деле они взаимодействуют, но чрезвычайно редко. Поэтому придумали нейтринные телескопы. Первые из них представляли собой очень большие цистерны, заполненные чистейшим изотопом хлора Сl37. И опущенные в глубокие шахты во избежание разного рода помех. Именно у ядра этого изотопа сечение взаимодействия с нейтрино одно из самых больших. В результате реакции ядро этого изотопа поглощает нейтрино, испускает электрон и превращается в ядро изотопа аргона Ar37. Эти факты экспериментаторы и фиксировали. И обнаружили, что солнечных нейтрино прилетает на Землю почти втрое меньше, чем предсказывает теория.
Возникает вопрос - как такой, неоднократно подтвержденный экспериментом результат трактовать? Ведь теория насчитала поток солнечных нейтрино исходя из потока поступающей на Землю солнечной энергии. А раз эксперимент обнаружил почти втрое меньше нейтрино, то и солнечной энергии поступать на Землю должно почти втрое меньше наблюдаемого? Но мы же не замерзаем от этого! Парадокс, однако. Чем-то похожий на проблему темной материи. Которую никто обнаружить не может, но ее влияние всем очевидно.
Так же, как в случае с ТМ, родилось две гипотезы. И так же, как в случае с ТМ, наиболее популярной оказалась та, теоретическое и эксперименталное обоснование которой до сих пор не найдено. С нее и начнем.
1. Гипотеза осцилляции нейтрино.
Известно три типа нейтрино - электронное, мюонное и тау-нейтрино. Для объяснения описанного выше парадокса было предположено, что эти частицы способны по дороге взаимопревращаться. И такую способность обозвали осцилляциями нейтрино. Эти взаимопревращения непосредственно не зафиксированы, но число нейтрино всех трех типов с энергетическим спектром близким к спектру солнечных электронных нейтрино оказалось гораздо ближе к предсказываемому стандартной моделью Солнца. Этот результат с некоторой натяжкой можно трактовать как намек на успех гипотезы осцилляций нейтрино.
У этого успеха есть, однако, очень неприятные последствия. А именно, из способности взаимопревращаться следует, что все типы нейтрино должны иметь отличные от нуля массы покоя. Величины которых пока никому не удалось измерить из-за их, якобы, малости. А будучи пусть и чрезвычайно маломассивными все типы нейтрино теряют право двигаться точно со скоростью света. Чего тоже никто в экспериментах не зафиксировал - пока во всех экспериментах нейтрино движутся точно со скоростью света. Таким образом, если гипотеза осцилляции солнечных нейтрино окажется верной, то это грозит серьезной переделкой основ релятивистской физики и квантовой теории, включая и Стандартную модель фундаментальных частиц.
Поэтому трудности гипотезы осцилляций нейтрино оставим следующему поколению физиков и перейдем к гипотезе понимания Солнца как периодической термоядерной печки.
2. Солнце - периодическая термоядерная печка.
Уже упоминал выше, что термоядерная реакция идет только в самой центральной части Солнца. Вне примерно 15% радиуса Солнца условий для нее нет. Энергия, вырабатываемая в этой зоне, переносится к поверхности Солнца и уже от нее - в окружающее пространство. Есть два способа переноса энергии в плазме Солнца - лучистый (продуцируемыми термоядерной реакцией фотонами) и конвективный (всплытием в поле тяжести Солнца более нагретого вещества вверх и самоутоплением менее нагретого вниз). Второй способ аналогичен конвекции воздуха в комнате от батареи отопления зимой.
Какой из этих способов преобладает в теле Солнца - зависит от прозрачности вещества Солнца. Стандартная модель Солнца говорит, что в интервале расстояний ~ 0,15-0,7 радиуса от центра Солнца преобладает конвективный перенос. Выше - лучистый, но и конвективный продолжает работать.
Тем самым, вырисовывается следующая картина. Из-за того, что фотоны не могут быстро отвести энергию из зоны термоядерной реакции, эта зона перегревается и возникают условия для конвективного всплытия ее вещества вверх и прихода в эту зону более холодного вещества снаружи. Этот сценарий реализуется и, поскольку в "прохладном" веществе условий для реакции по температуре недостаточно, интенсивность работы термоядерной печки в центре Солнца существенно уменьшается. Может быть втрое, а может и в большее число раз. Но поток энергии от Солнца на Землю при этом уменьшается лишь на немногие проценты. Поскольку эта энергия поступает к нам с поверхности Солнца, а не непосредственно из его ядра.
Затем опустившиеся вниз "прохладные" слои Солнца постепенно разогреваются и в них снова начинает идти интенсивная термоядерная реакция. Остается один главный вопрос. Какова длительность одного такого цикла конвекции? Расчеты по достаточно адекватным моделям Солнца дают такой ответ: порядка 100-300 миллионов лет. В течение этого периода светимость Солнца тоже должна испытывать соответствующие изменения. Разумеется, с существенно меньшей амплитудой, чем почти 3-кратная амплитуда колебаний количества нейтрино. Просто из-за инерционности вывода энергии из недр Солнца гамма-фотонами.
Таким способом описанный выше главный конвективный цикл в ядре Солнца может объяснить "сверхдолгосрочные" факты изменения климата Земли ("великое оледенение" примерно 550-600 миллионов лет назад и каменноугольный период). Более "краткосрочные" факты изменения климата можно, очевидно, попытаться объяснить аналогично. В предположении, что от центра Солнца по направлению к его поверхности выстроена многоэтажная система конвективных зон. С уменьшающимися по длительности во времени циклами по мере приближения к поверхности Солнца. С помощью конвекции в этих зонах выработанная в недрах Солнца энергия постепенно переносится к поверхности Солнца. И лишь потом излучается в пространство.
В этой схеме самая верхняя и наиболее тонкая из таких зон обеспечивает хорошо известный 11-летний цикл солнечной активности. Практически не ощущаемый в климатическом плане. А эта зона тоже конвективная. О чем свидетельствуют конвективные ячейки на поверхности Солнца, видимые на этом снимке:
Лежащая непосредственно под самой тонкой 11-летней зоной и несколько более "толстая" конвективная зона с примерно 80-летним циклом обеспечивает наблюдаемые и широко ныне обсуждаемые 30-40-летние "глобальные" потепления и похолодания (они видны на графике, приведенном в 1-м псто этой серии). Более глубокие и еще более "толстые" конвективные зоны будут в этой схеме определять и "среднесрочные" и "долгосрочные" циклы изменения климата.
Основной вывод: Характер протекающих в недрах Солнца процессов вполне может объяснить наблюдаемые циклические изменения климата на Земле. Но для полной уверенности в таком объяснении необходимо построение адекватных моделей Солнца и детальное сопоставление огромного объема геологических данных с результатами моделирования динамики внутрисолнечных процессов.