Колебания климата Земли. 3. Роль Солнца как периодической термоядерной печки.

    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.