Кроме конвекции в солнечном динамо участвует также дифференциальное, или неоднородное, вращение (которое, впрочем, также поддерживается конвекцией). Напомним, что экваториальные области Солнца вращаются быстрее полярных, причем период вращения монотонно возрастает с широтой и увеличивается от экватора к полюсам приблизительно на 30 %.
Для рассмотрения солнечного динамо нам потребуется ввести понятия так называемых полоидальных и тороидальных магнитных полей. И те и другие поля обладают симметрией относительно оси вращения.
Силовые линии полоидального поля лежат в плоскостях меридиональных сечений Солнца. Подобные поля создаются, например, обычным магнитным стержнем или кольцевым током. Силовые линии полоидального поля изображены на крайней слева и крайней справа частях рис. 23.
Тороидальные поля имеют лишь долготную (азимутальную) составляющую. Силовые линии такого поля опоясывают наше светило по долготе перпендикулярно меридианам Солнца (см. рис. 23).
Рис. 23. Схема действия солнечного динамо. Неоднородное вращение приводит к формированию тороидального поля из полоидального. Затем альфа-эффект генерирует из тороидального поля полоидальное, но противоположное исходному. В результате во время максимума цикла активности полоидальное поле меняет полярность. После этого неоднородное вращение начинает генерировать тороидальное поле, противоположное имеющемуся. Поэтому тороидальное поле исчезает (достигается минимум цикла активности) с полоидальным полем противоположной полярности по отношению к предыдущему минимуму (отрисовать)
Дифференциальное вращение вытягивает, увлекает за собой силовые линии полоидального поля. В результате у поля появляется тороидальная компонента. Этот простой процесс генерации тороидального поля из полоидального получил название омега-эффекта (буква Ω греческого алфавита традиционно используется для обозначения угловой скорости вращательного движения).
Механизм динамо включает в себя и обратное преобразование – процесс превращения тороидального поля снова в полоидальное. Такое преобразование выполняют конвективные течения. Дело в том, что конвективная зона Солнца сильно неоднородна. Давление и плотность здесь быстро возрастают с глубиной. Поэтому объемы солнечного вещества, поднимающиеся к поверхности, расширяются, а движущиеся вглубь Солнца – наоборот, сжимаются.
Так как эти объемы участвуют в глобальном вращении Солнца, все они получают некоторое количество углового момента и стремятся его сохранить. Поэтому опускающееся вещество приобретает собственное вращение, совпадающее по направлению с общим вращением Солнца. Это явление хорошо знакомо каждому, кто наблюдал соревнования по фигурному катанию: фигурист вращается с разведенными в сторону руками, затем прижимает руки к туловищу – и скорость вращения увеличивается (см. рис. 24).
Рис. 24. Иллюстрация альфа-эффекта. Собственное вращение поднимающихся из недр конвективной зоны объемов вещества приводит к формированию петель полоидального поля из исходного тороидального поля. Опускающееся вещество создает такие же петли
По тем же причинам поднимающиеся объемы вещества расширяются и приобретают собственное вращение в направлении, противоположном общему вращению Солнца. Увлекая за собой силовые линии тороидального поля, такие движения будут формировать «магнитные петли», как это показано на рис. 24. При этом собственное вращение участвующих в конвекции объемов вещества приведет к повороту петель таким образом, что в них снова появится полоидальная (вдоль направления меридиана) составляющая.
Легко понять, что хотя поднимающиеся и опускающиеся объемы вращаются в противоположных направлениях, формируемые ими петли полоидального поля подобны, т. е. они будут иметь одинаковую ориентацию магнитного поля! Данный процесс формирования полоидального поля из тороидального конвективными движениями получил названия альфа-эффекта.
Еще два обстоятельства, касающиеся этого эффекта, требуют пояснения. Во-первых, для образования глобального полоидального поля из отдельных петель должно произойти их слияние друг с другом. Этому процессу динамо способствует диффузия (сглаживание) магнитного поля. Во-вторых, собственное вращение конвективных объемов в северном и южном полушариях происходит в противоположных направлениях. Дело в том, что переход от одного полушария к другому равнозначен по сути изменению направления глобального вращения. Поэтому если бы в северном и южном полушариях тороидальное поле имело одинаковое направление, то создаваемые альфа-эффектом в этих полушариях полоидальные поля были бы противоположны.
На Солнце, однако, реализована обратная ситуация! Тороидальные поля северного и южного полушарий имеют как раз противоположные направления. При этом альфа-эффект приводит к появлению одинаковых по направлению полоидальных полей в обоих полушариях. Эти поля легко объединяются, формируя новое общее полоидальное поле Солнца.
Теперь можно перейти к рассмотрению солнечного цикла. Последовательность происходящих в нем событий схематически показана на рис. 23.
Предположим, что в некоторый момент времени на Солнце преобладает полоидальное поле, а тороидальное поле сравнительно мало. Такую ситуацию мы наблюдаем в фазе минимума магнитной активности Солнца, изображенной на крайней слева картинке рис. 23. Дифференциальное вращение с помощью омега-эффекта начинает генерировать из полоидального поля тороидальное, имеющее противоположные в северном и южном полушариях направления (вторая часть рис. 23). С появлением тороидального поля включается альфа-эффект, который, в свою очередь, начинает создавать полоидальное поле, противоположное исходному. В результате суммарное полоидальное поле на Солнце начинает уменьшаться, однако, даже уменьшившись, оно будет продолжать усиливать тороидальное поле из-за омега-эффекта.
В конце концов, полоидальное поле исчезает. В этот момент тороидальное поле достигнет максимальной величины! Эта ситуация соответствует эпохе максимума 11-летнего цикла солнечной активности. Дело в том, что омега-эффект для Солнца гораздо сильнее альфа-эффекта, поэтому и тороидальные поля оказываются значительно больше полоидальных. Собственно, именно они и определяют магнитную активность! Считается, что всплывание жгутов тороидального магнитного поля и их появление на солнечной поверхности приводит к образованию солнечных пятен (рис. 22, слева).
Рассмотрим дальнейшее развитие солнечного цикла. С исчезновением полоидального поля действие альфа-эффекта не прекращается. В итоге зарождается новое полоидальное поле (третья часть рис. 23). Его направление будет противоположно исходному полоидальному полю. При этом происходит так называемая «переполюсовка» – смена знака магнитного поля на полюсах Солнца. Но с появлением нового полоидального поля снова включается омега-эффект! А это означает, что неизбежно начнется генерация нового тороидального поля, противоположного по направлению имеющемуся тороидальному полю. Поэтому тороидальное поле начнет уменьшаться. Следовательно, определяемая этим полем солнечная активность вступит в фазу спада.
