Logo
Logo

Пятна на солнце

A1  2.00 Вам представлена таблица экспериментальных данных $\omega(\varphi)$. Данные получены исходя из эффекта Доплера, влияющего на частоту электромагнитного излучения Солнца, регистрируемого на Земле. Определите параметры $a$ и $b$.

Построим график $\omega(\sin^2 \varphi)$. По начальному участку проведем аппроксимирующую прямую, из которой находим параметры $a$ и $b$.

Ответ: $a = (2.99 \pm 0.2) \cdot 10^{-6}~1/\text{с}$
Ответ: $b=0.67\cdot 10^{-6}~1/\text{с}$
A2  0.30 Найдите границы применимости формулы, указанной выше.

Из графика находим угол $\varphi_{\text{max}}$ после которого точки значительно отклоняются от прямой.

Ответ: $\varphi_{\text{max}} = 50^{\circ}$
B1  0.30 Получите все составляющие магнитного поля на поверхности Солнца $B_{0,r}(\phi)$, $B_{0,\phi}(\phi)$, $B_{0,\lambda} (\phi)$. Ответы выразите через $\varphi$, $\mathfrak{M}$, $R_0$ и $\mu_0$.

Запишем поле магнитного диполя на широте $\varphi$:
\[ \vec{B}(\varphi) = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{\mathfrak{M}}{R_0^3} (3\vec{n} \sin \varphi - \vec{z} ) \]
Проецируя это на оси, соответствующие $r$, $\varphi$ и $\lambda$ получим:

Ответ: \[B_{0,r} (\varphi) = \dfrac{\mu_0}{4\pi} \dfrac{\mathfrak{M}}{R_0^3} 2 \sin \varphi\]
Ответ: \[B_{0,\varphi} (\varphi) = -\dfrac{\mu_0}{4\pi} \dfrac{\mathfrak{M}}{R_0^3} \cos \varphi\]
Ответ: \[B_{0,\lambda} (\varphi) = 0\]
B2  0.60 Получите величину магнитного поля $B_e$ на экваторе внутри Солнца у его поверхности. Ответ выразите через $\mathfrak{M}$, $\mu_0$, $R_0$, $\xi$.

Выберем поверхность натянутую на магнитные линии. Тогда поток магнитного поля через экваториальное сечение внутри Солнца равен потоку через одно из полушарий.

Таким образом $2\pi R_0 H_0 B_e = \Phi_0$, значит $B_e = \dfrac{\Phi_0}{2\pi \xi R_0^2}=53~\text{мТл}$. С другой стороны мы можем посчитать поток $\Phi_0$ проинтегрировав поле диполя:
\[ \Phi_0 = \int\limits_0^{\pi/2} B_{0,r} 2 \pi R_0^2 \cos \varphi d\varphi = \frac{\mu_0 \mathfrak{M}}{R_0} \int\limits_0^{\pi/2} \sin \varphi \cos \varphi d\varphi = \frac{\mu_0 \mathfrak{M}}{2R_0}. \]
Подставим это в предыдущую формулу и полчучим следующее:

Ответ: \[ B_e = \frac{\mu_0 \mathfrak{M}}{4\pi\xi R_0^3}. \]
B3  0.10 Найдите численное значение $B_e$.

Ответ: \[B_e = \dfrac{\Phi_0}{2\pi \xi R_0^2}=53~\text{мТл}\]
B4  0.60 Получите величину магнитного поля $B_\varphi(\varphi)$ внутри Солнца у его поверхности в зависимости от широты $\varphi$. Ответ выразите через $\varphi$, $B_e$.

Теперь тоже выберем поверхность, натянутую на магнитные линии. Только теперь она будет простираться от экватора до искомой широты $\varphi$.

Тогда для рассчета $B_\varphi$ нужно найти поток $\Phi(\varphi)$ магнитного поля диполя через часть широты от $0$ до $\varphi$. Это уже знакомый нам интеграл:
\[\Phi(\varphi) (\varphi)= \int\limits_0^{\varphi} B_{0,r} 2 \pi R_0^2 \cos \varphi d\varphi = \frac{\mu_0 \mathfrak{M}}{2R_0} \sin^2 \varphi. \]
Поток через поверхность равен 0:
\[ \Phi(\varphi) + 2\pi R_0 \cos \varphi \, H_0 \cos^2 \varphi\, B_\varphi(\varphi) = \Phi_0, \]
тогда:
\[ 2\pi\xi R_0^2 \cos^3 \varphi \,B_\varphi (\varphi) = \Phi_0 \cos^2 \varphi. \]
Значит

Ответ: \[ B_\varphi = \frac{B_e}{\cos \varphi}.\]
C1  1.70 Точно рассчитайте 30 пар точек $(\varphi, \lambda)$, через которые будет проходить магнитная линия, пронизывающая точки $\varphi=\pm 50^\circ$, $\lambda=0$ в момент времени $t=150~\text{дней}$.

Пусть магнтная линия проходит через точки $(\pm\varphi_0,\lambda_0)$, где $\varphi_0=50^\circ$, $\lambda_0=0^\circ$. Тогда ее уравнение в угловых координатах задается следующим образом:
\[ \lambda = \omega(\varphi)t = (a - b\sin^2 \varphi)t \]

C2  1.00 Используя эти данные постройте в листе ответов, как будет выглядеть эта линия для земного наблюдателя.

Точки c уголовыми координатами в плоскости имеют следующие координаты:
\[
\begin{cases}
x = R \cdot \sin \lambda\, \cos \varphi\\
y = R \cdot \sin \varphi
\end{cases}
\]
Проведем через пересчитанные точки линию:

C3  0.30 Найдите угол $\psi (\varphi,t)$, который составляют магнитные линии с меридианом. Ответ выразите через $\varphi$, $t$, $a$, $b$.

Из картинки ясно, что \[ \tan \psi = \frac{d \lambda}{d \varphi} \cos \varphi = 2bt \sin \varphi \cos^2 \varphi, \]
откуда

Ответ: \[ \psi = \arctan \left( 2bt \sin \varphi \, \cos^2 \varphi \right). \]
С4  0.20 Пусть внутри Солнца вблизи его поверхности магнитные линии составляют угол $\psi$ с меридианом. Найдите модуль магнитного поля $B$ в этой точке. Ответ выразите через $\psi$, $\varphi$, $B_e$.

Поток магнитного поля через поверхности, рассмотренные в части В не должен поменяться, поэтому $B_\varphi=\text{const}$. Тогда
\[ B = \frac{B_\varphi}{\cos \psi} \]
и, следовательно,

Ответ: \[\frac{B_e}{\cos \varphi \, \cos \psi} \]
D1  2.70 Используя приближение $\sin \psi \approx 1 $, найдите $B_\text{крит}$.

В приближении $\sin \psi \approx 1$ выполняется, что $\tan \psi = 1/\cos \psi$, поэтому:
\[ B = \frac{B_e \tan \psi}{\cos \varphi} = 2B_e bt \sin \varphi, \]
значит вид кривой, $\varphi(t)$, на которой на Солнце появляются пятна описывается следующим выражением:
\[ B_\text{крит} = 2B_e bt \sin \varphi, \]
т.е. ее линеаризация следующая:
\[ t = \frac{A}{\sin 2\varphi} , \]
где $A = \frac{B_{\text{крит}}}{B_eb}$, а $t$ отсчитывается от начала 11-летнего солнечного цикла (одна "бабочка" на диаграмме Маундера).
Строя огибающую на диаграмме Маундера, получим зависимость $t(\sin 2\varphi)$ для критических точек (появления пятен). Из нее найдем $A$, а затем $B_{крит}$.

Ответ: \[ B_{крит} = (15 \pm 5) \, мТл \]
D2  0.20 Определите период солнечной активности $T_0$, т.е. время через которое магнитное поля Солнца возвращается в исходное состояние.

Период находим, как время между двуями точками с совпадающей «фазой» деленное на количество циклов:
$T = 11~\text{лет}$. Далее это число нужно еще увеличить в 2 раза, так как после одного цикла поле меняет направление.

Ответ: \[
T_0 = 22 \, года
\]