Насколько громким было бы Солнце?

Звук не может путешествовать в космосе. Но если бы это было так, насколько громко было бы Солнце? Будет ли звук опасен для жизни на Земле, или мы едва услышим его на таком расстоянии?

Солнце очень громко. Поверхность генерирует от тысячи до десятков тысяч ватт звуковой мощности на каждый квадратный метр. Это примерно в 10-100 раз больше, чем поток энергии через колонки на рок-концерте или перед полицейской сиреной. За исключением «поверхности динамика» в этом случае вся поверхность Солнца, примерно в 10000 раз больше, чем площадь поверхности Земли.

Несмотря на то, что сказал «user10094», мы на самом деле знаем, как «звучит» Солнце - такие инструменты, как HMI SDO, MDI SOHO или наземная обсерватория GONG, измеряют доплеровский сдвиг повсюду на видимой поверхности Солнца, и мы действительно может видеть звуковые волны (ну, инфразвуковые волны), резонирующие на Солнце в целом! Довольно круто, а? Поскольку Солнце большое, звуковые волны резонируют на очень глубоких частотах - типичные резонансные моды имеют 5-минутные периоды, и около миллиона из них работают одновременно.

Резонансные моды на Солнце чем-то возбуждаются. Это что-то - огромная широкополосная волна конвективной турбулентности. Тепло переносится на поверхность Солнца конвекцией - горячий материал поднимается через внешние слои, достигает поверхности, охлаждается (излучая солнечный свет) и тонет. «Типичная» конвекционная камера размером с Техас и называется «гранулой», потому что при взгляде через телескоп они выглядят как маленькие зерна. Каждый из них (размером с Техас, помните) поднимается, рассеивает свет и тонет в течение пяти минут. Это производит черт ракетки. В любой момент времени по всей поверхности Солнца находится что-то около 10 миллионов. Большая часть этой звуковой энергии просто отражается обратно на Солнце, но часть ее попадает в солнечную хромосферу и корону. Пока никто не может быть уверен, сколько именно этой звуковой энергии выходит, но, скорее всего, она составляет в среднем от 30 до 300 Вт на квадратный метр поверхности. Неопределенность возникает потому, что поверхностная динамика Солнца хитрая. В глубине души мы можем притворяться, что солнечное магнитное поле не сильно влияет на физику, и использовать гидродинамику, а во внешности (короне) мы можем притворяться, что сам газ не сильно влияет на физику. В пограничных слоях над видимой поверхностью ни одно из приближений не применимо, и физика становится слишком сложной, чтобы ее можно было отслеживать (пока). мы можем притворяться, что солнечное магнитное поле не сильно влияет на физику, и использовать гидродинамику, а во внешности (короне) мы можем притворяться, что сам газ не сильно влияет на физику. В пограничных слоях над видимой поверхностью ни одно из приближений не применимо, и физика становится слишком сложной, чтобы ее можно было отслеживать (пока). мы можем притворяться, что солнечное магнитное поле не сильно влияет на физику, и использовать гидродинамику, а во внешности (короне) мы можем притворяться, что сам газ не сильно влияет на физику. В пограничных слоях над видимой поверхностью ни одно из приближений не применимо, и физика становится слишком сложной, чтобы ее можно было отслеживать (пока).

С точки зрения дБА, если весь этот утечек мог каким-то образом распространяться на Землю, давайте посмотрим ... Солнечный свет на Земле ослабляется примерно на 10000 раз на расстоянии (то есть на поверхности Солнца в 10000 раз ярче), так что если 200 Вт / м2 звука на Солнце может каким-то образом распространиться на Землю, что даст интенсивность звука около 20 мВт / м2. 0 дБ составляет около 1 пВт / м2, то есть около 100 дБ. На Земле около 150 000 000 километров от источника звука. Хорошо, что звук не распространяется в пространстве, а?

Хорошие люди в проекте SOHO / MDI создали несколько звуковых файлов резонансных колебаний Солнца, ускорив данные с их инструмента в 43 000 раз. Вы можете услышать их здесь, на сайте Солнечного центра . Кто-то еще сделал то же самое с инструментом SDO / HMI и наложил звуки на видео с первого взгляда с SDO . Оба эти звука, которые звучат как резкое колебание резинок, сильно отфильтрованы из данных - из данных извлекается конкретный резонансный пространственный режим (форма резонансного звука), и поэтому вы слышите в основном этот конкретный резонансный режим , Фактически нефильтрованный звук гораздо более какофоничен, и для уха это будет звучать не так, как резонансный звук, а скорее как шум.

Хотя пост сэра Камферса - очень интригующий ответ, но, боюсь, это неправильно. Поверхность Солнца явно находится в движении, но это не обязательно приводит к излучению слышимого звука, даже если Солнце и Земля находятся в текучей среде (например, в воздухе), которая позволяет передавать звук.

Чтобы объяснить почему, мы можем применить ту же самую линию анализа к океану Земли. Поверхность много движется, поэтому звук должен излучаться. Тем не менее, мы ничего не слышим, если вы действительно не находитесь рядом и не разбили волны

Давайте запустим математику с приблизительными числами: площадь океана составляет около 510 миллионов квадратных километров. . Допустим, средняя высота волны составляет 1 м, а средняя частота волны составляет 0,1 Гц (1 волна каждые 10 с). Если бы океан был сферическим источником, это создавало бы звуковую мощность а звуковое давление на расстоянии 1000 км составляло бы 240 дБ УЗД. Это явно не тот случай, иначе мы все были бы мертвы. 5 ⋅ 10 24$150 \cdot 10^{12} m^2$$5 \cdot 10^{24} W$

Так почему не? Чтобы звук действительно излучался, поверхность должна двигаться равномерно. Для каждой океанской волны, которая поднимает воздух, рядом есть волна, которая движет воздух вниз, и поэтому взносы просто отменяются. Технически говоря, нам нужно рассчитать мощность путем интегрирования нормальной интенсивности по всей поверхности, интенсивность имеет равное количество положительных и отрицательных компонентов, а сумма по ним равна нулю.

По этой же причине вы кладете громкоговоритель в коробку: на открытом воздухе движение воздуха от передней части конуса и от задней части конуса просто компенсируется, поэтому вы кладете его в коробку, чтобы избавиться от звук сзади.

Поэтому я думаю, что реальный ответ здесь: вы бы ничего не услышали, так как звуковые эффекты от разных частей солнечной поверхности компенсируют друг друга. Звуковое излучение на этом расстоянии будет иметь место только в том случае, если поверхность Солнца движется равномерно, т.е. все Солнце расширяется или сжимается. Это происходит в некоторой степени, но только на очень, очень низких частотах, которые не слышны и где звуковое излучение намного менее эффективно.

Наряду с другими ответами, которые отличаются, о громкости Солнца, есть информация о том, как оно на самом деле звучит. Я бы описал это как переменный гул со статикой.

Послушайте необработанный звук в этом видео НАСА: « НАСА | Сонификация Солнца (необработанный звук) », рассказанную НАСА Годдардом: « Звуки Солнца », или посетите веб-страницу Goddard Media Studios: « Звуки Солнца ». В статье ничего не говорится о «громкости».

Другая веб-страница в НАСА, имя которой идентично названию в GMS: « Звуки солнца », предоставляет дополнительную информацию:

«Солнце не молчит. Низкий пульсирующий гул сердцебиения нашей звезды позволяет ученым заглянуть внутрь, открывая огромные реки солнечного вещества, которые текут у них перед глазами - уши. Гелиофизик НАСА Алекс Янг объясняет, как этот простой звук связывает нас с Солнце и все другие звёзды во вселенной. В этой части представлены низкочастотные звуки Солнца. Для лучшего прослушивания прослушайте эту историю в наушниках.

...

Это солнечные звуки, сгенерированные из 40-дневных данных, полученных с помощью Солнечной и Гелиосферной обсерватории (СОХО) и имитатора Майкельсона Допплера (MDI) и обработанные А. Косовичевым . Процедура, которую он использовал для генерации этих звуков, была следующей. Он начал с доплеровских данных о скорости, усредненных по солнечному диску, так что остались только моды с малой угловой степенью (l = 0, 1, 2). Последующая обработка удаляла эффекты движения космического корабля, настройку приборов и некоторые побочные эффекты. Затем Косовичев отфильтровал данные на частоте около 3 МГц, чтобы выбрать чистые звуковые волны (а не супергрануляцию и инструментальный шум). Наконец, он интерполировал недостающие данные и масштабировал данные (ускорил их в 42 000 раз, чтобы вывести их в слышимый диапазон человеческого слуха (кГц)). Для получения дополнительных аудиофайлов посетитеСтэнфордская лаборатория экспериментальной физики "Солнечные звуки" . Источники: А. Косовичев, Стэнфордская лаборатория экспериментальной физики. ".

Как объясняется на веб-странице Стэнфорда: « Вариации скорости солнечного звука », они смогли проанализировать эти звуки, чтобы получить график плотности Солнца. Дополнительная информация доступна на веб-странице Стэнфорда: « Гелиосейсмология », где они объясняют:

" Волны
Первичные Физика в обоих сейсмологии и гелиосейсмологии волновые движения , которые возбуждаются в организме (Земли или Солнца) внутренние и распространяются через среду. Тем не менее, есть много различий в количестве и типе волн для наземных и солнечных условиях ,

Для Земли у нас обычно есть один (или несколько) источник (ы) волнения: землетрясение (я).

Для Солнца ни один источник не генерирует солнечные "сейсмические" волны. Источники возбуждения, вызывающие наблюдаемые нами солнечные волны, - это процессы в большей конвективной области. Поскольку единого источника нет, мы можем рассматривать источники как континуум, поэтому звенящее Солнце похоже на колокол, постоянно ударяемый множеством крошечных песчинок.

На поверхности Солнца волны проявляются как колебания газов вверх и вниз, наблюдаемые как доплеровские сдвиги линий спектра. Если предположить, что типичная видимая линия солнечного спектра имеет длину волны около 600 нанометров и ширину около 10 пикометров, то скорость 1 метр в секунду сдвигает линию примерно на 0,002 пикометра [ Harvey, 1995, pp. 34 ]. В гелиосейсмологии отдельные колебательные моды имеют амплитуды не более примерно 0,1 метра в секунду. Поэтому цель наблюдения состоит в том, чтобы измерить сдвиги линии спектра с точностью до миллионных долей ее ширины.

Режимы колебаний
Три вида волн, которые гелиосейсмологи измеряют или ищут: это акустические, гравитационные и поверхностные гравитационные волны. Эти три волны генерируют p-моды , g-моды и f-моды соответственно как резонансные моды колебаний, потому что Солнце действует как резонансная полость. Есть только 10 ^ 7 режимов p и f. [Харви, 1995, с. 33]. Каждый режим колебаний является выборкой различных частей солнечного интерьера. Спектр обнаруженных колебаний возникает из мод с периодами от 1,5 до 20 минут и с горизонтальными длинами волн от нескольких тысяч километров до длины солнечного шара [ Gough and Toomre, p. 627, 1991 ].

Изображение ниже было создано компьютером для представления акустической волны (волны p-моды), резонирующей внутри Солнца.

На рисунке выше показан один набор стоячих волн колебаний Солнца. Здесь радиальный порядок равен n = 14, угловая степень равна l = 20, а угловой порядок равен m = 16. Красный и синий показывают смещения элементов противоположного знака. Частота этого режима, определенная по данным MDI, составляет 2935,88 +/- 0,2 мкГц.

Веб-страница Википедии по гелиосейсмологии предлагает следующую схему:

Анализ p-мод Солнца был предложен Р. А. Маурья, А. Амбастха и Дж. «Изменения амплитуды, ширины и энергии p-мод высокой степени в связанной с активностью деятельности » (21 января 2014 г.). Че. В разделе 3 они предоставляют формулу для преобразования трехмерного резонанса в амплитуду:

...

« 1. Введение

$ℓ$$\small{k^2_h = \frac{l(l+1)}{r^2}}$$ω$

$$\frac{l(l+1)}{r^2_t} = \frac{w^2}{c^2_s(r_t)}, \tag{1}$$

где - глубина нижней точки поворота. Время жизни мод высокой степени намного короче, чем время прохождения звука вокруг Солнца, поэтому локальные эффекты более важны для этих мод, чем для мод низкой степени, которые имеют более длинные горизонтальные длины волн и более длительные времена жизни. Вполне вероятно, что акустические волны высокой степени не являются глобальными модами, то есть они не остаются когерентными, путешествуя по окружности, чтобы создавать помехи для себя. Следовательно, они могут локально рассматриваться как горизонтально перемещающиеся, вертикально захваченные волны. Они наблюдаются в виде фотосферных движений, полученных из доплеровских сдвигов фотосферных спектральных линий.$r_t$

...

3. Методы анализа
3.1. Кольцевые диаграммы и параметры p-режима

Для оценки параметров p-режима, соответствующих выбранной области над Солнцем, интересующая область отслеживается во времени. Эта пространственно-временная область определяется массивом (или кубом данных) размерности . Здесь первые два измерения ( ) соответствуют пространственному размеру активной области (AR) вдоль осей и , представляющих зональное и меридиональное направления, а третье ( ) - времени$N_x × N_y × N_t$$N_x,N_y$$x$$y$$N_t$$t$в минутах Кубы данных, используемые для анализа кольцевой диаграммы, обычно имеют продолжительность 1664 мин и занимают площадь 16 ° × 16 ° с центром вокруг интересующего местоположения. Этот выбор области является компромиссом между пространственным разрешением на Солнце, диапазоном глубины и разрешением в пространственном волновом числе спектров мощности. Больший размер позволяет получить доступ к более глубоким субфосферным слоям, но только с более грубым пространственным разрешением. С другой стороны, меньший размер не только ограничивает доступ к более глубоким слоям, но также затрудняет установку колец.

Пространственные координаты пикселей в отслеживаемых изображениях не всегда целочисленные. Чтобы применить трехмерное преобразование Фурье к отслеживаемому кубу данных, мы интерполировали координаты отслеживаемых изображений в целочисленные значения, для которых мы используем метод интерполяции sinc. Трехмерное преобразование куба данных Фурье обрезает кольца вблизи краев из-за совмещения более высоких частот с нижней стороны. Чтобы избежать эффектов усечения, мы аподизировали куб данных как в пространственном, так и во временном измерениях. Пространственная аподизация была получена методом 2D-косинусного колокольчика, который уменьшает область 16 ° × 16 ° до круглого пятна с радиусом 15 ° ( Corbard et al. 2003 ).

Наблюдаемый фотосферный сигнал скорости в кубе данных является функцией положения ( ) и времени ( ). Пусть сигнал скорости в частотной области равен , где и - пространственные частоты в направлениях и соответственно, а ω - угловая частота колебаний. Тогда куб данных можно записать в виде$v(x,y,t)$$x,y$$t$$f(k_x,k_y,ω)$$k_x$$k_y$$x$$y$$v(x,y,t)$

$$v(x,y,t) = \int \int \int f(k_x,k_y,\omega)e^{i(k_x x + k_y y + \omega t)} dk_x dk_y d\omega.\tag{2}$$

Амплитуда колебаний p-моды рассчитывается с использованием трехмерного преобразования Фурье уравнения. (2). Спектр мощности определяется как $f(k_x,k_y,ω)$

$$P(k_x,k_y,\omega) = \left | f(k_x,k_y,\omega) \right |^2. \tag{3}$$

5. Резюме и выводы

Мы изучили свойства p-моды высокой степени образца нескольких вспыхивающих и неактивных AR и связанных QRs, наблюдаемых в течение солнечных циклов 23 и 24, с использованием метода кольцевой диаграммы, предполагая, что плоские волны и их связь с магнитной и вспышечной активностями. Изменения в параметрах p-режима представляют собой совокупное влияние рабочих циклов, ракурса, магнитной и факельной активности и погрешностей измерений .

Было амплитуда ( ) p-моды и фоновая мощность ( ) AR уменьшаются с увеличением их угловых расстояний от центра диска, в то время как ширина увеличивается медленно. Влияние ракурса на амплитуду и ширину моды согласуется с сообщениями Howe et al. (2004) . Уменьшение амплитуды моды с расстоянием возникает потому, что с увеличением расстояния от центра диска мы измеряем только косинусную составляющую вертикального смещения. Кроме того, ракурс приводит к уменьшению пространственного разрешения доплеровских диаграмм, поскольку мы наблюдаем все более близкое движение к конечности. Это уменьшает пространственное разрешение, определенное на Солнце в направлении от центра к конечности, и, следовательно, приводит к систематическим ошибкам наблюдения.$A$$b_0$$A$

Второе по величине влияние на параметры p-режима обусловлено рабочим циклом. Мы обнаружили, что амплитуда моды увеличивается с увеличением коэффициента заполнения, тогда как ширина моды и мощность фона показывают противоположную тенденцию. Подобные результаты были ранее сообщены для глобальной амплитуды и ширины p-моды, например, Komm et al. (2000a) . Эти авторы сообщили о самом сильном увеличении ширины моды и уменьшении амплитуды с рабочим циклом, когда его значения ниже. Эти изменения параметров режима могут быть вызваны увеличением выборок сигналов в кубах данных. Однако мы обнаружили, что для нескольких мод в пятиминутном и высокочастотном диапазонах амплитуды мод не увеличиваются значительно с коэффициентом заполнения. Эффект рабочего цикла уменьшается с увеличением степени гармоники$ℓ$, Чтобы изучить связь параметров мод с магнитной и вспышечной активностями, мы скорректировали параметры мод всех AR и QRs для ракурса. ... ".

Точная громкость , рассчитанная выше, зависит от того, где и когда вы измеряете.

Веб-страницы Википедии: фигуры Хладни (плоские), механический резонанс и резонанс Гельмгольца (заполненная воздухом сфера) предоставляют некоторую связанную информацию о сложности и сложности расчетов. В статье: « Обзор астеросейсмологии » (7 ноября 2017 г.) Мария Пиа ди Мауро обсуждает стоячие волны, движущиеся внутри звезды, которые конструктивно взаимодействуют друг с другом, вызывая резонансные моды.