Солнечные пятна, динамика и механизм их образования, способы их учета в экологии и астрофизике

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце - не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

О том, что на Солнце бывают пятна, люди узнали уже очень давно. В древних русских и китайских летописях, а также в хрониках других народов не редко встречались упоминания о наблюдениях пятен на Солнце. В русских летописях отмечалось, что пятна были видны "Аки гвозди". Записи помогли подтвердить установленную уже позже (в 1841 году) закономерность периодического увеличения числа солнечных пятен. Чтобы заметить такой объект простым глазом (при соблюдении, конечно, мер предосторожности - сквозь густо закопченное стекло или засвеченную негативную фотопленку), необходимо, чтобы его размер на Солнце был не менее 50 - 100 тысяч километров, что в десятки раз превышает радиус Земли.[2]

Что мы знаем о Солнце и периодически возникающих на нем явлениях, солнечных пятнах? Кажется не мало, но по-прежнему нет точных ответов на следующие вопросы:

? Какова причина и способ периодического возникновения солнечных пятен?

? Что является спусковым механизмом их образования?

? Как и посредством чего пятна влияют на земную жизнь?

? Что является источником всех периодических процессов проходящих на Солнце?

? Заключен ли он вне Солнца или в нем самом?

На данный момент нет даже единой гипотезы, которая смогла бы пролить свет на темный лик солнечных пятен. Здесь можно лишь описать загадку, как она представляется сегодня. [2]

2. Общие сведения о солнце.

2.1 Вид Солнца в телескоп.

Наблюдения Солнца требуют большой осторожности. Нельзя смотреть на Солнце, не защитив глаза очень плотным (тёмным) светофильтром! Но даже со светофильтром не рекомендуется смотреть на Солнце в школьный телескоп. Лучше установить на окулярном конце телескопа экран с листом белой бумаги и рассматривать изображение Солнца на экране. Это позволит увидеть на Солнце тёмные пятна (Солнечные пятна) и светлые участки (факелы), которые заметнее вокруг пятен вблизи края Солнечного диска. На современных обсерваториях для наблюдения Солнца применяют телескопы специальных конструкций – солнечные телескопы. Таким телескопам оснащена, например, Крымская Астрофизическая Обсерватория. Посредством именно таких телескопов и было сделано большиство наблюдений. [1]

2.2 Вращение Солнца

Если сравнить несколько последовательных фотографий Солнца, то можно заметить, как меняется положение всех пятен на диске. Это происходит из-за вращения Солнца. Солнце вращается не как твёрдое тело. Пятна, находящиеся в близи экватора Солнца, опережают пятна, расположенные в средних широтах. Следовательно, скорости вращения разных слоёв Солнца различны. Экваториальные области делают один оборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсов Солнца – примерно за 30 суток. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца составляет 2 км./с. Наблюдения показывают, что все пятна перемещаются от Восточного края к Западному. Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в направлении движения планет вокруг него. [1]

2.3 Характеристики Солнца

· Масса M_S~2*10²³ кг,

· R_S~629 тыс км,

· V= 1,41.1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,

· средняя плотность 1,41*10³кг/м,

· светимость L_S=3,86*10²³кВт,

· эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,

· период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут у полюсов,

· ускорение свободного падения 274 м/с². [1]

2.4 Строение Солнца

Химический состав был определен из анализа солнечного спектра. Оказалось, что на Солнце больше всего водорода, а затем гелия. Другие химических элементов (кислород, кальций, железо, магний, натрий и др.) составляют очень малую долю по сравнению с водородом. Никаких химических элементов, помимо тех, которые имеются на Земле не обнаружено. Вследствие ядерной реакции превнащения водорода в гелий выделяется теплота.[1]

Под тяжестью внешних слоев плотность Солнца увеличивается к центру вместе с ростом давления и температуры. (см. рис.1)Температура ядра достигает 15 млн. кельвинов. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца, однако в его объеме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Рис.1

Строение солнца.

Через зону лучистой передачи (лучистый перенос) и конвективнуюзону (конвекция) идет передача энергии. (Теплопроводность не играет большой роли в энергетических процессах на Солнце и звездах)

Атмосфера Солнца начинается на 200-300 тыс. км. глубже видимого края солнечного диска называют фотосферой. Поскольку их толщина составляет не более одной трехтысячной доли солнечного радиуса, фотосферу иногда условно называют поверхностью Солнца.

Хромосфера весьма неоднородна и состоит в основном из продолговатых вытянутых язычков (спикул), придающих ей вид горящей травы. Температура этих хромосферных струй в два-три раза выше, чем в фотосфере, а плотность в сотни тысяч раз меньше. Общая протяженность хромосферы 10-15 тыс. километров.

Крона - самая внешняя часть атмосферы Солнца. В отличие от фотосферы и хромосферы онаобладает огромной протяженностью: она простирается на миллионы километров, что соответствует нескольким солнечным радиусам, а ее слабое продолжение уходит еще дальше. Главным образом корона состоит из частичек электричества – электронов, выделяющихся из нижележащих слоев. Все они быстро движутся в разных направлениях, но преимущественно в сторону от Солнца. Скорость их так же велика, как у газа при температуре до миллиона градусов.

Фактически мы живем окруженные солнечной короной, хотя и защищенные от ее проникающей радиации надежным барьером в виде земного магнитного поля. Через корону солнечная активность влияет на многие процессы, происходящие на Земле.

3. Солнечные пятна.

3.1 Наблюдения.

На данный момент нет даже единой гипотезы, которая смогла бы пролить свет на темный лик солнечных пятен. Здесь можно лишь описать загадку, как она представляется сегодня. Начнем с того, что уже точно известно за счет наблюдений.

Пятна практически не образуются на полюсах и на экваторе Солнца. Две узкие полосы в пределах от 25 - 30 и до 8 - 12 градусов северной и южной широты - вот места наиболее интенсивного образования пятен. Причем, пики их образования повторяются с периодичностью от 7 до 17 лет. Этот цикл, составляющий в среднем 12 лет, четко прослеживается в широтности образования пятен. Когда исчезают последние пятна на нижних широтах (8 - 12 градусов), начинают образовываться пятна на верхних широтах (25 - 30 градусов). Новые пятна станут образовываться уже ниже этого уровня, то есть они будут как бы сползать к нижним широтам. К концу цикла область образования пятен вновь окажется в пределах от 8 до 12 градусов северной и южной широты. Начало цикла пятнообразования и минимум солнечной активности совпадают.

Пятна, как правило, образуются группами или хотя бы парами. Пара пятен на одной широте находится в любопытной взаимосвязи. Прежде чем в фотосфере (видимом слое Солнца) образуется пятно, на месте его возникновения регистрируется очень мощное магнитное поле. Последнее может быть только замкнутым, оно то и связывает пару пятен. Обычно, силовые линии магнитного поля направлены из северного полюса объекта (будь то планета или Солнце) к южному, но здесь все не так просто. Направления силовых линий магнитных полей обратны для пар пятен северного и южного полушарий. Более того, магнитная полярность пятен, меняется на противоположную после каждого 12-летнего цикла, что позволяет говорить не о 11-летнем, а о 22-х летнем солнечном цикле пятнообразования. Магнитные поля пятен интенсивней магнитного поля Солнца в целом и к тому же они перпендикулярны ему. Все сказанное хорошо видно на рис. 2.[1]

Рис. 2

Изменение среднегодовых чисел солнечных пятен R и приближенных средних широт солнечных пятен (закон Шперера) за 1933 - 1953 гг.

Буквами в кружках обозначены полярности пар солнечных пятен (закон полярности солнечных пятен.)

Солнце, как известно, вращается вокруг своей оси с периодичностью примерно 27 суток, из-за чего пара пятен наблюдается с некоторым периодом исчезая на западном краю Солнца и появляясь вновь на восточном менее чем через 2 недели. Первое в этом движении пятно является головным. Установлено, что в паре пятен оно возникает первым и исчезает последним.

Солнечное пятно может существовать от нескольких часов до нескольких месяцев. Размер пятен также широко варьируется от "пор" - зародышей пятен, до гигантских площадей в которые можно уложить по 100 земных глобусов. Появляясь из пор, группа пятен проходит стадию роста, в ходе которой они увеличиваются и расходятся, расползаются в разные стороны. Затем следует более продолжительная по времени стадия рассасывания пятен. Последним исчезает головное, по ходу вращения Солнца, пятно. После исчезновения пятна, мощное магнитное поле на его месте сохраняется еще в течении некоторого времени.

Для характеристики активности Солнца используют числа Вольфа, учитывающие количество одиночных пятен и групп пятен на Солнце.[5]

Само пятно по форме является воронкой на видимой поверхности Солнца (эффект возникает из-за прозрачности атмосферы в этом месте). Их глубину определяют в 1000 - 1500 км. Температура солнечного вещества в районе центра пятна наиболее низкая в сравнении с общей температурой поверхности - 5800 К., на 1000 - 1500 К. Поэтому центр пятна наблюдается как более темное образование, чем его края. В пятне различают тень - его центр, и полутень, которая больше в радиусе в 2 раза и более (она светлее, см. рис.3). Края пятна окружены светлыми волокнистыми образованиями - фотосферными факелами. Температура в них выше (на 2000 К.) чем в окружающем веществе, поэтому они выделяются по яркости свечения. Факелы продолжаются вверх через фотосферу в хромосферу, где образуют "факельные площадки", которые расширяются с ростом высоты. В фотосфере поперечник факельной площадки может составлять 700 км, а уже на границе хромосферы и короны - 15000 км. Факельные площадки появляются, растут и рассасываются согласно с ритмом солнечных пятен, но они могут существовать и без них. Сами по себе факелы живут дольше пятен - до 3-х, 4-х месяцев. Предполагается, что причиной их образования служат менее мощные, чем у пятна магнитные поля.


рис.3. Солнечное пятно (слева) и эффектный снимок поверхности Солнца (справа).[3]

3.2 Механизм образования.

Солнце представляет собой огромный бурлящий котел плазмы, причем внутри оно горячее, а снаружи – холоднее. Из-за этого перепада температур возникают конвекционные потоки: остывшие массы идут вглубь, а на их место поднимаются более горячие. Этому процессу мешает сильное магнитное поле Солнца. Оказывается, что магнитные вихри могут локально приостановить конвекцию, не дать остывшим массам опуститься.В результате эта область на солнечной поверхности будет холоднее окружающих – и поэтому будет выглядеть темнее. Это и есть темное пятно. [5]

Конвективные процессы продолжают идти на глубине, однако более горячий газ не может прорваться на поверхность сквозь более холодные области, и вынужден их огибать.[6]

Солнечное магнитное поле имеет очень сложную структуру и непрерывно меняется. Совместные действия циркуляции солнечной плазмы в конвективной зоне и дифференциального вращения Солнца постоянно возбуждает процесс усиления слабых магнитных полей и возникновения новых. Видимо это обстоятельство и является причиной возникновения на Солнце пятен. Пятна то появляются, то исчезают. Их количество и размеры меняются. Но, примерно, каждые 11 лет число пятен становится наибольшим. Тогда говорят, что Солнце активно. С таким же периодом (~ 11 лет) происходит и переполюсовка магнитного поля Солнца. Естественно предположить, что эти явления связанны между собой.[1]

Развитие активной области начинается с усиления магнитного поля в фотосфере, что приводит к появлению более ярких участков - факелов (температура фотосферы Солнца в среднем 6000К, в области факелов примерно на 300К выше). Дальнейшее усиление магнитного поля приводит к появлению пятен. [1]

В начале 11-летнего цикла пятна в небольшом количестве начинают появляться на сравнительно высоких широтах (35 - 40 градусов), а за тем постепенно зона пятнообразования спускается к экватору, до широты плюс 10 - минус 10 градусов, но на самом экваторе пятен, как правило, не бывает.[1]

Галилео Галилей одним из первых заметил, что пятна наблюдаются не всюду на Солнце, а, главным образом, на средних широтах, в пределах так называемых "королевских зон".

Сначала обычно появляются одиночные пятна, но затем из них возникает целая группа, в которой выделят два больших пятна - одно - на западном, другое - на восточном краю группы. В начале нашего века выяснилось, что полярности восточных и западных пятен всегда противоположны. Они образуют как бы два полюса одного магнита, а потому такую группу называют биполярной. Типичное солнечное пятно имеет размеры несколько десятков тысяч километров.[1]

Галилей, зарисовывая пятна, отмечал вокруг некоторых из них серую каемку.

Действительно, пятно состоит из центральной, более темной части - тени и более светлой области - полутени.[1]

Солнечные пятнаиногда бывают видны на его диске даже невооруженным глазом . Кажущаяся чернота этих образований вызвана тем, что их температура примерно на 1500 градусов ниже температуры окружающей их фотосферы (и соответственно непрерывное излучение от них гораздо меньше). Одиночное развитое пятно состоит из темногоовала - так называемой тени пятна, окруженного более светлой волокнистой полутенью. Неразвитые мелкие пятна без полутени называют порами. Зачастую пятна и поры образуют сложные группы. [1]

Типичная группа пятен изначально возникает в виде одной или нескольких пор в области невозмущенной фотосферы. Большинство таких групп обычно исчезают через 1-2 суток. Но некоторые последовательно растут и развиваются, образовывая достаточно сложные структуры. Солнечные пятна могут быть больше в диаметре, чем Земля. Они часто объединяются в группы. Они формируютсяза несколько дней и обычно исчезают за неделю. Некоторые большие пятна, хотя, могут сохраняться в течение месяца. Большие группы солнечных пятен более активны, чем маленькие группы или отдельные пятна.[1]

Наиболее вероятной гипотезой периодического повторения солнечной активности считают возмущения от планет гигантов, которое смещает центр тяжести Солнечной системы. Но это далеко не единственная гипотеза. Наряду с 12-летним циклом солнечной активности выделяют еще вековой цикл его нарастания и убывания. По разным данным он может варьироваться. Есть данные в пользу 60-летнего и 86-летнего цикла.[2]

3.3 Воздействие на биосферу

В активной области Солнца наблюдаются "солнечные вспышки" - мощные ядерные взрывы - непременный атрибут повышенной солнечной активности. Они длятся всего несколько минут (а то и секунд), но производят весьма сильный эффект. В межпланетное пространство выбрасывается огромное число заряженных частиц или ионов, которые попадая в атмосферу Земли вызывают усиление северного сияния, магнитные бури и другие, более продолжительные эффекты. В момент вспышки происходит возрастание солнечного излучения почти во всех диапазонах, от рентгеновского до километровых радиоволн. А. Л. Чижевский был одним из первых, кто усмотрел в ионизированных солнечных частицах реальный механизм воздействия на биосферу Земли.За свои исследования воздействия ионов на все живое он получил титул отца космобиологии, как основатель науки изучающей реальные механизмы воздействия космических излучений на живые организмы, человека и общество.

Хотя еще до него Р. Вольф установил, что, например, существует взаимосвязь между свечением атмосферы в высоких широтах и вспышками на Солнце. До и после Вольфа были найдены и другие взаимосвязи. 1844, Гаутьер - существует взаимосвязь между температурой воздуха у земной поверхности и числом пятен на Солнце. 1858, Малпе - связь пятен с землетрясениями. 1872, Мелдрун - частота бурь, ураганов и смерчей, а также количество осадков пропорциональны числу солнечных пятен. 1887, Зенгер - частота гроз и число пятен. Другие статистические исследования установили связь числа пятен и количества добываемого вина, толщины годовых колец у деревьев, величиной улова рыбы, размножаемостью и миграцией насекомых, количеством катастроф и преждевременных смертей. (см рис. 4, 5 и 6)[2]

Рис 4. Изменение солнечной активностиначиная с 1740 г (в числах Вольфа). [4]

Рис 5. Среднее значение солнечной активности за последние 2000 лет.Удивительно, как точно график соответствует напряженности исторической жизни. Закат античного мира к 600-700 гг. н. э. и становление новых народов европы, затем "темные века" средневековья и эпоха Возрождения. [4]

Рис 6. Статистика чисел Вольфа, магнитных бурь, урожайности и эпидемий по годам.

3.4 Способы учета в экологии и астрофизике.

Поворачиваясь к Солнцу то одним, то другим своим полушарием, Земля получает энергию. Этот поток можно представить в виде бегущей волны: там, где падает свет -- ее гребень, где темно -- провал. Иными словами, энергия то прибывает, то убывает. Об этом в своем знаменитом естественном законе говорил еще Михаил Ломоносов. [1]

Теория о волнообразном характере поступления энергии на Землю побудила основоположника гелиобиологии Александра Чижевского обратить внимание на связь между увеличением солнечной активности и земными катаклизмами. Первое наблюдение, сделанное ученым, датируется июнем 1915 года. На Севере блистали полярные сияния, наблюдавшиеся как в России, так и в Северной Америке, а "магнитные бури непрерывно нарушали движение телеграмм". Как раз в этот период ученый обращает внимание на то, что повышенная солнечная активность совпадает с кровопролитием на Земле. И действительно, сразу после появления больших пятен на Солнце на многих фронтах Первой мировой усилились военные действия. [1]

Теперь астрономы говорят, что наше светило становится все более ярким и жарким. Это связано с тем, за последние 90 лет активность его магнитного поля увеличилась более чем вдвое, причем наибольший рост произошел за последние 30 лет. В Чикаго, на ежегодной конференции Американского астрономического общества, прозвучало предупреждение ученых о грозящих человечеству неприятностях. Как раз в тот момент, когда компьютеры по всей планете будут приспосабливаться к условиям работы в 2000 году, наше светило вступит в наиболее бурную фазу своей 11-летней циклической .Теперь ученые смогут безошибочно предсказывать солнечные вспышки, что даст возможность заблаговременно подготовиться к возможным сбоям в работе радио- и электросетей. Сейчас большинство солнечных обсерваторий подтвердило "штормовое предупреждение" на следующий год, т.к. пик солнечной активности наблюдается каждые 11 лет, а предыдущая буря наблюдалась в 1989 году. [1]

Недавно несколько космических спутников зафиксировали выброс солнечных протуберанцев, характеризующийся необычно высоким уровнем рентгеновского излучения. Такие явления представляют серьезную угрозу для Земли и ее жителей. Вспышка такой мощности потенциально способна дестабилизировать работу энергетических сетей. К счастью, поток энергии не затронул Землю и никаких ожидаемых неприятностей не случилось. Но само по себе событие является провозвестником так называемого "солнечного максимума", сопровождающегося выбросом гораздо большего количества энергии, способного вывести из строя коммуникации связи и силовые линии, трансформаторы, под угрозой будут находиться космонавты и космические спутники, находящиеся вне магнитного поля Земли и не защищенные атмосферой планеты. На сегодняшний день спутников NASA на орбите больше, чем когда-либо прежде. Существует угроза и для самолетов, выражающаяся в возможности прекращения радиосвязи, глушении радиосигналов.[1]

Александр Чижевский еще в 20-х гг. обнаружил, что солнечная активность влияет на экстремальные земные события – эпидемии, войны, революции…Земля не только обращается вокруг Солнца – все живое на нашей планете пульсирует в ритмах солнцедеятельности, – установил он. [1]

Солнце меняет состояние магнитосферы и атмосферы Земли. Магнитные поля и потоки частиц, которые идут от солнечных пятен, достигают Земли и влияют прежде всего на мозг, сердечно-сосудистую и кровеносную системы человека, на ее физическое, нервное и психологическое состояние. Высокий уровень солнечной активности, его быстрые изменения возбуждают человека, а поэтому и коллектив, класс, общество, особенно, когда есть общие интересы и понятная и воспринимаемая идея. [1]

Чтобы всесторонне исследовать явления, происходящие на Солнце, проводятся систематические наблюдения Солнца (служба Солнца) на многочисленных обсерваториях всего мира. Одна из основных задач службы Солнца — предсказание (прогноз) солнечных вспышек. Прогнозы вспышек позволяют своевременно предотвращать нарушения радиосвязи, а также принимать меры, необходимые для обеспечения безопасности пребывания человека в космическом пространстве.[1]


A.	Б.
Рис 7. Изменение эллиптичности орбиты Земли (A) и наклона оси Земли (Б) определяют количество получаемого Землей солнечного излучения, а следовательно определяет периоды глобального потепления и похолодания.[4]

4. Заключение.

Кроме солнечных пятен существуют и другие интересные явления, источник которых не ясен. Это пульсации солнечной поверхности с периодом от нескольких минут и более. Эти пульсации сказываются на ритмичном изменении интенсивности солнечного излучения, - в свечении его поверхности. Когда Солнце сжимается - светимость увеличивается. Ученые предполагают, что ритмические пульсации Солнца лежат в основе формирования планет за счет уплотнения межзвездного газа во время образования Солнечной системы. Значит, эти пульсации могут отражаться в параметрах планетных орбит (как циклически, так и скачками), которые, как известно, тоже периодически изменяются (см. рис. 7).

Последнее может означать только одно - Солнечная система развивается по законам замкнутой системы с большим числом внутренних обратных связей, регулирующих все процессы в ней. Так солнечная активность проявляется в состоянии планет, а движение последних регулирует саму солнечную активность.[2]

Надо думать, что это не все секреты, которые бережет от нас Солнце. Исследования продолжаются.

5. Литература.

[1] Солнце. (статья неизвестного автора) http://www.gr0221.narod.ru/sun.htm

[2] Солнечные пятна. Дмитрий Солнцев. http://solncev-ru.chat.ru/Sun_p.htm

[3] Астрономический сайт “Звездочет” http://www/astronomy.ru:8101/index.html

[4] Тайны будущего. Ю. В. Мизун и Ю. Г. Мизун, М.: «Мир», 1984 г.,205c.

[5] Загадки солнечных пятен. Вадим Самокатов.9 ноября 2001г. http://www.utro.ru/articles/2001110903343245361.shtml

[6] Что происходит под солнечными пятнами. Science@NASA. 7 ноября 2001 г.

http://pioner.smr.ru/distance/sunspots.html