Солнечная активность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Солнечная активность

План

1. Причины изменения солнечной активности

2. Цикличность солнечной активности

1. Причины изменения солнечной активности

Прежде, чем приступить к описанию причин солнечной активности, рассмотрим, что же собой представляет эта активность.

Солнечная активность - совокупность динамичных процессов на Солнце, вызывающих соответствующие изменения в гелиосфере и активизирующих магнитосферные возмущения. Солнечная активность пространственно связана с активными областями солнечной атмосферы, которые представляют собой совокупность быстро меняющихся образований (пятна, флоккулы, вспышки, корональные дыры и др.), и активными процессами (всплески радиоизлучения, солнечные космические лучи, корональные выбросы массы и пр.).

В фотосфере, хромосфере и короне проявления солнечной активности различны. Однако все они имеют общую причину. Такой причиной являются локальные магнитные поля, возникновение и эволюция которых всегда сопровождается образованием активных областей.

Одной из самых замечательных особенностей Солнца являются почти периодические, регулярные изменения различных проявлений солнечной активности, то есть всей совокупности наблюдаемых изменяющихся (быстро или медленно) явлений на Солнце. Это и солнечные пятна - области с сильным магнитным полем и вследствие этого с пониженной температурой, и солнечные вспышки - наиболее мощные и быстроразвивающиеся взрывные процессы, затрагивающие всю солнечную атмосферу над активной областью, и солнечные волокна - плазменные образования в магнитном поле солнечной атмосферы, имеющие вид вытянутых (до сотен тысяч километров) волокнообразных структур. Когда волокна выходят на видимый край (лимб) Солнца, можно видеть наиболее грандиозные по масштабам активные и спокойные образования - протуберанцы, отличающиеся богатым разнообразием форм и сложной структурой. Нужно еще отметить корональные дыры - области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем. Это своеобразные окна, из которых выбрасывается высокоскоростной поток солнечных заряженных частиц.

Солнечные пятна - наиболее известные явления на Солнце. Впервые в телескоп их наблюдал Г. Галилей в 1610 г. В XVII веке появились гравюры, изображающие солнечные пятна и опубликованные в 1613 г. в его знаменитых письмах о солнечных пятнах, явились первыми систематическими рядами наблюдений.

С этого времени регистрация пятен то проводилась, то прекращалась, то возобновлялась. В конце ХIX столетия два наблюдателя - Г. Шперер в Германии и Е. Маундер в Англии указали на тот факт, что в течение 70-летнего периода вплоть до 1716 г. пятен на солнечном диске, по-видимому, было очень мало. Уже в наше время Д. Эдди, заново проанализировав все данные, пришел к выводу, что действительно в этот период был спад солнечной активности, названный Маундеровским минимумом.

К 1843г. после 20-летних наблюдений любитель астрономии Г. Швабе из Германии собрал достаточно много данных для того, чтобы показать, что число пятен на диске Солнца циклически меняется, достигая минимума примерно через каждые одиннадцать лет. Р. Вольф из Цюриха собрал все какие только мог данные о пятнах, систематизировал их, организовал регулярные наблюдения и предложил оценивать степень активности Солнца специальным индексом, определяющим меру "запятненности" Солнца, учитывающим как число пятен, наблюдавшихся в данный день, так и число групп солнечных пятен на диске Солнца. Формула для расчета данного индекса приведена ниже.

W = k (f + 10g),

где, f - число всех отдельных пятен, в данный момент наблюдаемых на солнечном диске, а g - удесятеренное число образованных ими групп.

Этот индекс относительного числа пятен, впоследствии названный "числами Вольфа", начинает свой ряд с 1749 года, так как до этого времени регистрация солнечных пятен то проводилась, то прекращалась и не могла давать точные данные. Кривая среднегодовых чисел Вольфа отчетливо показывает периодические изменения числа солнечных пятен (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Кривая среднегодовых чисел Вольфа [16]

Индекс "числа Вольфа" хорошо выдержал испытание временем, но на современном этапе необходимо измерять солнечную активность количественными методами. Современные солнечные обсерватории ведут регулярные патрульные наблюдения за Солнцем, используя в качестве меры активности оценку площадей солнечных пятен в миллионных долях площади видимой солнечной полусферы (м.д.п.). Этот индекс в какой-то мере отражает величину магнитного потока, сосредоточенного в пятнах, через поверхность Солнца.

Группы солнечных пятен со всеми сопутствующими явлениями представляют части активных областей. Развитая активная область включает в себя факельную площадку с группой солнечных пятен по обе стороны линии раздела полярности магнитного поля, на которой часто располагается волокно. Всему этому сопутствует развитие корональной конденсации, плотность вещества в которой в несколько раз выше плотности окружающей среды. Все эти явления объединены интенсивным магнитным полем, достигающим величины нескольких тысяч гаусс на уровне фотосферы [11].

Наиболее четко границы активной области определяются по хромосферной линии ионизованного кальция. Поэтому был введен ежедневный кальциевый индекс, который учитывает площади и мощности всех активных областей.

Самое сильное проявление солнечной активности, влияющее на Землю, - солнечные вспышки. Они развиваются в активных областях со сложным строением магнитного поля и затрагивают всю толщу солнечной атмосферы. Энергия большой солнечной вспышки достигает огромной величины, сравнимой с количеством солнечной энергии, получаемой нашей планетой в течение целого года. Это приблизительно в 100 раз больше всей тепловой энергии, которую можно было бы получить при сжигании всех разведанных запасов нефти, газа и угля. В то же время это энергия, испускаемая всем Солнцем за одну двадцатую долю секунды, с мощностью, не превышающей сотых долей процента от мощности полного излучения нашей звезды. Во вспышечно-активных областях основная последовательность вспышек большой и средней мощности происходит за ограниченный интервал времени (40-60 часов), в то время как малые вспышки и уярчения наблюдаются практически постоянно. Это приводит к подъему общего фона электромагнитного излучения Солнца. Поэтому для оценки солнечной активности, связанной со вспышками, стали применять специальные индексы, напрямую связанные с реальными потоками электромагнитного излучения. По величине потока радиоизлучения на волне 10,7 см (частота 2800 МГц) в 1963 г. введен индекс F10,7. Он измеряется в солнечных единицах потока (с.е.п.), причем 1 с.е.п. = 10-22 Вт/(м²·Гц). Индекс F10,7 хорошо соответствует изменениям суммарной площади солнечных пятен и количеству вспышек во всех активных областях. Для статистических исследований в основном используются среднемесячные значения.

С развитием спутниковых исследований Солнца появилась возможность прямых измерений потока рентгеновского излучения в отдельных диапазонах.

С 1976 года регулярно измеряется ежедневное фоновое значение потока мягкого рентгеновского излучения в диапазоне 1-8A (12,5-1 кэВ). Соответствующий индекс обозначается прописной латинской буквой (A, B, C, M, X), характеризующей порядок величины потока в диапазоне 1-8 A (10-8 Вт/м², 10-7 и так далее) с последующим числом в пределах от 1 до 9,9, дающим само значение потока. В итоге получается следующая шкала оценок (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1 Шкала оценок ежедневного фонового значения потока мягкого рентгеновского излучения [10]

Этот фон изменяется от величин А 1 в минимуме солнечной активности до С 5 в максимуме. Эта же система применяется для обозначения рентгеновского балла солнечной вспышки. Максимальный балл Х 20 = 20·10-4 Вт/м² зарегистрирован во вспышке 16 августа 1989 года.

В последнее время стало использоваться в виде индекса, характеризующего степень вспышечной активности Солнца, количество солнечных вспышек за месяц. Этот индекс может быть использован с 1964 года, когда была введена применяющаяся сейчас система определения балльности солнечной вспышки в оптическом диапазоне [10].

2. Цикличность солнечной активности

солнце гелиосфера магнитосфера радиация

Солнечная активность в числах Вольфа и, как выяснилось позже, и в других индексах, имеет циклический характер со средней продолжительностью цикла в 11,2 года. Нумерация солнечных циклов начинается с того момента, когда начались регулярные ежедневные наблюдения числа пятен. Эпоха, когда количество активных областей бывает наибольшим, называется максимумом солнечного цикла, а когда их почти нет - минимумом. За последние 80 лет течение цикла несколько ускорилось, и средняя продолжительность циклов уменьшилась примерно до 10,5 лет. За последние 250 лет самый короткий период был равен 9 годам, а самый длинный 13,5 лет. Другими словами, поведение солнечного цикла регулярно лишь в среднем. В подъеме и спаде солнечных циклов существует некоторая закономерность. Возможно, это указывает на существование более длительного цикла, равного примерно 80 - 90 годам. Несмотря на различную длительность отдельных циклов, каждому из них свойственны общие закономерности. Так, чем интенсивнее цикл, тем короче ветвь роста и тем длиннее ветвь спада, например, 1954 - 1964 гг. (см. рис. 2.1.), но для циклов малой интенсивности как раз наоборот - длина ветви роста превышает длину ветви спада. В эпоху минимума в течение некоторого времени пятен на Солнце, как правило, нет. Затем они начинают появляться далеко от экватора на широтах ±40°. Одновременно с возрастанием числа солнечных пятен сами пятна мигрируют в направлении солнечного экватора, который наклонен к плоскости орбиты Земли (то есть к эклиптике) под углом в 7°. Г. Шперер был первым, кто исследовал эти изменения с широтой. Он и Р. Кэррингтон - английский астроном-любитель - провели большие серии наблюдений периодов обращения пятен и установили тот факт, что Солнце не вращается как твердое тело - на широте 30°, например, период обращения пятен вокруг Солнца на 7% больше, чем на экваторе [2].

К концу цикла пятна в основном появляются вблизи широты ±5°. В это время на высоких широтах уже могут появляться пятна нового цикла.

В 1908 г. Д. Хейл открыл, что солнечные пятна обладают сильным магнитным полем. Более поздние измерения магнитного поля в группах, состоящих из двух солнечных пятен, показали, что эти два пятна имеют противоположные магнитные полярности, указывая, что силовые линии магнитного поля выходят из одного пятна и входят в другое. В течение одного солнечного цикла в одной полусфере (северной или южной) ведущее пятно (по направлению вращения Солнца) всегда одной и той же полярности. По другую сторону экватора полярность ведущего пятна противоположная. Такая ситуация сохраняется в течение всего текущего цикла, а затем, когда начинается новый цикл, полярности ведущих пятен меняются. Первоначальная картина магнитных полярностей таким образом восстанавливается через 22 года, определяя магнитный цикл Солнца. Это означает, что полный магнитный цикл Солнца состоит из двух одиннадцатилетних - четного и нечетного, причем четный цикл обычно меньше нечетного [15].

Одиннадцатилетней цикличностью обладают многие другие характеристики активных образований на Солнце - площадь пятен, частота и количество вспышек, количество волокон (и соответственно протуберанцев), а также форма короны. В эпоху минимума солнечная корона имеет вытянутую форму, которую придают ей длинные лучи, искривленные в направлении вдоль экватора. У полюсов наблюдаются характерные короткие лучи - "полярные щетки". Во время максимума форма короны округлая, благодаря большому количеству прямых радиальных лучей (рис. 2.2).

Также солнечная активность характеризуется большим числом циклов различной длительности, из коротких более других исследована двухлетняя периодичность солнечной активности. Известны также циклы и с большим периодом: 100 (вековой) 160-200 и 600-летний.

Вековой цикл определялся по квазипериодическому изменению максимумов 11-летних циклов.

а) б)

Рис. 2.2. Форма солнечной короны во время максимума (а) и минимума (б) солнечной активности [1]

В истории изучения циклов солнечной активности известно несколько особенных периодов:

­ 1645 - 1715 гг. - минимум Маундера, когда на Солнце в течение 60 лет почти не было пятен;

­ 1410 - 1510гг. - минимум Шперера;

­ 1120 - 1280 гг. - средневековый максимум.

Предполагают, что первый из этих минимумов был суперпозицией минимумов 600-летнего и векового циклов. С развитием этих минимумов солнечной активности связывают некоторые катастрофические явления в биосфере Земли и в истории человеческого общества. Существуют данные о том, что Маундеровский и другие минимумы солнечной активности совпадают с периодом сильного ослабления или даже исчезновения общего магнитного поля Солнца. Если 11-летний цикл является циклом частоты появления на Солнце активных образований, то вековой цикл оказывает модулирующее воздействие на 11-летний. Асимметрия солнечной активности в северном и южном полушариях, малозаметная в 11-летнем цикле, весьма существенна в вековой цикле. Предполагается, что северо-южная асимметрия солнечной активности связана с изменением положения ядра Солнца [8].

Одной из наиболее важных задач в исследованиях солнечной активности является прогнозирование солнечной активности. Прогнозирование солнечной активности можно разделить на три основных типа - краткосрочное (на период до 10 дней), среднесрочное (на период до нескольких месяцев) и долгосрочное (на период до нескольких десятилетий). Прогнозирование солнечной активности имеет большое практическое значение, так как в настоящее время можно считать доказанным влияние на людей проявлений солнечной активности, прежде всего, магнитных бурь и повышенной солнечной радиации проникающей к поверхности Земли. Поэтому, во многих странах население оповещается о приближении магнитных бурь и эти периоды считаются наиболее опасными для людей, чья профессиональная деятельность связана с повышенным риском (люди, управляющие всеми видами морского, наземного и воздушного транспорта и т.д.). Повышение солнечной активности, выраженное мощными солнечными вспышками, солнечным ветром и магнитными бурями могут иметь весьма опасные последствия для стабильной жизнедеятельности человечества и оказывать влияние на стабильную работу систем радиосвязи и сложного электронного оборудования. Однако самая большая опасность высокой солнечной активности заключается в ее влиянии на климат и многие природные катаклизмы, о чем свидетельствуют результаты исследований различных ученых [2].

Несмотря на то, что в деятельности Солнца выявлены достаточно ярко выраженные циклы, долгосрочный прогноз даже для хорошо изученных 11-летних циклов является весьма сложной задачей. Об этом свидетельствует тот факт, что при прогнозировании 24-го одиннадцатилетнего цикла, практически ни один прогноз, представленный разными учеными и организациями мира, до сих пор не подтвердился. Многие прогнозы основываются на создании физико-математических моделей, описывающих процесс повышения солнечной активности.

Сегодня Солнце вступает в новую активную фазу. Взрывы идут почти ежеминутно. Специалисты заговорили о подлинном космическом цунами. Оно и вызывает аномальные магнитные бури, но пик активности Солнца придется на 2012 и 2013 годы.

Считается, что магнитная буря может спровоцировать землетрясение, потому что во время магнитных бурь в Землю закачивается большая электромагнитная энергия. Возникают электрические токи, которые воздействуют на прочность пород. Они воздействуют на находящуюся в Земле воду, приводя ее в движение.

Ученые полагают, что нынешняя активность Солнца - только начало. Самое время подумать о сохранении равновесия в природе. Проектов немало. Например, специальный гигантский парус на геостационарной орбите, который прикрыл бы Землю от солнечных вспышек, или спутники, предупреждающие о грядущих катаклизмах. По проекту “Арктика”, представленному Роскосмосом, космические аппараты с высоты 40 000 километров будут наблюдать за Северным полюсом - кухней погоды, как называют Арктику метеорологи [16].

В 2013 году ожидается солнечный шторм, который может привести к частичному или полному отключению электричества по всему земному шару.

Британские ученые предупредили, что будет сильный шторм на Солнце, который обычно бывает один раз в столетии. Шторм, который достигнет своего максимума в конце 2012 - в начале 2013 годов.

В NASA (Национальная Аэрокосмическая Администрация США) ранее подготовили сообщение, в котором сотрудники этой администрации объясняют, что такая большая солнечная вспышка магнитной энергии, вызовет хаос на большей части Земли. Вспышка может вызвать геомагнитный шторм на Земле, который отключит электричество на несколько часов, дней или месяцев.

В дополнении к отключению электропитания, не будут летать самолеты, снизятся запасы продовольствия и в течение многих месяцев не будет доступа к Интернету.

Такие солнечные явления очень серьезны, т.к. нельзя защититься против таких больших солнечных вспышек. Предполагается, что электрические сети и спутники будут уязвимы больше всего.

Один из таких значительных солнечных штормов произошел в 2003 году, когда три спутника вышли из строя, были отключения электричества в трех шведских городах, а также, было затронуто воздушное движение. Вспышка в 2013 году, как ожидается, будет более сильной, чем в 2003 году.

Последствия внезапного солнечного шторма сравнимы с ядерной войной или падением гигантского астероида на Землю.

Хотя, вероятность солнечного шторма ученые оценивают как невысокую, подобные катаклизмы уже случались в прошлом. Наиболее сильный из зарегистрированных солнечных штормов произошел в 1859 году и получил название "Событие Кэррингтона" - по имени британского астронома Ричарда Кэррингтона. Из-за сильнейшей солнечной вспышки во всем мире наблюдались яркие северные сияния (рис. 2.3), в Европе и США были отмечены повсеместные сбои в работе телеграфа.

Рис. 2.3 Северное сияние [6]

Солнце освещает и согревает Землю, без этого была бы невозможна жизнь на ней не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце - главный (хотя и не единственный) двигатель происходящих на Земле процессов. Но не только тепло и свет получает Земля от Солнца. Различные виды солнечного излучения и потоки частиц оказывают постоянное влияние на её жизнь.

Солнце посылает на Землю электромагнитные волны всех областей спектра - от многокилометровых радиоволн до гамма-лучей. Окрестностей Земли достигают также заряжённые частицы разных энергий - как высоких (солнечные космические лучи), так и низких и средних (потоки солнечного ветра, выбросы от вспышек). Наконец, Солнце испускает мощный поток элементарных частиц - нейтрино. Однако воздействие этих частиц на земные процессы пренебрежимо мало: для этих частиц земной шар прозрачен, и они свободно сквозь него пролетают.

Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли (остальные отклоняет или задерживает геомагнитное поле). Но их энергии достаточно для того чтобы вызвать полярные сияния и возмущения магнитного поля нашей планеты, все это неизбежно влияет на все живое и, возможно, неживое на планете Земля [2].

Размещено на Allbest.ru