Размещено на http://allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Дисциплина: Общая экология

КУРСОВАЯ РАБОТА

по направлению «Экология и природопользование»,

Тема работы: «Циклические изменения солнечной активности и их влияние на живое вещество Земли»

Выполнил студент 2 курса

Очной формы обучения

Естественно-географического факультета

Плющёв Артём Владимирович

Руководитель: доцент кафедры экологического образования,

кандидат биологических наук, Т. Е. Горчакова.

Воронеж 2015

Содержание

Введение

Характеристика Солнца

Солнечная активность

Ультрафиолетовое излучение солнца

Энергия солнечного света

Сила солнечного ветра

Солнечный ветер и межпланетные магнитные поля

Циклы солнечной активности

Смена механизма передачи тепла

Солнечно-Земные связи

Солнечная активность и биологические процессы

Заключение

Список используемых источников

Приложение

Введение

Наша Земля купается в океане солнечного света. Световой поток - солнечная постоянная, 0, 136 Дж/см^{2 .}с, и наклон земной оси к плоскости орбиты делают земную погоду жаркой на экваторе, умеренной в средних широтах, холодной в приполярных областях. Ею управляет, порой очень решительно, активность звезды, проявления которой - темные пятна на ее видимом лике (фотосфере), хромосферные вспышки, гигантские выбросы из солнечной короны и другие сопутствующие явления.

Намеки на опосредованное и не всегда заметное влияние солнечной активности появились давно. В 1930-х годах воздействие Солнца на земную погоду отмечал в своей книге "Земное эхо солнечных бурь" замечательный провидец, советский физик А. Л. Чижевский.

И только совсем недавно, благодаря наблюдениям со спутников и орбитальных станций, механизм солнечно-земных связей, управляющий погодой, был раскрыт. Влияние солнечной активности на климат планеты стало вполне очевидным.

Тема данной работы - Солнечная активность и Земля. Для того, чтобы раскрыть её содержание, необходимо, на мой взгляд решить следующие задачи:

- дать описание цикла солнечной активности;

- рассмотреть влияние цикличности Землю: а именно ультрафиолетовое излучение, солнечный ветер, бомбардировки энергичными частицами, влияния на живое вещество.

Характеристика Солнца

Из всего окружающего нас несметного множества звезд несопоставимо важнейшую роль в нашей жизни играет Солнце. Эта ближайшая к нам звезда обеспечивает нашу планету подавляющей частью энергии, которой мы располагаем на Земле.

Благодаря солнцу и земной атмосфере на поверхности земли температура и другие условия такие, какие они есть, а не космический холод, что делает нашу планету комфортной для обитающих на ней живых существ. Даже относительно мизерные изменения потока энергии, передаваемой Солнцем Земле, которые происходят при солнечных вспышках, существенно сказываются на земных условиях. С другой стороны, Солнце по своим свойствам является типичной для своего класса звездой, и постигая процессы, происходящие на Солнце, мы лучше понимаем и то, что творится на очень далеких от нас звездах.

Астрономическими методами было измерено, что орбита Земли удалена от Солнца в среднем на r =150 миллионов километров. Эта орбита имеет формулу эллипса, так что в разные моменты времени расстояние от Земли до Солнца несколько изменяется; меняется и скорость движения Земли по ее орбите. Как известно, период обращения Земли вокруг Солнца равно одному году, точнее, 365,2522 суток. Ближе всего к Солнцу Земля подходит в январе, и в этот же период скорость движения Земли по ее орбите максимальна, хотя вариации скорости (в среднем 35 км/с) и расстояния между Землей и Солнцем очень невелики (1,7%).

Угловой размер Солнца, видимый с Земли, составляет в среднем a=32,05 угловых минут. Радиус Солнца составляет 697 тысяч километров. Масса Солнца 2*1030 кг. Средняя плотность Солнца составляет 1,41*103 кг/м3, т.е. в 1,41 раза больше плотности воды.

Однако распределение плотности по глубине Солнца неоднородно, и величина средней плотности не очень показательна. С другой стороны, вспомнив, до каких чудовищных величин возрастает давление на больших глубинах земных океанов, мы качественно поймем, что происходит с давлением и плотностью по мере приближения к центру Солнца.

Яркая светящаяся поверхность Солнца, видимая невооруженным глазом называется фотосферой. Фотосфера абсолютно непрозрачна, и лежащее под ней вещество недоступно никаким наблюдениям. Над фотосферой располагается солнечная атмосфера: на высоте 2-3 тысяч километров - достаточно плотный и тонкий слой - хромосфера, получивший свое название за то, что он бывает виден во время затмений как тонкая розовая окантовка Солнца. С высот порядка 10 тысяч километров начинается разреженная, но неоднородная и удивительно горячая корона Солнца. Она простирается до расстояний в несколько солнечных радиусов.

Солнечная активность

Одной из самых замечательных особенностей Солнца являются почти периодические, регулярные изменения различных проявлений солнечной активности, то есть всей совокупности наблюдаемых изменяющихся 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 волоконообразных 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.

Солнечные пятна - наиболее известные явления на Солнце. Впервые в телескоп их наблюдал Г. Галилей в 1610 г. С этого времени регистрация пятен то проводилась, то прекращалась, то возобновлялась вновь.

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 1716г. пятен на солнечном диске, по-видимому, было очень мало. Уже в наше время Д. Эдди, заново проанализировав все данные, пришел к выводу, чтов 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 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.

Этот индекс относительного числа пятен, впоследствии названный "числами Вольфа", начинает свой ряд с 1749 года. Кривая среднегодовых чисел Вольфа отчетливо показывает периодические изменения числа солнечных пятен.

Группы солнечных пятен со всеми сопутствующими явлениями являются частями 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 по крайней мере в несколько раз выше плотности окружающей среды.

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. 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.

Ультрафиолетовое излучение солнца

В излучении Солнца должно быть довольно много ультрафиолетовых лучей, значительно больше, чем это наблюдается с Земли, поскольку их поглощает земная атмосфера. Запуски беспилотных шаров-зондов, поднимавших на высоту 30 и более километров измерительные приборы и радиопередатчики, показали, что выше 25 - 28 километров температура воздуха растет, достигая максимума на уровне 30 - 35 километров. Еще выше температура снова падает, а интенсивность УФ-лучей увеличивается.

Ученые сделали вывод, что на высоте 30 - 35 километров происходит интенсивное поглощение солнечного ультрафиолетового излучения с образованием озона - вещества, молекула которого состоит из трех (а не двух, как обычно) атомов кислорода.

Озон очень сильно поглощает лучи с длинами волн короче 0,3 мкм, спасая нас от их опасного воздействия на кожу и органы зрения. Вот почему тревогу вызывает существование озоновых дыр - через эти разрывы в озоновом слое солнечные УФ-лучи достигают земную поверхность. Одной из причин разрушения озонового «щита» служат выбросы в атмосферу фторуглеродных соединений, широко используемых в холодильниках. Но не только на образование озона расходуется энергия солнечных УФ-лучей.

Радиоволны, как и все электромагнитные волны, должны распространяться прямолинейно. Значит, поскольку Земля - шар, радиосвязь между Европой и Америкой невозможна? Итальянский радиотехник Гульельмо Маркони осуществил в 1901 году прямую радиосвязь между Англией и США, раз и навсегда доказав, что радио волны могут огибать земной шар. Для этого им надо отразиться от какого-то «зеркала», висящего над земной поверхностью на высоте 150 - 300 километров. Таким «зеркалом» служит ионизованные слои атмосферы, а источником ионизации - ультрафиолетовое излучение Солнца. Словом, УФ-лучи властно вторгаются в земные дела.

Теперь оставалось немногое: непосредственно измерить интенсивность УФ-излучения Солнца. Создание баллистических ракет позволило исследователям вынести аппаратуру за пределы земной атмосферы, на высоту более 100 километров. И первые же запуски увенчались успехом: УФ-излучение Солнца было обнаружено и измерено. Излучение с длинами волн короче 0,15 мкм связано уже не с видимой поверхностью Солнца, а с более высокими и горячими атмосферными слоями.

С развитием спутниковой астрономии исследования ультрафиолетового излучения Солнца стало ее обязательным компонентом. Причина ясна: УФ-излучение контролирует состояние ионизованных слоев атмосферы, а следовательно, и условия радиосвязи на Земле, особенно в полярных районах. Эта не слишком приятная зависимость от капризов Солнца стало ослабевать лишь в последние десятилетия, с развитием спутниковой связи.

Энергия солнечного света

Электромагнитное излучение подвергается строгому отбору в земной атмосфере. Она прозрачна только для видимого света и ближних ультрафиолетового и инфракрасного излучений, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне (от сантиметровых до метровых). Все остальное излучение либо отражается, либо поглощается атмосферой, нагревая и ионизуя ее верхние слои.

Поглощение рентгеновских и жестких ультрафиолетовых лучей начинается на высотах 300 - 350 километров; на этих же высотах отражаются наиболее длинные радиоволны, приходящие из космоса. При сильных всплесках солнечного рентгеновского излучения от хромосферных вспышек рентгеновские кванты проникают до высот 80 - 100 километров, ионизуют атмосферу и вызывают нарушение связи на коротких волнах.

Мягкое (длинноволновое) ультрафиолетовое излучение способно проникать еще глубже, оно поглощается на высоте 30 - 35 километров. Здесь ультрафиолетовые кванты разбиваются на атомы (диссоциируют) молекулы кислорода (О₂) с последующим образование озона (0₃). Тем самым создается не прозрачный для ультрафиолета «озонный экран», предохраняющий жизнь на Земле для гибельных лучей. Не поглотившаяся часть наиболее длинноволнового ультрафиолетового излучения доходит до земной поверхности. Именно эти лучи и вызывают у людей загар и даже ожоги кожи при длительном пребывании на солнце.

Излучение в видимом диапазоне поглощается слабо. Однако оно рассеивается атмосферой даже в отсутствие облаков, и часть его возвращается в межпланетное пространство. Облака, состоящие из капелек воды и твердых частиц, значительно усиливают отражение солнечного излучения. В результате до поверхности планеты доходит в среднем около половины падающего на границу земной атмосферы света.

Количество солнечной энергии, приходящейся на поверхность площадью 1 м², развернутую перпендикулярно солнечным лучам на границе земной атмосферы, называется солнечной постоянной. Измерять ее с Земли очень трудно, и потому значения, найденные для начала космических исследований, были весьма приблизительными. Небольшие колебания (если они реально существовали) заведомо «тонули» в неточности измерений. Лишь выполнение специальной космической программы по определению солнечной постоянной позволило найти ее надежное значение. По последним данным, оно составляет 1370 Вт/м² с точностью до 0,5%. Колебании, превышающих 0,2% за время измерений не выявлено.

На Земле излучение поглощается сушей и океаном. Нагретая Земля поверхность в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области. Для такого излучения азот и кислород атмосферы прозрачны. Зато оно жадно поглощается водяным паром и углекислым газом. Благодаря этим малым составляющим воздушная оболочка удерживает тепло. В этом и заключается парниковый эффект атмосферы. Между приходом солнечной энергии на Землю и ее потерями на планете в общем существует равновесие: сколько поступает, столько и расходуется. В противном случае температура земной поверхности вместе с атмосферой либо постоянно повышалась бы, либо падала.

Солнечный ветер и межпланетные магнитные поля

В конце 50-х годов ХХ века американский астрофизик Юджин Паркер пришел к выводу, что, поскольку газ в солнечной короне имеет высокую температуру, которая сохраняется с удалением от Солнца, он должен непрерывно расширяться, заполняя Солнечную систему. Результаты, полученные с помощью советских и американских космических аппаратов подтвердили правильность теории Паркера.

В межпланетном пространстве действительно мчится направленный от Солнца поток вещества, получивший название солнечный ветер. Он представляет собой продолжение расширяющейся солнечной короны; составляет его в основном ядра атомов водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы), а также электроны. Частицы солнечного ветра летят со скоростями, составляющие несколько сот километров в секунду, удаляясь от Солнца на многие десятки астрономических единиц - туда, где межпланетная среда Солнечной системы переходит в разреженный межзвездный газ. А вместе с ветром в межпланетное пространство переносятся и солнечные магнитные поля.

Общее магнитное поле Солнца по форме линий магнитной индукции немного напоминает земную. Но силовые линии земного поля близ экватора замкнуты и не пропускают направленные к Земле заряженные частицы. Силовые линии солнечного поля, напротив, в экваториальной области разомкнуты и вытягиваются в межпланетное пространство, искривляясь подобно спиралям.

Объяснятся это тем, что силовые линии остаются связанными с Солнцем, которое вращается вокруг своей оси. Встречая на своем пути Землю, солнечный ветер сильно деформирует ее магнитосферу, в результате чего наша планета обладает длинным магнитным «хвостом», также направленным от Солнца. Магнитное поле Земли чутко отзывается на обдувающие ее потоки солнечного вещества (Рис.1).

Циклы Солнечной активности

Как известно не так давно мы с вами, уважаемые коллеги стали свидетелями очередного 23-го максимума 11-го летнего цикла солнечной активности. Но существуют ли еще, какие либо циклы активности, кроме вышеупомянутого 11-те летнего?

Прежде чем отвечать на этот вопрос, напомню вкратце, что же такое солнечная активность. В Большой Советской Энциклопедии данному термину дается следующее определение: Солнечная активность - совокупность явлений наблюдаемых на Солнце… К этим явлениям относятся образование солнечных пятен, факелов, протуберанцев, флоккулов, волокон, Изменением интенсивности излучения во всех участках спектра.

В основном эти явления связанны с тем, что на солнце имеются участки с отличающимся от общего магнитным полем. Данные области называются активными. Их количество, размеры, а так же распределение их на Солнце не являются постоянными, а изменяются со временем. Следовательно, со временем, меняется, и активность нашего дневного светила. Причем это изменение активности циклическое. Так вкратце можно пояснить суть предмета нашего разговора.

В периоды максимума цикла Активные области расположены по всему солнечному диску, их много и они хорошо развиты. Период минимума они располагаются вблизи экватора их не много, и они развиты слабо. Видимым проявлением активных областей являются солнечные пятна, факелы,

протуберанцы, волокна, флоккулы и пр. Наиболее известным и изученным является 11 летний цикл, открытый Генрихом Швабе и подтвержденным Робертом Вольфом, который исследовал изменение активности солнца при помощи предложенного им индекса Вольфа, за два с половиной столетия. Изменение Активности солнца с периодом равным 11,1 года носит название закона Швабе - Вольфа. Также предполагается существовании 22, 44 и 55 летних циклов изменения активности. Установлено что величина максимума циклов меняется с периодом около 80 лет. Эти периоды проявляются непосредственно на графике активности солнца.

Но ученые, изучив кольца на спилах деревьев, ленточную глины, сталактитам, залежам ископаемых, раковинам моллюсков и другие признаки, предположили существование и более продолжительных циклов, длительностью около 110, 210, 420 лет. А так же и так называемые вековые продолжительностью и сверхвековые циклы 2400, 35000, 100 000 и, даже, 200 - 300 миллионов лет.

Но зачем уделять так много внимания изучению активности Солнца? Ответ заключается в том, что наше дневное светило оказывает огромное влияние на землю и на земную жизнь.

Увеличение интенсивности так называемого "солнечного ветра" - потока заряженных частиц - корпускул - испускаемых Солнцем, может вызвать не только прекрасные полярные сияния, но и возмущения в магнитосфере земли - Магнитные бури - которые влияют не только на оборудование, что может привести к техногенным авариям, Нои непосредственно не здоровье человека. Причем не только физическое, но и психическое.

В периоды максимума, например, учащаются случаи самоубийств. Активность солнца влияет так же на урожайность, рождаемость и смертность, и многое другое.

Вообще любой астроном - любитель может, проводя регулярные наблюдения Солнца сравнивать ее график с графиками интенсивности каких либо явлений связанных с атмосферой, биосферой и другие.

11-летний цикл. («цикл Швабе» или «цикл Швабе-Вольфа») является наиболее заметно выраженным циклом солнечной активности. Соответственно, утверждение о наличии 11-летней цикличности в солнечной активности иногда называют «законом Швабе-Вольфа».

На примерно десятилетнюю периодичность в увеличении и уменьшении количества солнечных пятен на Солнце впервые обратил внимание в первой половине XIX века немецкий астроном Г. Швабе,^[1] а затем -- Р. Вольф. «Одиннадцатилетним» цикл называют условно: его длина за XVIII--XX века менялась от 7 до 17 лет, а в XX веке в среднем была ближе к 10,5 годам.

Этот цикл характеризуется довольно быстрым (в среднем примерно за 4 года) увеличением числа солнечных пятен, а также другими проявлениями солнечной активности, и последующим, более медленным (около 7 лет), его уменьшением. В ходе цикла наблюдаются и другие периодические изменения, например -- постепенное сдвижение зоны образования солнечных пятен к экватору («закон Шпёрера»).

Для объяснения подобной периодичности в возникновении пятен обычно используется теория солнечного динамо.

Хотя для определения уровня солнечной активности можно использовать различные индексы, чаще всего для этого применяют усреднённое за год число Вольфа. Определённые с помощью этого индекса 11-летние циклы условно нумеруются начиная с 1755 года. 24-й цикл солнечной активности начался в январе 2008 года^[2] (по другим оценкам -- в декабре 2008^[3] или январе 2009 года^[4]).

22-летний цикл («цикл Хейла») является, в сущности, удвоенным циклом Швабе. Он был открыт после того, как в начале XX века была понята связь между солнечными пятнами и магнитными полями Солнца.

При этом оказалось, что за один цикл пятенной активности общее магнитное поле Солнца меняет знак: если в минимуме одного цикла Швабе фоновые магнитные поля преимущественно положительны вблизи одного из полюсов Солнца и отрицательны -- вблизи другого, то примерно через 11 лет картина меняется на противоположную.

Каждые 11 лет меняется и характерное расположение магнитных полярностей в группах солнечных пятен. Таким образом, для того, чтобы общее магнитное поле Солнца вернулось к своему исходному состоянию, должно пройти два цикла Швабе, то есть около 22 лет.

Вековые циклы активности Солнца по радиоуглеродым данным.

Вековой цикл солнечной активности («цикл Гляйсберга») имеет длину около 70--100 лет и проявляется в модуляциях 11-летних цикла. Последний максимум векового цикла наблюдался в середине XX века (вблизи 19-го 11-летнего цикла), последующий должен прийтись примерно на середину XXI века.

Наблюдается также двухвековой цикл («цикл Зюсса» или «цикл де Врие»), в качестве минимумов которого можно рассматривать происходящие примерно раз в 200 лет устойчивые снижения солнечной активности, длящиеся многие десятки лет (так называемые глобальные минимумы солнечной активности) -- минимум Маундера (1645--1715), минимум Шпёрера (1450--1540), минимум Вольфа(1280--1340) и другие.

Тысячелетние циклы. Солнечный цикл Холлстатта с периодом 2 300 лет по данным радиоуглеродного анализа.

Радиоуглеродный анализ указывает также на существование циклов с периодом около 2300 лет («цикла Холлстатта»)[5][6] и более.

Смена механизма передачи тепла

Темные пятна на Солнце - результат бурной конвекции горячей плазмы, выносящей на фотосферу новые, возникшие в глубине магнитные потоки, образованные, как показал американский физик Е. Н. Паркер, под действием динамо-механизма. Совместное действие плазменной конвекции и дифференциального вращения Солнца (неодинакового на разных широтах, наиболее быстрого - период 24 дня - на экваторе) приводит к генерации магнитного поля, закручиванию и запутыванию его силовых линий и, в конечном итоге, к переориентации общего поля Солнца примерно за 11 лет.

А в результате проникновения частиц солнечного ветра в верхние слои атмосферы, ионизации и возбуждения атомов воздуха возникают красочные полярные сияния. Они появляются в районе магнитных полюсов, но иногда, во время магнитных бурь, опускаются до средних широт.

Легко предположить, что погодные аномалии последних зим обусловлены вековым периодом солнечных циклов, который в наше время сулит повторение того, что наблюдалось в начале предыдущих веков. Видна тенденция падения амплитуд трех последних циклов.

Амплитуды еще не достигли тех значений, которые они имели на стыке веков, но можно считать это только началом, и спад солнечной активности, скорее всего, продолжится. Если это действительно так, холоднst зимы последних лет - не случайный эпизод, а предвестник довольно длительного периода, который может охватить десятки лет (несколько 11-летних циклов). Не исключается даже повторение Маундеровского феномена, изменение процесса передачи тепла в конвективной зоне.

Прошедшая зима показалась столь аномально неуютной еще и потому, что почти весь XX век циклы солнечной активности имели высокие амплитуды и мы просто забыли, какие суровые зимы бывали раньше.

Солнечно-Земные связи

Система прямых или опосредованных физических связей между гелио- и геофизическими процессами. Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещённости и среднюю температуру её поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию ультрафиолетового и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей.

Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в магнитосфере, ионосфере, нейтральной атмосфере, биосфере, гидросфере и, возможно, литосфере Земли. Изучение этих явлений и составляет суть проблемы Солнечно-Земных связей. Строго говоря, Земля оказывает некоторое обратное воздействие на Солнце, однако оно ничтожно мало, так что обычно рассматривают только воздействие солнечной активности на Землю.

Представления о Солнечно-Земных связях складывались постепенно, на основе отдельных догадок и открытий. Так, в конце XIX в. К.О.Биркелан впервые высказал предположение, что Солнце кроме волнового излучения испускает также и частицы. В 1915 г. А.Л.Чижевский обратил внимание на циклическую связь между развитием некоторых эпидемий и пятнообразовательной деятельностью Солнца. Синхронность многих гелио- и геофизических явлений наводила на мысль, что в межпланетном пространстве имеется агент, передающий солнечные возмущения к Земле. Этим агентом оказался солнечный ветер, существование которого экспериментально было доказано в начале 1960-х гг. путём прямых измерений с помощью автоматических межпланетных станций.

Последовательность событий в системе Солнце-Земля можно проследить, наблюдая цепочку явлений, сопровождающих мощную вспышку на Солнце - высшее проявление солнечной активности. Последствия вспышки начинают сказываться в околоземном пространстве почти одновременно с событиями на Солнце. В частности, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение вызывает дополнительную ионизацию верхней атмосферы, что приводит к ухудшению или даже полному прекращению радиосвязи на освещённой стороне Земли.

Обычно мощная вспышка сопровождается испусканием большого количества ускоренных частиц - солнечных космических лучей (СКЛ). Самые энергичные из них начинают приходить к Земле спустя чуть более 10 мин после максимума вспышки. Повышенный поток СКЛ у Земли может наблюдаться несколько десятков часов. Вторжение СКЛ в ионосферу полярных широт вызывает дополнительную ионизацию и, соответственно, ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Имеются данные о том, что СКЛ в значительной мере способствуют опустошению озонного слоя Земли. Усиленные потоки СКЛ представляют собой также один из главных источников радиационной опасности для экипажей и оборудования космических кораблей.

Вспышка генерирует мощную ударную волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы. Ударная волна и облако плазмы за 1,5-2 суток достигают Земли и вызывают магнитную бурю, понижение интенсивности галактических космических лучей, усиление полярных сияний, возмущения ионосферы и так далее.

Имеются статистические данные о том, что через 2-4 суток после магнитной бури происходит заметная перестройка барического поля тропосферы. Это приводит к увеличению нестабильности атмосферы, нарушению характера циркуляции воздуха. Мировые магнитные бури представляют собой крайнюю степень возмущённости магнитосферы в целом. Более слабые возмущения, называемые суббурями, развиваются в магнитосфере полярных областей. Ещё более слабые возмущения возникают вблизи границы магнитосферы с солнечным ветром. Во время магнитных бурь интенсивность этого низкочастотного излучения возрастает в 10-100 раз.

Большую роль в геомагнитных возмущениях играет межпланетное магнитное поле, особенно его южный компонент, перпендикулярный плоскости эклиптики. Со сменой знака радиального компонента межпланетного магнитного поля связаны асимметрия потоков СКЛ, вторгающихся в полярные области, изменение направления конвекции магнитосферной плазмы и ряд других явлений.

Статистически установлена связь между уровнями солнечной и геомагнитной возмущённости и ходом ряда процессов в биосфере Земли. Наиболее вероятной причиной такой связи являются низкочастотные колебания электромагнитного поля Земли.

Это подтверждается лабораторными экспериментами по изучению действия электромагнитных полей естественной напряжённости и частоты на млекопитающих. Наряду с поисками физических механизмов ведутся исследования информационного аспекта Солнечно-Земных связей. Связи проявляются двояко, в зависимости от того, плавно или скачкообразно происходит перераспределение энергии солнечных возмущений внутри магнитосферы.

В первом случае Солнечно-Земные связи проявляются в форме ритмических колебаний геофизических параметром. Скачкообразные изменения связывают с так называемым триггерным механизмом, который применим к процессам или системам, находящимся в неустойчивом состоянии, близком к критическому. В этом случае небольшое изменение критического параметра приводит к качественному изменению хода данного явления или вызывает новое явление.

Для примера можно указать на явление образования внетропических циклонов при геомагнитных возмущениях. Энергия геомагнитного возмущения преобразуется в энергию инфракрасного излучения. Последнее создаёт небольшой дополнительный разогрев тропосферы, в результате которого и развивается её вертикальная неустойчивость. При этом энергия развитой неустойчивости может на два порядка превышать энергию первоначального возмущения.

Новым методом исследования Солнечно-Земных связей являются активные эксперименты в магнитосфере и ионосфере по моделированию эффектов, вызываемых солнечной активностью. Для диагностики состояния магнитосферы и ионосферы используются пучки электронов, облака натрия или бария. Для непосредственного воздействия на ионосферу используются радиоволны коротковолнового диапазона.

Главное преимущество активных экспериментов - возможность контролировать некоторые начальные условия. Это позволяет более уверенно судить о физических процессах на заданной высоте, а вместе с наблюдениями на других высотах - о механизме магнитосферно-ионосферного взаимодействия, об условиях генерации низкочастотных излучений, о механизме Солнечно-Земных связей в целом. Активные эксперименты имеют также и прикладное значение. Прогнозы состояния магнитосферы и других оболочек Земли крайне необходимы для решения практических задач в области космонавтики, радиосвязи, транспорта, метеорологии и климатологии, сельского хозяйства, биологии и медицины.

Солнечная активность и биологические процессы

Если солнечная активность влияет на климат и погоду, то нет ничего удивительного, что важнейшие циклы солнечной активности просматриваются в показателях урожайности. Эта корреляционная связь в европейской науке нового времени была впервые подмечена знаменитым английским астрономом В. Гершелем (1738-1822). Из сопоставления очень короткого ряда наблюдений над солнечными пятнами и ценами на товарное зерно он заключил, что Солнце как-то влияет на погодно-климатические условия и тем самым на урожайность. Его коллеги без малого двести лет спустя действительно нашли, что мировое производство пшеницы, выражаясь современным научным языком, модулировано солнечной активностью с уже упомянутыми периодами 11 лет и 22 года.

Амплитуда этой модуляции совсем не пустяковая: от 10 % до 50 %, в зависимости от технической оснащенности сельского хозяйства данной страны. При этом установлена такая закономерность: в северном полушарии наибольшая урожайность приходится на годы максимума солнечной активности, в южном полушарии -- наоборот, наиболее обильные урожаи собирают, как правило, в эпоху минимума. На эту глобальную закономерность накладываются, как уже говорилось, местные особенности: в некоторых областях указанная регулярность плохо выражена, неустойчива, зато в других -- с какими-то различиями, обусловленными своеобразием ландшафта, -- она часто проявляется длительное время.

Реальный урожай (в закромах) зависит, понятно, и от ряда других факторов. Таких, например, как массовые болезни сельскохозяйственных культур или вспышки размножения насекомых-вредителей. Очень важно напомнить, что многие эти факторы также имеют ритмику, синхронизированную с солнечной цикличностью. Синхронизация биологических процессов такого рода с вариациями солнечной активности возникает не из-за погодных изменений, а обязана своим происхождением непостоянству совсем другого экологического параметра -- электромагнитных фоновых полей. До самого последнего времени этот фактор в эволюции не учитывался, да и сейчас его важное значение недооценивается. Нелишне поэтому коротко рассказать о нем.

Всегда и всюду существующий фон электромагнитных полей в нашей среде обитания возникает благодаря многим, притом самым разным процессам.

На низких (ниже 10⁴ Гц) и сверхнизких (ниже 10² Гц) частотах, где напряженность полей достигает довольно значительных величин, электромагнитное излучение генерируется в верхней атмосфере -- магнитосфере. Спектр представляет собой шумы с набором дискретных «линий». Напряженность поля растет с увеличением географической широты, изменяется от точки к точке в связи с изменением электрических характеристик подстилающей поверхности и сильно варьирует во времени.

Самое главное, что эти вариации -- необычайно разнообразные и очень сложные -- являются тонким индикатором процессов, протекающих в ближайшем космическом окружении Земли. А эти процессы контролируются явлениями на Солнце, солнечной активностью (ведь орбита Земли располагается, строго говоря, в пределах самых внешних слоев солнечной атмосферы). Получается, что упомянутые вариации могут отражать вариации солнечной активности. Это и в самом деле так.

Отдельные участки спектра электромагнитных полей на поверхности Земли могут быть индексами одновременно и корпускулярной и жесткой волновой солнечной радиации. Например, микропульсации геомагнитного поля с частотой около 0,1 Гц, регистрируемые на средних широтах в дневное время почти непрерывно, изменением своей частоты все время «следят» за напряженностью межпланетного магнитного поля, а своей амплитудой -- за скоростью солнечного ветра. Эти колебания генерируются, как полагают, на самой границе магнитосферы. Распространяясь к земной поверхности, они проникают через ионосферу, так что ионосферные возмущения также «травмируют» эти колебания. Но ионосфера -- это «регистратор» интенсивности солнечного излучения -- от рентгеновского до радиодиапазона.

Все эти детали приведены здесь по той причине, что лабораторные эксперименты в последние десятилетия обнаружили очень высокую чувствительность организмов к сверхнизкочастотным магнитным и электрическим полям малой напряженности. Сейчас не подлежит сомнению, что амплитудно-спектральные вариации низкочастотного электромагнитного фона приводят к биохимическим, физиологическим и т. п. изменениям в организмах -- от бактерий до человека. Такие изменения, как правило, невелики (в пределах изменений, вызываемых любыми другими, обычными экологическими переменными). Их, однако, вполне достаточно, чтобы режим колебаний в биологических системах (точнее, автоколебаний) стал синхронным с циклическими вариациями электромагнитного фона, а следовательно -- и солнечной активности. По своей физической сути это явление в принципе ничем не отличается от синхронизации колебаний на Солнце динамическими воздействиями со стороны планет, о которой уже говорилось.

Одна из наиболее широко известных колебательных моделей в экологии -- периодические изменения численности двух видов животных, один из которых служит пищей для другого (модель «хищник -- жертва» Лотка -- Вольтерра). Колебания такого типа, конечно, тоже должны быть синхронизованы -- через посредство тех же электромагнитных полей -- с солнечной активностью.

Действительно, как показывает статистика добычи пушных зверей в Канаде, на протяжении текущего столетия самые обильные по заготовке шкурок годы разделены промежутками около 10 лет и приходятся на определенные фазы цикла солнечной активности. Для разных видов эти фазы разные, что, разумеется, не является препятствием к применению рассматриваемого древнего прогностического правила. Если численность, скажем, зайца-беляка достигала максимума в годы минимума активности, правило могло бы быть сформулировано так: «Самый удачный год в добыче зайца должен наступить за два года до квадратуры Юпитера и Сатурна»… Однотипные правила прогноза, конечно, могли быть найдены и для других видов промыслового зверя, а также для улова рыбы, поскольку для динамики численности некоторых видов рыб известны те же закономерности.

В заключение этого раздела остановимся на возможности предсказания -- с помощью того же алгоритма -- явлений, непосредственно касающихся здоровья человека. Сюда надлежит причислить и процессы, от которых зависит поддержание демографически устойчивого положения общины. Для общества, находящегося на самой грани выживания, предвидение (а значит, и контроль над всеми этими процессами) было не менее важно, чем продовольственная проблема.

Прежде всего вспомним о приуроченности к максимумам солнечной активности наиболее крупных эпидемий, обнаруженной А. Л. Чижевским при анализе европейской статистики смертности от чумы и холеры. Механизм возникновения периодичности в данном случае аналогичен рассмотренному выше. Ясно, что наступление эпидемий было вполне доступно для астрономического прогноза.

Такой прогноз, возможно, использовался и при организации контроля над воспроизводством общины. Сейчас известны статистические данные, указывающие на увеличение числа случаев осложнений при родах при возрастании уровня геомагнитной возмущенности (степень выраженности такого явления усиливается с приближением к высоким широтам). Здесь мы сталкиваемся, видимо, не с биологическим ритмом, а с прямым модифицирующим и повреждающим воздействием электромагнитных возмущений.

С точки зрения общебиологических закономерностей такого повреждающего воздействия следует ждать прежде всего в тех случаях, когда приспособительные (адаптационные) механизмы биологической системы еще полностью не сформировались, т. е. на самом раннем этапе развития организма. Вот почему особого внимания заслуживают данные о влиянии всякого рода возмущений во внешней среде на организм человека в период его эмбрионального (внутриутробного) развития.

Что касается электромагнитного фона, то лабораторные эксперименты дают в данном случае четкие однотипные результаты. Пожалуй, наиболее сильное впечатление оставляют данные опытов с изоляцией организма от его внешнего электромагнитного окружения.

Оказывается, во всех тех случаях, когда электромагнитное экранирование было высокоэффективным, т. е. обеспечивало затухание колебаний на сверхнизких частотах, и когда подопытные организмы находились в пределах экранированного объема длительное время (включая период эмбрионального роста), в процессах развития неизменно отмечались значительные аномалии.

В качестве иллюстрации можно сослаться на эксперименты В. П. Казначеева и Л. П. Михайловой, проводивших наблюдения на клеточных культурах и куриных эмбрионах. В их камерах магнитостатическое поле не превышало 0,1 % от геомагнитного. Было найдено, что клеточные культуры в условиях экранирования относительно быстро погибали, а цыплята, вылупившиеся из инкубированных в экране яиц, в 30 % случаев были не жизнеспособны. Аномалии развития отмечались и в экспериментах, где на эмбрион действовали искусственным слабым сверхнизкочастотным полем, так что отклонения от привычного электромагнитного фона как в сторону его понижения, так и повышения для развития организма нежелательны.

В 11-летнем цикле солнечной активности частота следования естественных электромагнитных возмущений и их масштабы сильно различаются при переходе от максимума активности к минимуму. Не получается ли так, что организмы, чей эмбриональный период развития приходится на максимум и минимум солнечной активности, приобретают какие-то характерные особенности, определенные различия?

Действительно, на протяжении двух последних десятилетий накоплены данные, указывающие на существование некоторых конституциональных различий организма человека в зависимости от фазы 11-летнего цикла, на которую приходится дата его рождения. Выявленные различия охватывают широкий круг параметров.

Например, некоторые показатели кровяного давления у школьников тем выше, чем выше был уровень солнечной активности в год их рождения. Известный советский педиатр Р. П. Нарциссов и его сотрудники обнаружили, что дети, внутриутробное развитие которых проходило при более высоком уровне солнечной активности, в среднем более подвержены некоторым заболеваниям, и протекание определенных заболеваний у таких детей имеет примечательные особенности. Было найдено также, что риск заболевания шизофренией статистически значимо коррелирует с уровнем солнечной активности в период внутриутробного развития.

Число таких примеров можно легко увеличить. Мы ограничимся упоминанием о существовании специальных физиологических тестов, дающих существенно разные результаты при их применении в зависимости от того, родился ли испытуемый в годы максимума или минимума солнечной активности.

В общем, если такого рода наблюдения отражают реальную ситуацию, мы неизбежно приходим к заключению о том, что определенные типологические характеристики организма человека зависят от того, в какую фазу солнечного 11-летнего цикла он родился. Поскольку фаза солнечного цикла может быть связана с определенными планетными конфигурациями, то эти типологические характеристики оказываются связанными также и с взаимным расположением планет.

Соблазнительно предположить, что такая корреляционная связь была подмечена в древности и послужила идейной основой для развития древнейшей космической доктрины -- астрологии. Одним из первых, кто обратил внимание на эти возможные гносеологические корни возникновения астрологии, был А. Л. Чижевский.

Сформулированное выше предположение о происхождении астрологии вызывает, конечно, целый ряд вопросов. Некоторые из них будут предметом обсуждения в следующей главе. Здесь же уместно разъяснить некоторое несоответствие, которое, вероятно, не ускользнуло от внимания вдумчивого читателя.

Судя по археоастрономическим данным, древние придавали корреляционным связям между планетными конфигурациями (т. е. солнечной активностью) и земными биологическими процессами очень важное практическое значение. Это кажется странным, ибо в наше время масштабы космических воздействий на биосферу представляются в общем довольно скромными.

Такого рода влияния выявляются обычно при применении чувствительных методов математической обработки довольно больших массивов данных. Реальность обнаруживаемых эффектов при этом нередко служит предметом дискуссий (воздействие солнечной активности на погодно-климатические изменения и сейчас вызывает острые споры). Конечно, в оценке масштабов космических влияний сказывается еще инерция сложившихся взглядов -- полвека назад сама идея о существовании подобных влияний многим казалась абсурдом.

Кроме того, в последние полвека человек сформировал себе искусственную среду обитания. Роль космических воздействий в такой ситуации кажется малосущественной. Но указанное различие в оценке степени важности космических влияний на биосферу между нами и нашими далекими предками имеет и еще одно объяснение.

Заключение

Мы не можем представить Землю, как удобный космический корабль, надежно защищающий нас от всех воздействий извне. Наоборот, Земля живет по существу во внешней короне Солнца и поэтому не только получает от него свет и тепло, но и подвергается переменным воздействиям со стороны гамма, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, а также солнечного ветра и космических лучей. Все это сопровождается различными, порой даже катастрофическими, изменениями в магнитосфере, атмосфере, гидросфере, биосфере, а возможно, и в твердой оболочке Земли. Перефразируя известную поговорку, можно сказать: все мы под Солнцем ходим.

Взаимосвязь солнечных и земных явлений устанавливается обычно на основании либо одновременности их протекания, либо совпадения их ритмики. Этого, конечно, недостаточно для того, чтобы прогнозировать то или иное событие на Земле по степени активности Солнца. Только знание всех процессов, образующих сложную цепочку взаимосвязи в системе Солнце - Земля, поможет предсказать конкретное событие.

Все влияние, которое оказывает Солнце на Землю, будь то электромагнитное излучение, солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, бомбардировка энергетическими частицами и другое, зависит от циклов солнечной активности.

Активность солнца влияет на растительный и животный мир Земли, на человека, его настроение и состояние здоровья. Войны, эпидемии, автомобильный и другие техногенные катастрофы, как выявили ученые, также зависят от циклов солнечной активности.

Список использованных источников

1. Витинский Ю.И. Цикличность и прогнозы солнечной активности. Л.: Наука, 1973, 258 с.

2. Воронов, Гречнева «Основы современного естествознания»:М. Учебное пособие.

3. Витинский Ю.И., М.Копецкий, Г.В.Куклин. Статистика пятнообразовательной деятельности Солнца. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1986. -296с.

4. Кауров Э. «Человек, Солнце и Магнитные Бури» // "Астрономия" РАН. 19.01.2000г.

5. Макаров В.И., Тлатов А.Г. Полярная и низкоширотная активность Солнца по данным наблюдений в линии K-CаII в период 1907-2000. В сб. Трудов межд. Конф.

6. «Солнечная активность и космические лучи после смены знака полярного магнитного поля Солнца». СПб, 2002, с.311-317.

7. Мирошниченко Л.И. «Солнечная активность и земля»: М., Наука 1981г. 144с.

8. Чижевский А.Л. «Земное эхо солнечных бурь»: М., Мысль 1976г.- 367с.

9. Энциклопедический словарь юного астронома, М.:Педагогика,1980 г.

10. http://reftrend.ru/264648.html

11 .http://sun.jofo.ru/236889.html

12 .http://ency.info/earth/solnce/25-solnechnaya-aktivnost

Приложение 1

Рис. 1

земля солнце геофизический ультрафиолетовый

Приложение 2

Рис. 2

Размещено на Allbest.ru

...