Графики на этой странице отображают динамику активности Солнца в период текущего солнечного цикла. Таблицы обновляются каждый месяц SWPC с последними прогнозами ISES. Наблюдаемые значения представляют собой временные значения, которые заменяются конечными данными, когда они доступны. Все графики на этой странице могут быть экспортированы в виде файлов JPG, PNG, PDF или SVG. Каждый набор данных может быть включен или выключен, щелкнув соответствующее описание под каждым графом.
Количество солнечных вспышек C, M и X-класса в год
На этом графике показано количество солнечных вспышек C, M и X-класса, которые произошли в течение заданного вами года. Это дает представление о количестве солнечных вспышек по отношению к числу солнечных пятен. Таким образом, это еще один способ увидеть как эволюционирует солнечный цикл с течением времени. Эти данные поступают из SWPC NOAA и обновляются ежедневно.
На приведенном ниже графике показано количество солнечных вспышек C, M и X-класса, которые произошли в течение последнего месяца вместе с количеством солнечных пятен каждого дня. Это дает представление о солнечной активности в течение последнего месяца. Эти данные поступают из SWPC NOAA и обновляются ежедневно.
Количество безупречных дней в году
В периоды низкой солнечной активности на поверхности Солнца могут полностью отсутствовать солнечные пятна, такое состояние Солнца считается безупречным. Это часто бывает во время солнечного минимума. На графике показано количество дней в течение определенного года, когда на поверхности Солнца отсутствовали пятна.
Кол-во дней в году когда наблюдались геомагнитные бури
На этом графике показано количество дней в году когда наблюдалась геомагнитные бури и насколько сильными были эти бури. Это дает представление о том, в какие годы было много геомагнитных бурь и динамика их интенсивности.
Всероссийский конкурс ученических исследовательских и проектных работ
«Экология и жизнь»
Номинация: «Тайны живого»
Тема: «Исследование одиннадцатилетнего цикла солнечной активности и его влияние на число солнечных пятен»
Место выполнения работы: ОУ СОШ №9, 10 класс, г.о. Октябрьск
Научный руководитель: Уютова Л.В. учитель физики
Москва 2010 г.
Введение. Стр.2
Глава I . Современное представление о космогонии. Стр. 3-5
Глава II . Теории строения и рождения солнца. Стр. 6-11
Глава III . 11-летний цикл солнечной активности и его причины Стр.12-18
Глава IV . Экспериментальная часть. Стр. 19-23
Заключение. Стр. 24
Список использованной литературы. Стр. 25
Введение.
Последние годы ученые всего мира, астрономы, физики обсуждают вопрос о грозящем через несколько лет нашей планете глобальном потеплении. И большинство из них связывают такие изменения в климате с поведением Солнца, с его изменениями. Я решил принять посильное участие в решении этой проблемы. С 2005 года я занимаюсь вопросами исследования Солнца, изучая его свойства, строение на основе научных работ и книг.
Однажды, когда я прочитал книгу «Космос», под редакцией Коптева, меня заинтересовал вопрос, что такое космогония? Как появилась солнечная система, что такое солнце? Передо мной встали вопросы о рождении Солнца, о его основных физических характеристиках. Изучив книгу И.А.Климишина «Астрономия наших дней», я узнал о том, что солнечная активность имеет 11-летний цикл, что из года в год пики солнечной активности изменяются, что есть годы большой солнечной активности, есть малой.
Взяв результаты исследований солнечной активности из материалов Тбилисской лаборатории (их числовые характеристики), я построил примерный график изменения m ах и min солнечной активности. При исследовании этих характеристик я сделал вывод, что мы с 1996 года жили в то время, когда Солнце повышало свою энергию (активность), 2006 год - это год пика Солнца. Теперь с 2007 года начинается ее спад, который будет длиться примерно 10 - 11 лет. Повышение температуры на земле связано именно с этими изменениями.
Максимум солнечной активности сопровождается увеличением числа солнечных пятен и их площадей. Летом я наблюдал в телескоп за пятнами и, изучив книгу А.Н.Томилина «Небо и земля», взяв из нее необходимые формулы для расчета характеристик Солнца, я исследовал площади пятен и рассчитал их. Они оказались в 20 раз больше, чем размеры Земли. В обычных условиях мне удалось рассчитать момент кульминации Солнца летом 2006 года.
Глава 1. Современное представление о космогонии.
Космогония - наука, изучающая происхождение и развитие небесных тел, например планет и их спутников, Солнца, звезд, галактик. Астрономы наблюдают космические тела на различной стадии развития, образовавшиеся недавно и в далеком прошлом, быстро «стареющие» или почти «застывшие» в своем развитии. Сопоставляя многочисленные данные наблюдений с физическими процессами, которые могут происходить при различных условиях в космическом пространстве ученые пытаются объяснить, как возникают небесные тела. Единой, завершенной теории образования звезд, планет или галактик пока не существует. Проблемы, с которыми столкнулись ученые, подчас трудно разрешимы. Решение вопроса о происхождении Земли и Солнечной системы в целом значительно затрудняется тем, что других подобных систем мы пока не наблюдаем. Нашу солнечную систему не с чем пока ещё сравнивать, хотя системы, подобные ей, должны быть достаточно распространены, и их возникновение должно быть не случайным, а закономерным явлением.
Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занималась, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и ХХ столетий.
И все же мы до сих пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции.
Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении двух последних столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую, спустя несколько десятилетий, независимо предложил французский математик Лаплас. Предпосылки к созданию этих теорий выдержали испытание временем.
Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело - будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они стали конденсировать, образуя планеты.
Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию «гипотезой Канта-Лапласа».
Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом-Солнцем и планетами.
Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как «запас вращения» системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг осей Солнца и планет.
Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов: Юпитера и Сатурна.
С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы), так как масса последнего была значительно меньше основной туманности («протосолнца»), то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у «протосолнца». В гипотезе Лапласа отсутствует какой-либо механизм передачи момента от «протосолнца» к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения «протосолнца», а затем и Солнца должен быть много больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами.
Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой.
Остановимся на гипотезе Джинса, получившей распространение в первой трети текущего столетия. Она полностью противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя рисует образование планетарных систем как единственный закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая. (рис. 1)
Исходная материя, из которой потом образовались планеты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно «старым» и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам.
Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет её эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Таким образом, космологическая гипотеза Джинса оказалась несостоятельной.
Выдающийся советский ученый О.Ю.Шмидт в 1944 году предложил свою теорию происхождения Солнечной системы: наша планета образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти «современный» вид. При этом никаких трудностей с вращением момента планет не возникло, так как первоначально момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 года, гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам «почти современное» Солнце сталкивается с более или менее «рыхлым» космическим объектом, захватывая части его вещества. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.
Глава II. Теории рождения и строения Солнца.
Теперь мы с вами остановимся на главном вопросе о рождении Солнца.
Давайте перенесемся в далекое прошлое, примерно на 7 миллиардов лет назад. Современная наука, как говорят ученые, с достаточной степенью вероятности позволяет нам представить происходившие тогда события. Одним словом мы «висим в космосе и наблюдаем за жизнью одной из газово-пылевых, водородно-гелиевых (с примесью тяжелых элементов) туманностей. Той, которая в будущем даст начало нашей Солнечной системе, Солнцу, Земле и нам с вами. Туманность темна и непрозрачна, как дым. Зловещей невидимкой медленно ползет она на фоне черной бездны, и о ее рваных, размытых очертаниях можно догадываться по тому, как постепенно тускнеют и гаснут за ней далекие звезды. Через некоторое время мы обнаружим, что туманность медленно поворачивается вокруг своего центра, еле заметно вращается. Мы замечаем так же, что она постепенно съеживается, сжимается, очевидно, уплотняясь при этом.
Действует тяготение, собирая к центру частицы туманности. Вращение туманности при этом ускоряется. Если вы хотите понять механику этого явления, вспомните простой земной пример вращающегося на льду спортсмена-фигуриста. Не делая никакого добавочного толчка, он ускоряет свое вращение лишь тем, что руки, до этого распахнутые в стороны, он прижимает к телу. Работает «Закон сохранения количества движения». Идет время. Туманность вращается все быстрее. А от этого возникает и увеличивается центробежная сила, способная бороться с тяготением. Центробежная сила нам хорошо знакома. Она, например, «работает» в любом автобусе, когда на крутом повороте валит стоящих пассажиров. Борьба двух сил, тяготения и центробежной начинается в туманности при ускорении ее вращении. Тяготение сжимает туманность, а центробежная сила стремится раздуть её, разорвать. Но тяготение тянет частицы к центру со всех сторон одинаково. А центробежная сила отсутствует на «полюсах» туманности и сильнее всего проявляется на ее «экваторе». Поэтому именно на «экваторе» она оказывается сильнее тяготения и раздувает туманность в стороны. Туманность, продолжая вращаться все быстрее, сплющивается, из шара превращается в плоскую «лепешку», похожую на спортивный диск. Наступает момент, когда на наружных краях «диска» центробежная сила уравновешивает, а потом и пересиливает тяготение. Клочья туманности здесь начинают отделяться. Центральная часть ее продолжает сжиматься, все ускоряя свое вращение, и от внешнего края продолжают отходить все новые и новые клочья, отдельные газо-пылевые облака.
И вот туманность приобрела совсем другой вид. В середине величаво вращается огромное темное, чуть сплющенное облако, а вокруг него на разных расстояниях плывут по круговым орбитам, расположенным примерно в одной плоскости, оторвавшиеся от него небольшие «облака-спутники». Последим за центральным облаком. Оно продолжает уплотняться. Но теперь с силой тяготения начинает бороться новая сила - сила газового давления. Ведь в середине облака накапливается все больше частиц вещества. Там возникает «страшная теснота» и «невероятная толчея» частиц. Они мечутся, все сильнее ударяя друг друга. На языке физиков - в центре повышаются температура и давление. Сначала там становится тепло, потом жарко. Снаружи мы этого не замечаем: облако огромно и непрозрачно. Тепло наружу не выходит. Но вот что-то внутри произошло! Облако перестало сжиматься. Могучая сила, возросшего от нагрева газового давления, остановила работу тяготения. Резко пахнуло нестерпимым жаром, как жерла, внезапно открывшейся печи! В глубине черной тучи стали слабо просвечивать рвущиеся наружу клубы тусклого красного пламени. Но все ближе и ярче. Шар величаво кипит, перемешивая вырвавшийся огонь ядра с черным туманом окраин. Испепеляющий жар заставляет нас отпрянуть еще дальше назад. Однако, вырвавшись наружу горячий газ, ослабил противодействие тяготению. Облако снова стало сжиматься. Температура в его центре опять начала расти. Она дошла уже до сотен тысяч градусов! В этих условиях вещество не может быть даже газообразным. Атомы разваливаются на свои части. Вещество переходит в состояние плазмы. Но и плазма - бешеная толчея атомных ядер и электронов - не может выносить нагрев до бесконечности. Когда ее температура поднимется выше 10 миллионов градусов, она как бы «воспламеняется». Удары частиц друг о друга становятся так сильны, что ядра атомов водорода уже не отскакивают друг от друга, как мячики, а врезаются, вдавливаются друг в друга и сливаются друг с другом. Начинается « ядерная реакция». Из каждых четырех ядер атомов водорода образуется одно ядро гелия. При этом выделяется огромная энергия. Такое вот «ядерное горение» водорода началось и в нашем раскаленном шаре. Этот «пожар» теперь уже не остановить. Плазма «разбушевалась». Газовое давление в центре заработало с удесятеренной силой. Плазма рвется наружу, как пар из котла. С чудовищной силой она давит изнутри на внешние слои шара и приостанавливает их падение к центру.
Установилось равновесие. Плазме не удается разорвать шар, разбросать его обрывки в стороны. А тяготению не удается сломить давление плазмы и продолжить сжимание шара. Ослепительно светящийся бело-желтым светом шар перешел в устойчивую стадию. Он стал звездой. Стал нашим Солнцем! Теперь оно будет миллиардами лет, не меняя размера, не охлаждаясь и не перегреваясь, светить одинаково ярким бело-желтым светом. Пока внутри не выгорит весь водород. А когда он весь превратится в гелий, исчезнет «подпорка» внутри Солнца, оно сожмется. От этого температура в его недрах снова повысится. Теперь уже до сотен миллионов градусов. Но тогда «воспламенится» гелий, превращаясь в более тяжелые элементы. И сжатие снова прекратится.
Используя материал книги «Научно-популярная литература» Ю. И.Коптева и С.А. Никитина, а также другие источники, мы узнали, что:
Солнце - центральное тело солнечной системы, представляет собой раскаленный плазменный шар; Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца 1,990" 1 030 кã . (в 332958 раз больше массы Земли). В Солнце сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Солнечный параллакс равен 8,794 ’’ . Расстояние от Земли до Солнца меняется от 1,4710*10 11 м. (в январе) до
1,5210·10]"м. (в июле), составляя в среднем 1,4960·10]"м. Это расстояние принято считать одной астрономической единицей. Средний угловой диаметр Солнца составляет 1919,26", чему соответствует линейный диаметр Солнца, равный 1,392·10 9 м. (в 109 раз больше диаметра экватора Земли). Средняя плотность Солнца 1,41"1 03 кг / м 3 . Ускорение свободного падения на поверхности Солнца составляет 273,98 м/сек 2 . Вторая космическая скорость на поверхности Солнца равна 6,18·10 5 м/сек. Эффективная температура поверхности Солнца, определяемая согласно закону излучения Стефана-Больцмана, по полному излучению Солнца равна 5770К. (рис.2)
История телескопических наблюдений Солнца начинается с наблюдений, выполненных Г.Галлилеем в 1611 году; были открыты солнечные пятна, определен период вращения Солнца вокруг своей оси. В 1843 году немецкий астроном г.Швабе обнаружил цикличность солнечной активности. Развитие методов спектрального анализа позволило изучить физические условия на Солнце. В 1814 году Й. Фраунгофер обнаружил темные линии поглощения в спектре Солнца - это положило начало изучению химического состава Солнца. С 1836 года регулярно ведутся наблюдения затмений Солнца, а также солнечных протуберанцев. В 1913 году американский астроном Дж. Хейл наблюдал зеемановское расщепление фраунгоферовых линий спектра солнечных пятен и этим доказал существование на Солнце магнитных полей. К 1942 году шведский астроном Б.Эдлен и другие отождествили несколько линий спектра солнечной короны с линиями высокоионизированных элементов, доказав этим высокую температуру в солнечной короне. В 1931 году Б.Лио изобрел солнечный коронограф, позволивший наблюдать корону и хромосферу вне затмений. В начале 40-х годов ХХ века было открыто радиоизлучение Солнца. (рис.3)
Существенным толчком для развития физики Солнца во второй половине ХХ века послужило развитие магнитной гидродинамики и физики плазмы. После начала космической эры изучение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца ведется методами внеатмосферной астрономии с помощью ракет, автоматических орбитальных обсерваторий на спутниках Земли, космических лабораторий с людьми на борту. (рис4)
Вращение Солнца вокруг оси происходит в том же направлении, что и вращение Земли, в плоскости, наклоненной на 715" к плоскости орбиты Земли (эклиптике). Скорость вращения определяется по видимому движению различных деталей в атмосфере Солнца и по сдвигу спектральных линий в спектре края диска Солнца вследствие эффекта Доплера. Таким образом, было обнаружено, что период вращения Солнца неодинаков на разных широтах. Положение различных деталей на поверхности Солнца определяется с помощью гелиографических координат, отсчитываемых от солнечного экватора (гелиографическая широта) и от центрального меридиана видимого диска Солнца или от некоторого меридиана, выбранного в качестве начального (так называемого меридиана Каррингтона). При этом считают, что Солнце вращается как твердое тело. Один оборот относительно Земли точки с гелиографической широтой 17 0 совершают за 27,275 суток (синодический период) - 25,38 суток. Угловая скорость вращения j для сидерического вращения изменяется с гелиографической широтой w по закону: w=14,33° - 30 sin 2 j в сутки. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца - около 2000м/сек.
Солнце как звезда является типичным желтым карликом и располагается в средней части главной последовательности звезд на диаграмме Герцшпрунга - Рессела. Видимая фотовизуальная звездная величина Солнца равна - 26,74, абсолютная визуальная звездная величина М у равна +4,83. Спектральный класс Солнца G2V. Скорость движения относительно совокупности ближайших звезд 19,7"103 м/сек. Солнце расположено внутри одной из спиральных ветвей нашей Галактики на расстоянии около 10кпс от её центра. Период обращения Солнца вокруг центра Галактики около 200 миллионов лет. Возраст Солнца - около 5"109 лет. (рис.5)
Внутреннее строение Солнца определено в предположении, что оно является сферически симметричным телом и находится в равновесии. Уравнение переноса энергии, закон сохранения энергии, уравнение состояния идеального газа, закон Стефана - Больцмана и условия гидростатического, лучистого и конвекционного равновесия вместе с определяемым из наблюдений значениями полной светимости, полной массы и радиуса Солнца и данным о его химическом составе дают возможность построить модель внутреннего строения Солнца. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. На основании этих предположений вычислено, что температура в центре Солнца составляет 10"106 К, плотность около 1,5"105 кг/м 3 , давление 3,4*10 16 считается, что источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца, являются ядерные реакции, про исходящие в недрах Солнца. Среднее количество энергии, вырабатываемое внутри Солнца, составляет 1,92 эрг/г/сек. Выделение энергии определяется ядерными реакциями, при которых водород превращается в гелий. На Солнце возможны две группы термоядерных реакций: так называемый протон - протонный (водородный) цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протон-протонный цикл, состоящий из трех реакций, в первой из которых из ядер водорода образуются ядра дейтерия (тяжелый изотоп водорода, атомная масса 2); во второй из ядер водорода образуются ядра изотопа гелия с атомной массой 3 и, наконец, в третьей из них образуются ядра устойчивого изотопа гелия с атомной массой 4. (рис.6)
Перенос энергии из внутренних слоев Солнца в основном происходит путем поглощения электромагнитного излучения, приходящего снизу, и последующего переизлучения. В результате понижения температуры при удалении от Солнца постепенно увеличивается длина волны излучения, переносящего большую часть энергии в верхние слои. Перенос энергии движением горячего вещества из внутренних слоев, а охлажденного внутрь (конвенция) играет существенную роль в сравнительно более высоких слоях, образующих конвективную зону Солнца, которая начинается на глубине порядка 0,2 солнечных радиуса и имеет толщину около 108 м. Скорость конвективных движений растет с удлинением от центра Солнца и во внешней части конвективной зоны достигает (2---,5)- 103 м/с. В еще более высоких слоях (в атмосфере Солнца) перенос энергии опять осуществляется излучением. В верхних слоях атмосферы Солнца (в хромосфере и короне) часть энергии доставляется механическими и магнитогидродинамическими волнами, которые генерируются в конвективной зоне, но поглощаются только в этих слоях. Плотность в верхней атмосфере очень мала, и необходимый отвод энергии за счет излучения и теплопроводности возможен только, если кинетическая энергия этих слоев достаточно велика. Наконец, в верхней части солнечной короны большую часть энергии уносят вещества, движущиеся от Солнца, так называемый солнечный ветер. Температура в каждом слое устанавливается на таком уровне, что автоматически осуществляется баланс энергии: количество приносимой энергии за счет поглощения всех видов излучения, теплопроводностью или движением вещества равно сумме всех энергетических потерь слоя.
Полное излучение Солнца определяется по освещенности, создаваемой им на поверхности Земли, - около 100 тыс.лк., когда Солнце находится в зените. Вне атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца освещенность равна 127 тыс.лк. Сила света Солнца составляет 2,84"1027 свечей. Количество энергии, приходящее в одну минуту на площадку в 1 см 2 , поставленную перпендикулярно солнечным лучам за пределами атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца, называют солнечной постоянной. Мощность общего излучения Солнца 3,83"1026 ватт, из которых на Землю попадает около 2"1017 ватт, средняя яркость поверхности Солнца (при наблюдении вне атмосферы Земли) составляет 1,98"10 9 нт, яркость центра диска Солнца - 2,48"109 нт. Яркость диска Солнца уменьшается от центра к краю, причем это уменьшение зависит от длины волны, так что яркость на краю диска Солнца для света с длиной волны 3600А составляет 0,2 яркости его центра, а для 5000А - около 0,3 яркости центра диска Солнца. На самом краю диска Солнца Яркость падает в 100 раз на протяжении менее одной секунды дуги, поэтому граница диска Солнца выглядит очень резкой.
Спектральный состав света, излучаемого Солнцем, то есть распределение энергии в центре Солнца (после учета влияния поглощения в земной атмосфере и влияния фраунгоферовых линий), в общих чертах соответствует распределению энергии в излучении абсолютно черного тела с температурой около 6000К. Однако в отдельных участках спектра имеются заметные отклонения. Максимум энергии в спектре Солнца соответствует длине волны 4600А. Спектр Солнца - это не непрерывный спектр, ни на который наложено более 20 тысяч линий поглощения (фраунгоферовых линий). Более 60% из них отождествлено со спектральными линиями известных химических элементов путем сравнения длин волн и относительной интенсивности линии поглощения в солнечном спектре с лабораторными спектрами. Излучение фраунгоферовых линий дает сведения не только о химическом составе атмосферы Солнца, но и о физических условиях в тех слоях, в которых образуются те или иные поглощения. Преобладающим элементом на Солнце является водород. Количество атомов гелия в 4 - 5 раз меньше, чем водорода. Число атомов всех других элементов вместе взятых, по крайней мере, в 1000 раз меньше числа атомов водорода. Среди них наиболее обильны кислород, углерод, азот, магний, железо и другие. В спектре Солнца можно отождествить также линии, принадлежащие некоторым молекулам и свободным радикалам:
ОН, NH, СН, СО и другим.
Магнитные поля на Солнце измеряются главным образом по зеемановскому расщеплению линий поглощения в спектре Солнца. Различают несколько типов магнитных полей на Солнце. Общее магнитное поле Солнца невелико и достигает напряженности в 1 этой или иной полярности и меняется со временем. Это поле тесно связано с межпланетным магнитным полем и его секторной структурой. Магнитные поля, связанные с солнечной активностью, могут достигать в солнечных пятнах напряженности в несколько тысяч э. Структура магнитных полей в активных областях очень запутана, чередуются магнитные полюсы различной полярности. Встречаются также локальные магнитные области с напряженностью поля в сотни э вне солнечных пятен. Магнитные поля проникают и в хромосферу, и в солнечную корону. Большую роль на Солнце играют магнитогазодинамические и плазменные процессы. При температуре 5000 - 10000К газ достаточно ионизирован, проводимость его велика и благодаря огромным масштабам солнечных явлений значение электромеханических и магнитомеханических взаимодействий весьма велико.
Атмосферу Солнца образуют внешние, доступные наблюдателям слои. Почти все излучение Солнца исходит из нижней части его атмосферы, называемой фотосферой. На основании уравнений лучистого переноса энергии, лучистого и локального термодинамического равновесия и наблюдаемого потока излучения можно теоретически построить модель распределения температуры и плотности с глубиной в фотосфере. Толщина фотосферы около трёхсот километров, её средняя плотность 3·10 кг/м 3 . Температура в фотосфере падает по мере перехода к более внешним слоям, среднее её значение порядка 6000 К, на границе фотосферы около 4200 К. Давление меняется от 2·104 до 102 н/м 2 . Существование конвекции в подфотосферной зоне Солнца проявляется в неравномерной яркости фотосферы, видимой её зерни называемой грануляционной структуре. Гранулы представляют собой яркие пятна менее круглой формы. Размер гранул 150 - 1000 КМ, время жизни 5 - 10 минут, отдел, удается наблюдать в течение 20 минут. Иногда гранулы образуют скопления размером до 30 тысяч километров. Гранулы ярче межгранульных промежутков на 20% что соответствует разнице в температуре в среднем на зоок. В отличие от других образований на поверхности Солнца грануляция одинакова на всех гелиографических широтах и н солнечной активности. Скорости хаотических движений (турбулентные скорости) в составляют по различным определениям 1 км/с. В фотосфере обнаружены квазипериодические, колебательные движения в радиальном направлении. Они происходят на площадках ре тысячи километров с периодом около пяти минут и амплитудой скорости порядка 500 м/ нескольких периодов колебания в данном месте затухают, затем могут возникать снова. Наблюдения показали также существование ячеек, в которых движение происходит в горизонтальном направлении от центра ячейки к её границам. Скорости таких движений около 500 м/сек. Размеры ячеек - супергранул составляют 30 тысяч километров. По положению супергранулы совпадают с ячейками хромосферной сетки. На границах супергранул магнитное поле усилено. Предполагают, что супергранулы отражают на глубине несколько тысяч километров под поверхностью конвективных ячеек такого же размера. Первоначально предполагалось, что фотосфера дает только непрерывное излучение, а линии поглощения образуются в расположенном над ней обращающем слое. Позже было установлено, что в фотосфере образуются и спектр линии, и непрерывный спектр. Однако для упрощения математических выкладок при расчете спектральных линий понятие обращающего слоя иногда применяется.
Часто в фотосфере наблюдаются солнечные пятна и факелы. Солнечные пятна – это темные образования, состоящие, как правило, из более темного ядра (тени) и окружающей его полутени. Диаметры пятен достигают двухсот тысяч километров. Иногда пятно бывает окружено светлой каемкой. Совсем маленькие пятна называют порами. Время жизни пятен от нескольких часе нескольких месяцев. В спектре пятен еще больше линий и полос поглощения, чем в спектре фотосферы, он напоминает спектр звезды спектрального класса КО. Смещения линий в спектре пятен из - за эффекта Доплера указывает на движение вещества в пятнах - вытекание на более низких уровнях и втекание на более высоких, скорости движения достигают 3 тысячи м/сек. сравнений интенсивности линий и непрерывного спектра пятен и фотосферы на 1 тысячи градусов (4500 К и ниже). Вследствие этого на фоне фотосферы пятна кажутся темными, яркость ядра составляет 0,2 - 0,5 яркости фотосферы, яркость полутени около 80% фотосферной. Все солнечные пятна обладают сильным магнитным полем, достигающим для крупных пятен напряженности тысяч эстердов. Обычно пятна образуют группы, которые по своему магнитному полю могут быть униполярными, биполярными и мультиполярными, то есть содержащими много пятен различной полярности, часто объединённых общей полутенью. Группы пятен всегда окружены факелами и флоккулами, протуберанцами, вблизи них иногда происходят солнечные вспышки, и солнечной короне над ними наблюдаются образования в виде лучей шлемов, опахал - все это вместе образует активную область на Солнце. Среднегодовое число наблюдаемых пятен и активных областей, а также средняя площадь, занимаемая ими, меняется с периодом около 11 лет.
Это средняя величина, продолжительность же отдельных циклов солнечной активности колеблется от 7,5 до 16 лет. Наибольшее число пятен, одновременно видимых на поверхности Солнца, меняется для различных циклов более чем в два раза. В основном пятна встречаются в так называемых королевских зонах, простирающихся от 5 до 30 0 гелиографической широты по обе стороны солнечного экватора. В начале цикла солнечной активности широта места расположения пятен выше, а в конце цикла - ниже, а на более высоких широтах появляются пятна о цикла. Чаще наблюдаются биполярные группы пятен, состоящие из двух крупных пятен - головного и последующего, имеющих противоположную магнитную полярность, и несколько мелких. Головные пятна имеют одну и ту же полярность в течение всего цикла солнечной активности, эти полярности противоположны в северной и южной полусферах Солнца. По - видимому, пятна представляет собой углубления в фотосфере, а плотность вещества в них меньше плотности вещества в фотосфере на том же уровне.
В активных областях Солнца наблюдаются факелы - яркие фотосферные образования, видимые в белом свете преимущественно вблизи края диска Солнца. Обычно факелы проявляются раньше пятен и существуют некоторое время после их исчезновения. Площадь факельных площадок в несколько раз превышает площадь соответствующей группы пятен. Количество факелов на диске Солнца зависит от фазы цикла солнечной активности. Максимальный контраст (18%) факелы имеют вблизи края диска Солнца, но не на самом краю. В центре диска Солнца факелы практически не видны, контраст их очень мал. Факелы имеют сложную волокнистую структуру, контраст их зависит от длинны волны, на которой проводятся наблюдения. Температура факелов на несколько сотен градусов превышает температуру фотосферы, общее излучение с одного квадратного сантиметра превышает фотосферное на 3%. По-видимому, факелы несколько возвышаются над фотосферой. Средняя продолжительность их существования - 15 суток, но может достигать почти трех месяцев.
Выше фотосферы расположен слой атмосферы Солнца, называемый хромосферой. Без специальных телескопов хромосфера видна только во время полных солнечных затмений как розовое кольцо, окружающее темный диск в те минуты, когда Луна полностью закрывает фотосферу. Тогда можно наблюдать и спектр хромосферы. На краю диска Солнца хромосфера представляется наблюдателю как неровная полоска, из которой выступают отдельные зубчики хромосферные спикулы. Диаметр спикул 200 километров, высота порядка 10000 километров, скорость подъема плазмы в спикулах до 30 км/сек. Одновременно на Солнце существует до 250 тысяч спикул. При наблюдении в монохроматическом свете на диске Солнца видна яркая хромосферная сетка, состоящая из отдельных узелков - мелких, диаметром до 1000 км и крупных, диаметром от 2000 до 8000км. Крупные узелки представляют собой скопления мелких. Размеры ячеек сетки - 30 тысяч километров. Полагают, что спикулы образуются на границах ячеек хромосферной сетки. Плотность в хромосфере падает с увеличением расстояния от центра Солнца. Число атомов в одном куб.сантиметре изменяется от 10 15 вблизи фотосферы до 10 9 В верхней части хромосферы. Исследование спектров хромосферы привело к выводу, что в слое, где происходит переход от фотосферы к хромосфере, температура переходит через минимум и по мере увеличения высоты над основанием хромосферы становится равной 8 тысяч Кельвинов, а на высоте в несколько тысяч километров достигает 15 тысяч Кельвинов. Установлено, что в хромосфере имеет место хаотическое движение газовых масс со скоростями до 15·10 3 м/сек. В хромосфере факелы в активных областях видны светлые образования, называемые обычно флоккулами. В красной линии спектра водорода видны темные образования, называемые волокнами. На краю диска Солнца волокна выступают за диск и наблюдаются на фоне неба как яркие протуберанцы. Наиболее часто волокна и протуберанцы встречаются в четырех расположенных симметрично относительно солнечного экватора зонах: полярных севернее +40 0 и южнее -40 0 гелиографической широты и низкоширотных зонах около 30 0 в начале цикла солнечной активности и 17 0 в конце цикла. Волокна и протуберанцы низкоширотных зон показывают хорошо выраженный 11-летний цикл, их максимум совпадает с максимумом пятен. У высокоширотных протуберанцев зависимость от фаз циклы солнечной активности выражена меньше, максимум наступает через два года после максимума пятен. Волокна, являющиеся спокойными протуберанцами, могут достигать длины солнечного радиуса и существовать в течение нескольких оборотов Солнца. Средняя высота протуберанцев над поверхностью Солнца составляет 30 тысяч километров, средняя длинна 200 тысяч километров, ширина 5 тысяч километров. Согласно исследованиям А.Б.Северного, все протуберанцы по характеру движения можно разбить на 3 группы: электромагнитные, в которых движения происходят по упорядоченным искривленным траекториям - силовым линиям магнитного поля; хаотические, в которых преобладают неупорядоченные турбулентные движения (скорости порядка 10 км/сек); эруптивные, в которых вещество первоначального спокойного протуберанца с хаотическими движениями внезапно выбрасывается с возрастающей скоростью (достигающей 700 км/сек) прочь от Солнца. Температура в протуберанцах (волокнах) 5 тысяч Кельвинов, плотность близка к средней плотности хромосферы. Волокна, представляющие собой активные, быстро меняющиеся протуберанцы, обычно сильно изменяются за несколько часов или даже минут. Форма и характер движений в протуберанцах тесно связаны с магнитным полем в хромосфере и солнечной короне.
Солнечная корона - самая внешняя и наиболее разряженная часть солнечной атмосферы, простирающаяся на несколько (более) солнечных радиусов. До 1931 года корону можно было наблюдать только во время полных солнечных затмений в виде серебристо - жемчужного сияния вокруг закрытого Луной Солнца. В короне хорошо выделяются детали её структуры: шлемы, опахала, корональные лучи и полярные щеточки. После изобретения коронографа солнечную корону стали наблюдать и вне затмений. Общая форма короны меняется с фазой цикла солнечной активности: в годы минимума корона сильно вытянута вдоль экватора, в годы максимума она почти сферична. В белом свете поверхностная яркость солнечной короны в миллион раз меньше яркости центра диска Солнца. Свечение её образуется в основном в результате рассеяния фотосферного излучения свободными электронами. Практически все атомы в короне ионизированы. Концентрация ионов и свободных электронов у основания короны составляет 10 9 частиц в 1 см 3 . Нагрев короны осуществляется аналогично нагреву хромосферы. Наибольшее выделение энергии происходит в нижней части короны, но благодаря высокой теплопроводности корона почти изотермична - температура понижается наружу очень медленно. Отток энергии в короне происходит несколькими путями. В нижней части короны основную роль играет перенос энергии вниз благодаря теплопроводности. К потере энергии приводит уход из короны наиболее быстрых частиц. Во внешних частях короны большую часть энергии уносит солнечный ветер - поток коронального газа, скорость которого растет с удалением от Солнца от нескольких км/ек у его поверхности до 450 км/сек на расстоянии Земли. Температура в короне превышает 10 6 К. В активных слоях короны температура выше - до 10 7 К. Над активными областями могут образовываться так называемые корональные конденсации, в которых концентрация частиц возрастает в десятки раз. Часть излучения внутри короны - это линии излучения многократно ионизированных атомов железа, кальция, магния, углерода, серы и других химических элементов. Они наблюдаются и в видимой части спектра и в ультрафиолетовой области. В солнечной короне генерируется радиоизлучение Солнца в метровом диапазоне и рентгеновское излучение, усиливающееся во много раз в активных областях. Как показали расчеты, солнечная корона не находится в равновесии с межпланетной средой. Из короны в межпланетное пространство распространяются потоки частиц, образующие солнечный ветер. Между хромосферой и короной имеется сравнительно тонкий переходный слой, в котором происходит резкий рост температуры до значений, характерный для короны. Условия в нем определяются потоком энергии из короны в результате теплопроводности. Переходный слой является источником большей части ультрафиолетового излучения Солнца. Хромосфера, переходной слой и корона дают все наблюдаемое радиоизлучение Солнца. В активных областях структура хромосферы, короны и переходного слоя меняется. Это изменение, однако, ещё недостаточно изучено.(3]
В активных областях хромосферы наблюдаются внезапные и сравнительно кратковременные увеличения яркости, видимые сразу во многих спектральных линиях. Эти яркие образования существуют от нескольких минут до нескольких часов. Они называются солнечными вспышками (прежнее название - хромосферные вспышки). Вспышки лучше всего видны в свете водородной линии, но наиболее яркие видны иногда и в белом свете. В спектре солнечной вспышки насчитывается несколько сотен эмиссионных линий различных элементов, нейтральных и ионизированных. Температура тех слоев солнечной aтмосферы, которые дают свечение в хромосферных линиях (1 -) ·10 4 К, в более высоких слоях - до 10 7 К. Плотность частиц во вспышке достигает 10 13 - 10 14 В одном кубическом сантиметре. Площадь солнечных вспышек может достигать 10 15 м 2 . Обычно солнечные вспышки происходят вблизи быстро развивающихся групп солнечных пятен с магнитным полем сложной конфигурации. Они сопровождаются активизацией волокон и флоккулов, а также выбросами вещества. При вспышке выделяется большое количество энергии (до 10 21 - 10 25 джоулей). Предполагается, что энергия солнечной вспышки первоначально запасается в магнитном поле, а затем быстро высвобождается, что приводит к локальному нагреву и ускорению протонов и электронов, вызывающих дальнейший разогрев газа, его свечение в различных участках спектра электромагнитного излучения, образование ударной волны. Солнечные вспышки дают значительное увеличение ультрафиолетового излучения Солнца, сопровождаются всплесками рентгеновского излучения (иногда весьма мощными), всплесками радиоизлучения, выбросом корпускул высоких энергий вплоть до 10 10 эв. Иногда наблюдаются рентгеновские излучения и без усиления свечения в хромосфере. Некоторые вспышки (они называются протонными) сопровождаются особенно сильными потоками энергичных частиц космическими лучами солнечного происхождения. Протонные вспышки создают опасность для находящихся в полете космонавтов, так как энергичные частицы, сталкиваясь с атомами оболочки корабля, порождают рентгеновское и гамма - излучение, причем иногда в опасных дозах.
Глава ПI. ll-летний цикл солнечной активности и его причины
Уровень солнечной активности (число активных областей и солнечных пятен, количество и мощность солнечных вспышек и т. д) изменяется с периодом около 11 лет. Существуют также слабые колебания величины максимумов 11-летнего цикла с периодом около 90лет. На земле 11летний цикл прослеживается на целом ряде явлений органической инеорганической природы (возмущения магнитного поля, полярные сияния, возмущения ионосферы, изменение скорости роста деревьев с периодом около 11 лет, установленным по чередованиям толщины годовых колец, и т.д.). На земные процессы оказывают также активное воздействие отдельные активные области на Солнце и происходящие в них кратковременные, но иногда очень мощные вспышки. Время существования отдельной магнитной области на Солнце может достигать одного года. Вызываемые этой областью возмущения в магнитосфере и верхней атмосфере Земли повторяются через 27 суток (с наблюдаемым с Земли периодом вращения Солнца). Наиболее мощные проявления происходят нерегулярно (чаще вблизи периодов максимальной активности), длительность их составляет 5 минут, редко несколько часов. Энергия хромосферной вспышки может достигать 10 25 джоулей, из выделяющейся при вспышке энергии лишь 1 % приходится на электромагнитное излучение в оптическом диапазоне. По сравнению с полным излучением Солнца в оптическом диапазоне энергия вспышки не велика, но коротковолновое излучение вспышки и генерируемые при вспышках электроны, а иногда солнечные космические лучи могут дать заметный вклад в рентгеновское и корпускулярное излучение Солнца. В периоды повышения солнечной активности его рентгеновское излучение увеличивается в диапазоне 30 нм В два раза, в диапазоне 10 нм в 3 раза, в диапазоне 1 - 0,2 нм более чем в сто раз. По мере уменьшения длины волны излучения вклад активных областей в полное излучение Солнца увеличивается, и в последнем из указанных диапазонов практически все излучение обусловлено активными областями. Жесткое рентгеновское излучение с длиной волны меньше 0,2 нм появляется в спектре Солнца всего лишь на короткое время после вспышек.
В ультрафиолетовом диапазоне (длина волны 180 нм) излучение Солнца за 11-летний цикл меняется всего на 1 %, а в диапазоне 290 нм остается практически постоянным и составляет 3,6 . 10 26 ватт.
Постоянство энергии, получаемой Землей от Солнца, обеспечивает стационарность теплового баланса Земли. Солнечная активность существенно не сказывается на энергетике Земли как планеты, но отдельные компоненты хромосферных вспышек могут оказывать значительное влияние на многие физические, биофизические и биохимические процессы на Земле.
Активные области являются мощным источником корпускулярного излучения. Частицы с энергиями около 1 кэв (в основном протоны), распространяющиеся вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля из активных областей усиливают солнечный ветер. Эти усиления (порывы) солнечного ветра повторяются через 27 дней и называются рекуррентными. Аналогичные потоки, но ещё большей энергии и плотности, возникают при вспышках. Они вызывают так называемые спорадические возмущения солнечного ветра и достигают Земли за интервалы времени от 8 часов до 2 суток. Протоны высокой энергии (от 100Мэв до1 Гэв) от очень сильных «протонных» вспышек и электроны с энергией 10 кэв, входящие в состав солнечных космических лучей, приходят к Земле через десятки минут после вспышек; несколько позже приходят те из них, которые попали в «ловушки» межпланетного магнитного поля и двигались вместе с солнечным ветром. Коротковолновое излучение и солнечные космические лучи (в высоких широтах) ионизируют земную атмосферу, что приводит к колебаниям её прозрачности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, а также к изменениям условий распространения коротких радиоволн (в ряде случаев наблюдаются нарушения радиосвязи).
Усиление солнечного ветра, вызванное вспышкой, приводит к сжатию магнитосферы Земли с солнечной стороны, усилению токов на её внешней границе, частичному проникновению частиц солнечного ветра в глубь магнитосферы, пополнению частицами высоких энергий радиационных поясов Земли и т.д. Эти процессы сопровождаются колебаниями напряженности геомагнитного поля (магнитной бурей), полярными сияниями и другими геофизическими явлениями, отражающими общее возмущение магнитного поля земли. Воздействие активных процессов на Солнце (солнечных бурь) на геофизические явления осуществляется как коротковолновой радиацией, так и через посредство магнитного поля Земли. По-видимому, эти факторы являются главными и для физико-химических и биологических процессов. Проследить всю цепь связей, приводящих к 11-летней периодичности многих процессов на Земле пока не удается, но накопленный обширный фактический материал не оставляет сомнений в существовании таких связей. Так была установлена корреляция между 11-летним циклом солнечной активности и землетрясениями, урожаями сельхозкультур, числом сердечнососудистых заболеваний и Т.д. Эти данные указывают на постоянное действие солнечно - земных связей.
Используя данные Тбилисской Астрономической обсерватории, мы попытались построить наглядную картину изменения солнечной активности в период с 1655 по 1944г. и узнали, что:
Наблюдения Солнца ведутся с помощью рефракторов небольшого или среднего размера и больших зеркальных телескопов, у которых большая часть оптики неподвижна, а солнечные лучи направляются внутрь горизонтальной или башенной установки телескопа при помощи одного или двух движущихся зеркал. Создан специальный тип солнечного телескопа - внезатменный коронограф. Внутри коронографа осуществляется затемнение Солнца специальным непрозрачным экраном. В коронографе во много раз уменьшается количество рассеянного света, поэтому можно наблюдать вне затмения самые внешние слои атмосферы Солнца. Солнечные телескопы часто снабжаются узкополосными светофильтрами, позволяющими вести наблюдения в свете одной спектральной линии. Созданы также нейтральные светофильтры с переменной прозрачностью по радиусу, позволяющие наблюдать солнечную корону на расстоянии нескольких радиусов Солнца. Обычно крупные солнечные телескопы снабжаются мощными спектрографами с фотографической или фотоэлектрической фиксацией спектров. Спектрограф может иметь также магнитограф прибор для исследования Зеемановского расщепления и поляризации спектральных линий и определения величины и направления магнитного поля на Солнце. Необходимость устранить замывающее действие земной атмосферы, а также исследования излучения Солнца в ультрафиолетовой, инфракрасной и некоторых других областях спектра, которые поглощаются в атмосфере Земли, привели к созданию орбитальных обсерваторий за пределами атмосферы, позволяющих получать спектры Солнца и отдельных образований на его поверхности вне земной атмосферы.
Время от времени в солнечной атмосфере появляются активные области, число которых регулярно меняется с циклом в среднем около 11 лет.
О возникновении активной области свидетельствуют солнечные пятна, наблюдаемые в фотосфере. Они возникают в виде маленьких черных точек - пор. За несколько дней поры превращаются в крупные темные образования. Обычно пятно окружено менее темной полутенью, состоящей из радиально вытянутых прожилок. Пятно кажется как бы «дыркой» на поверхности Солнца, но такой большой, что в неё свободно можно закинуть «мячик» размером с Землю.
Если наблюдать Солнце изо дня в день, то по перемещению пятен можно убедиться, что оно вращается вокруг своей оси и примерно через 27 суток то или иное пятно снова возвращается почти на то же место солнечного диска. На разных широтах скорость вращения Солнца различна, вблизи экватора вращение быстрее, а у полюсов медленнее.
До возникновения пятен на небольшом участке фотосферы появляется область - факел, лучше всего наблюдаемая на краю диска Солнца. Факелы на несколько сот Кельвинов горячее фотосферы. Атмосфера над факелами также горячее и плотнее. Пятна всегда окружены факелами, которые в центральной части солнечного диска почти незаметны. По мере разрастания факела в активной области постепенно усиливается магнитное поле, особенно на некотором малом участке, где в дальнейшем может образоваться пятно. Пятна обладают сильным магнитным полем, останавливающим всякое движение ионизированного газа. Поэтому в области пятна под фотосферой прекращается обычная конвекция и тем самым прекращается дополнительный перенос энергии из более глубоких слоев наружу. Температура пятна оказывается примерно на 1000К ниже, чем окружающей фотосферы, на фоне которой оно кажется темным. Появление факела также объясняется магнитным полем, но только более слабым. Когда оно не способно остановить конвекцию, тормозится лишь беспорядочный характер движений поднимающихся струй газа в конвективной зоне. Поэтому в факеле горячие газы легче поднимаются из глубины и делают его ярче окружающей фотосферы.
Размеры и само местоположение активной области пятен и факелов тесно связаны с конвективной зоной: тень отдельного пятна покрывает одну или несколько ячеек промежуточного яруса конвективной зоны, расположенных, как правило, в узлах (местах пересечения границ) гигантских ячеек самого глубокого яруса. Обычно пятна возникают целыми группами, из которых выделяются два наиболее крупных пятна - одно на восточном, а другое на западном краю группы, обладающих противоположной полярностью магнитного поля. Такие группы пятен называются биполярными. Область, занятая всей биполярной группой, совпадает по размерам с гигантской ячейкой конвективной зоны.
В хромосфере и короне над активной областью наблюдается много очень интересных явлений.
К ним относятся хромосферные вспышки и протуберанцы.(рис.9)
Вспышки - один из самых быстрых процессов на Солнце. Обычно они начинаются с того, что за несколько минут яркость в некоторой точке активной области, особенно в лучах, испускаемых атомами водорода и ионами кальция, сильно возрастает. Бывали очень сильные вспышки, которые по яркости превышали ослепительную фотосферу. После возгорания в течение нескольких десятков минут свечение постепенно ослабляется, вплоть до исходного состояния. Вспышки возникают из - за особых изменений магнитных полей, приводящих к внезапному сжатию вещества хромосферы.(рис.10) Происходит нечто подобное взрыву, и образуется направленный поток очень быстрых заряженных частиц и космических лучей. Этот поток, проходя через корону, увлекает с собой частицы плазмы; частицы приходят в колебание и испускают радиоволны.
Небольшая область, занятая вспышкой (всего лишь несколько сотен тысяч квадратных километров), создает очень мощное излучение. Оно состоит из рентгеновских, ультрафиолетовых и видимых лучей, радиоволн, быстрых частиц (корпускул), движущихся со скоростями в тысячи километров в секунду, и космических лучей. Все эти виды излучения оказывают сильное воздействие на земную атмосферу, особенно на верхние её слои.
Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи первыми достигают Земли, прежде всего верхних, ионизированных слоев её атмосферы - ионосферы. От состояния земной ионосферы зависит распространение радиоволн и слышимость радиопередач. Под воздействием солнечных ультрафиолетовых и рентгеновских лучей увеличивается ионизация ионосферы. В нижних её слоях начинают сильно поглощаться короткие радиоволны. Из-за этого происходит замирание слышимости радиопередач на коротких волнах. Одновременно ионосфера приобретает способность лучше отражать длинные радиоволны. Поэтому во время вспышки на Солнце можно обнаружить внезапное усиление слышимости далекой радиостанции, работающей на длинной волне.
Поток частиц - корпускул достигает Земли примерно лишь через сутки после того, как на Солнце произошла вспышка. «Продираясь» через солнечную корону, корпускулярный поток вытягивает её вещество в длинные, характерные для её структур лучи.
Вблизи Земли поток корпускул встречается с магнитным полем Земли, не пропускающим заряженные частицы. Однако трудно остановить частицы, мчащиеся с огромной скоростью. Они прорывают преграду и как бы вдавливаются магнитные силовые линии, окружающие земной шар. От этого на земле происходит так называемая магнитная буря, заключающаяся в быстрых и неправильных изменениях магнитного поля. Во время магнитных бурь стрелка компаса совершает беспорядочные колебания, и пользоваться им невозможно.
Подходя к Земле, поток солнечных частиц врывается в окружающие Землю слои очень быстро заряженных частиц, образующих радиационные пояса. Пройдя эти пояса, некоторые солнечные частицы прорываются глубже, в верхние слои атмосферы, и вызывают очень красивые свечения воздуха - полярные сияния.
Таким образом, вспышки на Солнце приводят к важным последствиям и тесно связаны с различными явлениями, происходящими на Земле. В короне над активной областью также происходят интересные явления. Порой вещество короны начинают ярко светиться и можно видеть, как его потоки устремляются в хромосферу. Эти гигантские облака раскаленных газов, протяженностью в десятки тысяч километров, называются протуберанцами.(рис.9) Протуберанцы поражают разнообразием форм, богатой структурой, сложными движениями отдельных узлов и внезапными изменениями, которые сменяются длительными периодами спокойного существования. Протуберанцы плотнее и холоднее окружающей их короны и имеют такую же температуру, как и хромосфера. На возникновение и движение протуберанцев влияют магнитные поля. По-видимому, эти поля - основная причина всех активных явлений, происходящих в солнечной атмосфере.
С магнитными полями связана цикличность солнечной активности. Её легко заметить, если день за днем подсчитывать имеющиеся на Солнце пятна. В начале цикла пятен совсем или почти совсем нет. Эта эпоха называется минимумом. Затем пятна появляются вдали от солнечного экватора. Постепенно их число, а также количество биполярных групп увеличивается, и пятна возникают все ближе и ближе к экватору. Через 3-4 года наступает максимум солнечных пятен, отличающийся наибольшим количеством активных образований на Солнце. Затем солнечная активность спадает, и примерно через 11 лет наступает минимум.
На протяжении всего цикла солнечной активности сохраняется одна и та же последовательность полярности биполярных групп, причем противоположная в северном и южном полушариях Солнца. Так, например, если в северном полушарии в течение всего цикла все западные пятна групп (называемые ведущими) имеют северную полярность, то восточные пятна (хвостовые) имеют южную полярность. В южном полушарии - наоборот. В следующем цикле последовательность полярностей обязательно меняется на противоположную.
Периодичность солнечной активности пока ещё остается увлекательной загадкой Солнца.
Только в последние годы удалось приблизиться к ее решению. По-видимому, она связана со сложным взаимодействием ионизированного вещества Солнца и общего его магнитного поля. Результат этого взаимодействия - периодическое усиление магнитных полей, приводящее к появлению солнечных пятен и других активных образований.
Солнце - одна из бесчисленных звезд, самосветящихся, горячих газовых шаров. Поэтому, изучая Солнце, мы познаем процессы, которые должны происходить и на многих других звездах, из-за удаленности пока еще недоступных такому подробному изучению.
Глава IV. Экспериментальная часть.
Исследуя поведение Солнца в последние годы и, связав наличие солнечных пятен с одиннадцатилетним циклом солнечной активности, я рассчитала площадь одного из пятен на Солнце. Для расчета нужны дополнительные данные позиционного угла и географической широты центрального солнечного диска.
Для пользования ортографической сеткой необходимо знать позиционный угол β и геометрическую широту β о центра солнечного диска. Эти данные имеются в астрономическом календаре ежегоднике.
Позиционный угол Р, отсчитанный от точки центра – этот угол, определяющий положение проекции.
Подсчитаем площадь пятен: α n = 0.2 мм
Д з = 12800км.
R с = 109 R з
R = з 6400км
R = с изобр 5см
R n =0,1 мм(изобр)
R с – R з (изобр)
R n – R n (изобр)
R = R с * R п из - 109 * Rз * 0,1 = 109 * 6400 =1395, 2км
n ,
R сизобр 50 500
R n =0,218 R з
Это пятно в 20 раз больше радиуса Земли
S= пR 2 = з, 14(0,22R з )2=0,222(3, 14·R 2 с ) =0,22 2 ·S з =0,05·S з Sn=0,05·3,14·6400 2 =643·10 4 (KM 2 )
Теперь определим солнечную активность. Она определяется с 1748 года числом пятен. Вольф ввел для определения пятен число, которое названо числом Вольфа:
W=K(f + 10q)
К - число, характеризующее способность телескопа.f - это число пятен; q - число групп пятен.
q=2 W=7+ 10·2=27 f =7
Пик≈200пятен
Для определения солнечных пятен с учетом чисел Вольфа с 1940 - 2005г. мы построили график.[l]
Из графика видны максимумы и минимумы, наблюдаемые через одиннадцать лет. В 2005г. число пятен из-за большой солнечной активности должно достигнуть пика примерно 200 пятен.
Анализируя лабораторные данные построил график солнечных пятен с учетом числа Вольфа с 1850-1940гг. И график , показывающий эпоху минимального цикла солнечной активности 80-90 - летнего цикла за 1632 -1947 годы по Гинзбургу.
Заключение.
Исследования в данной области астрофизики очень важны.
Во-первых экспериментально обнаружилось не предсказанное теорией явление модуляции космических лучей солнцем. Во-вторых исследования 11-летнего цикла солнечной активности связаны со вспышками на солнце и с различными явлениями, происходящими на Земле. Эти исследования позволяют анализировать явления потепления на Земле и спада температур с определённой периодичностью. Исходя из данных исследований можно предположить, что потепление на планете связано с периодом увеличения солнечной активности. В последние 2 года мы наблюдаем постепенный спад солнечной активности, потепление на Земле будет значительно ниже, чем в предыдущие годы когда Солнце находилось в пике своей активности.
Таким образом возможности экспериментальной астрофизики очень важны как для исследования, изучения уникальных мощных явлений, так и радиационной истории солнечной системы и галактики в целом.
Список использованной литературы
1. Гинзбург В.Л., Сыровский с.И., «Происхождение космических лучей и вариации Солнца» // Москва, 1963г.
2.Гинзбург в.л., «Исследование 11-летнего цикла солнечной активности» // Москва, 1968г.
Дорман Л.И. «Вариации космических лучей и исследование космоса» // Москва, 1969г. 4. Дорман Л.И., Мирошниченко Л.И. «Солнечные космические лучи» // Москва, 1968г.
5. Дорман Л.И., Смирнов В.С., Тясто М.И. «Космические лучи в магнитном поле Земли» // Москва, 1971г.
Коптев Ю.И., Никитин С.А. Сборник. Научно - популярная литература // Москва, 1987г.
Климишин И.А. «Астрономия наших дней» // Москва, 1976г.
В последнее время Солнце было необычно «тихим». Причину малоактивности раскрывает нижеприведенный график.
График числа Вольфа с 2000 до 2019 годы (красной линией показан прогноз). NOAA
Как видно из графика, в 11-летнем цикле солнечной активности произошел спад. В течение последних двух лет количество солнечных пятен сокращалось по мере перехода солнечной активности от максимума к минимуму. Уменьшение числа солнечных пятен означает, что стало меньше солнечных вспышек и корональных выбросов массы.
Фото Солнца, сделанные космической обсерваторией SOHO с 1996 года. NASA
Таким образом 24-й солнечный цикл становится самым слабым за последние 100 лет.
Что такое 11-летний цикл активности?
Одиннадцатилетний цикл, также называемый цикл Швабе или цикл Швабе-Вольфа это заметно выраженный цикл солнечной активности, длящийся примерно 11 лет. Он характеризуется довольно быстрым (примерно за 4 года) увеличением числа солнечных пятен, и затем более медленным (около 7 лет), его уменьшением. Длина цикла не равна строго 11 годам: в XVIIIXX веках его длина составляла 717 лет, а в XX веке примерно 10,5 года.
Что такое число Вольфа?
Число Вольфа это показатель солнечной активности, предложенный швейцарским астрономом Рудольфом Вольфом. Он не равен числу пятен, наблюдаемых в данный момент на Солнце, а вычисляется по формуле:
f количество наблюдаемых пятен;
g количество наблюдаемых групп пятен;
k коэффициент, выводящийся для каждого телескопа, с помощью которого проводятся наблюдения.
График среднемесячных чисел Вольфа с 1750 года. Leland McInnes | Wikipedia
Насколько спокойна обстановка на самом деле?
Широко распространенное заблуждение состоит в том, что космическая погода «замирает» и становится неинтересной для наблюдения во время низкой солнечной активности. Однако и в такие периоды происходит много любопытных явлений. Например, верхние слои атмосферы Земли разрушаются, позволяя космическому мусору накапливаться вокруг нашей планеты. Гелиосфера сжимается, в результате чего Земля становится более открытой межзвездному пространству. Галактические космические лучи проникают через внутреннюю часть Солнечной системы с относительной легкостью.
Ученые следят за ситуацией, поскольку количество солнечных пятен продолжает снижаться. По данным на 29 марта, число Вольфа равно 23.
В середине прошлого столетия астроном-любитель Г. Швабе и Р. Вольф впервые установили факт изменения числа солнечных пятен со временем, причем средний период этого изменения составляет 11 лет. Об этом можно прочесть почти во всех популярных книжках о Солнце. Но мало кто даже из специалистов слышал о том, что еще в 1775 г. П. Горребов из Копенгагена дерзнул утверждать, что существует периодичность солнечных пятен. К сожалению, ряд его наблюдений был слишком мал, чтобы установить продолжительность этого периода. Высокий научный авторитет противников точки зрения Горребова и артиллерийский обстрел Копенгагена, уничтоживший все его материалы, сделали все для того, чтобы об этом утверждении забыли и не вспоминали даже тогда, когда оно было доказано другими.
Конечно, все это нисколько не умаляет научных заслуг Вольфа, который ввел индекс относительных чисел солнечных пятен и сумел по различным материалам наблюдений астрономов-любителей и профессионалов восстановить его с 1749 г. Более того, Вольф определил годы максимальных и минимальных чисел пятен еще со времени наблюдений Г. Галилея, т. е. с 1610. Это и позволило ему упрочить весьма несовершенную работу Швабе, располагавшего наблюдениями только за 17 лет, и впервые определить продолжительность среднего периода изменения числа солнечных пятен. Так по« явился знаменитый закон Швабе - Вольфа, согласно которому изменения солнечной активности происходят периодически, причем длина среднего периода составляет 11,1 года (рис. 12). Конечно, в то время говорилось только об относительном числе солнечных пятен. Но со временем этот вывод был подтвержден для всех известных индексов солнечной активности. Многочисленные иные периоды активных солнечных явлений, особенно более короткие, которые были обнаружены исследователями Солнца за прошедшие 100 с лишним лет, неизменно опровергались, и только 11-летний период всегда оставался незыблемым.
Хотя изменения солнечной активности происходят периодически, эта периодичность особая. Дело в том, что интервалы времени между годами максимальных (или минимальных) чисел Вольфа довольно сильно различаются. Известно, что с 1749 г. до наших дней продолжительность их колебалась от 7 до 17 лет между годами максимумов и от 9 до 14 лет между годами минимумов относительного числа солнечных пятен. Поэтому правильнее будет говорить не об 11-летнем периоде, а об 11-летнем цикле (т. е. периоде с возмущениями, или «скрытом» периоде) солнечной активности. Этот цикл имеет исключительно важное значение как для проникновения в сущность солнечной активности, так и для изучения солнечно-земных связей.
Но 11-летний цикл проявляется не только в изменении частоты солнечных новообразований, в частности, солнечных пятен. Его можно обнаружить также по изменению со временем широты групп пятен (рис. 13). Это обстоятельство привлекло внимание известного английского исследователя Солнца Р. Кэррингтона еще в 1859 г. Он обнаружил, что в начале 11-летнего цикла пятна обычно появляются на высоких широтах, в среднем на расстоянии ±25 - 30° от экватора Солнца, тогда как в конце цикла предпочитают участки ближе к экватору, в среднем на широтах ±5 - 10°. Позже это гораздо убедительнее показал немецкий ученый Г. Шиерер. Сначала этой особенности не придавали особого значения. Но потом положение резко изменилось. Оказалось, что среднюю продолжительность 11-летнего цикла можно определить гораздо точнее по изменению широты групп солнечных пятен, чем по вариациям чисел Вольфа. Поэтому ныне закон Шперера, который свидетельствует об изменении широты групп пятен с ходом 11-летнего цикла, наряду с законом Швабе - Вольфа выступает как основной закон солнечной цикличности. Все дальнейшие работы в этом направлении только уточняли детали и по-разному объясняли эту вариацию. Но они, тем не менее, оставили неизменной формулировку закона Шперера.
Рис. 13. Диаграмма "бабочек" групп солнечных пятен (по Гринвичу).
Теперь мы обратимся к 11-летнему циклу солнечной активности, который в течение сотни с лишним лет со времени его открытия неизменно находился в центре внимания исследователей Солнца. За его кажущейся поразительной простотой на самом деле скрывается столь сложный и многогранный процесс, что мы всегда стоим перед опасностью потерять все или по крайней мере многое из того, что он перед нами уже раскрыл. Прав был один из наиболее известных специалистов по прогнозам солнечной активности немецкий астроном В, Глайсберг, когда в одной из своих популярных статей сказал следующее; «Сколько раз исследователям солнечной активности казалось, что наконец-то им удалось окончательно установить все основные закономерности 11-летнего цикла. Но вот наступал новый цикл, и уже первые его шаги начисто отбрасывали всю их уверенность и заставляли заново пересматривать то, что они считали окончательно установленным». Может быть, в этих словах немного сгущены краски, но суть их, безусловно, верна, особенно когда речь идет о прогнозе солнечной активности.
Как мы уже говорили, в определенные годы числа Вольфа имеют максимальную или минимальную величину. Эти годы или еще более точно определенные моменты времени, например, кварталы или месяцы, называют соответственно эпохами максимума и минимума 11-летнего цикла, или, более обще, эпохами экстремумов. Среднемесячные и среднеквартальные значения относительных чисел пятен, помимо в общем регулярного, плавного изменения, характеризуются очень неправильными, сравнительно кратковременными флуктуациями (см. раздел 5 этой главы). Поэтому обычно эпохи экстремумов выделяют по так называемым сглаженным среднемесячным числам Вольфа, которые представляют собой усредненные особым способом за 13 месяцев величины этого индекса, полученного из наблюдений, или по верхней и нижней огибающим кривых изменения среднеквартальных значений относительных чисел пятен. Но иногда применение таких методов может привести к ложным результатам, особенно в низких циклах, т. е. циклах с небольшим максимальным числом Вольфа. Интервал времени от эпохи минимума до эпохи максимума 11-летнего цикла получил название ветви роста, а от эпохи максимума до эпохи следующего минимума - ветви его спада (рис. 14).
Продолжительность 11-летнего цикла по эпохам минимума определяется гораздо лучше, чем по эпохам максимума. Но и в этом случае возникает затруднение, которое заключается в том, что следующий цикл, как правило, начинается раньше, чем заканчивается предыдущий. Теперь мы научились различать группы пятен нового и старого циклов по полярности их магнитного поля. Но такая возможность появилась немногим более 60 лет назад. Поэтому ради сохранения однородности методики приходится довольствоваться все-таки не истинной длиной 11-летнего цикла, а неким ее «эрзацем», определяемым по эпохам минимальных чисел Вольфа. Вполне естественно, что в этих числах обычно объединены группы пятен нового и старого 11-летних циклов.
11-летние циклы солнечных пятен отличаются не только различной длиной, но и различной их интенсивностью, т. е. разными значениями максимальных чисел Вольфа. Мы уже говорили о том, что регулярные данные о среднемесячных относительных числах пятен цюрихского ряда имеются с 1749 г. Поэтому первым цюрихским 11-летним циклом считают цикл, начавшийся в 1775 г. Предшествующий же ему цикл, содержащий неполные данные, видимо, по этой причине получил нулевой номер. Если за прошедшие со времени начала регулярного определения чисел Вольфа 22 цикла (включая нулевой и еще не закончившийся, но уже прошедший свой максимум текущий) максимальное среднегодичное число Вольфа в среднем равнялось 106, то в различных 11-летних циклах оно испытывало колебание от 46 до 190. Особенно высоким был закончившийся в 1964 г. 19-й цикл. В его максимуме, который наступил в конце 1957 г., среднеквартальное число Вольфа равнялось 235. Второе место вслед за ним занимает нынешний, 21-й цикл, максимум которого прошел в конце 1979 г. со среднеквартальным относительным числом солнечных пятен 182. Самые низкие циклы солнечных пятен относятся к началу прошлого столетия. Один из них, 5-й по цюрихской нумерации, самый продолжительный из наблюдавшихся 11-летних циклов. Некоторые исследователи солнечной активности даже сомневаются в реальности его продолжительности и считают, что она полностью обязана «деятельности» на поприще науки Наполеона I. Дело в том, что всецело поглощенный ведением победоносных войн французский император мобилизовал в армию почти всех астрономов обсерваторий Франции и покоренных им стран. Поэтому в те годы наблюдения Солнца велись столь редко (не более нескольких дней за месяц), что вряд ли можно доверять полученным тогда числам Вольфа. Трудно сказать, насколько основательны подобные сомнения. Кстати, косвенные данные о солнечной активности за это время не противоречат выводу о низком уровне относительных чисел солнечных пятен в начале XIX в. Однако просто так эти сомнения отбросить тоже нельзя, поскольку они позволяют избавиться от некоторых исключений, в особенности для отдельных 11-летних циклов. Любопытно, что второй самый низкий цикл, максимум которого относится к 1816 г., имел длину всего 12 лет, в отличие от своего предшественника.
Поскольку мы располагаем данными за двести с лишним лет только о числах Вольфа, все основные свойства 11-летних циклов солнечной активности выведены именно для этого индекса. С легкой руки маститого первооткрывателя 11-летнего цикла более пятидесяти лет исследователи солнечной активности были заняты главным образом поисками полного набора циклов продолжительностью от нескольких месяцев до сотни лет. Р. Вольф, убежденный в том, что солнечная цикличность - плод воздействия на Солнце планет Солнечной системы, сам положил начало этим поискам. Однако все эти работы дали гораздо больше для развития математики, чем для изучения солнечной активности. Наконец, уже в 40-х годах нынешнего столетия, один из «наследников» Вольфа по Цюриху М. Вальдмайер осмелился усомниться в правоте своего «научного прадеда» и перенес причину 11-летней цикличности внутрь самого Солнца. Именно с этого времени собственно и началось настоящее исследование главных внутренних свойств 11-летнего цикла солнечных пятен.
Интенсивность 11-летнего цикла довольно тесно связана с его длительностью. Чем мощнее этот цикл, т. е. чем больше его максимальное относительное число пятен, тем меньше его продолжительность. К сожалению, эта особенность носит скорее чисто качественный характер. Она не позволяет достаточно надежно определить значение одной из этих характеристик, если известна вторая. Гораздо увереннее выглядят результаты изучения связи максимального числа Вольфа (точнее, его десятичного логарифма) с длиной ветви роста 11-летнего цикла, т. е. той частью кривой, которая характеризует нарастание чисел Вольфа от начала цикла до его максимума. Чем больше максимальное число солнечных пятен в этом цикле, тем короче ветвь его роста. Таким образом, форма циклической кривой 11-летнего цикла в значительной степени определяется его высотой. У высоких циклов она отличается большой асимметрией, причем длина ветви роста всегда короче длины ветви спада и равна 2 - 3 годам. У сравнительно слабых циклов эта кривая почти симметрична. И лишь самые слабые 11-летние циклы вновь показывают асимметрию, только противоположного типа: у них ветвь роста длиннее ветви спада.
В противоположность длине ветви роста, длина ветви спада 11-летнего цикла тем больше, чем выше его максимальное число Вольфа. Но если предыдущая связь очень тесная, то эта гораздо слабее. Вероятно, именно поэтому максимальное относительное число пятен только качественно определяет продолжительность 11-летнего цикла. Вообще ветвь роста и ветвь спада основного цикла солнечной активности во многих отношениях ведут себя по-разному. Начать хотя бы с того, что если на ветви роста сумма среднегодичных чисел Вольфа почти не зависит от высоты цикла, то на ветви спада она определяется именно этой характеристикой. Не удивительно, что столь неудачными были попытки представить кривую 11-летнего цикла математическим выражением не с двумя, а с одним параметром. На ветви роста многие связи оказываются гораздо более четкими, чем на ветви спада. Создается впечатление, что именно особенности усиления солнечной активности в самом начале 11-летнего цикла диктуют его характер, тогда как его поведение после максимума в общем примерно одинаково во всех 11-летних циклах и различается только вследствие разной длины ветви спада. Впрочем, скоро мы увидим, что это первое впечатление нуждается в одном важном дополнении.
Свидетельства в пользу определяющего значения ветви роста 11-летнего цикла дали исследования циклических изменений суммарной площади солнечных пятен. Выяснилось, что по длине ветви роста можно достаточно надежно установить максимальное значение суммарной площади пятен. Ранее уже говорилось о том, что в этот индекс в неявной форме включено число групп пятен. Вполне естественно поэтому, что для него мы получаем, в сущности, те же выводы, что и для чисел Вольфа. Гораздо хуже известны закономерности 11-летнего цикла для частоты других явлений солнечной активности, в частности, солнечных вспышек. Чисто качественно можно полагать, что для них они окажутся такими же, как для относительных чисел и суммарной площади солнечных пятен.
До сих пор мы имели дело с явлениями солнечной активности любой мощности. Но, как мы уже знаем, явления на Солнце очень сильно отличаются по своей интенсивности. Даже в обыденной жизни вряд ли кто поставит на одну доску легкое перистое облачко и большую черную тучу. А пока мы поступали именно так. И вот что любопытно. Стоит только разделить активные солнечные образования по их мощности, как мы приходим к довольно разноречивым результатам. Явления слабой или средней интенсивности в общем дают ту же кривую 11-летнего цикла, что и числа Вольфа. Это относится не только к числу пятен, но и к числу факельных площадок, и к числу солнечных вспышек. Что же касается наиболее мощных активных образований на Солнце, то они чаще всего встречаются не в саму эпоху максимума 11-летнего цикла, а через 1 - 2 года после нее, а иногда и до этой эпохи. Таким образом, для этих явлений циклическая кривая либо становится двухвершинной, либо сдвигает свой максимум на более поздние по отношению к числам Вольфа годы. Именно таким образом ведут себя самые большие группы солнечных пятен, самые большие и яркие кальциевые флоккулы, протонные вспышки, всплески радиоизлучения IV типа. Аналогичную форму имеют кривые 11-летнего цикла для интенсивности зеленой корональной линии, потока радиоизлучения на метровых волнах, средней напряженности магнитных полей и средней продолжительности жизни групп солнечных пятен, т. е. индексов мощности явлений.
Наиболее своеобразно проявляется 11-летний цикл в законе Шперера для различных процессов солнечной активности. Как мы уже знаем, для групп солнечных пятен он выражается в изменении в среднем широты их появления от начала к концу цикла. При этом по мере развития цикла скорость такого «сползания» зоны солнечных пятен к экватору постепенно уменьшается и через 1 - 2 года после эпохи максимума чисел Вольфа оно вовсе прекращается, когда зона достигает «барьера» в интервале широт 7°,5 - 12°,5. Дальше происходят только колебания зоны вокруг этой средней широты. Создается впечатление, что 11-летний цикл «работает» только до этого времени, а затем постепенно как бы «рассасывается». Известно, что пятна охватывают довольно широкие зоны по обе стороны от экватора Солнца. Ширина этих зон тоже изменяется с течением 11-летнего цикла. Они самые узкие в начале цикла и самые широкие в эпоху его максимума. Именно этим объясняется то обстоятельство, что в наиболее мощных циклах, таких, как 18-й, 19-й и 21-й цюрихской нумерации, самые высокоширотные группы пятен наблюдались не в начале цикла, а в годы максимума. Группы пятен малых и средних размеров располагаются практически по всей ширине «королевских зон», но предпочитают концентрироваться к их центру, положение которого все приближается к экватору Солнца по мере развития цикла. Наиболее крупные группы пятен «облюбовали» края этих зон и только изредка «снисходят» к внутренним их частям. Если судить только по расположению этих групп, то можно подумать, что закон Шперера является лишь статистической фикцией. Подобным же образом ведут себя и солнечные вспышки разной мощности.
На ветви спада 11-летнего цикла средняя широта групп солнечных пятен, начиная с ±12°, не зависит от высоты цикла. В то же время в год максимума она определяется максимальным числом Вольфа в этом цикле. Более того, чем мощнее 11-летний цикл, тем на более высоких широтах появляются его первые группы пятен. В то же время широты групп в конце цикла, как мы уже видели, в сущности, в среднем одинаковы безотносительно к тому, какова его мощность.
Северное и южное полушария Солнца проявляют себя весьма по-разному в отношении развития в них 11-летних циклов. К сожалению, числа Вольфа определялись только для всего солнечного диска. Поэтому мы располагаем по данному вопросу довольно скромным материалом Гринвичской обсерватории о числе и площадях групп пятен примерно за сто лет. Но все же гринвичские данные позволили выяснить, что роль северного и южного полушарий заметно изменяется от одного 11-летнего цикла к другому. Это выражается не только в том, что во многих циклах одно из полушарий определенно выступает в роли «дирижера», но и в различии формы циклической кривой этих полушарий в одном и том же 11-летнем цикле. Такие же свойства были обнаружены и по числу групп солнечных пятен и по их суммарным площадям. Более того, нередко эпохи максимума цикла в северном и южном полушариях Солнца отличаются на 1-2 года. Подробнее об этих различиях мы будем говорить при рассмотрении продолжительных циклов. А пока в качестве примера вспомним лишь, что в самом высоком 19-м цикле солнечная активность определенно преобладала в северном полушарии Солнца. При этом эпоха максимума в южном полушарии наступила на два с лишним года раньше, чем в северном.
До сих пор мы рассматривали особенности развития 11-летнего цикла солнечной активности только для явлений, происходящих в «королевских зонах» Солнца. На более высоких широтах этот цикл, по-видимому, начинается раньше. В частности, давно уже было известно, что увеличение числа и площади протуберанцев в интервале широт ±30 - 60° происходит примерно за год до начала 11-летнего цикла пятен и низкоширотных протуберанцев. Любопытно, что если в «королевских зонах» средняя широта появления протуберанцев с ходом цикла постепенно уменьшается, подобно тому, как это происходит с группами солнечных пятен, то более высокоширотные протуберанцы имеют в начале цикла в среднем меньшую широту, чем в его конце. Нечто подобное наблюдается и у корональных конденсаций. Некоторые исследователи считают, что для зеленой корональной линии 11-летний цикл начинается примерно на 4 года раньше, чем для групп пятен. Но сейчас еще трудно сказать, насколько надежен этот вывод. Не исключено, что на самом деле на Солнце постоянно сохраняется высокоширотная зона корональной активности, которая с учетом данных, полученных для более низких широт, и приводит к такому кажущемуся результату.
Еще необычнее ведут себя слабые магнитные поля вблизи его полюсов. Они достигают минимальной величины напряженности примерно в годы максимума 11-летнего цикла и в это же время полярность поля меняется на противоположную. Что же касается эпохи минимума, то в этот период напряженность полей довольно значительна и полярность их остается неизменной. Любопытно, что изменение полярности поля вблизи северного и южного полюсов происходит не одновременно, а с разрывом в 1 - 2 года, т. е. все это время полярные области Солнца обладают одинаковой полярностью магнитного поля.
Число полярных факелов изменяется параллельно с величиной напряженности поля вблизи полюсов Солнца в каждом его полушарии (между прочим, предваряя практически такое же изменение чисел Вольфа примерно через 4 года). Поэтому, хотя мы располагаем данными о слабых полярных магнитных полях менее чем за три 11-летних цикла, результаты наблюдений полярных факельных площадок позволяют сделать вполне определенный вывод относительно их циклических изменений. Таким образом, магнитные поля и факельные площадки в полярных областях Солнца отличаются тем, что их 11-летний цикл начинается в максимуме 11-летнего цикла солнечных пятен и достигает максимума вблизи эпохи минимума пятен. Будущее покажет, насколько надежен этот результат. Но нам кажется, что если не вникать в детали, вряд ли последующие наблюдения приведут к существенному его изменению. Любопытно, что полярные корональные дыры отличаются точно таким же характером 11-летней вариации.
Хотя солнечная постоянная, как уже говорилось, не испытывает ощутимых колебаний с ходом 11-летнего цикла, это отнюдь не означает, что подобным образом ведут себя и отдельные области спектра излучения Солнца. В этом читатель уже мог убедиться, когда рассматривались потоки радиоизлучения Солнца. Несколько слабее изменения интенсивности фиолетовых линий ионизованного кальция Н и К. Но и эти линии в эпоху максимума примерно на 40% ярче, чем в эпоху минимума 11-летнего цикла. Имеются данные, хотя и не совсем бесспорные, об изменении с ходом цикла глубины линий в видимой области солнечного спектра. Однако самые внушительные вариации излучения Солнца относятся к рентгеновскому и дальнему ультрафиолетовому диапазонам длин волн, возможность изучения которых дали искусственные спутники Земли и космические аппараты. Оказалось, что интенсивность рентгеновского излучения в интервалах длин волн 0 - 8 А, 8 - 20 А и 44 - 60 А от минимума к максимуму 11-летнего цикла возрастает в 500, 200 и 25 раз. Не менее ощутимые изменения происходят и в спектральных областях 203 - 335 А и вблизи 1216 А (в 5,1 и 2 раза).
Как было обнаружено с помощью современных математических методов, существует так называемая тонкая структура 11-летнего цикла солнечной активности. Она сводится к устойчивому «ядру» вокруг эпохи максимума, охватывающему примерно 6 лет, двум или трем вторичным максимумам и расщеплению цикла на две составляющие со средними периодами около 10 и 12 лет. Такая тонкая структура выявляется и в форме циклической кривой чисел Вольфа, и в «диаграмме бабочек». В частности, в самых высоких 11-летних циклах, кроме основной зоны солнечных пятен, имеется также высокоширотная зона, которая сохраняется только до эпохи максимума и смещается с ходом цикла не к экватору, а к полюсу. Кроме того, «диаграмма бабочек» для групп пятен представляет собой не единое целое, а как бы складывается из так называемых цепочек-импульсов. Суть этого процесса состоит в том, что, появляясь на сравнительно высокой широте, группа пятен (или несколько групп) за 14 - 16 месяцев смещается к экватору Солнца. Такие цепочки-импульсы особенно хорошо заметны на ветви роста и ветви спада 11-летнего цикла. Возможно, они связаны с флуктуациями солнечной активности.
Советский исследователь Солнца А. И. Оль установил еще одно фундаментальное свойство 11-летнего цикла солнечной активности. Изучая связь между индексом рекуррентной геомагнитной активности за последние четыре года цикла и максимальным числом Вольфа, он обнаружил, что она очень тесная, если число Вольфа относится к следующему 11-летнему циклу, и совсем слабая, если оно относится к тому же циклу, что и индекс геомагнитной активности. Отсюда следует, что 11-летний цикл солнечной активности зарождается «в недрах» старого. Рекуррентная геомагнитная активность обусловлена корональными дырами, которые, как мы знаем, возникают, как правило, над униполярными областями фотосферного магнитного поля. Следовательно, истинный 11-летний цикл начинается в середине ветви спада появлением и усилением не биполярных, а униполярных магнитных областей. Эта первая стадия развития заканчивается к началу того 11-летиего цикла, с которым мы привыкли иметь дело. В это время начинается его вторая стадия, когда развиваются биполярные магнитные области и все те явления солнечной активности, о которых мы уже говорили. Она длится до середины ветви спада привычного нам 11-летнего цикла, когда происходит зарождение нового цикла. Любопытно, что столь важная особенность 11-летнего цикла не была замечена непосредственно на Солнце, но ее удалось установить при изучении влияния солнечной активности на атмосферу Земли.
Загрузка...
