Как перевести века в годы. Как перевести годы в века

Сергей Богачев

Как устроены пятна на Солнце

На диске Солнца появилась одна из самых крупных в этом году активных областей, а значит, на Солнце снова есть пятна - притом что наша звезда вступает в период . О природе и истории обнаружения солнечных пятен, а также об их влиянии на земную атмосферу рассказывает сотрудник Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, доктор физико-математических наук Сергей Богачев.


В первом десятилетии XVII века итальянский ученый Галилео Галилей и немецкий астроном и механик Кристоф Шейнер приблизительно одновременно и независимо друг от друга усовершенствовали изобретенную за несколько лет до этого подзорную трубу (или телескоп) и создали на ее основе гелиоскоп - прибор, позволяющий наблюдать Солнце, проецируя его изображение на стену. На этих изображениях ими были обнаружены детали, которые можно было бы принять за дефекты стены, если бы они не перемещались вместе с изображением - небольшие пятна, усеивающие поверхность идеального (и отчасти божественного) центрального небесного тела - Солнца. Так в историю науки вошли солнечные пятна, а в нашу жизнь - поговорка о том, что на свете нет ничего идеального: «И на Солнце есть пятна».

Солнечные пятна являются основной деталью, которую можно разглядеть на поверхности нашей звезды без применения сложной астрономической техники. Видимые размеры пятен составляю порядка одной угловой минуты (размер 10-копеечной монеты с расстояния в 30 метров), что находится на пределе разрешения человеческого глаза. Однако достаточно совсем простого оптического прибора, увеличивающего всего в несколько раз, чтобы эти объекты были обнаружены, что, собственно, и произошло в Европе в начале XVII века. Отдельные наблюдения пятен, впрочем, регулярно происходили и до этого, причем часто они делались просто глазом, но оставались незамеченными или непонятыми.

Природу пятен некоторое время пытались объяснить, не затрагивая идеальность Солнца, например, как облака в солнечной атмосфере, но довольно быстро стало понятно, что они относятся посредственно к солнечной поверхности. Природа их, тем не менее, оставалась загадкой вплоть до первой половины XX, когда на Солнце впервые были обнаружены магнитные поля и оказалось, что места их концентрации совпадают с местами формирования пятен.

Почему пятна выглядят темными? Прежде всего надо заметить, что их темнота не является абсолютной. Она, скорее, подобна темному силуэту человека, стоящего на фоне освещенного окна, то есть является лишь кажущейся на фоне очень яркого окружающего света. Если измерить «яркость» пятна, то можно обнаружить, что оно также излучает свет, но лишь на уровне 20-40 процентов от нормального света Солнца. Этого факта достаточно, чтобы без каких-либо дополнительных измерений определить температуру пятна, так как поток теплового излучения от Солнца однозначно связан с его температурой через закон Стефана-Больцмана (поток излучения пропорционален температуре излучающего тела в четвертой степени). Если положить яркость обычной поверхности Солнца с температурой около 6000 градусов Цельсия как единицу, то температура солнечных пятен должна составлять около 4000-4500 градусов. Собственно говоря, так оно и есть - солнечные пятна (а это впоследствии было подтверждено и иными методами, например спектроскопическими исследованиями излучения), являются просто участками поверхности Солнца более низкой температуры.

Связь пятен с магнитными полями объясняется влиянием магнитного поля на температуру газа. Такое влияние связано с наличием у Солнца конвективной (кипящей) зоны, которая простирается от поверхности на глубину примерно трети солнечного радиуса. Кипение солнечной плазмы непрерывно поднимает из его недр к поверхности горячую плазму и тем самым повышает температуру поверхности. В областях, где поверхность Солнца пробивают трубки сильного магнитного поля, эффективность конвекции подавляется вплоть до полной ее остановки. В результате без подпитки горячей конвективной плазмой поверхность Солнца остывает как раз до температур порядка 4000 градусов. Формируется пятно.


В наши дни пятна изучают в основном как центры активных солнечных областей, в которых концентрируются солнечные вспышки. Дело в том, что магнитное поле, «источником» которого являются пятна, приносит в атмосферу Солнца дополнительные запасы энергии, которые являются для Солнца «лишними», и оно, как и любая физическая система, стремящаяся минимизировать свою энергию, пытается от них избавиться. Эта дополнительная энергия так и называется - свободная. Для сброса лишней энергии существует два основных механизма.

Первый, когда Солнце просто выбрасывает в межпланетное пространство отягощающую его часть атмосферы вместе с лишними магнитными полями, плазмой и токами. Эти явления называют корональными выбросами массы. Соответствующие выбросы, распространяясь от Солнца, достигают порой колоссальных размеров в несколько миллионов километров и являются, в частности, главной причиной магнитных бурь - удар такого сгустка плазмы по магнитному полю Земли выводит его из равновесия, заставляет колебаться, а также усиливает электрические токи, текущие в магнитосфере Земли, что и составляет суть магнитной бури.

Второй способ - это солнечные вспышки. В этом случае свободная энергия сжигается непосредственно в солнечной атмосфере, однако последствия этого тоже могут доходить до Земли - в виде потоков жесткого излучения и заряженных частиц. Такое воздействие, являющееся по своей природе радиационным, является одной из главных причин выхода из строя космических аппаратов, а также полярных сияний.

Не стоит, впрочем, обнаружив на Солнце пятно, сразу готовиться к солнечным вспышкам и магнитным бурям. Довольно частой является ситуация, когда появление на диске Солнца пятен, даже рекордно крупных, не приводит даже к минимальному повышению уровня солнечной активности. Почему так происходит? Связано это с природой высвобождения магнитной энергии на Солнце. Такая энергия не может высвободиться из одного магнитного потока, точно так же как лежащий на столе магнит, как бы его ни трясли, не создаст никакой солнечной вспышки. Таких потоков должно быть, как минимум, два, и они должны иметь возможность для взаимодействия друг с другом.

Поскольку одна магнитная трубка, пробивающая поверхность Солнца в двух местах, создает два пятна, то все группы пятен, в которых пятен всего два или одно, создавать вспышки не способны. Эти группы образованы одним потоком, которому не с чем взаимодействовать. Такая пара пятен может быть гигантской и существовать на диске Солнца месяцами, пугая Землю своими размерами, но не создаст ни одной, даже минимальной, вспышки. Подобные группы имеют классификацию и называются типом Альфа, если пятно одно, или Бета, если их два.


Сложное солнечное пятно типа Бета-Гамма-Дельта. Сверху - пятно в видимом диапазоне, внизу - магнитные поля, показанные с помощью прибора HMI на борту космической обсерватории SDO

Если вы обнаружили сообщение о появлении на Солнце нового пятна, не поленитесь и посмотрите тип группы. Если это Альфа или Бета, то можете не беспокоиться - ни вспышек, ни магнитных бурь Солнце в ближайшие дни не произведет. Более сложным классом является Гамма. Это группы пятен, в которых существует несколько пятен северной и южной полярности. В такой области существует как минимум два взаимодействующих магнитных потока. Соответственно, такая область будет терять магнитную энергию и подпитывать солнечную активность. И, наконец, последний класс - Бета-Гамма. Это максимально сложные области, с предельно запутанным магнитным полем. Если такая группа появилась в каталоге, можно не сомневаться - распутывать эту систему Солнце будет не менее нескольких дней, сжигая энергию в виде вспышек, в том числе крупных, и выбрасывая плазму, пока не упростит данную систему до простой конфигурации Альфа или Бета.

Впрочем, несмотря на «устрашающую» связь пятен со вспышками и магнитными бурями, не следует забывать, что это одно из наиболее замечательных астрономических явлений, которое можно наблюдать с поверхности Земли в любительские инструменты. Наконец, солнечные пятна, это очень красивый объект - достаточно посмотреть на их снимки, полученные с высоким разрешением. Тем же, кто даже после этого не способен забыть о негативных аспектах этого явления, можно утешиться тем, что число пятен на Солнце все-таки относительно мало (не более 1 процента поверхности диска, а чаще гораздо меньше).

Ряд типов звезд, как минимум красные карлики, «страдают» в куда большей степени - пятнами в них может быть покрыто до десятков процентов площади. Можно вообразить, какие имеют гипотетические обитатели соответствующих планетных систем, и еще раз порадоваться, рядом с какой относительно спокойной звездой нам посчастливилось жить.

Ни одно живое существо не будет иметь роста без солнечного света. Все зачахнет, особенно растения. Даже природные ископаемые - уголь, природный газ, нефть - являются разновидностью солнечной энергии, которая была отложена в запас. Об этом свидетельствует содержащийся в них углерод, накопленный растениями. По мнению ученых, любые изменения в выработке энергии Солнца неизбежно повлекут изменение климата Земли. Что мы знаем об этих изменениях? Что такое солнечные пятна, вспышки и чем чревато для нас их появление?

Источник жизни

Звезда по имени Солнце - наш источник тепла и энергии. Благодаря этому светилу на Земле поддерживается жизнь. О Солнце нам известно больше, чем о какой-либо другой звезде. Это понятно, ведь мы являемся частью Солнечной системы и находимся от неё всего в 150 млн км.

Для ученых большой интерес представляют солнечные пятна, которые возникают, развиваются и исчезают, а вместо исчезнувших появ-ляются новые. Иногда могут образовываться пятна-исполины. Например, в апре-ле 1947 года можно было наблюдать на Солнце сложное пятно площадью, превышающей земную поверхность в 350 раз! Его можно было наблюдать нево-оруженным глазом.

Изучение процессов на центральном светиле

Существуют большие обсерватории, имеющие в своем распоряжении специальные телескопы для изучения Солнца. Благодаря такому оборудованию астрономы могут узнать, какие процессы на Солнце происходят и как они отражаются на земной жизни. Кроме того, благодаря изучению солнечных процессов ученые могут узнать больше о других звездных объектах.

Энергия Солнца в поверхностном слое вырывается в виде света. Астрономы фиксируют существенное различие в солнечной активности, о чем свидетельствуют солнечные пятна, появляющиеся на светиле. Они представляют собой менее светлые и более холодные области солнечного диска в сравнении с общей яркостью фотосферы.

Солнечные образования

Крупные пятна довольно сложно устроены. Им характерна полутень, которая окружает темную область тени и имеет диаметр, больший более чем в два раза, чем размер самой тени. Если наблюдать солнечные пятна на краю диска нашего светила, то возникает такое впечатление, что это глубокая тарелка. Выглядит это так потому, что газ в пятнах прозрачнее, чем в окружающей атмосфере. Поэтому наш взгляд проникает глубже. Температура тени 3(4) х 10 3 К.

Астрономы выяснили, что основание типичного пятна находится на 1500 км ниже поверхности, окружающей его. Это открытие сделали ученые из университета Глазго в 2009 г. Возглавлял астрономическую группу Ф. Уотсон.

Температура солнечных образований

Интересно, что по величине солнечные пятна бывают как маленькими, с диаметром от 1000 до 2000 км, так и гигантскими. Размеры последних значительно превосходят показатели земного шара.

Само по себе пятно - это место, где в фотосферу выходят сильнейшие магнитные поля. Уменьшая энергетический поток, магнитные поля исходят из самих недр Солнца. Поэтому на поверхности, в местах где есть пятна на солнце, температура приблизительно на 1500 К меньше, чем в окружающей поверхности. Соответственно эти процессы делают эти места менее яркими.

Темные образования на Солнце образуют группы из больших и маленьких пятен, которые способны занимать внушительного размера области на диске светила. Однако картина образований нестабильна. Она постоянно меняется, так как пятна на Солнце тоже нестабильны. Они, как было сказано выше, возникают, изменяются в размерах и распадаются. Однако время жизни у групп темных образований довольно-таки продолжительное. Оно может длиться на протяжении 2-3-х солнечных оборотов. Сам период вращения Солнца длится приблизительно 27 суток.

Открытия

Когда Солнце опускается за горизонт, можно увидеть пятна самого большого размера. Так изучали солнечную поверхность астрономы Китая 2000 лет назад. В древности считалось, что пятна - это следствие процессов, происходящих на Земле. В XVII веке такое мнение было опровергнуто Галилео Галилеем. Благодаря использованию телескопа ему удалось сделать много важных открытий:

  • о появлении и исчезновении пятен;
  • об изменении размеров и темных образований;
  • форма, которую имеют черные пятна на Солнце, меняется при приближении их к границе видимого диска;
  • изучая перемещение по солнечному диску темных пятен, Галилео доказал вращение Солнца.

Среди всех мелких пятен обычно выделяются два крупных, которые образуют биполярную группу.

В 1859 году, 1 сентября, независимо друг от друга два английских астронома наблюдали за Солнцем в белом свете. Это были Р. Кэррингтон и Ш. Ходжсон. Они увидели нечто подобное молнии. Оно неожиданно сверкнуло среди одной группы солнечных пятен. Позже это явление было названо солнечной вспышкой.

Взрывы

Какие характеристики имеют вспышки на Солнце и как возникают? Коротко: это очень мощный взрыв на главном светиле. Благодаря ему быстро высвобождается огромнейшее количество энергии, которое накопилось солнечной атмосфере. Как известно, объем этой атмосферы ограничен. Наиболее часто вспышки возникают в областях, считающихся нейтральными. Они расположены между большими биполярными пятнами.

Как правило, вспышки на Солнце начинают развиваться с резкого и неожиданного увеличения яркости на факельной площадке. Это область более яркой и более горячей фотосферы. После этого возникает взрыв катастрофических масштабов. Во время взрыва плазма нагревается от 40 до 100 млн К. Эти проявления можно наблюдать в многократном усилении ультрафиолетового и рентгеновского излучения коротких волн Солнца. Помимо этого, наше светило издает мощный звук и выбрасывает ускоренные корпускулы.

Какие идут процессы и что происходит с Солнцем во время вспышек?

Иногда возникают такие мощные вспышки, которые генерируют солнечные космические лучи. Протоны космических лучей достигают половинной скорости света. Эти частицы - носители смертоносной энергии. Они могут беспрепятственно проникать сквозь корпус космического корабля и разрушать живые организмы на клеточном уровне. Поэтому солнечные космические представляют высокую опасность для экипажа, который настигла во время полета внезапная вспышка.

Так, Солнце излучает радиацию в виде частиц и электромагнитных волн. Общий поток излучения (видимого) остается постоянным всегда. Причем с точностью до долей процента. Слабые вспышки можно наблюдать всегда. Большие происходят раз в несколько месяцев. В годы максимальной солнечной активности большие вспышки наблюдаются несколько раз на месяц.

Изучая, что происходит с Солнцем во время вспышек, астрономы смогли измерить длительность этих процессов. Маленькая вспышка длится от 5 до 10 минут. Самые мощные - до несколько часов. За время вспышки, в пространство вокруг Солнца, выбрасывается плазма с массой до 10 млрд тонн. При этом выделяется энергия, имеющая эквивалент от десятков до сотен миллионов водородных бомб! Но мощность даже самых огромных вспышек не будет больше сотых долей процента от мощности полного солнечного излучения. Вот почему при вспышке не наблюдается заметного роста светимости Солнца.

Солнечные преобразования

5800 К - приблизительно такая температура на поверхности солнца, а в центре она достигает 16 млн К. На солнечной поверхности наблюдаются пузыри (зернистость). Их возможно рассмотреть только с помощью солнечного телескопа. С помощью процесса конвекции, происходящей в солнечной атмосфере, из нижних слоев тепловая энергия переносится в фотосферу и придает ей пенистое строение.

Не только температура на поверхности Солнца и в самом его центре различна, но и плотность с давлением. С глубиной все показатели увеличиваются. Так как в ядре температура очень высокая, там происходит реакция: водород преобразуется в гелий и при этом происходит выделение огромного количества тепла. Таким образом Солнце удерживается от сжатия под действием своей же силы тяжести.

Интересно, что наше светило - это одиночная типичная звезда. Масса и размер звезды Солнце в диаметре соответственно: 99,9 % массы объектов солнечной системы и 1,4 млн км. Жить Солнцу, как звезде, осталось 5 миллиардов лет. Оно будет постепенно нагреваться и увеличиваться в размерах. По идее, настанет момент, когда в центральном ядре весь водород израсходуется. Солнце станет в 3 раза больше сегодняшних размеров. В итоге оно остынет и превратится в белый карлик.

Пятна на Солнце

Солнце - единственная из всех звезд, которую мы видим не как сверкающую точку, а как сияющий диск. Благодаря этому астрономы имеют возможность изучать различные детали на его поверхности.

Что же такое солнечные пятна?

Пятна на Солнце - далеко не устойчивые образования. Они возникают, развиваются и исчезают, а взамен исчезнувших появ­ляются новые. Изредка образуются пятна-исполины. Так, в апре­ле 1947 года на Солнце наблюдалось сложное пятно: его площадь превышала площадь поверхно­сти земного шара в 350 раз! Оно было хорошо видно нево­оруженным глазом 1 .

Пятна на Солнце

Такие большие пятна на Солнце замечались еще в древ­ние времена. В Никоновской летописи за 1365 год можно найти упоминание о том, как наши предки на Руси видели на Солнце сквозь дым лесных по­жарищ «темные пятна, аки гвозди».

Появляясь на восточном (левом) краю Солнца, перемещаясь по его диску слева направо и исчезая за западным (правым) краем дневного светила, солнеч­ные пятна дают прекрасную возможность не только убедиться во вращении Солнца вокруг оси, но и определить период этого вра­щения (более точно он определяется по доплеровскому смеще­нию спектральных линий). Измерения показали: период враще­ния Солнца на экваторе составляет 25,38 суток (по отношению к наблюдателю на движущейся Земле - 27,3 суток), в средних ши­ротах - 27 суток и у полюсов около 35 суток. Таким образом, на экваторе Солнце вращается быстрее, чем у полюсов. Зональное вращение светила свидетельствует о его газообразном состоянии. Центральная часть большого пятна в телескоп выглядит со­всем черной. Но пятна только кажутся темными, поскольку мы наблюдаем их на фоне яркой фотосферы. Если бы пятно можно было рассматривать отдельно, то мы бы увидели, что оно светит­ся сильнее, чем электрическая дуга, так как его температура око­ло 4 500 К, то есть на 1500 К меньше температуры фотосферы. Солнечное пятно средних размеров на фоне ночного неба каза­лось бы таким же ярким, как Луна в фазе полнолуния. Только пятна испускают не желтый, а красноватый свет.

Обычно темное ядро большого пятна бывает окружено серой полутенью, состоящей из светлых радиальных волокон, расположенных на темном фоне. Вся эта структура хорошо видна даже в небольшой телескоп.

Пятна на солнце

Еще в 1774 году шотландский астроном Александр Вилсон (1714-1786), наблюдая пятна у края солнечного диска, сделал вывод, что большие пятна являются углублениями в фотосфере. В дальнейшем расчеты показали, что «дно» пятна лежит ниже уровня фотосферы в среднем на 700 км. Словом, пятна - гигант­ские воронки в фотосфере.

Вокруг пятен в лучах водорода отчетливо видно вихревое строение хромосферы. Эта вихревая структура указывает на су­ществование бурных движений газа вокруг пятна. Такой же рису­нок создают железные опилки, насыпанные на лист картона, если под ними расположить магнит. Подобное сходство заставило аме­риканского астронома Джорджа Хейла (1868-1938) заподозрить, что солнечные пятна - огромные магниты.

Хейлу было известно, что спектральные линии расщепляют­ся, если излучающий газ находится в магнитном поле (так назы­ваемое зеемановское расщепление). И когда астроном сравнил величину расщепления, наблюдавшегося в спектре солнечных пятен, с результатами лабораторных опытов с газом в магнитном поле, то обнаружил, что магнитные поля пятен в тысячи раз пре­вышают индукцию земного магнитного поля. Напряженность магнитного поля у поверхности Земли около 0,5 эрстеда. А в солнечных пятнах она всегда больше 1500 эрстед - иногда дос­тигает 5000 эрстед!

Открытие магнитной природы солнечных пятен - одно из важ­нейших открытий в астрофизике начала XX века. Впервые было установлено, что магнитными свойствами обладает не только наша Земля, но и другие небес­ные тела. Солнце в этом отно­шении вышло на первый план. Только наша планета имеет по­стоянное дипольное магнитное поле с двумя полюсами, а маг­нитное поле Солнца отличает­ся сложной структурой, и мало того, оно «переворачивается», То есть изменяет свой знак, или полярность. И хотя солнечные пятна являются весьма сильны­ми магнитами, общее магнитное поле Солнца редко превышает 1 эрстед, что в несколько раз больше среднего поля Земли.

Сильное магнитное поле в биполярной группе солнечных пятен

Сильное магнитное поле пятен как раз и есть причина их низ­кой температуры. Ведь поле создает изолирующий слой под пят­ном и благодаря этому резко замедляет процесс конвекции - уменьшает приток энергии из глубин светила.

Большие пятна предпочитают появляться парами. Каждая такая пара располагается почти параллельно солнечному эквато­ру. Ведущее, или головное, пятно движется обычно немного быст­рее, чем замыкающее (хвостовое) пятно. Поэтому в течение пер­вых нескольких дней пятна удаляются друг от друга. Одновре­менно размер пятен увеличивается.

Часто в промежутке между двумя основными пятнами появля­ется «цепочка» маленьких пятен. После того как это произойдет, хвостовое пятно может претерпеть быстрый распад и исчезнуть. Ос­тается только ведущее пятно, которое уменьшается медленнее и жи­вет в среднем в 4 раза дольше своего компаньона. Подобный процесс развития характерен почти для каждой большой группы солнечных пятен. Большинство пятен живет всего лишь несколько дней (даже несколько часов!), а другие наблюдаются несколько месяцев.

Пятна, поперечник которых достигает 40-50 тыс. км, можно увидеть через светофильтр (густо закопченное стекло) невоору­женным глазом.

Что такое солнечные вспышки?

1 сентября 1859 года два английских астронома - Ричард Кэррингтон и Ш. Ходжсон, независимо друг от друга наблюдая Солнце в белом свете, увидели, как нечто подобно молнии сверк­нуло вдруг среди одной группы солнечных пятен. Это было пер­вое наблюдение нового, еще неизвестного явления на Солнце; в дальнейшем оно получило название солнечной вспышки.

Что же такое солнечная вспышка? Если сказать коротко, это сильнейший взрыв на Солнце, в результате которого быстро вы­свобождается колоссальное количество энергии, накопившейся в ограниченном объеме солнечной атмосферы.

Чаще всего вспышки возникают в нейтральных областях, рас­положенных между большими пятнами противоположной поляр­ности. Обычно развитие вспышки начинается с внезапного увели­чения яркости факельной площадки - области более яркой, а значит и более горячей фотосферы. Затем происходит катастро­фический взрыв, во время которого солнечная плазма разогрева­ется до 40-100 млн К. Это проявляется в многократном усилении коротковолнового излучения Солнца (ультрафиолетового и рент­геновского), а также в усилении «радиоголоса» дневного светила и в выбросе ускоренных солнечных корпускул (частиц). А в неко­торых наиболее мощных вспышках генерируются даже солнеч­ные космические лучи, протоны которых достигают скорости, равной половине скорости света. Такие частицы обладают смер­тоносной энергией. Они способны почти беспрепятственно про­никать в космический корабль и разрушать клетки живого орга­низма. Поэтому солнечные космические лучи могут представлять серьезную опасность для экипажа, застигнутого во время полета внезапной вспышкой.

Таким образом, солнечные вспышки излучают радиацию в ви­де электромагнитных волн и в виде частиц вещества. Усиление электромагнитного излучения происходит в широком диапазоне длин волн - от жестких рентгеновских лучей и гамма-квантов до километровых радиоволн. При этом общий поток видимого излу­чения остается всегда постоянным с точностью до долей процента. Слабые вспышки на Солнце бывают практически всегда, а большие - раз в несколько месяцев. Зато в годы максимума сол­нечной активности большие солнечные вспышки происходят по нескольку раз в месяц. Обычно небольшая вспышка длится 5- 10 минут; самые мощные - несколько часов. За это время в око­лосолнечное пространство выбрасывается облако плазмы массой до 10 млрд т и выделяется энергия, эквивалентная взрыву де­сятков, а то и сотен миллионов водородных бомб! Однако мощ­ность даже самых больших вспышек не превышает сотых долей процента от мощности полного излучения Солнца. Поэтому при вспышке не происходит заметного увеличения светимости наше­го дневного светила.

Во время полета первого экипажа на американской орбиталь­ной станции «Скайлэб» (май-июнь 1973 года) удалось сфотогра­фировать вспышку в свете паров железа при температуре 17 млн К, что должно быть горячее, чем в центре солнечного термоядерного реактора. А в последние годы от нескольких вспышек были зареги­стрированы импульсы гамма-излучения.

Своим происхождением такие импульсы обязаны, вероятно, аннигиляции электронно-позитронных пар. Позитрон, как из­вестно, - это античастица электрона. Он имеет ту же массу, что и электрон, но наделен противоположным электрическим зарядом. Когда электрон и позитрон сталкиваются, что может происходить при солнечных вспышках, они тотчас же уничтожаются, превра­щаясь в два фотона гамма-излучения.

Как и всякое нагретое тело, Солнце непрерывно испускает ра­диоволны. Тепловое радиоизлучение спокойного Солнца, когда на нем нет пятен и вспышек, постоянно и на миллиметровых и сантиметровых волнах исходит из хромосферы, а на метровых - из короны. Но стоит только появиться большим пятнам, произой­ти вспышке, как на фоне спокойного радиоизлучения возникают сильные радиовсплески... И тогда радиоизлучение Солнца скач­кообразно возрастает в тысячи, а то и в миллионы раз!

Физические процессы, приводящие к возникновению солнеч­ных вспышек, очень сложны и еще мало изучены. Однако сам факт появления солнечных вспышек почти исключительно в больших группах пятен свидетельствует о родственных связях вспышек с сильными магнитными полями на Солнце. И вспышка - это, по-видимому, не что иное, как грандиознейший взрыв, вызванный внезапным сжатием солнечной плазмы под давлением сильного магнитного поля. Именно энергия магнитных полей, каким-то об­разом освобождаясь, порождает солнечную вспышку.

Излучения солнечных вспышек нередко достигают нашей пла­неты, оказывая сильное воздействие на верхние слои земной ат­мосферы (ионосферу). Они же приводят к возникновению маг­нитных бурь и полярных сияний, но об этом - рассказ впереди.

Ритмы Солнца

В 1826 году немецкий любитель астрономии аптекарь Генрих Швабе (1789-1875) из Дессау приступил к систематическим на­блюдениям и зарисовкам солнечных пятен. Нет, он вовсе не со­бирался изучать Солнце - его интересовало совсем другое. В то время думали, что между Солнцем и Меркурием движется неизвестная планета. А так как увидеть ее вблизи яркого светила было невозможно, то Швабе решил наблюдать все, что было видно на солнечном диске. Ведь если такая планета действительно существует, то рано или поздно она обязательно пройдет по диску Солнца в виде маленького черного кружочка или точки. И вот тут-то она будет наконец «поймана»!

Однако Швабе, по его собственным словам, «отправившись на поиски ослов своего отца, нашел королевство». В 1851 году в книге «Космос» Александра Гумбольдта (1769-1859) были опубликованы результаты наблюдений Швабе, из которых сле­довало, что число солнечных пятен довольно правильно возрас­тает и уменьшается в течение 10-летнего периода. Эта перио­дичность в изменении числа солнечных пятен, впоследствии названная 11-летним циклом солнечной активности, была от­крыта Генрихом Швабе в 1843 году. Последующие наблюдения подтвердили это открытие, а швейцарский астроном Рудольф Вольф (1816-1893) уточнил, что максимумы числа пятен на Солнце повторяются в среднем через 11,1 года.

Итак, число пятен меняется день ото дня и от года к году. Что­бы судить о степени солнечной активности, основанной на под­счетах солнечных пятен, в 1848 году Вольф ввел понятие относи­тельного числа солнечных пятен, или так называемых чисел Вольфа. Если обозначить через g число групп пятен, а через f об­щее число пятен, то число Вольфа - W - выражается формулой:

Это число, определяющее меру пятнообразовательной деятель­ности Солнца, учитывает как число групп солнечных пятен, так и число самих пятен, наблюдавшихся в какой-то определенный день. Причем каждая группа приравнивается к десяти единицам, а каждое пятно принимается за единицу. Общий счет за день - от­носительное число Вольфа - представляет собой сумму этих чи­сел. Допустим, что мы наблюдаем на Солнце 23 пятна, которые об­разуют три группы. Тогда число Вольфа в нашем примере будет: W = 10 3 + 23 = 53. В периоды минимума солнечной активности, когда на Солнце не бывает ни одного пятна, оно превращается в ноль. Если на Солнце наблюдается единственное пятно, то число Вольфа будет равно 11, а в дни максимума солнечной активности оно иногда бывает более 200.

Кривая среднемесячного числа солнечных пятен отчетливо показывает характер изменения солнечной активности. Такие данные имеются начиная с 1749 года по настоящее время. Усред­нение, сделанное за 200 лет, определило период изменения пятен на Солнце в 11,2 года. Правда, за последние 60 лет течение пятнообразовательной деятельности нашего дневного светила несколь­ко ускорилось и этот период уменьшился до 10,5 лет. Кроме того, его продолжительность заметно меняется от цикла к циклу. По­этому следует говорить не о периодичности солнечной активно­сти, а о цикличности. Одиннадцатилетний цикл - это важнейшая особенность нашего Солнца.

Открыв в 1908 году магнитное поле солнечных пятен, Джордж Хейл открыл и закон чередования их полярности. Мы уже гово­рили о том, что в развитой группе имеются два больших пятна - два больших магнита. Они обладают противоположной полярно­стью. Последовательность полярностей в северном и южном полу­шариях Солнца тоже всегда противоположная. Если в северном полушарии ведущее (головное) пятно имеет, например, северную полярность, а замыкающее (хвостовое) пятно - южную, то в юж­ном полушарии дневного светила картина будет обратная: веду­щее пятно - с южной полярностью, а замыкающее - с северной. Но самое замечательное состоит в том, что в следующем 11-летнем цикле полярности всех пятен в группах в обоих полушариях Солнца меняются на противоположные, а с наступлением нового цикла возвращаются к исходному состоянию. Таким образом, маг­нитный цикл Солнца составляет примерно 22 года. Поэтому многие астрономы-«солнечники» считают основным 22-летний цикл солнечной активности, связанный с изменением полярности маг­нитного поля в солнечных пятнах.

Уже давно установлено, что в такт с изменением числа пятен на Солнце изменяются площади факельных площадок, мощность солнечных вспышек. Вот эти и другие явления, происходящие в атмосфере Солнца, сейчас принято называть солнечной активно­стью. Наиболее доступным ее элементом для наблюдений явля­ются большие группы солнечных пятен.

Теперь пришло время ответить, пожалуй, на самый интригую­щий вопрос: «Откуда берется солнечная активность и как объяс­нить ее особенности?»

Поскольку определяющим фактором солнечной активности является магнитное поле, то возникновение и развитие биполяр­ной группы пятен - активной области на Солнце - можно пред­ставить как результат постепенного всплывания в солнечную ат­мосферу огромного магнитного жгута или трубки, которая выхо­дит из одного пятна и, образуя арку, входит в другое пятно. В том месте, где трубка выходит из фотосферы, возникает пятно с одной полярностью магнитного поля, а где она обратно входит в фото­сферу - с противоположной полярностью. Через некоторое вре­мя эта магнитная трубка разрушается, а остатки магнитного жгута погружаются обратно под фотосферу и активная область на Солнце исчезает. При этом часть линий магнитного поля уходит в хромосферу и солнеч­ную корону. Здесь магнитное поле как бы упорядочивает движущуюся плазму, в резуль­тате чего солнечное вещество движется вдоль линий магнит­ного поля. Это придает короне лучистый вид. Тот факт, что активные области на Солнце определяются магнитными си­ловыми трубками, больше не вызывает среди ученых сомнений. Магнитогидродинамическими эффектами объясняется и перемена полярности поля в биполяр­ных группах солнечных пятен. Но это только первые шаги в на­правлении построения научно обоснованной теории, которая смо­жет объяснить все наблюдаемые особенности активности велико­го светила.

Среднегодовые числа Вольфа с 1947 по 2001 г.

Фотосфера Солнца

Объяснение возникновения на Солнце биполярных магнитных областей. Из конвективной зоны всплывает в солнечную атмосферу огромная магнитная трубка

Итак, на Солнце происходит вечная борьба между силами дав­ления раскаленного газа и чудовищной гравитацией. А на пути из­лучения встают запутанные магнитные поля. В их сетях возника­ют и разрушаются пятна. Вдоль силовых магнитных линий взле­тает вверх или скользит вниз из короны высокотемпературная плазма. Где еще можно встретить нечто подобное?! Только на дру­гих звездах, но они ужасно далеки от нас! И только на Солнце мы можем наблюдать эту извечную борьбу сил природы, которая длится уже 5 млрд лет. А победит в ней только гравитация!

«Эхо» солнечных вспышек

23 февраля 1956 года станции Службы Солнца отметили на дневном светиле мощнейшую вспышку. Взрывом невиданной си­лы были выброшены в околосолнечное пространство гигантские облака раскаленной плазмы - каждое во много раз больше Земли! И со скоростью более 1000 км/с они устремились в сторону нашей планеты. Первые отзвуки этой катастрофы быстро докатились до нас через космическую бездну. Примерно через 8,5 минут после начала вспышки сильно возросший поток ультрафиолетовых и рентгеновских лучей достиг верхних слоев земной атмосферы - ионосферы, усилил ее разогрев и ионизацию. Это привело к рез­кому ухудшению и даже временному прекращению радиосвязи на коротких волнах, ибо вместо того, чтобы отражаться от ионосфе­ры, как от экрана, они стали ею усиленно поглощаться...

Изменение магнитной полярности солнечных пятен

Иногда же, при очень сильных вспышках, радиопомехи длятся по нескольку суток подряд, пока беспокойное светило не «прихо­дило в норму». Зависимость прослеживается здесь настолько чет­ко, что по частоте таких помех можно судить об уровне солнечной активности. Но главные возмущения, вызываемые на Земле вспы-шечной активностью светила, впереди.

Следом за коротковолновым излучением (ультрафиолетовым и рентгеновским) нашей планеты достигает поток высокоэнер­гичных солнечных космических лучей. Правда, магнитная обо­лочка Земли достаточно надежно защищает нас от этих смерто­носных лучей. Но для космонавтов, работающих в открытом кос­мосе, они представляют весьма серьезную опасность: облучение может легко превысить допустимую дозу. Вот почему около 40 обсерваторий мира постоянно участвуют в патрульной Службе Солнца - ведут непрерывные наблюдения за вспышечной актив­ностью дневного светила.

Дальнейшего развития геофизических явлений на Земле мож­но ожидать через день или через два дня после вспышки. Именно такое время - 30-50 часов - требуется для того, чтобы облака плазмы достигли земных «окрестностей». Ведь солнечная вспыш­ка - это нечто вроде космической пушки, стреляющей в межпла­нетное пространство корпускулами - частицами солнечного ве­щества: электронами, протонами (ядрами атомов водорода), аль­фа-частицами (ядрами атомов гелия). Масса корпускул, извергну­тых вспышкой в феврале 1956 года, составляла миллиарды тонн!

Едва облака солнечных частиц столкнулись с Землей, как за­метались стрелки компасов, а ночное небо над планетой украси­ли разноцветные сполохи полярного сияния. Среди больных рез­ко участились сердечные приступы, возросло число дорожных катастроф.

Виды воздействий солнечной вспышки на Землю

Да что там магнитные бури, полярные сияния... Под напором исполинских корпускулярных облаков содрогнулся буквально весь земной шар: во многих сейсмических зонах произошли зем­летрясения 2 . И как бы в довершение всего скачкообразно измени­лась продолжительность суток на целых 10... микросекунд!

Космические исследования показали, что земной шар окружен магнитосферой, то есть магнитной оболочкой; внутри магнито­сферы напряженность земного магнитного поля преобладает над напряженностью межпланетного поля. И чтобы вспышка могла оказать воздействие на земную магнитосферу и саму Землю, она должна произойти в то время, когда активная область на Солнце расположена вблизи центра солнечного диска, то есть ориентирована в сторону нашей планеты. В противном случае все вспышечные излучения (электромагнитное и корпускулярное) промчатся стороной.

Плазма, которая устремляется с поверхности Солнца в косми­ческое пространство, обладает определенной плотностью и спо­собна оказывать давление на любые встречающиеся на ее пути препятствия. Таким существенным препятствием является маг­нитное поле Земли - ее магнитосфера. Она оказывает противо­действие потокам солнечного вещества. Наступает момент, когда в этом противоборстве оба давления уравновешиваются. Тогда граница земной магнитосферы, поджатая потоком солнечной плазмы с дневной стороны, устанавливается на расстоянии при­мерно 10 земных радиусов от поверхности нашей планеты, а плаз­ма, не имея возможности двигаться прямо, начинает обтекать маг­нитосферу. При этом частицы солнечного вещества вытягивают ее магнитные силовые линии, и на ночной стороне Земли (в про­тивоположном от Солнца направлении) у магнитосферы образу­ется длинный шлейф (хвост), который простирается за орбиту Луны. Земля же со своей магнитной оболочкой оказывается внут­ри этого корпускулярного потока. И если обычный солнечный ве­тер, постоянно обтекающий магнитосферу, можно сравнить с лег­ким бризом, то стремительный поток корпускул, порожденных мощной солнечной вспышкой, подобен страшному урагану. Когда такой ураган налетает на магнитную оболочку земного шара, она еще сильнее сжимается с подсолнечной стороны и на Земле ра­зыгрывается магнитная буря.

Таким образом, солнечная активность влияет на земной магне­тизм. С ее усилением частота и интенсивность магнитных бурь возрастает. Но связь эта достаточно сложная и состоит из целой цепи физических взаимодействий. Главным связующим звеном в этом процессе является усиленный поток корпускул, возникаю­щий во время солнечных вспышек.

Часть энергичных корпускул в полярных широтах прорывает­ся из магнитной ловушки в земную атмосферу. И тогда на вы­сотах от 100 до 1000 км быстрые протоны и электроны, сталкива­ясь с частицами воздуха, возбуждают их и заставляют светиться. В результате наблюдается полярное сияние.

Периодические «оживления» великого светила - явление за­кономерное. Так, например, после грандиозной вспышки на Солнце, наблюдавшейся 6 марта 1989 года, корпускулярные пото­ки взбудоражили буквально всю магнитосферу нашей планеты. В результате на Земле разразилась сильнейшая магнитная буря. Она сопровождалась поразительным по своему размаху поляр­ным сиянием, которое в районе Калифорнийского полуострова достигло тропического пояса! Через три дня произошла новая мощная вспышка, а в ночь с 13 на 14 марта жители южного побе­режья Крыма тоже любовались феерическими сполохами, рас­простершимися в звездном небе над скалистыми зубцами Ай-Петри. Это было неповторимое зрелище, похожее на зарево пожа­ра, охватившее сразу полнеба.

Все упомянутые здесь геофизические эффекты - ионосфер­ные и магнитные бури и полярные сияния - являются составной частью сложнейшей научной проблемы, именуемой проблемой «Солнце-Земля». Однако этим влияние солнечной активности на Землю не ограничивается. «Дыхание» дневного светила посто­янно проявляется в изменении погоды и климата.

Климат - это не что иное, как многолетний режим погоды в данной местности, и определяется он ее географическим поло­жением на земном шаре и характером атмосферных процессов.

Ленинградским ученым из НИИ Арктики и Антарктики удалось выявить, что в годы минимума солнечной актив­ности преобладает широтная циркуляция воздуха. В этом случае погода в Северном по­лушарии устанавливается от­носительно спокойная. В годы максимума, наоборот, усилива­ется меридиональная циркуля­ция, то есть происходит интен­сивный обмен воздушными массами между тропическими и полярными областями. Пого­да становится неустойчивой, наблюдаются значительные отклонения от многолетних климатических норм.

Западная Европа: Британские острова в области сильного циклона. Снимок из космоса

1Каждый должен помнить, что смотреть на Солнце без защиты глаз темными светофильтрами ни в коем случае нельзя. Так можно мгновенно лишится зрения

2Научный сотрудник Мурманского отделения Астрономо-геодезического об­щества России (его председатель) Виктор Евгеньевич Трошенков исследовал воздействие солнечной активности на тектонику земного шара. Проведенный им на глобальном уровне повторный анализ сейсмической активности нашей планеты за 230 лет (1750-1980) показал наличие линейной зависимости между сейсмикой Земли (землетрясениями) и солнечными бурями.

Черные пятна на поверхности Солнца нашими предками были замечены тысячи лет назад, но, не имея приборов, долгое время не могли разобраться, к чему они относятся либо к Солнцу, либо это тени пролетающих небесных тел. Только в 17-м веке, с помощью самодельного телескопа, Галилео Галилей установил, что пятна относятся к Солнцу и вращаются вместе с ним. После данного открытия, природа загадочных пятен еще долго оставалась неизвестной. По сути, и сегодня мы не можем подступиться к нашему светилу на близкое расстояние, чтобы подробно рассмотреть физику процессов, несмотря на то, что сотни телескопов внимательно следят за ним постоянно. Теоретики также блуждают в темноте черных пятен.

Так что же это за черные пятна на пышущей жаром поверхности Солнца?

Начнем с плазмы. Солнечная плазма – полностью ионизированный газ, Плазму называют «четвертым агрегатным состоянием вещества», но эта нумерация проставлена не верно, т.к. в масштабах Вселенной, плазма самое распространенное состояние материи. Плазменным веществом наполнены все звезды. Поэтому плазма представляет не четвертое, а первое состояние вещества в природе.

Плазма и присутствующие в ней свободные электрические заряды, создают проводящую среду для электрического тока, что обуславливает её взаимодействие с магнитными и электрическими полями.

В Википедии сказано: «В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний» .

Вот здесь должен сказать, что при больших плотностях плазмы и мощных конвективных потоках могут возникать протяженные плазменные жгуты, иногда их называют «шнурами», «тяжами», «волокнами», «струями» «магнитными трубками», а теперь еще и «спикулами». Данные жгуты – есть настоящие проводники электрических токов. Вокруг таких жгутов образуются мощные магнитные поля, которые, в свою очередь, выстраивают новые электрические жгуты. Вот поэтому на снимках вокруг пятен мы наблюдаем эти жгуты в виде своеобразных штрихов, образующих магнитные спиральности.

Пятна визуально кажутся нам черными и холодными, на очень ярком фоне фотосферы с эффективной температурой 5778 0 К, на самом деле их температура – около 4500 0 . Средняя глубина пятен составляет 500 км.

Взаимодействие таких жгутов (проводников) друг с другом приводит к взаимному пространственному построению вокруг мнимого центра. Так образуется черное пятно. Ионизированное вещество из данного центра буквально «высасывается» в окружающие его жгуты. Что и приводит, в конечном счете, к быстрому расширению черных пятен. Поскольку конвективные потоки плазмы поднимаются из солнечных недр по радиусам, то образование проводящих электрических шнуров происходит в радиальном направлении. По мере выхода вещества в область пятна, оно тут же «разбирается», втягивается в тот или иной жгут. Поэтому излучение в центре пятна уменьшается во много раз, соответственно уменьшается и температура в данной зоне, что и приводит к его невидимости.

По сути, расширение пятна происходит за счет электромагнитного взаимодействия параллельных проводников с токами, протекающими в одном направлении. Притяжение проводников с током друг к другу и располагающихся по кругу, расширяет пространство данного кольца. На первом этапе плазменное кольцо не может разорваться за счет подпитки восходящими потоками плазмы из центральных областей Солнца. По мере его расширения электромагнитные силы в центре ослабевают, и конвективные потоки начинают прорываться в верхние слои фотосферы, вклиниваясь в плазменные жгуты, которые начинают разрушаться. Это приводит к рассасыванию пятна.

Мелкие пятна могут образовываться как восходящими, так и нисходящими потоками плазмы. В случае нисходящего потока, магнитное поле пятна будет противоположным. Такие пятна не могут существовать долго из-за давления плазмы в конвективных потоках, исходящих из недр Солнца. В то же время, пятна, образованные восходящими потоками могут достигать огромных размеров и существовать порядка месяца.

Солнечные пятна непосредственно воздействуют на климат и, как утверждал Чижевский, на общественные процессы.

Солнечные вспышки (солнечные трясения)

Но вряд ли астроном-старик
определит: "На солнце - буря".
Мы можем всласть глазеть на лик,
разинув рты и глаз не щуря.

(Владимир Высоцкий)

Что такое солнечная буря, (солнечная вспышка)? О ней пишут, о ней говорят, ее обсуждают, ее ждут. Но что это такое никто точно сказать не может.

Единственным достоверным фактом является то, что вспышки без присутствия солнечных пятен не возникают.

Во время мощной вспышки поток ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения увеличивается во много тысяч раз. Радиоактивное фотонное излучение достигает Земли через восемь минут после начала вспышки. Через несколько десятков минут долетают потоки заряженных частиц, а через двое-трое суток до Земли доходят облака электронов и протонов.

Озоновый слой и вся атмосфера Земли встают на защиту от смертельных доз излучения, а геомагнитное поле – от заряженных частиц. Однако на 100% от жесткого излучения защититься не удается, поэтому угроза от солнечных вспышек существует. Вспышки могут повредить спутники, облучить космонавтов, повлиять на работу авиакомпаний и электросетей, поэтому важно их прогнозировать и понимать природу их возникновения.

«Солнечные вспышки, как правило, происходят в местах взаимодействия солнечных пятен противоположной магнитной полярности или, более точно, вблизи нейтральной линии магнитного поля, разделяющей области северной и южной полярности. Частота и мощность солнечных вспышек зависят от фазы 11-летнего солнечного цикла» .

Вспышка – это фонтан энергии, с температурой до 30 тысяч градусов. Это короткоживущий процесс, который длится около одной минуты. Эти сведения подвигают меня к мысли о солнечной молнии. Если вспышка мощная, то процесс высвечивания плазмы может продолжаться значительное время (десятки минут, иногда достигает часов). Все зависит от масштаба грандиозного явления.

Поскольку солнечные пятна – это нестабильные процессы, происходящие в фотосфере, то можно сделать предположение, что вспышка – результат нестабильных (переходных) процессов. По своей сути, солнечная вспышка – это мощнейшая молния! Что значит мощнейшая? В этот контекст я вкладываю сумму параллельно сложенных элементарных молний. Это огромный поток ионизированных частиц в едином порыве замыкается с противоположным по знаку таких же частиц, выброшенных давлением Солнца.

На самом деле все эти жгуты-проводники состоят из отдельных молний, но на общем световом фоне фотосферы мы их наблюдаем в виде оттенков более светлых тонов, пульсаций.

Магнитные линии (см. снимок ниже), по которым устремляются заряженные частицы плазмы, имеют очень малое отклонение и уходят вверх. Это говорит насколько масштабное и сильное магнитное поле солнечного пятна. На снимке видно начало зарождения вспышки на краю пятна.

В момент удара такой молнии в плазме возникает мощное давление газов, после происходит выброс коронарной плазмы и солнцетрясение.

Солнечное пятно, сфотографированное в «анфас» солнечной космической обсерваторией Hinode . Выбросы плазмы вверх по изгибающимся линиям магнитного поля.

В отличие от землетрясений, которые рождают короткие всплески волн на Земле, в недрах Солнца, благодаря солнечным молниям, создается постоянный сейсмический шум и мощные солнцетрясения. Но, поскольку солнечное вещество не твердое, а плазменное, то сейсмические волны быстро затухают.

Солнечные вспышки представляют собой уникальные по своей силе и мощности выделения тепловой, кинетической, сейсмической и световой энергии Солнца.

Муаровая зернистость поверхности Солнца

Если бы на Солнце присутствовал в достаточном количестве кислород, то на нашу Землю постоянно падали частицы пепла, как при извержениях вулканов.

В связи с этим хочу высказать еще одну оригинальную мысль, которую начну с вопроса: Что за гранулы (ячейки) мы наблюдаем с Земли в телескоп? При достаточно большом увеличении поверхность Солнца предстает перед нами в виде муаровой зернистости.

Гранулированная структура солнечной поверхности, в центре темное пятно

Н а снимке отчетливо видны ячейки, окруженные темными границами разной формы.

Что это за ячейки-гранулы и откуда они возникают?

Солнечную плазму иногда сравнивают с кипящим бульоном. Такое сравнение вполне корректно, т.к. дает наглядную модель в миниатюре – солнечную поверхность. Когда мы на кухонной плите готовим мясной бульон, то после закипания в кастрюле мы наблюдаем восходящие потоки жидкости, которые в разных направлениях разбрасывают накипь. Если сделать фотографию нашего бульона сверху, то на снимке можем получить картинку похожую на выше приведенный снимок.

С помощью опыта с мясным бульоном я подвожу читателя к ассоциативной мысли, что на границах солнечных гранул находится накипь! Солнечная накипь представляет собой продукты сгорания, в их числе пепел. Как видно из снимка, гранулы имеют более светлый оттенок в центре, а ближе к границе – более темный. Это подтверждает версию сравнения с бульоном, т.е. центральная часть зерен возвышается над периферией, перепады высот могут достигать десятки километров, при среднем диаметре гранул в 1000 км. Вот такой он солнечный, бурлящий и клокочущий бульон плазмы.

Еще более наглядно солнечную поверхность можно представить, если посмотреть сверху на тропический лес. Благодаря различной освещенности верхушек крон деревьев и периферийной части кроны, мы можем определить разницу в высотах. Поэтому, наблюдая с высоты тропические леса, невольно улавливаешь себя на мысли, что внизу не лес, а куполообразные зеленые земляные холмы.

Если продлить данную аналогию на Солнце, то можно представить, что его поверхность представляет собой огромные холмы, состоящие из плазмы ярко слепящего цвета. Данные холмы (гранулы) возникают в результате конвективных, восходящих потоков, формирующих своеобразные конвективные колонны плазмы.

На Солнце пятна и вспышки, на Солнце солнцетрясения! Пятна и вспышки можно наблюдать визуально, а трясения можно обнаружить только с помощью сейсмометров. Кто и как может установить приборы на Солнце?

Источники

  1. Квазинейтральность, http://m.bankreferatov.ru/referats/.doc.html
  2. Википедия, Солнечная вспышка, http://ru.wikipedia.org/wiki

Hinode – искусственный спутник Земли, предназначенный для исследования солнечной активности, магнитного поля и излучения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. На его борту установлены оптический и рентгеновский телескопы, а также ультрафиолетовый спектрометр. Аппарат создан усилиями японских, британских и американских инженеров; был запущен в 2006-м году с японского космодрома Утиноура.

История изучения

Первые сообщения о пятнах на Солнце относятся к наблюдениям 800 года до н. э. в Китае .

Зарисовки пятен из хроники Иоанна Вустерского

Впервые пятна были зарисованы в 1128 году в хронике Иоанна Вустерского .

Первое известное упоминание солнечных пятен в древнерусской литературе содержится в Никоновской летописи , в записях, относящихся ко второй половине XIV века:

бысть знамение на небеси, солнце бысть, аки кровь, и по нем места черны

бысть знамение в солнце, места черны по солнцу, аки гвозди, и мгла велика была

Первые исследования фокусировались на природе пятен и их поведении. Несмотря на то, что физическая природа пятен оставалась неясной вплоть до XX века , наблюдения продолжались. К XIX веку уже имелся достаточно продолжительный ряд наблюдений пятен , чтобы заметить периодические вариации в активности Солнца. В 1845 году Д. Генри и С. Александер (англ. S. Alexander ) из Принстонского университета провели наблюдения Солнце с помощью специального термометра (en:thermopile) и определили, что интенсивность излучения пятен, по сравнению с окружающими областями Солнца, понижена.

Возникновение

Возникновение солнечного пятна: магнитные линии проникают сквозь поверхность Солнца

Пятна возникают в результате возмущений отдельных участков магнитного поля Солнца. В начале этого процесса трубки магнитного поля «прорываются» сквозь фотосферу в область короны, и сильное поле подавляет конвективное движение плазмы в гранулах , препятствуя в этих местах переносу энергии из внутренних областей наружу. Сначала в этом месте возникает факел , чуть позже и западнее - маленькая точка, называемая по́ра , размером несколько тысяч километров. В течение нескольких часов величина магнитной индукции растет (при начальных значениях 0,1 тесла), размер и количество пор увеличивается. Они сливаются друг с другом и формируют одно или несколько пятен. В период наибольшей активности пятен величина магнитной индукции может достигать 0,4 тесла.

Срок существования пятен достигает нескольких месяцев, то есть отдельные группы пятен могут наблюдаться в течение нескольких оборотов Солнца. Именно этот факт (движение наблюдаемых пятен по солнечному диску) послужил основой для доказательства вращения Солнца и позволил провести первые измерения периода обращения Солнца вокруг своей оси.

Пятна обычно образуются группами, однако иногда возникает одиночное пятно, живущее всего несколько дней, или биполярная группа: два пятна разной магнитной полярности, соединённые линиями магнитного поля. Западное пятно в такой биполярной группе называется «ведущим», «головным» или «P-пятном» (от англ. preceding ), восточное - «ведомым», «хвостовым» или «F-пятном» (от англ. following ).

Только половина пятен живёт больше двух дней, и всего десятая часть - более 11 дней.

В начале 11-летнего цикла солнечной активности пятна на Солнце появляются на высоких гелиографических широтах (порядка ±25-30°), а с ходом цикла пятна мигрируют к солнечному экватору, в конце цикла достигая широт ±5-10°. Эта закономерность носит название «закон Шпёрера ».

Группы пятен ориентируются приблизительно параллельно солнечному экватору, однако отмечается некоторый наклон оси группы относительно экватора, который имеет тенденцию к увеличению для групп, расположенных дальше от экватора (т. н. «закон Джоя »).

Свойства

Средняя температура поверхности Солнца около 6000 К (эффективная температура - 5770 К, температура излучения - 6050 К). Центральная, самая темная, область пятен имеет температуру всего около 4000 К, наружные области пятен, граничащие с нормальной поверхностью, - от 5000 до 5500 К. Несмотря на то, что температура пятен ниже, их вещество все равно излучает свет, пусть и в меньшей степени, чем остальная поверхность. Именно из-за этой разницы температур при наблюдении и возникает ощущение, что пятна темные, почти черные, хотя на самом деле они тоже светятся, однако их свечение теряется на фоне более яркого солнечного диска.

Центральная тёмная часть пятна носит название тени. Обычно её диаметр составляет около 0,4 диаметра пятна. В тени напряжённость магнитного поля и температура довольно однородны, а интенсивность свечения в видимом свете составляет 5-15 % от фотосферной величины. Тень окружена полутенью, состоящей из светлых и тёмных радиальных волокон с интенсивностью свечения от 60 до 95 % от фотосферного.

Поверхность Солнца в области, где располагается пятно, расположена примерно на 500-700 км ниже, чем поверхность окружающей фотосферы. Это явление носит название «вильсоновской депресии ».

Пятна - области наибольшей активности на Солнце. В случае, если пятен много, то существует высокая вероятность того, что произойдет пересоединение магнитных линий - линии, проходящие внутри одной группы пятен, рекомбинируют с линиями из другой группы пятен, имеющими противоположную полярность. Видимым результатом этого процесса является солнечная вспышка . Всплеск излучения, достигая Земли, вызывает сильные возмущения её магнитного поля, нарушает работу спутников и даже оказывает влияние на расположенные на планете объекты. Из-за нарушений магнитного поля Земли увеличивается вероятность возникновения северных сияний в низких географических широтах. Ионосфера Земли также подвержена флуктуациям солнечной активности, что проявляется в изменении распространения коротких радиоволн.

Классификация

Пятна классифицируют в зависимости от срока жизни, размера, расположения.

Стадии развития

Локальное усиление магнитного поля, как было сказано выше, тормозит движение плазмы в конвекционных ячейках, тем самым замедляя вынос тепла на поверхность Солнца. Охлаждение затронутых этим процессом гранул (примерно на 1000 °C) приводит к их потемнению и формированию единичного пятна. Некоторые из них исчезают через несколько дней. Другие развиваются в биполярные группы из двух пятен, магнитные линии в которых имеют противоположную полярность. Из них могут сформироваться группы из множества пятен, которые в случае дальнейшего увеличения области полутени объединяют до сотни пятен, достигая размеров в сотни тысяч километров. После этого происходит медленное (в течение нескольких недель или месяцев) снижение активности пятен и уменьшение их размеров до маленьких двойных или одинарных точек.

Самые крупные группы пятен всегда имеют связанную группу в другом полушарии (северном или южном). Магнитные линии в таких случаях выходят из пятен в одном полушарии и входят в пятна в другом.

Размеры групп пятен

Размеры группы пятен принято характеризовать её геометрической протяжённостью, а также количеством входящих в неё пятен и их полной площадью.

В группе может насчитываться от одного до полутора сотен и более пятен. Площади групп, которые удобно измерять в миллионных долях площади солнечной полусферы (м.с.п.), варьируются от нескольких м.с.п. до нескольких тысяч м.с.п.

Максимальную площадь за весь период непрерывных наблюдений групп пятен (с 1874 по 2012 годы) имела группа № 1488603 (по Гринвичскому каталогу), появившаяся на диске Солнца 30 марта 1947 года, в максимуме 18-го 11-летнего цикла солнечной активности . К 8 апреля её полная площадь достигла 6132 м.с.п. (1,87·10 10 км², что более чем в 36 раз превышает площадь земного шара). На фазе своего максимального развития эта группа состояла из более чем 170 отдельных солнечных пятен.

Цикличность

Солнечный цикл связан с частотой появления пятен, их активностью и сроком жизни. Один цикл охватывает примерно 11 лет. В периоды минимума активности пятен на Солнце очень мало или нет вообще, в то время как в период максимума их может наблюдаться несколько сотен. В конце каждого цикла полярность солнечного магнитного поля меняется на противоположную, поэтому правильнее говорить о 22-летнем солнечном цикле.

Длительность цикла

Хотя в среднем цикл солнечной активности длится около 11 лет, бывают циклы длиной от 9 до 14 лет. Средние значения также меняются на протяжении столетий. Так, в XX веке средняя длина цикла составила 10,2 года.

Форма цикла непостоянна. Швейцарский астроном Макс Вальдмайер утверждал, что переход от минимума к максимуму солнечной активности происходит тем быстрее, чем больше максимальное количество солнечных пятен, зарегистрированное в этом цикле (т. н. «правило Вальдмайера»).

Начало и конец цикла

В прошлом началом цикла считался момент, когда солнечная активность пребывала в точке своего минимума. Благодаря современным методам измерений стало возможно определять изменение полярности солнечного магнитного поля, поэтому сейчас за начало цикла принимают момент изменения полярности пятен.

Нумерация циклов была предложена Р. Вольфом . Первый цикл, согласно этой нумерации, начался в 1749 году. В 2009 году начался 24 солнечный цикл.

  • Данные последней строки - прогноз

Существует периодичность изменения максимального количества солнечных пятен с характерным периодом около 100 лет («вековой цикл»). Последние минимумы этого цикла приходились примерно на 1800-1840 и 1890-1920 годы. Есть предположение о существовании циклов ещё большей длительности.

См. также

Примечания

Ссылки

  • Объединенная база данных магнитных полей солнечных пятен - включает изображения солнечных пятен периода 1957-1997 годов
  • Изображения солнечных пятен обсерватории Локарно-Монти - охватывает период 1981-2011 годов
  • Физика космоса. Маленькая энциклопедия М.: Советская Энциклопедия, 1986
Анимации-схемы процесса зарождения солнечных пятен
  • how are sunspots formed? (Как солнечные пятна формируются?)
Солнце
Структура Ядро · Зона лучистого переноса · Конвективная зона
Атмосфера Фотосфера · Хромосфера · Солнечная корона
Расширенная
структура 		Гелиосфера (Гелиосферный токовый слой · Граница ударной волны) · Гелиосферная мантия · Гелиопауза · Головная ударная волна
Относящиеся к Солнцу
феномены 		Солнечное затмение · Солнечная активность (Солнечные пятна · Солнечные вспышки · Корональные выбросы массы) · Солнечная радиация (Вариации солнечного излучения) · Корональные дыры · Корональные петли · Факелы · Гранулы · Флоккулы · Протуберанцы и волокна · Спикулы · Супергрануляция · Солнечный ветер · Волна Мортона
Связанные темы Солнечная система · Солнечное динамо · Звёздная эволюция
Рекомендуем почитать