В чем заключается солнечная активность
Солнечная активность
Солнце нельзя считать полностью стабильной звездой, оно постоянно меняет силу излучения, тем самым проявляется солнечная активность. Причины этой активности находятся в глубинах нашей звезды и определяются совокупностью нестационарных процессов, которые возникают и развиваются в глубинных областях звезды.
Солнечные пятна
Те области фотосферы, где выходят сильные, в несколько тысяч гауссов, магнитные поля, и являются солнечными пятнами. Они выделяются потемнениями на общем фоне поверхности. Это вызвано тем, что магнитное поле подавляет конвективные движения вещества, поэтому снижается поток переноса тепловых энергий. В 1947 году зафиксирована самая большая группа солнечных пятен. Её максимальная площадь составила около 18 млрд. км², что больше размеров нашей планеты в 100 раз. Самая долговременная группа просуществовала в 1947 году 7 месяцев.
Солнечные вспышки
Так называется процесс выделения энергии в солнечной атмосфере. Он имеет взрывной характер. Вспышки затрагивают все слои атмосферы. Они бывают и в фотосфере, и в хроносфере, и в солнечной короне. За несколько минут вспышки высвобождается энергия в миллиарды мегатонн, если исчислять её в тротиловом эквиваленте. Выделенная энергия – это электромагнитное и корпускулярное излучения. Они превращаются в потоки, называемые солнечным ветром. Это очень ионизированные частицы, мчащиеся со скоростями 300-1200 км/с. До Земли они добираются за двое-трое суток.
Корональные выбросы
Из солнечной короны происходит выброс вещества посредством энергии, накопленной в активных областях звезды. Выброс состоит из плазмы, содержащей электроны и протоны с незначительным количеством кислорода и гелия. Внешне выброс выглядит, как гигантская петля. Её основания – одно или оба – сцеплены с солнечной атмосферой. Высокое магнитное поле при этом представляется скрученными в жгут силовыми линиями.
Протуберанцы
Магнитное поле Солнца поднимает и удерживает над поверхностью более плотные и холодные (по отношению к короне) слои вещества. Это и есть протуберанец. При наблюдении они выглядят, как волокнистые или клочковатые структуры, или же постоянно движущиеся сгустки плазмы.
Влияние на Землю
Активность Солнца несомненно влияет и на нашу планету, и на её биосферу. Фактически, наша звезда определяет характер и ритм жизни планеты. Без неё существование Земли и жизни на ней невозможно, но оно же и главная опасность для них.
Воздействие на человека
Но красоту полярных сияний дополняют магнитные бури, воздействующие на работу некоторых приборов, да и на организм человека. Ученый А.Л. Чижевский Чижевский, Александр Леонидович советский учёный, биофизик, философ, поэт, художник. ещё в 20-х годах понял, что солнечная активность влияет на возникновение заболеваний. Особенно явно это проявляется в сердечно-сосудистых заболеваниях. Эпидемии, поражавшие человечество в разные века, тоже укладываются в теорию учёного. Чижевским была составлена хронология эпидемий чумы с середины пятого века до конца девятнадцатого. Вспышки смертельной болезни пришлись на пики солнечной активности.
Учёные из Японии установили, что вспышки на Солнце могут изменить количество лейкоцитов в крови. Более того, с конца XIX по вторую половину ХХ веков среднее количество лейкоцитов уменьшилось в три раза. Это полностью совпало с интенсивностью солнечной активности. Магнитные бури, рождаемые взрывами солнечной активности, приводят к сбоям механизма свёртывания крови. Нервные заболевания учащаются и обостряются. Человек быстрее утомляется, а количество дорожных происшествий увеличивается. Это происходит из-за влияния магнитных бурь на биоритмы мозга человека.
Изучение солнечной активности привело к созданию новых наук: гелиобиологии и солнечно-земной физики. Они призваны исследовать взаимную связь земной жизни и климата с активными солнечными проявлениями, потому что солнечная активность – главный стимулятор жизненных процессов.
Воздействие на природу
Животный и растительный миры тоже зависимы от солнечной активности. Именно в их высшие значения саранча собирается в полчища, а рыбы увеличивают свою численность. Даже популяции соболей, когда активность Солнца на пике, растут.
Всплески солнечной активности вполне способны отрицательно повлиять на функционирование систем связи, линий электропередач. Нарушаются системы навигации авиационных и космических объектов, возникают вихревые токи в трансформаторах и проводниках.
Солнечная активность
Солнце – не самая стабильная звезда. Внутри него постоянно протекают различные процессы, влияющие на силу солнечного излучения, отчего она регулярно меняется. Это и есть солнечная активность, и выражаться она может в разных формах. В каких именно, вы сегодня и узнаете.
Солнечные пятна
Солнечные пятна – это области фотосферы звезды, из которых выходят чрезвычайно мощные магнитные поля. В результате таких выбросов эти зоны начинают темнеть. Происходит это потому, что в это время значительно уменьшается перенос тепловой энергии через эти конкретные области. Пятна на Солнце – обычное явление, происходящее там постоянно. Истории известны лишь два временных периода, когда их не было совсем. Они названы минимумами Шперера и Маундера, и протекали несколько десятков лет в 13-14 и 17-18 веках. Самое большое количество пятен на Солнце было обнаружено в 1947 году. Их общая площадь составляла 18 миллиардов квадратных километров, что в сотню раз больше Земли.
Солнечные вспышки
Солнечные вспышки
Корональные выбросы
Так называют выбросы вещества из солнечной короны. Энергия долго копится в зонах солнечной активности, а затем выбрасывается наружу, образуя эдакую огромную петлю. По большей части она состоит из плазмы.
Протуберанцы
Над самой поверхностью Солнца имеются «залежи» более холодного вещества. Их нельзя назвать залежами в привычном нам понимании, потому что они даже не лежат, а постоянно двигаются. Это огромные сгустки плазмы, удерживаемые магнитным полем. Они и называются протуберанцы.
Протуберанцы
Влияние на Землю
Солнечная активность оказывает непосредственное влияние как на Землю, так и на людей. Без всех этих процессов жизнь на нашей планете не существовала бы, но они же являются и одной из главных угроз для нас.
Магнитное поле Земли надежно защищает ее от облучения солнечным ветром, который происходит в результате вспышек. В полярных широтах это особенно наглядно показано. Там ветер все-таки проскальзывает сквозь магнитное поле, вызывая северное сияние.
Влияние на человека
Северное сияние – безусловно очень красивое явление, однако это не единственный побочный эффект солнечной активности. Нас также преследуют магнитные бури, которые негативно влияют не только на технику, но и на людей.
Активность на Солнце может стать причиной возникновения болезней сердечно-сосудистой системы и даже целой чумы. Ученый Чижевский еще в прошлом веке сопоставил периоды эпидемий и солнечной активности. Исследования показали, что все эти болезни пришлись на самый ее пик.
Японские ученые также рапортуют о том, что солнечные вспышки снижают количество лейкоцитов в крови человека. Именно магнитные бури влияют на плохую свертываемость крови, учащение заболеваний нервной системы, приводят к утомлению и сонливости.
Северное сияние
Влияние на природу
Флора и фауна тоже подвержена воздействию активности нашей звезды. На самом ее пике начинается нашествие саранчи, быстрее плодится рыба и даже увеличивается количество соболей.
Температура вод мирового океана постоянно изменяется в зависимости от уровня активности Солнца. А это влияет на многих морских животных и растений.
Активность Солнца снижается — вместо глобального потепления нас может ожидать похолодание?
В последнее время в СМИ все чаще появляются новости, касающиеся глобального потепления климата. Уже сейчас изменения произошли настолько серьезные, что их можно заметить невооруженным глазом. Прием большинство ученых сходятся во мнении, что ситуация будет только усугубляться. К примеру, согласно некоторым расчетам, в Африке через 20 лет вовсе не останется ледников. Однако не все ученые согласны с тем, что нас ожидает потепление климата. Некоторые утверждают, что нас может ожидать существенное похолодание. Виной тому наше Солнце, активность которого последние десятилетия сильно снижается. Доказательством тому служит существенное снижение мощности магнитных бурь, в сравнении со второй половиной XX века. Кроме того, о снижении солнечной активности говорит уменьшение сила солнечного ветра, о чем сообщают ученые из Института космических исследований РАН.
Ученые зафиксировали снижения солнечной активности, что может привести к глобальному похолоданию
Что такое солнечная цикличность и в какой цикл мы вступаем
Наше Солнце, как и все остальное в Солнечной системе, непостоянно. В частности, непостоянной является солнечная активность. Периодические изменения в солнечной активности происходят примерно каждые 11 лет. Каждый такой период называется циклом Швабе.
В конце 2020 года начался 25-ый цикла Швабе. В начале каждого цикла, то есть первые четыре года, увеличивается количество пятен на солнце. Затем в оставшееся время цикла количество пятен уменьшается. Однако последние 20 лет, по словам астрономов, отмечается снижение активности Солнца. Данное явления называется «Гранд минимумом». Даже в самый пик каждого цикла Швабе активность нашей звезды была значительно ниже, чем ранее.
В период минимума Маундера в Англии замерзла река Темза
Почему так происходит? Мнения ученых разделились. Одни считают, что мы наблюдаем неглубокий, так называемый “вековой минимум”, или цикл “цикл Гляйсберга”, который может длиться от 70 до 100 лет. Другие предрекают наступление второго грандиозного минимума, аналогичного “минимуму Маундера”, который был зафиксирован в период с 1645 по 1715 года. Есть свидетельства тому, что в тот период в Англии замерзла Темза, а развлечением голландцев стало катание на коньках по замерзшим каналам.
Глобальное похолодание климата — какие есть основания
Ученые отмечают, что снижение солнечной активности влияет на “космическую погоду” на Земле. Как я уже сказал выше, магнитные бури в последние два десятилетия стали менее интенсивными. Кроме того, в несколько раз сократилось их количество. Ключевую роль в формировании космической погоды влияет солнечный ветер.
Солнечный ветер несет поток плазмы к Земле, который отражает магнитное поле планеты
Напомню, что солнечным ветром называется поток плазмы, вырывающийся из солнечной короны, который несется на огромной скорости к Земле, в результате чего достигает нашей атмосферы за 3-5 суток. Солнечный ветер включает в себя протоны, электроны и другие частицы.
Как сообщают авторы исследования, которое было опубликовано в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics, в последние два цикла Швабе солнечная активность снижалась. В сравнении с концом XX века поток массы и энергии в солнечном ветре снизился практически в полтора раза. Некоторые показатели, которые зависят от нагрева короны Солнца, снизились почти в два раза. Как отмечают в пресс-службе ИКИ РАН, показатели солнечного ветра упали “ниже плинтуса”.
В каждый последующий цикл Солнце становится менее активным, чем в предыдущий
Выражение “ниже плинтуса” является вполне научным термином, а не жаргоном. Минимальные значения параметров солнечного ветра в англоязычной литературе называют термином «floor», что в переводе означает “пол” либо “уровень пола”. В русском языке он звучит как “ниже плинтуса”. К примеру, «уровень плинтуса» межпланетного магнитного поля в XX веке составил 4,6 нТл.
В частности, исследователи отмечают уменьшение содержания ионов гелия. По их словам, изменения ионного состава говорит о том, что снижение активности связана не просто с уменьшением количества вспышек на Солнце, а изменением состояния короны. Конечно, делать какие-либо прогнозы относительно климата на Земле еще рано. Однако подобные периоды, как я сказал выше, уже случались в новейшей истории человечества. Они всегда сопровождались существенным похолоданием.
Подписывайтесь на наш Яндекс.Дзен-канал, на котором мы подготовили для вас еще больше интересной информации
Можно предположить, что на этот раз снижение активности Солнца не вызовет такого похолодания как раньше, но скомпенсирует глобальное потепление. Но, в любом случае нужно учитывать, что снижение активности нашего светила имеет временный характер, а глобальное потепление может быть необратимым. Напоследок напомню, что существует помимо глобального потепления на Земле периодически возникают ледниковые периоды, о чем мы рассказывали ранее.
«Жизнь со звездой» — часть 1: солнечная активность
В первой части статьи — я опишу явления солнечной активности, которые лежат в основе «космической погоды», а для этого, в свою очередь — нам потребуется углубиться в строение Солнца, выглядящее следующим образом:
Солнечное ядро — занимает зону от центра до 0,25 радиуса Солнца. Здесь находится зона с максимальной температурой (порядка 15 млн K), давлением (порядка 250 млрд атмосфер), и плотностью (достигающей 150 г/см 3 ). Так как скорость термоядерных реакций сильно зависит от температуры — основная часть выделения энергии в Солнце, происходит именно в этой области. Однако даже при таких показателях — скорость термоядерных реакций весьма не велика (порядка 275 Ватт/м 3 ), поэтому термоядерные реакторы, типа ITER – требуют на порядок больших температур, чтобы иметь разумные показатели по соотношению объём/мощность.
Зона лучистого переноса — простирается от глубины в 0,25, до примерно 0,7 радиуса Солнца. Названа она так — потому-что основным способом переноса энергии в ней является последовательное излучение и поглощение фотонов. Это довольно спокойная зона, в которой основным видом движения является вращательное: Солнце делает примерно один оборот за 25,6 дней по линии экватора (для наблюдателя на Земле, с учётом нашего вращения вокруг Солнца — выходит примерно 28 дней), и за 33,5 дня на уровне полюсов. Лучистая зона, в данном случае — имеет примерно усреднённую (между этих двух) скорость.
Тахоклин — переходная область, находящаяся между лучистой и конвективной зонами, его толщина составляет примерно 0,04 радиуса Солнца. В данной области происходит переход от лучистого (спокойного) переноса тепла к конвективному (турбулентному), и от «твердотельного вращения» (когда слои вращаются с равномерной частотой) — к дифференциальному (различающемуся в полярных, и экваториальных областях).
Причины такого перехода следующие: на границе около 0,7 радиуса Солнца — постепенное падение температуры и давления солнечных слоёв приводит к тому, что физические условия уже не позволяют поддерживать атомы плазмы без электронов (однократно ионизованными — атомы водорода, и двукратно — гелия). Соответственно начинает действовать фотоэффект, и вещество перестаёт быть прозрачным. Лучистый перенос теряет свою эффективность, и конвективный перенос тепла выходит на первое место.
Объяснение источника второго эффекта является значительно более комплексной задачей, и её решение долго не давалось учёным. Но в 2013 году с помощью данных «Обсерватории солнечной динамики» была также показана связь между конвективным движением на Солнце (носящим на мелких масштабах — хаотический характер) и устойчивым, дифференциальным вращением Солнца:
Ключевыми факторами, в понимании процессов происходящих на Солнце являются следующие:
1) Источником энергии для возникновения всех процессов, регистрируемых нами на Солнце является турбулентная конвекция (а уже её источником — является градиент температуры между солнечным ядром, в котором протекают термоядерные реакции, и поверхностью Солнца через которое происходит излучение этой энергии).
2) Практически всё вещество на Солнце (за исключением определённой доли водорода в фотосфере) находится в состоянии плазмы. По этой причине перенос энергии происходит за счёт кинетической энергии конвективных потоков, и за счёт электромагнитного поля. При этом энергия может свободно переходить из одного вида, в другое (движение плазмы может генерировать магнитное поле, а в другом случае — магнитное поле может разгонять потоки плазмы).
Конвективная зона — зона, располагающаяся на расстоянии около 0,7 радиуса, и непосредственно до самой видимой поверхности. За неимением других возможностей перенос тепла с этого уровня начинает происходить за счёт перемешивания слоёв (то есть конвекции, отчего, собственно, данная зона и была так названа). Именно эта зона ответственна за все явления, которые принято называть «солнечная активность».
Основная структура конвективной зоны (и видимой «поверхности» Солнца) — состоит из гранул (типичным диаметром в 1000 км, и временем существования от 8 до 20 минут), и супергранул (размерами в 30 тыс. км, и временем жизни — около суток). Гранулярная структура — состоит из светлых областей (где вещество поднимается из глубин Солнца) и тёмных промежутков между ними (где вещество соответственно опускается). Вертикальная скорость движения вещества составляет 1-2 км/с, а глубина гранул — составляет сотни и тысячи километров.
Солнечные пятна — это области, в которых сильные магнитное поля препятствует конвективному движению вещества. Не смотря на название — «пятнами» их можно назвать с большой натяжкой: температура внутри них составляет 3000-4500 K. А видимая их чернота объясняется температурой окружающего вещества (составляющая в среднем 5780 K), и соответственно значительно меньшим излучением света «пятнами» на внешнем фоне. Практически с начала систематических наблюдений за пятнами на Солнце в 1749 году — они стали основным доказательством существования 11-летнего цикла солнечной активности (поэтому нулевым циклом, от которого сейчас ведётся отсчёт был выбран тот, который шёл в тот момент — он начался 1745 году):
Если быть более точными — цикл имеет усреднённую длительность около 11,2 лет, и меняется в интервале от 7 до 17 лет (при этом чем короче цикл — тем большую силу он имеет). Стадия роста в цикле занимает меньший период времени (4,6 года, против 6,7 лет — в среднем у стадии спада). В начале цикла пятна появляются на широтах порядка ±35-40°, затем смещаются к области ±15° в период максимума, а к концу цикла — большинство из них встречается на широтах ±5-8° (так называемый закон Шпёрера): 
Такая цикличность в поведении и числе пятен — связана с 11-летним циклом по смене магнитных полюсов Солнца (при этом полный цикл по смене полярности север/юг — занимает соответственно 22 года). Однако этот 22-х летний период (цикл Хейла) — не получил широкой известности, так как кроме смены полярности, он себя никак практически не проявляет.
Наличие статистики за 400+ лет позволило предположить о наличие векового цикла солнечной активности (так называемого цикла Гляйсберга — длящегося в интервале 70-100 лет, со среднем значением в 87 лет). Но по настоящему доказать его наличие — удалось только с появлением радиоуглеродного анализа: дело в том, что в периоды солнечного максимума солнечный ветер становится плотнее, а гелиосфера Солнца немного расширяется (на этом основывалась череда сообщений о выходе Вояджера-1 за пределы Солнечной системы: 1, 2, 3, 4), при этом поток галактических космических лучей — сокращается, а вместе с ним сокращается выработка радиоактивного углерода-14 в верхних слоях атмосферы. Следы этих изменений за прошедшие 11 тысяч лет — находят в ледяных кернах и годичных кольцах деревьев:
Солнечные пятна часто образуются группами, при этом ведущее пятно — имеет ту же полярность, что и текущая полярность данного полушария, а заднее — противоположную. Группа пятен может существовать от нескольких часов, до нескольких месяцев (на этом основывается долгосрочный, 27-дневный прогноз — когда пятна, сделавшие один оборот, вернутся в то же положение, что и сейчас).
Солнечные факелы — являются своеобразными «пятнами на оборот»: в данном случае магнитное поле выступает усилителем конвекции, которая в свою очередь — поднимает температуру и светимость «поверхности» Солнца.
Протуберанцы — образования причудливой формы, в стабильном состоянии напоминающие половинку тора, опирающуюся на «поверхность» Солнца:
Такой формой они обязаны магнитному полю, которое является их источником: поток вещества, двигающийся по магнитным линиям — в начале поднимается из глубин Солнца, затем описывает дугу, и падает обратно на Солнце. Такие фонтаны вещества — могут существовать вплоть до месяцев. В них может заключаться огромная энергия, которая может выделяться в двух физических явлениях, о которых речь пойдёт ниже.
Солнце, крупный протуберанец и Юпитер с Землёй — в масштабе
Солнечные вспышки — гигантские выбросы энергии (самый крупный из которых — описан в начале данной статьи). В ходе типичной вспышки может выделяться энергия порядка 10 20 Дж (около 10 гигатонн в тротиловом эквиваленте), в крупных — порядка 10 25 Дж (около 1 млрд мегатонн). Их источником являются пересоединение магнитных полей на Солнце (когда два магнитных «кольца» соприкасаются между собой, и резко меняют свою структуру):
Точные доказательства такого процесса — были получены совсем недавно. В ходе солнечной вспышки энергия выделяется во всём спектре электромагнитного излучения, большая часть — излучается в жёстком ультрафиолете, а также рентгеновских и гамма-лучах (это связано с тем, что магнитные поля в процессе пересоединения разогревают плазму до десятков миллионов градусов). Только небольшая часть энергии выделяется в видимом диапазоне света, поэтому в обычной ситуации — они не видны. Но в случае с Кэррингтонским событием — вспышку можно было наблюдать даже невооружённым глазом.
Вспышки по интенсивности делят на пять классов: A, B, C, M, X. Каждый последующий класс — мощнее предыдущего в десять раз. Каждый класс разбивается на линейную шкалу от 1.0 до 9.9, у класса X — нет верхней границы: на данный момент самая мощная вспышка, зафиксированная с 1957 года (когда начались внеатмосферные наблюдения, и полную мощность по всему спектру излучения — стало возможно установить) — произошла 4 ноября 2003, и по уточнённым данным — имела класс X45.
Фактически являясь продолжением конвективной зоны — фотосфера является видимым (для нас) отражением тех явлений и той структуры, которая существует в конвективной зоне (которая описана выше).
Хромосфера — это слой около 10 тыс. км толщиной, располагаемый между фотосферой и короной. Здесь резко начинает падать давление, а температура — снова начинает расти:
В связи с тем, что давление в этом слое очень низкое — его светимость (несмотря на рост температуры) в сотни раз меньше, чем у фотосферы. По этой причине, впервые оно было открыто благодаря лунным затмениям (когда свет от фотосферы не мешал наблюдению данного слоя). Именно в этой области Солнца — впервые был обнаружен гелий.
Хромосфера в основном, состоит из спикул — объектов продолговатой формы, имеющих несколько тысяч километров в диаметре, и около тысячи в глубину:
Поднимаясь из фотосферы — они переносят вещество в верхние слои Солнца. Другой составляющей хромосферы — являются фибриллы. Они представляют собой вертикальные петли вещества, увлекаемые магнитным полем (по типу протуберанцев).
Корона — начинается от видимого радиуса Солнца, и простирается на 10-20 его диаметров. Состоит из весьма разреженного, и неравномерно распределённого вещества, с температурой превышающей миллион кельвин.
Источником столь большой температуры короны, по последним данным — служат хромосферные спикулы, которые подпитывают её высокоэнергетическими частицами. Структура короны сильно зависит от периода солнечной активности: во время максимумов — она имеет сферическую форму, во время минимумов — вытянутую по направлению экватора:
Солнечный ветер — это поток сильно разреженного солнечного вещества, с температурой близкой к корональной, движущийся с высокой скоростью (на орбите Земли — его скорость составляет 300-400 км\с):
П.С. Во второй части статьи — об космической погоде, аппаратах исследующих Солнце и службах, следящих за его состоянием.