Сонячні плями, динаміка та механізм їх утворення, способи їх обліку в екології та астрофізики

Астрономія

Міністерство освіти Російської Федерації

Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет "ЛЕТІ"

реферат на тему

"Сонячні плями, динаміка та механізм їх утворення, способи їх обліку в екології та астрофізики. "

Роботу виконав студент групи 0221

Голіков О.М.

Викладач:

Бойцов А.А.

Санкт-Петербург

2002

Зміст:

1. Введення. 3
2. Загальні відомості про сонце. 3

2.1 Вид Сонця в телескоп. 3

2.2 Обертання Сонця 4

2.3 Характеристики Сонця 4

2.4 Будова Сонця 4
3. Сонячні плями. 6

3.1 Спостереження. 6

3.2 Механізм утворення. 8

3.3 Вплив на біосферу 9

3.4 Способи обліку в екології та астрофізики. 11
4. Висновок. 12
5. Література. 13

1. Введення.

Сонце грає виняткову роль у житті Землі. Весь органічний світнашої планети зобов'язаний Сонця своїм існуванням. Сонце - не тількиджерело світла і тепла, але і первинний джерело багатьох інших видівенергії (енергії нафти, вугілля, води, вітру).

Про те, що на Сонці бувають плями, люди дізналися вже дуже давно. Устародавніх російських і китайських літописах, а також у хроніках інших народів нерідко зустрічалися згадки про спостереження плям на Сонці. У росіянлітописах зазначалося, що плями було видно "Акі цвяхи". Записи допомоглипідтвердити встановлену вже пізніше (в 1841 році) закономірністьперіодичного збільшення числа сонячних плям. Щоб помітити такийоб'єкт простим оком (при дотриманні, звичайно, запобіжних заходів --крізь густо закопчене скло або засвічену негативну фотоплівку),необхідно, щоб його розмір на Сонці був не менш 50 - 100 тисячкілометрів, що в десятки разів перевищує радіус Землі. [2]

Що ми знаємо про Сонце і періодично виникають на ньому явища,сонячних плямах? Здається не мало, але як і раніше немає точних відповідей нанаступні питання:

. Яка причина і спосіб періодичного виникнення сонячних плям?

. Що є спусковим механізмом їх утворення?

. Як і за допомогою чого плями впливають на земне життя?

. Що є джерелом усіх періодичних процесів що проходять на

Сонце?

. Чи укладено він поза Сонця або в ньому самому?

На даний момент немає навіть єдиної гіпотези, яка змогла б пролитисвітло на темний лик сонячних плям. Тут можна лише описати загадку, яквона є сьогодні. [2]

2. Загальні відомості про сонце.

2.1 Вид Сонця в телескоп.

Спостереження Сонця вимагають великої обережності. Не можна дивитися на
Сонце, не захистивши очі дуже щільним (темним) світлофільтром! Але навіть зсвітлофільтром не рекомендується дивитися на Сонце в шкільний телескоп.
Краще встановити на окулярне кінці телескопа екран з листом білого паперу ірозглядати зображення Сонця на екрані. Це дозволить побачити на Сонцетемні плями (Сонячні плями) і світлі ділянки (факели), які помітнішенавколо плям поблизу краю Сонячного диска. На сучасних обсерваторіях дляспостереження Сонця застосовують телескопи спеціальних конструкцій - сонячнітелескопи. Таким телескопам оснащена, наприклад, Кримська Астрофізична
Обсерваторія. За допомогою саме таких телескопів і було зроблено большіствоспостережень. [1]

2.2 Обертання Сонця

Якщо порівняти кілька послідовних фотографій Сонця, то можнапомітити, як змінюється положення всіх плям на диску. Це відбувається черезобертання Сонця. Сонце обертається не як тверде тіло. Плями, що знаходяться впоблизу екватора Сонця, випереджають плями, розташовані в середніх широтах.
Отже, швидкість обертання різних шарів Сонця різні.
Екваторіальній області роблять один оберт навколо осі Сонця за 25 земнихдіб, а області поблизу полюсів Сонця - приблизно за 30 діб. Лінійнашвидкість обертання на екваторі Сонця складає 2 км./с. Спостереженняпоказують, що всі плями переміщаються від Східного до Західного краю.
Отже, Сонце обертається навколо своєї осі в напрямку рухупланет навколо нього. [1]

2.3 Характеристики Сонця

. Маса MS ~ 2 * 1023 кг,
. RS ~ 629 тис км,
. V = 1,41.1027 м3, що майже в 1300 тис. разів перевершує обсяг Землі,
. середня щільність 1,41 * 103 кг/м,
. світність LS = 3,86 * 1023 кВт,
. ефективна температура поверхні (фотосфера) 5780 К,
. період обертання (синодичний) змінюється від 27 добу на екваторі до 32 діб у полюсів,
. прискорення вільного падіння 274 м/с 2. [1]

2.4 Будова Сонця

Хімічний склад був визначений з аналізу сонячного спектра.
Виявилося, що на Сонці найбільше водню, а потім гелію. Іншіхімічних елементів (кисень, кальцій, залізо, магній, натрій тощо)складають дуже малу частку в порівнянні з воднем. Жодних хімічнихелементів, крім тих, які є на Землі не виявлено. Внаслідокядерної реакції превнащенія водню в гелій виділяється теплота. [1]

Під вагою щільність зовнішніх шарів Сонця збільшується до центруразом із зростанням тиску та температури. (див. рис.1) Температура ядрадосягає 15 млн. кельвінів. Ядро має радіус не більше чверті загальногорадіусу Сонця, однак у його обсязі зосереджена половина сонячної масиі виділяється практично вся енергія, яка підтримує світіння Сонця.
| | Рис.1 |
| | Будівля сонця. |

Через зону променистої передачі (променистий перенесення) і конвективну зону
(конвекція) йде передача енергії. (Теплопровідність не відіграє великої ролів енергетичних процесах на Сонце і зірках)

Атмосфера Сонця починається на 200-300 тис. км. глибше видимого краюсонячного диска називають фотосферою. Оскільки їх товщина складає небільше однієї трьохтисячної частки сонячного радіуса, фотосфери іноді умовноназивають поверхнею Сонця.

Хромосфера досить неоднорідна і складається в основному з довгастихвитягнутих язичків (спікули), які надають їй вид палаючої трави. Температурацих хромосферних струменів в два-три рази вище, ніж у фотосфері, а щільність всотні тисяч разів менше. Загальна протяжність хромосфери 10-15 тис.кілометрів.

Крона - зовнішня частина атмосфери Сонця. На відміну від фотосфери іхромосфери вона володіє величезною довжиною: вона тягнеться намільйони кілометрів, що відповідає кільком сонячним радіусів, а їїслабке продовження йде ще далі. Головним чином корона складається зчастинок електрики - електронів, що виділяються з нижчих шарів. Всівони швидко рухаються в різних напрямках, але переважно у бік від
Сонця. Швидкість їх так само велика, як у газу при температурі до мільйонаградусів.

Фактично ми живемо оточені сонячної короною, хоча і захищені відїї проникаючої радіації надійним бар'єром у вигляді земного магнітного поля.
Через корону сонячна активність впливає на багато процесів, що відбуваютьсяна Землі.

3. Сонячні плями.

3.1 Спостереження.

На даний момент немає навіть єдиної гіпотези, яка змогла б пролитисвітло на темний лик сонячних плям. Тут можна лише описати загадку, яквона є сьогодні. Почнемо з того, що вже точно відомо за рахунокспостережень.

Плями практично не утворюються на полюсах і на екваторі Сонця. Двівузькі смуги в межах від 25 - 30 і до 8 - 12 градусів північної і південноїшироти - ось місця найбільш інтенсивного утворення плям. Причому, піки їхосвіти повторюються з періодичністю від 7 до 17 років. Цей цикл,що становить в середньому 12 років, чітко простежується в широтномуутворення плям. Коли зникають останні плями на нижніх широтах (8 - 12градусів), починають утворюватися плями на верхніх широтах (25 - 30градусів). Нові плями стануть утворюватися вже нижче цього рівня, тобтовони будуть як би сповзати до нижніх широт. До кінця циклу областьутворення плям знову опиниться в межах від 8 до 12 градусів північної іпівденної широти. Початок циклу пятнообразованія і мінімум сонячної активностізбігаються.

Плями, як правило, утворюються групами або хоча б парами. Пара плямна одній широті знаходиться в цікавою взаємозв'язку. Перш ніж у фотосфері
(видимому шарі Сонця) утворюється пляма, на місці його виникненняреєструється дуже потужне магнітне поле. Остання може бути тількизамкнутим, воно то й пов'язує пару плям. Зазвичай, силові лінії магнітногополя направлені з північного полюса об'єкта (будь то планета чи Сонце) допівденному, але тут все не так просто. Напрямки силових ліній магнітнихполів назад для пар плям північної та південної півкуль. Більш того,магнітна полярність плям, змінюється на протилежну після кожного 12 --річного циклу, що дозволяє говорити не про 11-річному, а про 22-х літньомусонячному циклі пятнообразованія. Магнітні поля плям інтенсивнішемагнітного поля Сонця в цілому і до того ж вони перпендикулярні йому. Всісказане добре видно на рис. 2. [1]

Сонце, як відомо, обертається навколо своєї осі з періодичністюприблизно 27 діб, через що пара плям спостерігається з деяким періодомзникаючи на західному краю Сонця і з'являючись знову на східному менш ніжчерез 2 тижні. Перше в цьому русі пляма є головним.
Встановлено, що в парі плям воно виникає перша і зникає останнім.

Сонячне пляма може існувати від кількох годин до декількохмісяців. Розмір плям також широко варіюється від "пір" - зародків плям,до гігантських площ у які можна вкласти по 100 земних глобусів.
З'являючись з пор, група плям проходить стадію зростання, в ході якої вонизбільшуються і розходяться, розповзаються в різні боки. Потім слідбільш тривала за часом стадія розсмоктування плям. Останнімзникає головне, по ходу обертання Сонця, пляма. Після зникненняплями, потужне магнітне поле на його місці зберігається ще протягомдеякого часу.

Для характеристики активності Сонця використовують числа Вольфа,враховують кількість одиночних плям і груп плям на Сонці. [5]

Саме пляма за формою є лійкою на видимій поверхні Сонця
(ефект виникає через прозорості атмосфери в цьому місці). Їх глибинувизначають у 1000 - 1500 км. Температура сонячної речовини у районіцентру плями найнижча у порівнянні із загальною температурою поверхні -
5800 К., на 1000 - 1500 К. Тому центр плями спостерігається як більш темнеосвіту, ніж його краю. У плямі розрізняють тінь - його центр, і півтінь,яка більше в радіусі в 2 рази і більше (вона світліше, див. рис.3). Країплями оточені світлими волокнистими утвореннями - фотосферних факелами.
Температура в них вище (на 2000 К.) ніж в навколишньому речовині, тому вонивиділяються за яскравістю світіння. Смолоскипи тривають вгору через фотосфери вхромосферу, де утворюють "факельні майданчики", які розширюються зі зростаннямвисоти. У фотосфері поперечник факельної майданчика може складати 700 км,а вже на кордоні хромосфери і корони - 15000 км. Факельні майданчикиз'являються, ростуть і розсмоктуються згідно з ритмом сонячних плям, алевони можуть існувати і без них. Самі по собі факели живуть довше плям --до 3-х, 4-х місяців. Передбачається, що причиною їх утворення служатьменш потужні, ніж у плями магнітні поля.
| | |
| рис.3. Сонячне пляма (ліворуч) і ефектний знімок поверхні Сонця (праворуч). [3] |

3.2 Механізм утворення.

Сонце є величезним вируючий казан плазми, причомувсередині воно гаряче, а зовні - холодніше. Через це перепаду температурвиникають конвекційні потоки: остиглі маси йдуть вглиб, а на їх місцепіднімаються більш гарячі. Цьому процесу заважає сильне магнітне поле
Сонця. Виявляється, що магнітні вихори можуть локально призупинитиконвекцію, не дати остившім масам опуститися. У результаті ця область насонячної поверхні буде холодніше оточуючих - і тому буде виглядатитемніше. Це і є темна пляма. [5]

Конвективні процеси продовжують йти на глибині, однак більш гарячийгаз не може прорватися на поверхню крізь більш холодні області, ізмушений їх огинати. [6]

Сонячне магнітне поле має дуже складну структуру і безперервнозмінюється. Спільні дії циркуляції сонячної плазми в конвективноїзоні і диференціального обертання Сонця постійно порушує процеспосилення слабких магнітних полів і виникнення нових. Мабуть цеобставина і є причиною виникнення плям на Сонці. Плями тоз'являються, то зникають. Їх кількість і розміри змінюються. Але, приблизно,кожні 11 років кількість плям стає найбільшим. Тоді кажуть, що Сонцеактивно. З таким же періодом (~ 11 років) відбувається і переполюсовкамагнітного поля Сонця. Природно припустити, що ці явища пов'язаніміж собою. [1]

Розвиток активної області починається з посилення магнітного поля вфотосфері, що призводить до появи більш яскравих ділянок - факелів
(температура фотосфери Сонця в середньому 6000К, в області факелів приблизнона 300к вище). Подальше посилення магнітного поля призводить до появиплям. [1]

На початку 11-річного циклу плями в невеликій кількості починаютьз'являтися на порівняно високих широтах (35 - 40 градусів), а за тимпоступово зона пятнообразованія спускається до екватора, до широти плюс 10 --мінус 10 градусів, але на самому екваторі плям, як правило, не буває. [1]

Галілео Галілей одним з перших помітив, що плями спостерігаються невсюди на Сонці, а, головним чином, на середніх широтах, в межах такзваних "королівських зон".

Спочатку звичайно з `являються поодинокі плями, але потім з них виникаєціла група, до якої виділять два великі плями - одна - на західному,інше - на східному краю групи. На початку нашого століття з'ясувалося, щополярності східних і західних плям завжди протилежні. Вони утворюютьяк би два полюси одного магніту, а тому таку групу називаютьбіполярної. Типове сонячне пляма має розміри кілька десятків тисячкілометрів. [1]

Галілей, зарісовивая плями, відзначав навколо деяких з них сіруоблямівку.

Дійсно, пляма складається з центральної, більш темної частини - тініі більше світлої області - півтіні. [1]

Сонячні плями іноді бувають видно на його диску навіть неозброєнимоком. Удавана чорнота цих утворень викликана тим, що їх температураприблизно на 1500 градусів нижче температури навколишнього їх фотосфери (івідповідно безперервне випромінювання від них набагато менше). Одиночнерозвинене пляма складається з темного овалу - так званої тіні плями,оточеного більш світлої волокнистої півтінню. Нерозвинені дрібні плямибез півтіні називають порами. Часто плями і пори утворюють складнігрупи. [1]

Типова група плям спочатку виникає у вигляді однієї абодекількох пір в області невозмущенной фотосфери. Більшість таких групзазвичай зникають через 1-2 доби. Але деякі послідовно ростуть ірозвиваються, утворюючи досить складні структури. Сонячні плямиможуть бути більше в діаметрі, ніж Земля. Вони часто об'єднуються в групи.
Вони формуються за кілька днів і зазвичай зникають за тиждень. Деяківеликі плями, хоча, можуть зберігатися протягом місяця. Великі груписонячних плям більш активні, ніж маленькі групи або окремі плями. [1]

Найбільш вірогідною гіпотезою періодичного повторення сонячноїактивності вважають обурення від планет гігантів, що зміщує центртяжкості Сонячної системи. Але це далеко не єдина гіпотеза. Поряд з
12-річним циклом сонячної активності виділяють ще віковий цикл йогонаростання та спадання. За різними даними, він може варіюватися. Є даніна користь 60-річного та 86-річного циклу. [2]

3.3 Вплив на біосферу

В активній області Сонця спостерігаються "сонячні спалахи" - потужніядерні вибухи - неодмінний атрибут підвищеної сонячної активності. Вонитривають всього декілька хвилин (а то і секунд), але справляють дуже сильнийефект. У міжпланетний простір викидається величезна кількість зарядженихчастинок або іонів, які потрапляючи в атмосферу Землі викликають посиленняпівнічного сяйва, магнітні бурі й інші, більш тривалі ефекти. Умомент спалаху відбувається зростання сонячного випромінювання майже у всіхдіапазонах, від рентгенівського до кілометрових радіохвиль. А. Л. Чижевськийбув одним з перших, хто побачив у іонізованих сонячних часткахреальний механізм впливу на біосферу Землі. За свої дослідженнявпливу іонів на все живе він отримав титул батька космобіології, якзасновник науки що вивчає реальні механізми в?? здействія космічнихвипромінювань на живі організми, людину та суспільство.
Хоча ще до нього Р. Вольф установив, що, наприклад, існує взаємозв'язокміж світінням атмосфери у високих широтах і спалахами на Сонці. До іпісля Вольфа були знайдені й інші взаємозв'язки. 1844, Гаутьер - існуєвзаємозв'язок між температурою повітря в земної поверхні і числом плямна Сонці. 1858, Малпе - зв'язок плям з землетрусами. 1872, Мелдрун --частота бур, ураганів і смерчів, а також кількість опадівпропорційні числа сонячних плям. 1887, Зенгер - частота гроз і числоплям. Інші статистичні дослідження встановили зв'язок числа плям ікількості видобувається вина, товщини річних кілець у дерев, величиноювилову риби, размножаемостью і міграцією комах, кількістю катастроф іпередчасних смертей. (див рис. 4, 5 і 6) [2]
| | |
| Рис 4. Зміна сонячної активності починаючи | |
| з 1740 р (в числах Вольфа). [4] | |
| | Рис 5. Середнє значення сонячної |
| | Активності за останні 2000 років. |
| | Дивно, як точно графік |
| | Відповідає напруженості історичної |
| | Життя. Захід сонця античного світу до 600-700 рр.. |
| | Н. е.. і становлення нових народів європи, |
| | Потім "темні віки" середньовіччя і епоха |
| | Відродження. [4] |
| | |

Рис 6. Статистика чисел Вольфа, магнітних бур, врожайності та епідемій по роках.

3.4 Способи обліку в екології та астрофізики.

повертаючись до Сонця то одним, то іншим своїм півкулею, Земляотримує енергію. Цей потік можна представити у вигляді біжить хвилі: там,де падає світло - її гребінь, де темно - провал. Іншими словами, енергіято прибуває, то спадає. Про це у своєму знаменитому природному законіговорив ще Михайло Ломоносов. [1]

Теорія про хвилеподібне характер надходження енергії на Землю спонукалаосновоположника геліобіології Олександра Чижевського звернути увагу назв'язок між збільшенням сонячної активності і земними катаклізмами. Першеспостереження, зроблене вченим, датується червнем 1915 року. На Півночісяяли полярні сяйва, що спостерігалися як у Росії, так і в Північній
Америці, а "магнітні бурі безперервно порушували рух телеграм". Як разв цей період вчений звертає увагу на те, що підвищена сонячнаактивність збігається з кровопролиттям на Землі. І дійсно, відразупісля появи великих плям на Сонці на багатьох фронтах Першої світовоїпосилилися військові дії. [1]

Тепер астрономи говорять, що наше світило стає все більш яскравимі спекотним. Це пов'язано з тим, за останні 90 років активність його магнітногополя збільшилася більш ніж удвічі, причому найбільше зростання відбулося заостанні 30 років. У Чикаго, на щорічній конференції Американськогоастрономічного товариства, пролунало попередження вчених про що загрожуютьлюдству неприємності. Саме в той момент, коли комп'ютери по всійпланеті будуть пристосовуватися до умов роботи в 2000 році, наше світиловступить в найбільш бурхливу фазу своєї 11-річної циклічної. Тепер вченізможуть безпомилково передбачати сонячні спалахи, що дасть можливістьзавчасно підготуватися до можливих збоїв у теле-таелектромереж. Зараз більшість сонячних обсерваторій підтвердило
"штормове попередження" на наступний рік, тому що пік сонячної активностіспостерігається кожні 11 років, а попередня буря спостерігалася в 1989 році. [1]

Нещодавно кілька космічних супутників зафіксували викид сонячнихпротуберанців, який характеризується надзвичайно високим рівнем рентгенівськоговипромінювання. Такі явища являють серйозну загрозу для Землі та їїжителів. Спалах такої потужності потенційно здатна дестабілізуватироботу енергетичних мереж. На щастя, потік енергії не торкнувся Землю ініяких очікуваних неприємностей не сталося. Але сама по собі подіяє провісником так званого "сонячного максимуму",супроводжується викидом набагато більшої кількості енергії, здатноговивести з ладу комунікації зв'язку і силові лінії, трансформатори, підзагрозою перебуватимуть космонавти і космічні супутники, що знаходяться позамагнітного поля Землі і не захищені атмосферою планети. На сьогоднішнійдень супутників NASA на орбіті більше, ніж будь-коли раніше. Існуєзагроза і для літаків, що виражається в можливості припинення радіозв'язку,глушіння радіосигналів. [1]

Олександр Чижевський ще в 20-х рр.. виявив, що сонячна активністьвпливає на екстремальні земні події - епідемії, війни, революції ... Земляне тільки обертається навколо Сонця - все живе на нашій планеті пульсуєв ритмах солнцедеятельності, - поставив він. [1]

Сонце змінює стан магнітосфери і атмосфери Землі. Магнітні поляі потоки часток, які йдуть від сонячних плям, досягають Землі і впливаютьперш за все на мозок, серцево-судинну та кровоносну системи людини,на її фізичний, нервовий та психологічний стан. Високий рівеньсонячної активності, його швидкі зміни порушують людини, а томуі колектив, клас, суспільство, особливо, коли є спільні інтереси ізрозуміла і сприймається ідея. [1]
Щоб всебічно досліджувати явища, що відбуваються на Сонці, проводятьсясистематичні спостереження Сонця (служба Сонця) на численнихобсерваторіях усього світу. Одна з основних завдань служби Сонця --передбачення (прогноз) сонячних спалахів. Прогнози спалахів дозволяютьсвоєчасно запобігати порушення радіозв'язку, а також вживати заходів,необхідні для забезпечення безпеки перебування людини в космічномупросторі. [1]

4. Висновок.

Крім сонячних плям існують і інші цікаві явища, джерелояких не ясний. Це пульсації сонячної поверхні з періодом віддекількох хвилин і більше. Ці пульсації позначаються на ритмічному змінуінтенсивності сонячного випромінювання, - в світінні його поверхні. Коли
Сонце стискається - світність збільшується. Учені припускають, щоритмічні пульсації Сонця лежать в основі формування планет за рахунокущільнення міжзоряного газу під час утворення Сонячної системи.
Значить, ці пульсації можуть відображатися в параметрах планетних орбіт (якциклічно, так і стрибками), які, як відомо, теж періодичнозмінюються (див. рис. 7).

Останнє може означати тільки одне - Сонячна система розвиваєтьсяза законами замкнутої системи з великою кількістю внутрішніх зворотних зв'язків,регулюють всі процеси в ній. Так сонячна активність проявляється встані планет, а рух останніх регулює саму сонячнуактивність. [2]
Треба думати, що це не всі секрети, які бережуть від нас Сонце.
Дослідження тривають.

5. Література.

[1] Сонце. (стаття невідомого автора) http://www.gr0221.narod.ru/sun.htm
[2] Сонячні плями. Дмитро Солнцев. http://solncev-ru.chat.ru/Sun_p.htm
[3] Астрономічний сайт "Звездочет"http://www/astronomy.ru:8101/index.html
[4] Таємниці майбутнього. Ю. В. Мізунь та Ю. Г. Мізунь, М.: «Мир», 1984 р., 205c.
[5] Загадки сонячних плям. Вадим самокатів. 9 листопада 2001р.http://www.utro.ru/articles/2001110903343245361.shtml
[6] Що відбувається під сонячними плямами. Science @ NASA. 7 листопада 2001http://pioner.smr.ru/distance/sunspots.html