1.1 Актуальность работы
Все мы привыкли ежедневно наблюдать яркое небесное светило, дарующее нам тепло и свет. Но все ли знают, что такое Солнце? Как оно устроено и что из себя представляет? Солнце – ближайшая к Земле звезда, она занимает центральное место в Солнечной системе. Она представляет из себя огромных размеров горячий газовый шар (состоящий в основном из водорода и гелия). Размеры этой звезды настолько велики, что она легко вместила бы в себя миллион планет, подобных нашей. Солнце сыграло решающую роль в развитии жизни на нашей планете и создало условия для образования других тел его системы. Наблюдение за Солнцем во все времена было важным занятием. Люди всегда осознавали его животворную мощь, использовали его также для исчисления времени. Интерес к солнечной энергии и ее возможностям растет с каждым днем.
1.2 Объект исследования
Рис.2 фото с сайта (http://oboi.cc/crop-9973.html
Солнце – центральное тело Солнечной системы – представляет собой очень горячий плазменный шар. Солнце – ближайшая к Земле звезда. Свет от него доходит до нас за 8 с1/3 мин. Солнце огромно как по размерам, так и по массе. Его диаметр в 109 раз превосходит диаметр Земли , а объем – в 1306000 раз. Масса Солнца в 333000 раз больше массы Земли и потому средняя плотность вещества равна 1,4 г/см3,что почти в четырераза меньше средней плотности Земли. Температура поверхности Солнца близка к 5800 К.
Поскольку Солнце - наша звезда, она отнюдь не безразлична для любого обитателя Земли. Дело в том, что оно не только определяет физические условия на Земле и на других планетах, неся нам свет и тепло, не сколько в конечном итоге способствовало появлению всего живого на Земле, в том числе и человека, Солнце всегда вмешивалось и вмешивается в нашу жизнь. Сейчас мы еще не вполне представляем себе широту этого «вмешательства». Но зато известно, что если раньше изучением нашего дневного светила занимались лишь астрономы и в какой-то мере магнитологи и радиофизики, то теперь оно занимает ученых многих специальностей и круг их все еще продолжает расширяться.
Неослабевающий интерес к изучению Солнца вполне закономерен, так как через Солнце лежит наш путь к познанию не только бескрайних просторов Вселенной, но и всего того, что окружает нас на Земле.
Мы знаем, что Солнце в прошлом было нечто другим, чем оно теперь есть, и в далеком прошлом Земля испытывала сильное похолодание и за эти изменения, наиболее вероятно, было ответственно Солнце.
Солнце, вопреки тому, что оно выглядит с Земли довольно просто - как круглый ровный шар, на самом деле это непростой объект. Там сложная физика, магнитные поля, вспышки, выбросы вещества. Несмотря на изучение Солнца на протяжении почти 400 лет, существуют глобальные вещи, которые мы до сих пор о нем не знаем. Например, горящая корона, оболочка солнца имеет температуру миллион градусов, но что ее греет, до сих пор не понятно. У Солнца есть 11-летний солнечный цикл, природа которого также не ясна. Или солнечный ветер, который течет на скоростях, серьезно превышающих теоретические выкладки..
Мы не так много знаем о Солнце, но оно как то связано с катастрофами, происходящими на нашей планете, с войнами, болезнями и эпидемиями. Если мы сможем как можно больше изучить его, то возможно в будущем сможем все это предотвращать
2. Солнечная активность. Чижевский А.Л.
Активная область на Солнце — (АО) — это совокупность изменяющихся структурных образований в некоторой ограниченной области солнечной атмосферы, связанная с усилением в ней магнитного поля от значений 10-20 до нескольких (4-5) тысяч эрстед. В видимом свете наиболее заметным структурным образованием активной области являются темные, резко очерченные солнечные пятна, часто образующие целые группы. Обычно среди множества более или менее мелких пятен выделяются два крупных, образующих биполярную группу пятен с противоположной полярностью магнитного поля в них. Отдельные пятна и вся группа обычно окружены яркими ажурными, похожими на сетку структурами — факелами. Здесь магнитные поля достигают значений в десятки эрстед. В белом свете факелы лучше всего заметны на краю солнечного диска, однако, в сильных спектральных линиях (особенно водорода, ионизованного кальция и др. элементов), а также в далекой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, они значительно ярче и занимают большую площадь.
Протяженности активной области достигают нескольких сотен тысяч километров, а время жизни — от нескольких дней до нескольких месяцев. Как правило, их можно наблюдать практически во всех диапазонах солнечного электромагнитного спектра от рентгеновских, ультрафиолетовых и видимых лучей до инфракрасных и радио волн. На краю солнечного диска, когда активная область видна сбоку, над нею, в солнечной короне в эмиссионных линиях часто наблюдаются протуберанцы — огромные плазменные "облака" причудливых форм. Время от времени в активной области происходят внезапные взрывы плазмы — солнечные вспышки. Они порождают мощное ионизующее излучение (в основном, рентгеновское) и проникающее излучение (энергичные элементарные частицы, электроны и протоны). Высокоскоростные корпускулярные плазменные потоки изменяют структуру солнечной короны. Когда Земля попадает в такой поток, деформируется ее магнитосфера и возникает магнитная буря. Ионизующее излучение сильно влияет на условия в верхних слоях атмосферы и создает возмущения в ионосфере. Возможны влияния и на многие другие физические явления. При очень хороших атмосферных условиях на фотографиях Солнца можно иногда увидеть не только тонкую структуру солнечных пятен, но и светлые ажурные площадки вокруг них — факелы, лучше всего заметные на краю солнечного диска. При этом видно, что в отличие от идеального излучателя (например, белого гипсового шарика, равномерно освещенного со всех сторон),
диск Солнца на краю кажется темнее. Это означает, что у Солнца нет твердой поверхности с яркостью, одинаковой по всем направлениям. Причина потемнения диска Солнца к краю в газовой природе внешних, охлаждающихся его слоев, в которых температура, как и в более глубоких слоях, продолжает уменьшаться наружу. На краю диска Солнца луч зрения пересекает более высокие и холодные слои его атмосферы, излучающие существенно меньше энергии.
Наблюдения солнечных пятен. Общее число пятен и образованных ими групп медленно меняется в течение некоторого периода времени (цикла) от 8 до 15 лет (в среднем 10-11 лет). Важно, что наличие пятен на Солнце влияет на магнитное поле Земли. Это было замечено Горребовым еще в 18 в., а сейчас уже известно, что солнечная активность связана с очень многими земными явлениями, так что изучение солнечно-земных связей очень важно для практической жизни. Поэтому необходимы непрерывные и постоянные наблюдения Солнца, которые часто затрудняются плохой погодой и недостаточностью сети специальных обсерваторий.
Пятна и особенно группы солнечных пятен — наиболее заметные активные образования в фотосфере Солнца. Известно множество случаев, когда большие пятна на Солнце наблюдались невооруженным глазом через закопченное стекло. Пятна всегда связаны с появлением сильных магнитных полей с напряженностью до нескольких тысяч эрстед в солнечной активной области. Магнитное поле замедляет конвективный перенос тепла, из-за чего температура фотосферы на небольшой глубине под пятном уменьшается на 1-2 тысячи К.Пятна зарождаются в виде множества мелких пор, часть которых скоро гибнет, а некоторые разрастаются в темные образования с яркостью раз в 10 меньшей, чем у окружающей фотосферы. Тень солнечного пятна окружена полутенью, образованной радиальными по отношению к центру пятна волоконцами. Продолжительность существования солнечных пятен — от нескольких часов и дней до нескольких месяцев. Большинство солнечных пятен образуют вытянутые примерно вдоль солнечного экватора пары — биполярные группы солнечных пятен с противоположной полярностью магнитных полей у восточных и западных членов группы. Количество солнечных пятен и образованных ими биполярных групп циклически (т.е. за непостоянный интервал времени, в среднем близкий к 11 годам) меняется: сначала сравнительно быстро увеличиваясь, а затем медленно убывая.
Вокруг пятен часто наблюдаются яркие площадки, называемые факелами. Это начальная фаза проявления солнечной активности, лучше всего заметная вблизи края солнечного диска, где контраст с невозмущенным фоном фотосферы достигает 25-30%. Факелы выглядят как совокупность мелких ярких точек (факельных гранул размером в сотни километров), образующих цепочки и ажурную сетку. Они есть практически в любой активной области на Солнце, и их появление предшествует образованию пятен. Вне активных областей факелы периодически появляются в полярных областях Солнца.
В хромосфере над факелами наблюдаются их продолжения, имеющие сходную структуру и называемые флоккулами . Это проявление солнечной активности в хромосфере, хорошо заметное на диске Солнца при наблюдении в спектральных линиях водорода, гелия, кальция и других элементов.
Наибольших размеров могут достигать активные образования в солнечной короне — протуберанцы. Это облака хромосферного вещества в короне, поддерживаемые магнитными полями. Они обладают волокнистой и клочковатой структурой и состоят из движущихся нитей и сгустков плазмы, отличаясь исключительным многообразием форм: иногда это как бы спокойные стога сена, иногда — закрученные воронки, напоминающие грибы лисички, или кустарники, нередко это фигуры самых причудливых форм. Они сильно различаются также и по своим динамическим особенностям, начиная от спокойных долгоживущих образований вплоть до внезапно взрывающихся эруптивных протуберанцев. Наиболее долгоживущие, медленно изменяющиеся спокойные протуберанцы подобны занавесям, почти вертикально висящим на силовых линиях магнитного поля. При наблюдении на диске Солнца такие протуберанцы проецируются в длинные узкие волокна, которые на изображениях Солнца в красной спектральной линии водорода выглядят темными. Это объясняется тем, что вещество протуберанцев поглощает фотосферное излучение только снизу, а рассеивает его по всем направлениям.
Оно возникает в области изменения полярности магнитного поля, где в малой области пространства "сталкиваются" сильные противоположно направленные магнитные поля, в результате чего существенно меняется их структура. Обычно солнечная вспышка характеризуется быстрым ростом (до десятка минут) и медленным спадом (20-100 мин.). Во время вспышки возрастает излучение практически во всех диапазонах электромагнитного спектра. В видимой области спектра это увеличение сравнительно невелико: у самых мощных вспышек, наблюдаемых даже в белом свете на фоне яркой фотосферы, оно составляет не более полутора — двух раз. Зато в далекой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра и, особенно, в радиодиапазоне на метровых волнах это увеличение очень велико. Иногда наблюдаются всплески гамма лучей.
Примерно половина общей энергии вспышки уносится мощными выбросами плазменного вещества, которое проходит через солнечную корону и достигает орбиты Земли в виде корпускулярных потоков, взаимодействующих с земной магнитосферой, что иногда приводит к появлению полярных сияний.
Как правило, вспышки сопровождаются выбросом высокоэнергичных заряженных частиц. Если во время вспышки удается зарегистрировать протоны, то такая вспышка называется "протонной". Потоки энергичных частиц от протонных вспышек представляют серьезную опасность для здоровья и жизни космонавтов в космическом пространстве. Они могут вызывать сбои в работе бортовых компьютеров и других приборов, а также их деградацию. Самые мощные вспышки видны даже в "белом свете" на фоне яркой фотосферы, но такие события весьма редки. Наблюдать солнечные вспышки легче всего в красной линии водорода, излучаемой хромосферой. В радио диапазоне усиление радио яркости в активных областях бывает настолько велико, что полный поток энергии радиоволн, идущих от всего Солнца, возрастает в десятки и даже многие тысячи раз. Эти явления называются всплесками радиоизлучения Солнца. Всплески проявляются на всех длинах волн — от миллиметровых до километровых. Они создаются распространяющимися в солнечной короне ударными волнами, порожденными вспышкой. Их сопровождают потоки ускоренных протонов и электронов, вызывающих нагрев плазмы в хромосфере и короне до температур в десятки миллионов кельвинов. Считается, что наиболее вероятным источником энергии, выделяющейся во время солнечной вспышки, является магнитное поле. При усилении напряженности магнитного поля в некоторой области хромосферы или короны происходит накопление большого количества магнитной энергии. При этом могут возникать неустойчивые состояния, приводящие к почти мгновенному взрывному процессу выделения энергии, соизмеримой с энергией миллиардов ядерных взрывов. Всё явление длится от нескольких минут до нескольких десятков минут, за которые выделяется до 1025-1026 Дж (1031-32эрг) в виде энергичного выброса плазмы и потока солнечных космических лучей, а также электромагнитного излучения всех диапазонов — от рентгеновского и гамма-излучения до метровых радиоволн. Жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучения от вспышек изменяют состояние земной атмосферы, вызывая магнитные возмущения, которые оказывают существенное воздействие на всю атмосферу Земли, обуславливая многие геофизические, биологические и другие явления.
Солнечные космические лучи — поток заряженных частиц высоких энергий, ускоренных в верхних слоях солнечной атмосферы, которые возникают во время вспышек на Солнце. Они регистрируются у поверхности Земли в виде внезапных и резких повышений интенсивности космических лучей на фоне более высокоэнергичных галактических космических лучей. Во время некоторых вспышек она опускается ниже 105 эВ, т.е., по существу, смыкается с верхней границей энергии частиц солнечного ветра. Условно принятый нижний предел энергии солнечных космических лучей составляет 105 - 106 эВ. При меньших энергиях поток частиц приобретает свойства плазмы, для которой уже нельзя пренебрегать электромагнитным взаимодействием частиц между собой и с межпланетным магнитным полем.
Распределение солнечных космических лучей по энергиям и зарядам у Земли определяется механизмом ускорения частиц в источнике (солнечная вспышка), особенностями их выхода из области ускорения и условиями распространения в межпланетной среде, поэтому форму спектра солнечных космических лучей надежно установить весьма трудно.
Ускорение частиц тесно связано с механизмом возникновения и развития самих солнечных вспышек. Основным источником энергии вспышки является магнитное поле. При его изменениях возникают электрические поля, которые и ускоряют заряженные частицы. Наиболее вероятными механизмами ускорения частиц во вспышках принято считать электромагнитные.В условиях вспышки основную роль должны играть быстрые (регулярные) механизмы ускорения, хотя теория допускает и альтернативную возможность — медленное (стохастическое) ускорение. Из-за сложности физической картины вспышек и недостаточной точности наблюдений сделать выбор между различными механизмами трудно. Вместе с тем наблюдения и теоретический анализ показывают, что во вспышке может работать некоторая комбинация механизмов ускорения. Принципиально важную информацию о процессах ускорения солнечных космических лучей можно получить, регистрируя поток нейтронов и гамма-излучение от вспышек, а также по рентгеновскому и радио электромагнитному излучению. Данные об этих излучениях, полученные с помощью космических аппаратов, свидетельствуют в пользу быстрого ускорения солнечных космических лучей (за секунды времени).
Покидая область ускорения, частицы солнечных космических лучей в течение многих часов блуждают в межпланетном магнитном поле, рассеиваясь на его неоднородностях, и постепенно уходят к периферии Солнечной системы. Часть из них вторгается в атмосферу Земли, вызывая дополнительную ионизацию газов атмосферы (в основном в области полярных шапок). Достаточно интенсивные потоки солнечных космических лучей могут заметно опустошать озонный слой атмосферы. Тем самым солнечные космические лучи играют активную роль в системе солнечно-земных связей. Мощные потоки быстрых частиц в период солнечных вспышек могут создавать серьезную опасность в межпланетном пространстве для экипажей космических аппаратов (КА), их солнечных батарей и электронного оборудования. Для обеспечения радиационной безопасности космических аппаратов необходимо прогнозирование солнечных вспышек.
Различные виды солнечного излучения определяют тепловой баланс суши, океана и атмосферы. За пределами земной атмосферы на каждый квадратный метр площадки, перпендикулярной солнечным лучам, приходится чуть больше 1,3 киловатта энергии. Суша и воды Земли поглощают примерно половину этой энергии, а в атмосфере поглощается около одной пятой ее части. Остальная часть солнечной энергии (около 30 %) отражается обратно в межпланетное пространство, главным образом, земной атмосферой. Трудно себе представить, что случится, если на некоторое время какая-то заслонка преградит путь этим лучам на Землю. Арктический холод быстро начнет охватывать нашу планету. Через неделю тропики занесет снегом. Замерзнут реки, стихнут ветры и океан промерзнет до дна. Зима наступит внезапно и всюду. Начнется сильный дождь, но не из воды, а из жидкого воздуха (в основном, из жидкого азота и кислорода). Он быстро замерзнет и семиметровым слоем покроет всю планету. Никакая жизнь не сможет сохраниться в таких условиях. К счастью, всего этого случиться не может, по крайней мере, внезапно и в обозримом будущем, зато описанная картина достаточно наглядно иллюстрирует значение Солнца для Земли. Солнечный свет и тепло были важнейшими факторами возникновения и развития биологических форм жизни на нашей планете. Энергия ветра, водопадов, течения рек и океанов — это запасенная энергия Солнца. То же можно сказать и об ископаемых видах топлива: уголь, нефть, газ. Под влиянием электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца молекулы воздуха распадаются на отдельные атомы, которые, в свою очередь, ионизуются. Образуются заряженные верхние слои земной атмосферы: ионосфера и озоносфера. Они отводят или поглощают губительное ионизирующее и проникающее солнечное излучение, пропуская к поверхности Земли только ту часть энергии Солнца, которая полезна живому миру, к которой растения и живые существа приспособились. Однако даже ничтожная остаточная часть ультрафиолетовых лучей, достигающая наших пляжей, способна доставить много неприятностей неосторожным туристам, жаждущим поскорее загореть.
Солнечно-земные связи. Комплекс явлений, связанных с воздействием солнечного корпускулярного и электромагнитного излучений на геомагнитные, атмосферные, климатические, погодные, биологические и другие геофизические и геологические процессы — предмет особой дисциплины, называемой солнечно-земные связи. Ее основные идеи были заложены в начале 20 в. трудами выдающихся русских ученых В.И.Вернадского, К.Э.Циолковского и А.Л.Чижевского — основоположника гелиобиологии, активного исследователя влияния солнечной активности на самые различные явления, происходящие на Земле.
2.1 Теория А.Л. Чижевского
В начале нынешнего века наш соотечественник, А.Л. Чижевский (1897-1964) пришел к выводу, что жизнь человечества зависит от Солнца не только как от источника тепла и света - своими процессами оно синхронизирует ход всемирной истории.
Как было сделано это открытие? Чижевский, с детских лет увлекавшийся астрономией, в летние месяцы 1915 г., в самый разгар Первой мировой войны, наблюдая в телескоп солнечные пятна, обнаружил поразительный факт. Сразу же после прохождения больших групп пятен через центральный меридиан Солнца на многих фронтах усиливались военные действия. Пытаясь выяснить влияние солнечного пятнообразования на поведение людей, молодой исследователь сопоставил данные о солнечной активности с важнейшими историческими событиями за последние 300 лет. Оказалось, что эпохи максимумов солнечного пятнообразования совпадают с переломными моментами в развитии человеческого общества. Идеи о синхронности хода солнечной активности и исторических процессов в масштабах Земли Чижевский положил в основу докторской диссертации "О периодичности всемирно-исторического процесса", которую успешно защитил в 1918 г. в Московском университете.
Примененный Чижевским метод анализа подобен широко используемому в современных гелиогеофизических исследованиях методу наложения эпох. Для наглядности полученные результаты были представлены в виде таблиц и графиков, убедительно демонстрирующих обнаруженные статистические закономерности.
В масштабах земного шара главные периоды жизни народов протекают циклично и синхронно. Концентрация исторических событий достигает наивысших значений при максимуме солнечной активности и существенно уменьшается в годы ее минимума. Интенсивность длительных событий меняется синхронно с изменением солнечной активности.
В каждом столетии всеобщий цикл важнейших исторических событий, названный Чижевским историометрическим, повторяется 9 раз. Следовательно, каждый такой цикл длится в среднем, как и цикл солнечной активности, около 11 лет. Солнечная активность, проявляющая себя в пятнообразовании, служит синхронизатором исторических процессов на нашей планете. Поэтому схему фаз солнечной активности можно распространить на внутреннюю структуру историометрического цикла.
Чижевский выделил в нем четыре периода. Для каждого из них характерна различная степень возбуждения социальной психики, и каждый длится столько же, сколько соответствующие фазы солнечного цикла. Первый период - минимальной возбудимости - соответствует эпохе минимума солнечной активности при переходе от одного солнечного цикла к другому. Его средняя продолжительность три года. Второй период -нарастания возбудимости - соответствует фазе подъема солнечной активности в текущем солнечном цикле и длится в среднем около двух лет. Третий период - максимальной возбудимости - соответствует эпохе максимума текущего цикла солнечной активности. Его средняя продолжительность - около трех лет. Завершает историометрический цикл четвертый период - падения возбудимости, длящийся примерно три года.
Пользуясь методом сравнения, Чижевский получил социально-психологические характеристики всех четырех выделенных им периодов. Типизация исторических процессов и общественно-психологической атмосферы в том или ином периоде - один из самых привлекательных элементов теории, имеющий большую прогностическую значимость. Опишем вкратце особенности каждого типа.
Итак, первый период, которому соответствует фаза минимальной солнечной активности, отличается астеническим, депрессивным состоянием социальной психики, психологической разобщенностью, дезинтеграцией людей. Господствующие социальные чувства и настроения - покорность, апатия, пассивность, терпимость, миролюбие. Такая социально-психологическая атмосфера создает условия для типичных исторических явлений этого периода: завершения войн, заключения мирных договоров, капитуляций и т.п. Духовная жизнь, как пишет Чижевский, "устремляется в русло просвещения, науки и культуры". В целом это самый спокойный, благоприятный для созидания период цикла.
Второй период характеризуется подъемом общественного настроения, ростом внушаемости, активности и единения масс. Постепенный накал общественно-психологической атмосферы способствует поляризации политических сил, укреплению позиций тех или иных партий и организаций, возникновению политических союзов, ведет к осложнению международной обстановки. В сознании масс происходит кристаллизация идей и взглядов, отвечающих общественным потребностям. Объединяющие идеи легко овладевают людьми и формируют предпосылки для активного поведения в следующий период.
В третьем периоде солнечная синхронизация поведения людей достигает апогея. В обществе царят уверенность, оптимизм, решимость, энтузиазм. Резко возрастает влияние на развитие общественных процессов отдельных одаренных личностей (политических вождей, полководцев, ораторов). Массовые волнения, народные восстания, войны, завоевательные походы - все это приметы данного периода, причем единодушие людей позволяет разрешать сложнейшие военные и политические вопросы. Чувство единства и солидарности "снимает" все споры и противоречия. Взаимовнушение обретает небывалый размах, что нередко придает массовым движениям маниакальный характер. Социально-психологическая атмосфера способствует социальным реформам, развитию парламентаризма, демократии равно как восстаниям, смутам, бунтам, мятежам, революциям, войнам и т.п. Образуются религиозные, военные, политические, коммерческие союзы; широкое распространение получают различные, в том числе оккультные и эзотерические учения, маниакальные идеи (например, о конце света), массовые патопсихологические явления ("психические эпидемии").
