общее магнитное поле солнца
Магнитное поле Солнца
Под верхним слоем фотосферы (солнечной поверхности) расположена конвективная зона Солнца. Именно внутри нее, как говорят современные ученые, и зарождается магнитное поле звезды. Невозможно представить, несколько большое значение имеет в происходящих на Солнце процессах магнитное поле. Скорее всего, оно есть ответом на все активные явления, которые происходят в атмосфере Солнца, включая и солнечные вспышки. То есть без него Солнце было бы не таким интересным для изучения человечеством.
Схема магнитного поля Солнца
Берут свое начало под влиянием магнитного поля практически все объекты, зафиксированные на Солнце. В первую очередь – это солнечные пятна, обозначающие собой места выходящих из недр Солнца гигантских магнитных петель, пересекающих солнечную поверхность. Из-за этого пятна обычно состоят из северной и южной магнитной полярности. Эти области равны основам магнитной трубки, которая выходит из недр Солнца. На циклы солнечной активности также влияет цикличность колебаний магнитного поля, которое происходит в недрах Солнца. Парящие над поверхностью Солнца протуберанцы, зрительно как бы висящие в пустоте, на самом деле пронизаны нитями магнитного поля, основываясь на нем. А также стримеры и петли, которые мы часто наблюдаем в короне Солнца, есть простым повторением формы топологии магнитных полей, что их окружают. Понимание всего этого позволяет вычислить, какая магнитная обстановка на Солнце ожидает нас сегодня и в любой другой день.
Методы измерения магнитного поля Солнца
Заряженные частицы, попадающие в магнитное поле, движутся под его влиянием. При этом электроны, движущие вокруг ядра правосторонне, под влиянием магнитного поля энергию увеличивают, левосторонне движущиеся – ее соответственно уменьшают. Этот так называемый эффект Зеемена расщепляет излучение атома на компоненты. Измеряя величину расщепления, мы имеем возможность узнать величину и направленность магнитных полей далеких объектов, которые невозможно исследовать непосредственно, например, Солнце. Определить с высокой точностью величину поля солнечной поверхности позволяют разработки последних лет, но они часто бездейственны при намерении измерить трехмерного поля в короне Солнца. В этом случае помогает использование методов математики.
Делать правдивые предсказания погоды космоса помогает знание природы и жизнедеятельности магнитного поля Солнца. Ожидание новой активной вспышки на Солнце можно определить в настоящее время по многим косвенным признакам. Однако на данном этапе научных процессов, относительно долгосрочных предсказаний времени и продолжительности протекающих солнечных циклов, остаются неточными. Они основываются больше на выведении эмпирических зависимостей, а не на конкретных физических моделях. Ближайшее будущее, надеемся, сможет разъяснить достаточно хорошо поведение и активность Солнца, и даст возможность, правильно смоделировав его активность, предсказывать погоду космоса не хуже погоды на Земле. Хотя уже сейчас можно точно сообщить о наличии магнитной бури на Солнце сегодня или в любой календарный день.
Переворот на Солнце
Л. ШИРШОВ, научный сотрудник Института физики высоких энергий.
В самом начале нового века наше светило Солнце поменяло направление своего магнитного поля на противоположное. Переворот магнитных полюсов (реверс) зарегистрировали специалисты НАСА (Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства), ведущие наблюдение за поведением Солнца. В статье «Солнце произвело реверс», опубликованной 15 февраля, отмечается, что его северный магнитный полюс, который был в Северном полушарии всего лишь несколько месяцев назад, теперь находится в Южном.
Когда солнечная активность растет и увеличивается число солнечных пятен на поверхности Солнца, магнитное поле нашей звезды начинает изменяться. В солнечных пятнах замыкаются потоки магнитной индукции, и величина поля в этих областях в сотни раз возрастает. Как отмечает специалист по физике Солнца в Центре космических полетов имени Маршалла Дэвид Хатевэй (David Hathaway), «меридианаль ные течения на поверхности Солнца захватывают и несут магнитные потоки солнечных пятен от средних широт к полюсам, и дипольное поле устойчиво ослабевает». Используя данные, собранные астрономами Национальной обсерватории США в Пик Кит, он ежедневно регистрирует среднее магнитное поле Солнца в зависимости от широты и времени начиная с 1975 года по настоящее время. В результате получилась своего рода маршрутная карта, протоколирующая поведение магнитных потоков на поверхности Солнца.
Теория «солнечного динамо» находится в развитии и требует новых экспериментальных данных. До сих пор исследователи никогда не наблюдали непосредственно момент магнитной переполюсовки Солнца. Сегодня космический корабль «Улисс» (Ulysses) может позволить ученым проверить теоретические модели и получить уникальную информацию.
«Улисс» представляет собой плод международного сотрудничества Европейского космического агентства и НАСА. Он был запущен в 1990 году для наблюдения солнечной системы выше орбитальной плоскости планет. Миновав южный полюс Солнца, он сейчас возвращается, чтобы упасть на его северный полюс и добыть новую информацию. Корабль пролетал над полюсами Солнца в 1994 и 1996 годах, во время пониженной солнечной активности, и позволил сделать несколько важных открытий относительно космических лучей и солнечного ветра. Финалом миссии этого разведчика станет исследование Солнца в период максимальной активности, что позволит получить данные о полном солнечном цикле. Сведения о солнечном космическом корабле «Улисс» приведены по адресу http://ulysses.jpl.nasa.gov.
Магнитосфера Земли защищает жителей планеты от солнечного ветра. Вспышки на Солнце сопровождаются магнитными бурями и полярными сияниями, которые можно наблюдать на Аляске, в Канаде, Норвегии и северных территори ях нашей страны. Но существуют и другие, менее очевидные связи солнечной активности с процессами на планете. В частности, отмечено, что сейсмичность Земли увеличивается при прохождении максимума активности Солнца, и установлена связь сильных землетрясений с характеристиками солнечного ветра. Возможно, этими обстоятельства ми и объясняется серия катастрофических землетрясений, случившихся в Индии, Индонезии и Сальвадоре после наступления нового века.
Физическая природа магнитного поля Солнца и планет
Наличие у Солнца общего дипольного магнитного поля (как и у планет) – твёрдо установленный факт. Так же известно, что оно изменяется и по величине напряжённости, и по направлению. Эти изменения синхронизированы с изменением солнечной активности, характеризуемой количеством солнечных пятен на видимой поверхности Солнца, но сдвинутой по фазе на 90º.
Смена полярности его общего магнитного поля, регистрируемой на его полюсах, когда напряжённость равна 0, происходит в эпохи максимума солнечной активности, а его максимальная напряжённость – около 1 Гаусса – регистрируется в эпохи минимума солнечной активности.
Существование указанной взаимосвязи не вызывает сомнений из-за своей очевидности, но не ясна её физическая сущность. Как пишет американский астрофизик Э. Гибсон в своей книге «Спокойное Солнце»: «Из-за предательской запутанности физической картины здесь трудно отличить причины от следствия … Общее магнитное поле Солнца не имеет вполне определённой (постоянной) оси и не симметрично. Следовательно, нельзя считать, что его создаёт какой-то диполь, находящийся в Солнце».
Это мнение имеет основание, так как часто имели место случаи, когда в течение целого года на обоих гелиографических полюсах Солнца одновременно регистрируется наличие или только южных, или только северных магнитных полюсов его общего магнитного поля.
На основе выясненного механизма дифференциального вращения Солнца, в основе которого лежит падение на Солнце космических тел, позволяет раскрыть природу его общего магнитного поля. Доводом следует считать выяснение физической сущности взаимосвязи общего магнитного поля Солнца с солнечной активностью посредством возникновения дифференциального характера его вращения.
Известный английский физик Ампер утверждал, что магнитное поле Земли создано электрическим током, идущим в объёме Земли вокруг оси её вращения. До сих пор неизвестно, так ли это и как это происходит, учитывая то обстоятельство, что и магнитное поле Земли меняется и по величине, и по направлению.
Теперь вернёмся к магнитному полю Солнца, опираясь на утверждение Ампера относительно Земли. Наличие синхронизации процессов солнечной активности, его дифференциального вращения и характера изменения магнитного поля позволяет утверждать следующее. Угловая скорость видимой поверхности Солнца изменяется с периодичностью изменения солнечной активности. Она увеличивается, когда направление движения падающих на него крупных космических тел совпадает с направлением вращения Солнца, и уменьшается, когда эти тела падают навстречу его вращению.
Такие изменения угловой скорости происходят не во всём объёме вещества Солнца, а только в той его части, которая примыкает к видимой поверхности, где происходит взаимодействие с этой частью вещества Солнца вещества падающих на него космических тел.
Исходя из этого можно утверждать, что часть солнечного вещества, располагающаяся ближе к центру Солнца, сохраняет свою угловую скорость неизменной, поскольку она не испытывает внешнего воздействия, без чего не может измениться величина её момента количества движения.
Следовательно, примыкающая к видимой поверхности Солнца часть его вещества, включая расположенную выше солнечную хромосферу, то опережает, то отстаёт в движении от остальной части вещества Солнца.
Наличие мощного потока радиационного излучения Солнца из его объёма в направлении наружной поверхности приводит к смещению (под воздействие излучения) в том же направлении части свободных электронов. Наличие постоянного смещения электронов и его величина (в состоянии динамического равновесия) обусловлены возникновением компенсационной излучению силы, возникающей при смещении электронов электрического поля.
Избыток электронов в наружной области атмосферы Солнца при таком же по величине избытке положительных электрических зарядов во внутренней части солнечного вещества приводит к возникновению кругового электрического тока, обусловленного отличием угловых скоростей их движения. При этом в случае, когда угловая скорость внешней части Солнца будет больше угловой скорости его внутренней части, направление движения электрического тока будет соответствовать движению электронов, а в противоположном случае – движению положительных электрических зарядов. Соответственно будет меняться и направление силовых линий создаваемого электрическим током общего магнитного поля Солнца.
Учитывая то обстоятельство, что число и суммарная масса космических тел, упавших за одно и то же время (месяц, год) на северное и южное полушария как правило не совпадают, то и степень дифференциальности их вращения отличаются.
Например, за 11 лет 21-го цикла солнечной активности на северное полушарие упало 1777 космических тел, а на южное – 1886, каждое из которых привело к возникновению одной группы солнечных пятен. Разницей суммарных масс и количества выпавших на оба полушария космических тел и обусловлены и отсутствие у общего магнитного поля вполне определённой (постоянной) оси, и его несимметричность, и возможность возникновения одновременной одинаковой магнитной полярности на обоих полюсах Солнца, поскольку по существу в каждом его полушарии создаётся собственное магнитное поле.
Факт изменения полярности общего магнитного поля с переходом его напряжённости через 0 обусловлен тем обстоятельством, что в эпоху максимума активности Солнца текущего цикла достигается полная компенсация ускорения или торможения угловой скорости вращения внешней части атмосферы Солнца, которые были достигнуты в предшествующем ему цикле активности в результате соответствующего торможения или ускорения её вращения в текущем цикле. Это и приводит к отмеченному в начале статьи факту сдвига синхронизации изменения этих двух явлений на 90º.
Таким образом, гипотеза Ампера об электрической природе магнитного поля Земли нашла своё подтверждение в отношении магнитного поля Солнца. Есть все основания считать этот механизм общим и для планет. Нет никакого сомнения, что и на всех четырёх больших планетах (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), вещество которых находится в газообразном состоянии и на поверхность которых, как и на Солнце, падают космические тела, их дипольные магнитные поля создаются в результате различной угловой скорости внутренней и наружной частей их вещества.
Сложнее механизма формирования дипольного магнитного поля планет, вещество которых в основной своей массе находится в твёрдом состоянии – Марс, Земля, Венера и Меркурий. Но и у них физическая природа магнетизма электрическая.
Владимиров Е.А. и Владимиров А.Е.
Солнце
Солнце – звезда, образующая Солнечную систему. Вокруг нее обращаются восемь планет, в том числе и Земля, а также другие объекты: карликовые планеты, спутники, астероиды, кометы, космическая пыль. По причине близости к Земле ее свойства и строение изучены лучше, чем у других известных нам звезд.
Общая информация
Луна и Солнце. Вид с Земли.
Земля удалена от Солнца на расстояние 1,5·10 8 км, это и есть примерная величина астрономической единицы. На небе размер диска Солнца почти не отличается от Луны и составляет немногим больше половины градуса.
Солнце, как и любая звезда, представляет собой газовый шар, а значит, не имеет четко определенной границы, которая разделяла бы различные агрегатные состояния вещества. За условную границу поверхности Солнца принимают фотометрический край – точку перегиба в распределении яркости Солнца рядом с лимбом (резко очерченным краем). Расстояние от центра до таким образом определенной границы и есть условный радиус Солнца. Он равен 696 тысячам км. Условная поверхность Солнца близка к ее фотосфере – верхнему слою самой глубокой части атмосферы. Температура фотосферы минимальна, а газы наиболее непрозрачны. Благодаря этому видимый край Солнца резок и хорошо заметен.
Одна из главных характеристик любой звезды – масса – у Солнца равняется 2·10 30 кг. Эта величина настолько огромна, что составляет массу практически всей Солнечной системы. Вклад всех остальных объектов – всего лишь около 1%. Средняя плотность вещества Солнца – 1,41 г/см³.
Солнце излучает колоссальное количество энергии во всех диапазонах. Еще одна важнейшая звездная характеристика – светимость – для нашей звезды составляет 3,828·1026 Вт. Солнце синтезирует свою энергию в недрах, где происходят термоядерные реакции. Однако при прохождении сквозь космическое пространство, особенно через атмосферы планет, большая часть энергии теряется. Мощность энергии, достигающей нашей планеты, – всего 1000 Вт/м². Но и эта часть энергии – колоссальный ресурс, необходимый для существования жизни, поддержания благоприятного климата, фотосинтеза растений и выработки кислорода, а также альтернативный источник электроэнергии для человека.
Средняя температура на поверхности Солнца составляет около 6 тысяч кельвинов. Она увеличивается с глубиной, и в недрах достигает 10 миллионов кельвинов.
Основные элементы, из которых состоит Солнце – это водород (70%) и гелий (28%). Остальные элементы составляют всего 2%, и в эту часть входят кислород, углерод, азот, сера и множество металлов. Спектральный состав Солнца говорит нам о том, что оно является типичной звездой главной последовательности, а также относится к желтым карликам (спектральный класс G). Видимое солнечное излучение имеет непрерывный спектр с десятками тысяч линий поглощения.
Наша звезда расположена на периферии Млечного Пути, в рукаве Ориона (Местном рукаве). Солнечная система находится около его внутреннего края, в Местном межзвездном облаке, имеющем высокую плотность, находящемся в более разреженном Местном пузыре – области горячего межзвездного газа. Расстояние от Солнца до центра Галактики – 26 тысяч световых лет. Солнце вместе со своей системой движется вокруг центра Млечного Пути со скоростью 217 км/с и обращается полностью примерно за 250 млн. лет.
Солнце обладает очень мощным магнитным полем, напряженность которого подвержена временным изменениям. Направление поля тоже меняется с периодом в 11 лет. Изменения магнитного поля порождают различные эффекты, такие как солнечные вспышки, пятна, магнитные бури, полярные сияния и геомагнитные бури на Земле и другие. Совокупность всех этих явлений называется солнечной активностью.
Внутреннее строение
Из-за неравномерного распределения вещества в подфотосферной области невозможно узнать точную картину строения Солнца. Поэтому для того, чтобы иметь представление об условиях в его недрах, предполагают, что вещество в нем распределено равномерно. Наиболее близкие к реальному Солнцу условия такая модель дает в средней точке, на глубине, равной половине радиуса. Именно для этой точки определены средние значения плотности (1,41 г/см³), давления (6,6·10 13 ) и ускорения свободного падения (1,37·10 2 ). Температура в средней точке достигает 2,8 млн. кельвинов.
В недрах Солнца идут термоядерные реакции нескольких типов. Основные цепочки реакций – водородный и углеродный циклы. Первый вид называют также протон-протонной цепочкой, поскольку суть этого процесса состоит в столкновении протонов. Такая цепочка реакций приводит к превращению атомов водорода в атомы гелия. Наибольшая часть солнечной энергии синтезируется именно в ходе водородного цикла, поэтому он является важнейшим типом реакций в ядре Солнца. Второй тип – углеродный цикл – также приводит к превращению протонов в гелий (альфа-частицу). Но эти реакции происходят, только если в окружающей среде находится углерод. Этот цикл – важнейший источник энергии для звезд, масса которых чуть больше солнечной, однако у самого Солнца он обеспечивает лишь 1-2% синтеза.
Во время термоядерных реакций в ядре Солнца кроме непосредственно энергии образуются нейтрино – частицы, практические не взаимодействующие с веществом. Они проходят через звезду с околосветовой скоростью и практически не поглощаются веществом, распространяясь в космосе. Именно поэтому с помощью регистрации их потоков можно получить непосредственные данные об условиях в солнечных недрах.
Таким образом, тепловая энергия Солнца синтезируется только в ее ядре, а остальная ее часть нагревается посредством этом энергии, проходя постепенно сквозь все слои до фотосферы, где она выделяется в виде солнечного света.
С увеличением расстояния от ядра уменьшаются плотность и температура, а также прекращается углеродный цикл. На уровне 0,3 радиуса Солнца перестает идти и водородный цикл, поскольку здесь происходит резкое падение температуры и плотности. Выше этого уровня энергия передается только за счет теплопроводности между слоями. Эта область звезды простирается до 0,7 солнечного радиуса и называется зоной лучистого переноса.
Выше уровня в 0,7 радиуса энергия переносится за счет движения вещества. Верхние слои сильно охлаждаются из-за постоянного оттока излучения во внешнюю среду. Следовательно, газ становится менее ионизированным, а из-за этого уменьшается его непрозрачность. Возникают условия для конвекции – перемешивание холодных слоев с более горячими и их нагревание. Эта конвективная зона располагается до начального уровня атмосферы Солнца.
Атмосфера
Фотосфера
Хромосфера
За фотосферой следует хромосфера – одна из внешних оболочек Солнца. Ее яркость в сотни раз ниже яркости предыдущего слоя, из-за чего ее невозможно наблюдать без специальных фильтров. Толщина этой оболочки примерно 2000 км. Спектр хромосферы имеет очень много линий гелия – именно по ним был открыт этот элемент в составе Солнца. В видимой части спектра наиболее мощное излучение исходит от красной Hα линии водорода, благодаря чему хромосфера имеет красноватый цвет при наблюдении. Структура хромосферы очень неоднородна. Из верхней границы слоя происходят выбросы горячего вещества – спикулы. Они имеют продолговатую форму, длина их может быть около нескольких тысяч километров, а толщина – около тысячи. Спикулы со скоростью в несколько десятков км/с вырываются из хромосферы в следующий слой – корону – и растворяются. Вещество короны также может попадать в нижележащий слой. Совокупность спикул на поверхности хромосферы называют хромосферной сеткой. Другие образования в этом слое находятся в областях с сильными магнитными полями. Это флоккулы – светлые «облака», окружающие солнечные пятна, – и фибриллы – темные полосы разных размеров.
Корона
Внешняя часть атмосферы – корона – самая разреженная. Она в миллион раз тусклее фотосферы и посему доступна для наблюдения невооруженным глазом лишь во время полных солнечных затмений. По величине яркости этот слой атмосферы разделяется на две части: яркую и тонкую нижнюю (0,2 – 0,3 радиуса Солнца) и внешнюю менее яркую протяженную область. Форма короны неправильная, состоящая из лучей, длина которых может превышать 10 солнечных радиусов, и активно меняющаяся со временем.
Температура короны невероятно высокая – несколько миллионов кельвинов, а максимальная достигает 20 миллионов. Однако в некоторых местах на ее поверхности температура может быть существенно ниже – около 600 тыс. К. Эти области называют корональными дырами. Они также гораздо более темные, чем соседние участки. Из них выходят магнитные силовые линии Солнца, а также более интенсивно истекает вещество. Неравномерность поверхности короны обусловлена постоянными извержениями энергии, происходящих в ней и выходящих в пространство на миллионы километров.
Солнечный ветер
Корона продолжается за пределы Солнца на огромные расстояния. Она достигает Земли и простирается за ее орбиту на расстояние порядка 100 а.е. Из нее постоянно истекает плазма, скорость которой увеличивается с удалением от звезды, – солнечный ветер. Он исходит в основном из корональных дыр. Около планет он достигает сверхзвуковой скорости (на расстоянии Земли примерно 300-400 км/с), потому при взаимодействии с их магнитными полями образуются ударные волны.
Магнитное поле
Солнце, как и все звезды, обладает очень мощным магнитным полем, наличие которого обусловлено электрическими токами, возникающими в плазме. Оно играет важную роль во всех идущих в звезде процессах. Генерация поля происходит в конвективной зоне и, подпитываясь конвективным и турбулентным движением плазмы, оно всплывает в фотосферу.
Структура магнитного поля Солнца сложная. От размера рассматриваемой области зависит величина поля и упорядоченность его силовых линий. Чем больше площадь поверхности, тем величина поля меньше, а силовые линии более упорядочены. В соответствии с этой особенностью солнечное магнитное поле разделяют на два типа – глобальное и локальное.
Масштаб глобального поля сравним с площадью поверхности Солнца. С глобальным полем связана средняя величина магнитного поля Солнца, которая равняется примерно нескольким Гс (гаусс – единица измерения магнитной индукции). В глобальном масштабе Солнце можно приблизительно считать диполем. Структура поля и его полярность зависят от цикличности солнечной активности. Преобладание той или иной полярности в северном и южном полушарии меняется с каждым последующим циклом. Во время минимума 11-летнего цикла напряженности на полюсах максимальны, а с приближением к максимуму их величины постепенно уменьшаются до нуля. После чего полярность диполя изменяется, и с началом нового цикла напряженности на полюсах вновь начинают расти. Из этого следует закон Хейла – полный цикл изменения глобального магнитного поля на Солнце длится 22 года.
Локальные солнечные поля намного менее упорядочены и характеризуются гораздо большими величинами, порядка 1 кГс (до нескольких килогаусс в солнечных пятнах в период максимума активности). Локальное поле уже не может рассматриваться как диполь, поскольку на разных частях выбранного участка поверхности оно часто имеет разные полярности.
Солнечные циклы и активность
Конфигурация магнитного поля в атмосфере Солнца непрерывно меняется. Причины этих изменений пока что не вполне ясны. Они могут возникать в силу сконцентрированности магнитных полей в каком-либо из слоев звезды, а их периодическое усиление может вызываться процессом, напоминающим возбуждение магнитного поля в динамо-машине (так называемое магнитное динамо).
Вследствие магнитной индукции солнечная плазма не может двигаться перпендикулярно линиям магнитного поля, но вдоль них она перемещается свободно. Из-за этого чаще всего плазма либо передвигается вдоль силовых линий, либо увлекает за собой силовые линии слабого поля («вмороженность» поля в плазму).
Солнечная активность – это явления, возникшие в результате изменения структуры магнитного поля, резко отличающиеся от окружающих невозмущенных областей и очень быстро меняющиеся. В каждом слое атмосферы они будут различны. В тех областях фотосферы, где силовые линии магнитного поля выходят на поверхность, образуются солнечные пятна – темные и более холодные, чем окружающее вещество, области. Увеличение числа пятен и появление их групп говорит об образовании активной области, которая может положить начало различным проявлениям солнечной активности – факелам, вспышкам, протуберанцам, потокам солнечных космических лучей, корональным выбросам.
Пятно рождается в фотосфере в виде небольшой поры, которая спустя сутки развивается в темную область с резкой границей и диаметром в несколько десятков тысяч километров. В конвективной зоне под пятном замедляется движение газов, а ведь именно благодаря им основная часть энергии переносится в верхние слои. Из-за этого «недостатка» энергии температура в пятне оказывается на несколько тысяч кельвинов меньше, чем в окружающих невозмущенных областях. В развивающейся группе пятен отчетливо видны два самых крупных пятна противоположной полярности: одно в западной части, другое – в восточной. Со временем площадь группы растет и примерно на десятые сутки достигает своего максимума. Далее пятна начинают уменьшаться и исчезают, сперва самые мелкие, а затем два крупнейших, сначала распадаясь на несколько более мелких фрагментов. Такой процесс занимает около двух месяцев.
При небольших усилениях магнитных полей вокруг пятен могут появляться яркие образования – атмосферные факелы. Их структура напоминает ячейки, а группы факелов образуют сетки, которые могут занимать значительную часть площади фотосферы. Факелы могут существовать и без пятен, часто являясь предвестниками их появления или же, наоборот, остатками активной области. Их температура выше окружающей невозмущенной области на 200-300 К. Время их жизни составляет обычно несколько недель или месяцев.
В хромосфере и нижних слоях короны петли силовых линий магнитного поля выходят на поверхность, вызывая солнечные вспышки – самые мощные проявления солнечной активности. Это своего рода сильный разряд, при котором за короткое время конфигурация и напряженность магнитного поля сильно меняется. За считанные секунды либо образуется длинный «жгут», либо заливается область длиной в десятки тысяч километров. Вспышка порождает резкое возрастание интенсивности излучения практически во всех областях спектра, даже вплоть до гамма-излучения. Всплески интенсивности происходят за несколько минут и по достижении максимума ослабевают почти так же быстро. Кроме увеличения яркости свечения, во время вспышек также происходят выбросы газов и плазмы, и поскольку плазма тесно взаимодействует с магнитным полем, то значительная часть его энергии переходит в тепло и нагревает газ до десятков миллионов кельвинов, а также ускоряет облака плазмы. Вместе с ускорением облаков ускоряются и отдельные частицы – протоны и электроны – порождая потоки солнечных космических лучей и солнечного ветра. Хоть энергия этих лучей существенно меньше, чем у галактических, они оказывают более существенное влияние на магнитосферу Земли и верхние слои ее атмосферы. Вблизи Меркурия и Венеры эти потоки не встречают препятствий, поскольку эти планеты не имеют собственного поля. А вот в окрестностях Земли, Юпитера и Сатурна на корональные выбросы влияет собственное магнитное поле этих планет, из-за чего происходит возмущение магнитосферы. В целом корональное вещество и солнечный ветер как бы обтекают магнитное поле планеты, деформируя его. Плазма может проникать сквозь магнитосферу в промежутки между замкнутыми силовыми линиями на полюсах, из-за чего возникают полярные сияния.
Кроме того, в хромосфере и короне наблюдаются протуберанцы – активные и крупномасштабные уплотнения плазмы. Они могут быть различных размеров и форм, однако чаще всего бывают в форме дуг, расположенных перпендикулярно к поверхности Солнца. Их температура ниже окружающей плазмы, порядка 10 000 К. Это самые крупные и устойчивые образования в атмосфере Солнца. Длина протуберанцев может достигать сотен тысяч километров, а ширина до десяти тысяч. Их долгоживучесть обусловлена вмороженностью магнитного поля в плазму. Так как нижние части протуберанцев находятся в верхних слоях хромосферы, а верхние простираются в корону, они являются связующим звеном между этими слоями атмосферы и способствуют обмену веществом между ними. Протуберанцы рождаются в группах солнечных пятен во время стадии их развития, после чего могут внезапно активизироваться, что сопровождается взрывами и выбросами вещества в корону.
Уровень активности в атмосфере Солнца не всегда одинаков. Смена полюсов магнитного поля приводит к изменению числа пятен и их групп, что в свою очередь влияет на количество других проявлений активности. Уровень активности в данный момент времени характеризует число Вольфа. Оно учитывает количество пятен и групп пятен на диске Солнца. Наибольшее число Вольфа говорит о максимуме солнечной активности, а малое (когда пятен практически совсем нет) – о минимуме. Чередование максимумов и минимумов происходит в среднем каждые 11 лет, однако этот период может и меньше, и больше. Полный цикл изменения активности длится в среднем 22 года. Так, последний минимум наблюдался в 2008 году, а максимум – в 2000. Кроме того, существуют и циклы гораздо большей длительности. Об этом говорит тот факт, что в определенные эпохи солнечные максимумы заметно ослаблены, а в минимумах практически не наблюдается пятен. Эти большие циклы длятся около 2300 лет.
Изучение
Еще с древнейших времен Солнце представляло интерес для человека и активно изучалось им. От простых наблюдений люди постепенно перешли к измерениям времени с помощью солнечных часов, отмечавших положение светила на небе в течение суток. Древние памятники и мегалиты служили для измерения длительности светового дня, определения дня летнего солнцестояния и дней равноденствия. Древние греки, наблюдая за годовым движением Солнца по небесной сфере, считали его одной из планет. Однако в самой же Древней Греции появились первые догадки о том, что Солнце все же не планета, а гигантский раскаленный шар. Так считал древнегреческий философ Анаксагор, за что был осужден и отправлен в тюрьму.
В Греции же родилась и гелиоцентрическая система мира, говорящая о том, что Солнце – это центр, вокруг которого обращается Земля наравне с остальными планетами. Эта идея была революционной и еще многие века подвергалась осуждению и нападкам, вплоть до XVI века, когда она была вновь высказана Коперником.
По другую сторону континента китайские астрономы первыми пронаблюдали пятна на Солнце еще за два века до нашей эры. В XII веке они были впервые зарисованы средневековым английским историком.
Инструментальное исследование Солнца начинается с 1610 года, когда Галилеем был изобретен первый телескоп. Галилей же первым определил, что пятна являются частью поверхности Солнца, а не силуэтами планет, проходящих по его диску. По наблюдению за их движением он также смог высчитать период его вращения.
В XIX веке началась эра спектроскопии. Первым разложить солнечный свет на отдельные цвета смог астроном Петро Анджело Секки. Его дело продолжил Фраунгофер, начавший изучение состава звезды по ее спектру и обнаружив линии поглощения. В 1868 году французский ученый Пьер Жансен открыл гелий, изучая спектры солнечной хромосферы и протуберанцев.
В том же веке шли споры об источниках энергии в недрах Солнца. В 1848 году была выдвинута гипотеза о том, что звезда нагревается благодаря постоянным метеоритным ударам. Однако в таком случае получалось, что наряду с Солнцем этот же механизм обеспечивает сильное нагревание и любой планеты, в том числе и Земли. Другая, более правдоподобная гипотеза, высказанная Кельвином и Гельмгольцем, подразумевала образование тепловой энергии Солнца за счет ее гравитационного сжатия. На основании этой идеи был оценен возраст Солнца в 20 млн лет, что противоречило геологическим данным, но тем не менее этот механизм считался верным еще долгое время. И уже в XX веке Резерфорд предложил гипотезу о термоядерном синтезе в ядре Солнца благодаря высокой температуре и давлении. Эта теория была подтверждена и развита в 30-х годах, тогда же были определены две основные ядерные реакции, ответственные за выделение энергии в Солнце.
В 1957 году были запущены первые искусственные спутники, и тогда же начались первые космические исследования Солнца. Уже в 1959 году был проведен опыт по обнаружению солнечного ветра с помощью аппаратов «Луна-1» и «Луна-2». Кроме того, солнечный ветер исследовался спутниками NASA «Пионер» в 1960-68 годах. В 1973 была выведена на орбиту первая солнечная космическая обсерватория. С ее помощью проведены наблюдения короны и открыты корональные выбросы массы. В 80-х и 90-х годах также было запущено множество спутников и зондов, наблюдавших Солнце во всех спектральных диапазонах. Для изучения полярных областей Солнца, недоступных для аппаратов, находящихся в плоскости эклиптики, в 1990 году был запущен зонд «Улисс», изучивший потоки солнечного ветра и магнитного поле на высоких широтах. В наши дни с помощью новых спутников и обсерваторий продолжает проводиться спектральное изучение Солнца по всем слоям его атмосферы, динамики магнитного поля и ее связи с солнечной активностью.
Солнце и человек
Испокон веков Солнце – основной источник жизни на Земле – играет важнейшую роль в жизни человека. Людям, как и всем живым существам, необходимы свет и тепло Солнца для поддержания своего существования. Благодаря фотосинтезу, происходящему в растениях только на свету, в атмосферу Земли выделяется кислород, необходимый для дыхания большинству организмов, повлиявший на состав минералов и образовавший биосферу нашей планеты. Энергия, приходящая от Солнца, нагревает нижние слои атмосферы, влияя на климат, погодные явления, океанские течения в разных уголках планеты, а также запускает механизмы выветривания и эрозии горных пород. Все это делает Землю разнообразной и оптимально подходящей для жизни людей.
Изменение длины светового дня также влияет на человеческий организм. В зависимости от времени суток меняются интенсивности многих биологических процессов. Эти периодические колебания называют циркадными ритмами, и их период у человека и других живых существ составляет около 24 часов. Так, из-за периодичности смены дня и ночи у человека сменяются фазы сна и бодрствования, поскольку в темное время суток в организме увеличивается количество «гормона сна» – мелатонина.
Не все излучение, приходящее от Солнца, достигает поверхности Земли. В основном до поверхности доходят видимое и инфракрасное. Большая часть ультрафиолетового излучения поглощается в нижних слоях атмосферы, разрушая молекулы кислорода и тем самым создавая озоновый слой, защищающий биосферу Земли от губительного воздействия УФ. Однако небольшое количество ультрафиолета полезно для человека, так как именно под его воздействием образуется необходимый для организма витамин D.
Кроме излучений, земной атмосферы достигает и солнечный ветер, истекающий из солнечной короны. Возмущая магнитосферу Земли, потоки ионизированных частиц вызывают магнитные бури, также влияющие на организм человека.
Несомненно, люди всегда осознавали влияние, которое оказывает на них и на природу дневное светило. В древние времена у многих народов Солнце было объектом поклонения. Культы Солнца и божества, олицетворяющие его, были по всему свету. Отражение солнечного культа нашлось в общности корня sol, означающего Солнце в большинстве индоевропейских языков.