Солнечная система. Солнце. Общие сведения
Солнце — ближайшая к нам звезда. Расстояние до него по астрономическим меркам невелико: лишь 8 минут идет свет от Солнца до Земли. Но как повезло нам, жителям Земли!
Введение Солнце освещает и согревает нашу планету. Без его энергии была бы не возможна жизнь на нашей планете, не только человеку, но и всей флоре и фауне, которые нас окружают. Солнце — главный источник энергии, питающий происходящие на Земле процессы. Но не только тепло и свет получает Земля от Солнца. Различные виды солнечного излучения и потоки частиц постоянно оказывают влияние на жизнь нашей планеты. Огромное влияние оказывает Солнца на здоровье человека. Вначале 60-х годов появились научные публикации о связи сердечно-сосудистых заболеваний с солнечной активностью. В них было доказано, что наиболее подвержены капризам нашего дневного светила люди, уже перенесшие один инфаркт. При этом выяснилось, что их организм реагирует не на абсолютное значение уровня активности, а на скорость его изменения. Хромосферные вспышки приводят к тому, что в космическое пространство посылается огромное количество заряженных частиц, которые сильно воздействуют на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли. Магнитное поле Земли начинает беспорядочно меняться, и это является причиной магнитных бурь. Я думаю, каждый слышал, как люди говорят «я вчера себя плохо чувствовал. Это из-за магнитной бури…». В 30-х годах ХХ века в городе Ницце (Франция) случайно было замечено, что число инфарктов миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастает в те дни, когда на местной телефонной станции наблюдались сильные нарушения связи вплоть до полного ее прекращения. Как впоследствии выяснилось, нарушения телефонной связи были вызваны магнитными бурями. Сведения о влиянии магнитного поля на организм человека имелись и в глубокой древности. Лечебные свойства магнита описывали Аристотель и Плиний Старший, Парацельс и Вильям Гилберт. Сейчас установлено, что магнитное поле, прежде всего, влияет на нервную, эндокринную и кровеносную. Его воздействие затормаживает условные и безусловные рефлексы, меняет состав крови. Такая реакция на магнитное поле объясняется в первую очередь изменением свойств водных растворов в организме человека. Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли — остальные отклоняет, или задерживает геомагнитное поле. Но и их энергии достаточно для того, чтобы вызвать полярные сияния и возмущения магнитного поля нашей планеты. В последнее время идет немало споров, о том, действительно ли магнитные бури влияют на человека, или это самовнушения. Я не буду высказывать здесь свою точку зрения, дабы не навязывать свою точку зрения. Кроме влияния на биосферу Солнце влияет на многие геомагнитные процессы. Магнитные бури вызывают не только отклонение магнитной стрелки, появляется серьезная опасность для космонавтов, находящихся на орбите, искусственным спутникам земли, но и сбои в системах сотовой связи, навигации, влияет на различные приборы, а в нашу эпоху, когда мы не можем уже обойтись без этих с позволения сказать наворотов, это может привести к локальным, или того хуже глобальным техногенным бедствиям. Вспомните, Вы ведь слушали о Северных сияниях? А быть может, и видели их. Ну как? Согласен, дух захватывает. Давайте же узнаем о Солнце — ближайшей к нам звезде — побольше. О том, как устроено Солнце, почему оно светит, какие процессы происходят его недрах, что можно увидеть на Солнце и как следует наблюдать его.
Часть 1. Общие сведения о Солнце
Солнце — большой и массивный плазменный (плазма — ионизированный газ) шар, являющийся динамическим центром солнечной системы и источником света и тепла в ней.
Солнце. Орбита земли. Земному наблюдателю солнце представиться в виде диска с резко отчерченным краем (лимбом). Видимый диаметр Солнца меняется в течение года от 32°35" до 31°31". Происходит это потому, что земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по вытянутому овалу — эллипсу то, удаляясь, то, приближаясь к нему (рис. слева). Наблюдение отдельных деталей на поверхности Солнца и измерение смещений спектральных линий на самом краю лимба говорят о вращении солнечного вещества вокруг оси. Как и на земле на Солнце есть экватор — плоскость, проходящая через центр Солнца и перпендикулярная оси его вращения. Он находиться под углом 7º15´ по отношению к плоскости эклиптики (эклиптика — годовой путь солнца по небесной сфере). Угол между Плоскостью экватора и направлением, на какую либо точку солнечной поверхностью называется гелиографической широтой. Угол между плоскостью центрального меридиана (меридиан — прошедшего через восходящий узел Солнечного экватора на эклиптике в средний гринвичский полдень 01.01.1854 г.) и плоскостью меридиана какой либо точки называется гелиографической долготой.
Вращение Солнца. Вращение солнца обладает одной замечательной особенностью — его угловая скорость убывает с удалением от экватора (рис. слева). То есть различные пояса солнца вращаются с различной скоростью, быстрее всего солнце вращается у экватора (один оборот за 27 суток), а медленнее всего у полюсов (один оборот за 32 суток). Следует отметить, что выше речь шла о той скорости вращения, которую мы видим с Земли — сидерический период, но так как наша планета двигается в космическом пространстве по своей орбите вокруг солнца вращение последнего кажется нам несколько замедленным, а истинное значение периода вращения Солнца относительно звезд (синодический период) составляет у экватора 25суток, у полюсов 30 суток. Так как Солнце вращается с различными скоростями, мы не можем связать систему гелиографических координат со всеми точками его поверхности. Условно гелиографические меридианы связывают с точками, имеющими широты ±16º. Для этой широты сидерический период составляет 25,38 суток, а синодический 27,38 суток.
Расположение Солнца в нашей галактике — Млечный путь. В окрестностях Солнца удается проследить участки двух спиральных ветвей, удаленных от нас примерно на 3 000 световых лет. По созвездиям, где обнаруживаются эти участки, их, называют рукавом Стрельца и рукавом Персея. Солнце находится почти посередине между этими спиральными ветвями. Правда, сравнительно близко (по галактическим меркам) от нас, в созвездии Ориона, проходит еще одно, не столь явно выраженная ветвь, считающаяся ответвлением одного из основных спиральных рукавов Галактики. Расстояние от Солнца до центра Галактики составляет 23 — 28 тысяч световых лет, что составляет примерно 7 — 9 тысяч парсек. Это говорит о том, что Солнце располагается между центром и краем диска Галактики. Вместе со всеми близкими звездами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 200 — 220 километров в секунду, совершая один оборот примерно за 200 миллионов лет. Значит, за все время своего существования Земля облетела вокруг центра Галактики не более 30 раз. Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики практически совпадает с той скоростью, с которой в данном районе движется волна уплотнения, формирующая спиральный рукав. Такая ситуация в общем неординарна для Галактики: спиральные ветви вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы колеса, а движение звезд подчиняется совершенно иной закономерности. Поэтому почти все звездное население диска то попадает внутрь спиральных ветвей, то выходит из них. Единственное место, где скорости звезд и рукавов совпадают, — это так называемая коротационная окружность. Именно вблизи нее и располагается Солнце. Для Земли это обстоятельство крайне благоприятно. Ведь в спиральных ветвях происходят бурные процессы, порождающие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не могла бы от него защитить. Но наша планета существует в относительно спокойном месте Галактики и в течении сотен миллионов и миллиардов лет не испытывала катастрофического влияния космических катаклизмов. Может быть, именно поэтому на Земле могла сохраниться жизнь. Долгое время положение Солнца среди звезд считалось самым заурядным. Сегодня мы знаем, что это не так: в известном смысле оно привилегированное. И это нужно учитывать, рассуждая о возможности существования жизни в других частях нашей Галактики. Солнце (и Солнечная система) движется со скоростью 20 км/с в направлении к границе созвездий Лиры и Геркулеса. Это объясняется местным движением внутри ближайших звезд. Эта точка называется апексом движения Солнца, ее координаты α ≈ 18h, δ ≈ +30°. Точка на небесной сфере, противоположная апексу, называется антиапекс. В этой точке пересекаются направления собственных скоростей ближайших к Солнцу звезд. Движения ближайших к Солнцу звезд происходят с небольшой скоростью, это не мешает им участвовать в обращении вокруг галактического центра. Солнечная система участвует во вращении вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Это движение происходит в направлении созвездия Лебедя. Период обращения Солнца вокруг галактического центра около 220 млн. лет.
Солнце — ближайшая к нам звезда. Расстояние до него по астрономическим меркам невелико: лишь 8 минут идет свет от Солнца до Земли. Но как повезло нам, жителям Земли!
Часть 8. Магнитные явления на солнце
Изучение взаимодействия магнитного поля и плазмы показали, что в целом на плазму движение вдоль силовых линий не влияет. При движении заряженных частиц поперек линий поля возникает дополнительное магнитное поле. Сложение этих магнитных полей вызывает искривление и вытягивание силовых линий вслед за движением вещества. Между тем в противовес этой силе существует натяжения силовых линий которое стремиться их выпрямить. Это противоборство создает магнитное давление и поле, мешая плазме пересекать силовые линии, его тормозит и, если поле достаточно сильно, может увлечь плазму за собой. Если поле наоборот слабо, то плазма переместит силовые линии вместе с собой. И в том и в другом случае один факт неоспорим — поле и плазма тесно связанны друг с другом, поле как бы «вморожено» в плазму. Общее магнитное поле Солнца очень слабо, но оно играет большую роль. Лучи короны, особенно в приполярных областях повторяют силовые линии, выходящие и входящее у полюсов. Изменение направления поля в каждом полушарии Солнца от цикла к циклу очень важно. При вращении солнца самые быстрые слои увлекают за собой силовые линии общего поля. Эти линии вытягиваются над фотосферой и за три года обвиваются вокруг него шесть раз, образуя спираль. Если силовые линии расположились теснее, то общее поле ощутимо усилится. Ближе к полюсам и на экваторе скорость вращения меняется медленнее всего и силовые линии общего поля выходят из фотосферы вверх, поле здесь не усиливается. Тогда как на широте около ±30 градусов, где изменение скорости вращения наиболее заметно поле усиливается больше всего. Таким образом, над фотосферой образуется подобие трубок из сгущенных силовых линий. Давление газа в них суммируется с давлением с давлением магнитного поля, перпендикулярных к его линиям. Газ в трубке расширяется, становиться легче и может как всплыть. В месте приближения к поверхности трубки на Солнце наблюдается усиление магнитного поля, появление факела, а за ним факельной площадки их горячие газы поднимаются выше, чем соседние области в фотосфере, потому, что слабые магнитные поля вокруг них гасит мелкие турбулентные движения, стремящиеся затормозить поток горячего восходящего газа. Над факелами в хромосфере так же происходит нагрев и возникает горячие флоккулы. Наконец над флоккулами, в короне, начинается более интенсивное свечение. Так развивается магнитная область на Солнце. Всплывая к поверхности и пересекая ее, трубка с линиями, образуя локальные усиления магнитного поля, и возникают солнечные пятна. И как следствие приток горячих газов снизу практически прекращается, в то время как вокруг пятна, в области факелов и флоккул, конвекция слабым магнитным полем усиленна, так как она подавляет слабую турбуленцию и там приток горячих газов снизу обеспечен. Понятно, что пересечение изогнутой трубкой поверхности в двух местах обуславливает наличие в группах разнополярных главных пятен. Выход трубки из фотосферы и рассеивание ее линий ведут к дроблению и исчезновению главных пятен, образованных пересечением силовой трубки в разряженные хромосферу и корону, где давление газа меньше, чем давление магнитного поля, ведут к тому, что линии расходятся, образуя петли и дуги.
Постепенно активные области с породившими их магнитными трубками в восточной части образуют пятна с полярностями, противоположенными той, которая была вначале у этого полюса Солнца. Это вызывает сначала нейтрализацию прежнего общего магнитного поля, а затем за три года до конца 11-ти летнего цикла (см. ниже) создает общее поле противоположенной полярности. Через 11 лет восстанавливается прежняя ситуация. Так в общих чертах возможно объяснить 22 летний цикл солнечной активности. Солнечные хромосферные вспышки образуются вблизи нейтральных точек магнитных полей в активных областях, где, с удалением от этих точек напряженность поля быстро возрастает. Здесь происходит сжатие магнитного поля вместе с плазмой и энергия магнитного поля при этом переходит в излучение плазмы. Плазма сжимается в тонкий шнур и температура и плотность хромосферного вещества резко возрастает. Суть вспышки заключается в так называемом всплеске радиоизлучения. Источник излучения, вероятно, возникает в результате выброса космических лучей, порожденных вспышкой и бомбардировки плазмы этими лучами. Возникновение большинства протуберанцев, как и лучей короны, обусловлено движением газа вдоль силовых линий, от чего эти выбросы и имеют дугообразную форму. Скорее всего, протуберанцы находятся преимущественно в областях плавных изменений магнитного поля. Сжатие магнитного поля приводит к сжатию относительно холодного газа и к подъему его плотности, а следовательно к его свечению.
Часть 9. Солнечная активность, ее циклы. Число Вольфа. Коэффициент INTER SOL
Солнечной активностью называют совокупность нестационарных явлений на Солнце (пятна, факелы, протуберанцы, вспышки, флоккулы) возмущенные области, солнечную радио… и другие излучения Солнца. Эти явления тесно связаны между собой и обычно и обычно появляются вместе в некоторой активной области Солнца. Солнечная активность обычно характеризуется по пятнообразовательной деятельности Солнца. Для ее регистрации используются несколько распространенных индексов. Самыми известными из них являются индекс Вольфа и коэффициент INTER SOL. Индекс Вольфа определяется по формуле; W=R*(10g+f), где: R коэффициент корреляции, определяемый из условий наблюдения и характеристик вашего телескопа, но лично я посоветовал вам брать его равным 1; g — количество групп на диске; f — общее число пятен. Коэффициент INTER SOL определяется по формуле IS=g+grfp+grfn+efp+ef, где: grfp — число пятен с полутенями в группах; Grfn — число пятен без полутеней в группах; efp — число одиночных пятен с полутенями; ef — число одиночных пятен без полутеней; ПОМНИТЕ, ЧТО ОДИНОЧНОЕ ПЯТНО В РАСЧЕТАХ ТАК ЖЕ ПРИНИМАЕТСЯ ЗА ОТДЕЛЬНУЮ ГРУППУ! За международную систему приняты числа Вольфа публикуемые Цюрихской обсерваторией с 1849 для которых коэффициент корреляции R равен 1. Не смотря на довольно большую неточность этих индексов и их субъективности для каждого отдельного наблюдателя, они имеют то преимущество, что их значения определены на довольно продолжительный промежуток времени (индекс Вольфа известен за последние 250 лет с 1749). Благодаря этому именно индекс Вольфа используется для выявления корреляций между активностью Солнца, и какими либо биологическими и геофизическими явлениями. Важной особенностью солнечной активности является ее цикличность. Циклы имеют различную продолжительность. Не так давно мы с вами, уважаемые коллеги стали свидетелями очередного 23-го максимума 11-го летнего цикла солнечной активности. Но существуют ли еще, какие либо циклы активности, кроме вышеупомянутого 11-те летнего? В периоды максимума цикла активные области расположены по всему солнечному диску, их много и они хорошо развиты. Период минимума они располагаются вблизи экватора их не много, и они развиты слабо. Видимым проявлением активных областей являются солнечные пятна, факелы, протуберанцы, волокна, флоккулы и пр. Наиболее известным и изученным является 11 летний цикл, открытый Генрихом Швабе и подтвержденным Робертом Вольфом, который исследовал изменение активности солнца при помощи предложенного им индекса Вольфа, за два с половиной столетия. Изменение Активности солнца с периодом равным 11,1 года носит название закона Швабе — Вольфа. Особенностью 11-ти летнего цикла является то, что полярность изменяются в течении каждого цикла на противоположенную как в группах, где меняются полярности главных пятен, так и общее магнитного поля Солнца. Существует предположение, что именно магнитное поле ответственно за цикличность солнечной активности. Также предполагается существование 22, 44, 55 и 88 летних циклов изменения активности. Установлено что величина максимума циклов меняется с периодом около 80 лет. Эти периоды проявляются непосредственно на графике активности солнца. Но ученые, изучив кольца на спилах деревьев, ленточную глину, сталактиты, залежи ископаемых, раковинам моллюсков и другие признаки, предположили существование и более продолжительных циклов, длительностью около 110, 210, 420 лет. А так же и так называемые вековые продолжительностью и сверхвековые циклы 2400, 35000, 100 000 и, даже, 200 — 300 миллионов лет. Следует отметить, что цикличность характерна для всех проявлений солнечной активности. В последнее время было обращено внимание на то, что влиять на циклы могут и другие тела, такие как планеты гиганты , соседние звезды и их положение относительно друг друга( к примеру можно посмотреть на влияние суммарной гравитации планет во время парадов). Возможно, особенно продолжительные сверхвековые циклы, связанны по большей своей части с положением Солнца в Млечном Пути, точнее с его вращением вокруг центра галактики. Вообще любой астроном- любитель может, проводя регулярные наблюдения Солнца сравнивать ее график с графиками интенсивности каких либо явлений связанных с атмосферой, биосферой и другие.
Часть 10. Солнечная постоянная и ее измерение
Значение солнечной постоянной играет исключительно важную роль в астрофизике, геофизике и биологических процессах. Оно характеризует мощность излучения Солнца, что вместе с другими данными позволяет судить о физических условиях на поверхности и в недрах Солнца. Наконец количество солнечной энергии, доходящей до Земли необхадимо знать для объяснения астрофизических, геофизических и биологических явлений. Солнечная постоянная — полное количество солнечной энергии, проходящее за одну минуту через площадку в 1см2 расположенную перпендикулярно к его лучам и находящуюся вне атмосферу Земли. Измерение солнечной постоянной сложная задача, требующая целой серии приборов двух типов. Приборы первого типа — перигелиометр — предназначены для измерения в абсолютных энергетических единицах полного количества солнечной энергии. Однако вследствие поглощения атмосферой приходится использовать приборы второго типа — спектробалометр — обладающие одинаковой чувствительностью к лучам различной длины волны. В отличии от перигелиометра, спектробалометр дает значение интенсивности только в относительных единицах, поэтому можно найти лишь отношение наблюдаемого и внеатмосферного значения интенсивности. Отношение площадей, ограниченным внеатмосферным наблюдаемым распределением энергии равно поправочному множителю на которых необходима умножить показания перилелиоматра, чтобы получить значение солнечной постоянной. К полученному результату прибавляют поправку учитывающую излучение в областях спектра полностью поглощаемых атмосферой и следовательно не регистрируемыми показаниями болометрии. Измерениями было определенно, что значение солнечной постоянной равно — Q = 1,95 кал/см2*мин = 136100 эрг /см2 = 0,136 Вт/см2. Умножив эту величину на площадь сферы с радиусом в одну астрономическую единицу (1 а. е. = расстоянию от Солнца до Земли) получили полное количество излучение испускаемое во всех направлениях Солнцем. Оно равно 3,9×1033эрг/сек. Слабые колебания солнечной постоянной не превышают 7% и как правило вызваны проявлениями солнечной активности в частности солнечными вспышками.
Литература и источники: 660118, Красноярск, ул. Мате-Залка, 6-250, Булдакову Сергею. © Булдаков Сергей Вячеславович астроном-любитель г. Красноярск.
Б. А. Воронцов-Вельяминов, «Очерки о Вселенной» М 1976
Т. А. Агекян, «Звезды, галактики, метагалактика» М 1981
Б. М. Яворский, Ю. А. Селезнева, Справочное руководство по физике М 1989
Т. Редже, «Этюды о вселенной» М 1985
В. Г. Горбацкий, Космические взрывы. М 1979
П. И. Бакулин, Э. В. Кононович, В. И. Мороз, «Курс общей астрономии» М 1970