Солнечные циклы. Солнечный цикл Открытие 11 летнего цикла солнечной активности

Всероссийский конкурс ученических исследовательских и проектных работ

«Экология и жизнь»

Номинация: «Тайны живого»

Тема: «Исследование одиннадцатилетнего цикла солнечной активности и его влияние на число солнечных пятен»

Место выполнения работы: ОУ СОШ №9, 10 класс, г.о. Октябрьск

Научный руководитель: Уютова Л.В. учитель физики

Москва 2010 г.

Введение. Стр.2

Глава I . Современное представление о космогонии. Стр. 3-5

Глава II . Теории строения и рождения солнца. Стр. 6-11

Глава III . 11-летний цикл солнечной активности и его причины Стр.12-18

Глава IV . Экспериментальная часть. Стр. 19-23

Заключение. Стр. 24

Список использованной литературы. Стр. 25

Введение.

Последние годы ученые всего мира, астрономы, физики обсуждают вопрос о грозящем через несколько лет нашей планете глобальном потеплении. И большинство из них связывают такие изменения в климате с поведением Солнца, с его изменениями. Я решил принять посильное участие в решении этой проблемы. С 2005 года я занимаюсь вопросами исследования Солнца, изучая его свойства, строение на основе научных работ и книг.

Однажды, когда я прочитал книгу «Космос», под редакцией Коптева, меня заинтересовал вопрос, что такое космогония? Как появилась солнечная система, что такое солнце? Передо мной встали вопросы о рождении Солнца, о его основных физических характеристиках. Изучив книгу И.А.Климишина «Астрономия наших дней», я узнал о том, что солнечная активность имеет 11-­летний цикл, что из года в год пики солнечной активности изменяются, что есть годы большой солнечной активности, есть малой.

Взяв результаты исследований солнечной активности из материалов Тбилисской лаборатории (их числовые характеристики), я построил примерный график изменения m ах и min солнечной активности. При исследовании этих характеристик я сделал вывод, что мы с 1996 года жили в то время, когда Солнце повышало свою энергию (активность), 2006 год - это год пика Солнца. Теперь с 2007 года начинается ее спад, который будет длиться примерно 10 - 11 лет. Повышение температуры на земле связано именно с этими изменениями.

Максимум солнечной активности сопровождается увеличением числа солнечных пятен и их площадей. Летом я наблюдал в телескоп за пятнами и, изучив книгу А.Н.Томилина «Небо и земля», взяв из нее необходимые формулы для расчета характеристик Солнца, я исследовал площади пятен и рассчитал их. Они оказались в 20 раз больше, чем размеры Земли. В обычных условиях мне удалось рассчитать момент кульминации Солнца летом 2006 года.

Глава 1. Современное представление о космогонии.

Космогония - наука, изучающая происхождение и развитие небесных тел, например планет и их спутников, Солнца, звезд, галактик. Астрономы наблюдают космические тела на различной стадии развития, образовавшиеся недавно и в далеком прошлом, быстро «стареющие» или почти «застывшие» в своем развитии. Сопоставляя многочисленные данные наблюдений с физическими процессами, которые могут происходить при различных условиях в космическом пространстве ученые пытаются объяснить, как возникают небесные тела. Единой, завершенной теории образования звезд, планет или галактик пока не существует. Проблемы, с которыми столкнулись ученые, подчас трудно разрешимы. Решение вопроса о происхождении Земли и Солнечной системы в целом значительно затрудняется тем, что других подобных систем мы пока не наблюдаем. Нашу солнечную систему не с чем пока ещё сравнивать, хотя системы, подобные ей, должны быть достаточно распространены, и их возникновение должно быть не случайным, а закономерным явлением.

Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занималась, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и ХХ столетий.

И все же мы до сих пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-­пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции.

Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении двух последних столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую, спустя несколько десятилетий, независимо предложил французский математик Лаплас. Предпосылки к созданию этих теорий выдержали испытание временем.

Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело - будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они стали конденсировать, образуя планеты.

Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию «гипотезой Канта-Лапласа».

Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом-Солнцем и планетами.

Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как «запас вращения» системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг осей Солнца и планет.

Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов: Юпитера и Сатурна.

С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы), так как масса последнего была значительно меньше основной туманности («протосолнца»), то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у «протосолнца». В гипотезе Лапласа отсутствует какой-либо механизм передачи момента от «протосолнца» к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения «протосолнца», а затем и Солнца должен быть много больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами.

Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой.

Остановимся на гипотезе Джинса, получившей распространение в первой трети текущего столетия. Она полностью противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя рисует образование планетарных систем как единственный закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая. (рис. 1)

Исходная материя, из которой потом образовались планеты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно «старым» и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам.

Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет её эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Таким образом, космологическая гипотеза Джинса оказалась несостоятельной.

Выдающийся советский ученый О.Ю.Шмидт в 1944 году предложил свою теорию происхождения Солнечной системы: наша планета образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти «современный» вид. При этом никаких трудностей с вращением момента планет не возникло, так как первоначально момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 года, гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам «почти современное» Солнце сталкивается с более или менее «рыхлым» космическим объектом, захватывая части его вещества. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.

Глава II. Теории рождения и строения Солнца.

Теперь мы с вами остановимся на главном вопросе о рождении Солнца.

Давайте перенесемся в далекое прошлое, примерно на 7 миллиардов лет назад. Современная наука, как говорят ученые, с достаточной степенью вероятности позволяет нам представить происходившие тогда события. Одним словом мы «висим в космосе и наблюдаем за жизнью одной из газово-пылевых, водородно-гелиевых (с примесью тяжелых элементов) туманностей. Той, которая в будущем даст начало нашей Солнечной системе, Солнцу, Земле и нам с вами. Туманность темна и непрозрачна, как дым. Зловещей невидимкой медленно ползет она на фоне черной бездны, и о ее рваных, размытых очертаниях можно догадываться по тому, как постепенно тускнеют и гаснут за ней далекие звезды. Через некоторое время мы обнаружим, что туманность медленно поворачивается вокруг своего центра, еле заметно вращается. Мы замечаем так же, что она постепенно съеживается, сжимается, очевидно, уплотняясь при этом.

Действует тяготение, собирая к центру частицы туманности. Вращение туманности при этом ускоряется. Если вы хотите понять механику этого явления, вспомните простой земной пример вращающегося на льду спортсмена-фигуриста. Не делая никакого добавочного толчка, он ускоряет свое вращение лишь тем, что руки, до этого распахнутые в стороны, он прижимает к телу. Работает «Закон сохранения количества движения». Идет время. Туманность вращается все быстрее. А от этого возникает и увеличивается центробежная сила, способная бороться с тяготением. Центробежная сила нам хорошо знакома. Она, например, «работает» в любом автобусе, когда на крутом повороте валит стоящих пассажиров. Борьба двух сил, тяготения и центробежной начинается в туманности при ускорении ее вращении. Тяготение сжимает туманность, а центробежная сила стремится раздуть её, разорвать. Но тяготение тянет частицы к центру со всех сторон одинаково. А центробежная сила отсутствует на «полюсах» туманности и сильнее всего проявляется на ее «экваторе». Поэтому именно на «экваторе» она оказывается сильнее тяготения и раздувает туманность в стороны. Туманность, продолжая вращаться все быстрее, сплющивается, из шара превращается в плоскую «лепешку», похожую на спортивный диск. Наступает момент, когда на наружных краях «диска» центробежная сила уравновешивает, а потом и пересиливает тяготение. Клочья туманности здесь начинают отделяться. Центральная часть ее продолжает сжиматься, все ускоряя свое вращение, и от внешнего края продолжают отходить все новые и новые клочья, отдельные газо-пылевые облака.

И вот туманность приобрела совсем другой вид. В середине величаво вращается огромное темное, чуть сплющенное облако, а вокруг него на разных расстояниях плывут по круговым орбитам, расположенным примерно в одной плоскости, оторвавшиеся от него небольшие «облака-­спутники». Последим за центральным облаком. Оно продолжает уплотняться. Но теперь с силой тяготения начинает бороться новая сила - сила газового давления. Ведь в середине облака накапливается все больше частиц вещества. Там возникает «страшная теснота» и «невероятная толчея» частиц. Они мечутся, все сильнее ударяя друг друга. На языке физиков - в центре повышаются температура и давление. Сначала там становится тепло, потом жарко. Снаружи мы этого не замечаем: облако огромно и непрозрачно. Тепло наружу не выходит. Но вот что-то внутри произошло! Облако перестало сжиматься. Могучая сила, возросшего от нагрева газового давления, остановила работу тяготения. Резко пахнуло нестерпимым жаром, как жерла, внезапно открывшейся печи! В глубине черной тучи стали слабо просвечивать рвущиеся наружу клубы тусклого красного пламени. Но все ближе и ярче. Шар величаво кипит, перемешивая вырвавшийся огонь ядра с черным туманом окраин. Испепеляющий жар заставляет нас отпрянуть еще дальше назад. Однако, вырвавшись наружу горячий газ, ослабил противодействие тяготению. Облако снова стало сжиматься. Температура в его центре опять начала расти. Она дошла уже до сотен тысяч градусов! В этих условиях вещество не может быть даже газообразным. Атомы разваливаются на свои части. Вещество переходит в состояние плазмы. Но и плазма - бешеная толчея атомных ядер и электронов - не может выносить нагрев до бесконечности. Когда ее температура поднимется выше 10 миллионов градусов, она как бы «воспламеняется». Удары частиц друг о друга становятся так сильны, что ядра атомов водорода уже не отскакивают друг от друга, как мячики, а врезаются, вдавливаются друг в друга и сливаются друг с другом. Начинается « ядерная реакция». Из каждых четырех ядер атомов водорода образуется одно ядро гелия. При этом выделяется огромная энергия. Такое вот «ядерное горение» водорода началось и в нашем раскаленном шаре. Этот «пожар» теперь уже не остановить. Плазма «разбушевалась». Газовое давление в центре заработало с удесятеренной силой. Плазма рвется наружу, как пар из котла. С чудовищной силой она давит изнутри на внешние слои шара и приостанавливает их падение к центру.

Установилось равновесие. Плазме не удается разорвать шар, разбросать его обрывки в стороны. А тяготению не удается сломить давление плазмы и продолжить сжимание шара. Ослепительно светящийся бело-желтым светом шар перешел в устойчивую стадию. Он стал звездой. Стал нашим Солнцем! Теперь оно будет миллиардами лет, не меняя размера, не охлаждаясь и не перегреваясь, светить одинаково ярким бело-желтым светом. Пока внутри не выгорит весь водород. А когда он весь превратится в гелий, исчезнет «подпорка» внутри Солнца, оно сожмется. От этого температура в его недрах снова повысится. Теперь уже до сотен миллионов градусов. Но тогда «воспламенится» гелий, превращаясь в более тяжелые элементы. И сжатие снова прекратится.

Используя материал книги «Научно-популярная литература» Ю. И.Коптева и С.А. Никитина, а также другие источники, мы узнали, что:

Солнце - центральное тело солнечной системы, представляет собой раскаленный плазменный шар; Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца 1,990" 1 030 кã . (в 332958 раз больше массы Земли). В Солнце сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Солнечный параллакс равен 8,794 ’’ . Расстояние от Земли до Солнца меняется от 1,4710*10 11 м. (в январе) до

1,5210·10]"м. (в июле), составляя в среднем 1,4960·10]"м. Это расстояние принято считать одной астрономической единицей. Средний угловой диаметр Солнца составляет 1919,26", чему соответствует линейный диаметр Солнца, равный 1,392·10 9 м. (в 109 раз больше диаметра экватора Земли). Средняя плотность Солнца 1,41"1 03 кг / м 3 . Ускорение свободного падения на поверхности Солнца составляет 273,98 м/сек 2 . Вторая космическая скорость на поверхности Солнца равна 6,18·10 5 м/сек. Эффективная температура поверхности Солнца, определяемая согласно закону излучения Стефана-Больцмана, по полному излучению Солнца равна 5770К. (рис.2)

История телескопических наблюдений Солнца начинается с наблюдений, выполненных Г.Галлилеем в 1611 году; были открыты солнечные пятна, определен период вращения Солнца вокруг своей оси. В 1843 году немецкий астроном г.Швабе обнаружил цикличность солнечной активности. Развитие методов спектрального анализа позволило изучить физические условия на Солнце. В 1814 году Й. Фраунгофер обнаружил темные линии поглощения в спектре Солнца - это положило начало изучению химического состава Солнца. С 1836 года регулярно ведутся наблюдения затмений Солнца, а также солнечных протуберанцев. В 1913 году американский астроном Дж. Хейл наблюдал зеемановское расщепление фраунгоферовых линий спектра солнечных пятен и этим доказал существование на Солнце магнитных полей. К 1942 году шведский астроном Б.Эдлен и другие отождествили несколько линий спектра солнечной короны с линиями высокоионизированных элементов, доказав этим высокую температуру в солнечной короне. В 1931 году Б.Лио изобрел солнечный коронограф, позволивший наблюдать корону и хромосферу вне затмений. В начале 40-х годов ХХ века было открыто радиоизлучение Солнца. (рис.3)

Существенным толчком для развития физики Солнца во второй половине ХХ века послужило развитие магнитной гидродинамики и физики плазмы. После начала космической эры изучение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца ведется методами внеатмосферной астрономии с помощью ракет, автоматических орбитальных обсерваторий на спутниках Земли, космических лабораторий с людьми на борту. (рис4)

Вращение Солнца вокруг оси происходит в том же направлении, что и вращение Земли, в плоскости, наклоненной на 715" к плоскости орбиты Земли (эклиптике). Скорость вращения определяется по видимому движению различных деталей в атмосфере Солнца и по сдвигу спектральных линий в спектре края диска Солнца вследствие эффекта Доплера. Таким образом, было обнаружено, что период вращения Солнца неодинаков на разных широтах. Положение различных деталей на поверхности Солнца определяется с помощью гелиографических координат, отсчитываемых от солнечного экватора (гелиографическая широта) и от центрального меридиана видимого диска Солнца или от некоторого меридиана, выбранного в качестве начального (так называемого меридиана Каррингтона). При этом считают, что Солнце вращается как твердое тело. Один оборот относительно Земли точки с гелиографической широтой 17 0 совершают за 27,275 суток (синодический период) - 25,38 суток. Угловая скорость вращения j для сидерического вращения изменяется с гелиографической широтой w по закону: w=14,33° - 30 sin 2 j в сутки. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца - около 2000м/сек.

Солнце как звезда является типичным желтым карликом и располагается в средней части главной последовательности звезд на диаграмме Герцшпрунга - Рессела. Видимая фотовизуальная звездная величина Солнца равна - 26,74, абсолютная визуальная звездная величина М у равна +4,83. Спектральный класс Солнца G2V. Скорость движения относительно совокупности ближайших звезд 19,7"103 м/сек. Солнце расположено внутри одной из спиральных ветвей нашей Галактики на расстоянии около 10кпс от её центра. Период обращения Солнца вокруг центра Галактики около 200 миллионов лет. Возраст Солнца - около 5"109 лет. (рис.5)

Внутреннее строение Солнца определено в предположении, что оно является сферически симметричным телом и находится в равновесии. Уравнение переноса энергии, закон сохранения энергии, уравнение состояния идеального газа, закон Стефана - Больцмана и условия гидростатического, лучистого и конвекционного равновесия вместе с определяемым из наблюдений значениями полной светимости, полной массы и радиуса Солнца и данным о его химическом составе дают возможность построить модель внутреннего строения Солнца. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. На основании этих предположений вычислено, что температура в центре Солнца составляет 10"106 К, плотность около 1,5"105 кг/м 3 , давление 3,4*10 16 считается, что источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца, являются ядерные реакции, про исходящие в недрах Солнца. Среднее количество энергии, вырабатываемое внутри Солнца, составляет 1,92 эрг/г/сек. Выделение энергии определяется ядерными реакциями, при которых водород превращается в гелий. На Солнце возможны две группы термоядерных реакций: так называемый протон - протонный (водородный) цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протон-протонный цикл, состоящий из трех реакций, в первой из которых из ядер водорода образуются ядра дейтерия (тяжелый изотоп водорода, атомная масса 2); во второй из ядер водорода образуются ядра изотопа гелия с атомной массой 3 и, наконец, в третьей из них образуются ядра устойчивого изотопа гелия с атомной массой 4. (рис.6)

Перенос энергии из внутренних слоев Солнца в основном происходит путем поглощения электромагнитного излучения, приходящего снизу, и последующего переизлучения. В результате понижения температуры при удалении от Солнца постепенно увеличивается длина волны излучения, переносящего большую часть энергии в верхние слои. Перенос энергии движением горячего вещества из внутренних слоев, а охлажденного внутрь (конвенция) играет существенную роль в сравнительно более высоких слоях, образующих конвективную зону Солнца, которая начинается на глубине порядка 0,2 солнечных радиуса и имеет толщину около 108 м. Скорость конвективных движений растет с удлинением от центра Солнца и во внешней части конвективной зоны достигает (2---,5)- 103 м/с. В еще более высоких слоях (в атмосфере Солнца) перенос энергии опять осуществляется излучением. В верхних слоях атмосферы Солнца (в хромосфере и короне) часть энергии доставляется механическими и магнитогидродинамическими волнами, которые генерируются в конвективной зоне, но поглощаются только в этих слоях. Плотность в верхней атмосфере очень мала, и необходимый отвод энергии за счет излучения и теплопроводности возможен только, если кинетическая энергия этих слоев достаточно велика. Наконец, в верхней части солнечной короны большую часть энергии уносят вещества, движущиеся от Солнца, так называемый солнечный ветер. Температура в каждом слое устанавливается на таком уровне, что автоматически осуществляется баланс энергии: количество приносимой энергии за счет поглощения всех видов излучения, теплопроводностью или движением вещества равно сумме всех энергетических потерь слоя.

Полное излучение Солнца определяется по освещенности, создаваемой им на поверхности Земли, - около 100 тыс.лк., когда Солнце находится в зените. Вне атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца освещенность равна 127 тыс.лк. Сила света Солнца составляет 2,84"1027 свечей. Количество энергии, приходящее в одну минуту на площадку в 1 см 2 , поставленную перпендикулярно солнечным лучам за пределами атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца, называют солнечной постоянной. Мощность общего излучения Солнца ­3,83"1026 ватт, из которых на Землю попадает около 2"1017 ватт, средняя яркость поверхности Солнца (при наблюдении вне атмосферы Земли) составляет 1,98"10 9 нт, яркость центра диска Солнца - 2,48"109 нт. Яркость диска Солнца уменьшается от центра к краю, причем это уменьшение зависит от длины волны, так что яркость на краю диска Солнца для света с длиной волны 3600А составляет 0,2 яркости его центра, а для 5000А - около 0,3 яркости центра диска Солнца. На самом краю диска Солнца Яркость падает в 100 раз на протяжении менее одной секунды дуги, поэтому граница диска Солнца выглядит очень резкой.

Спектральный состав света, излучаемого Солнцем, то есть распределение энергии в центре Солнца (после учета влияния поглощения в земной атмосфере и влияния фраунгоферовых линий), в общих чертах соответствует распределению энергии в излучении абсолютно черного тела с температурой около 6000К. Однако в отдельных участках спектра имеются заметные отклонения. Максимум энергии в спектре Солнца соответствует длине волны 4600А. Спектр Солнца - это не непрерывный спектр, ни на который наложено более 20 тысяч линий поглощения (фраунгоферовых линий). Более 60% из них отождествлено со спектральными линиями известных химических элементов путем сравнения длин волн и относительной интенсивности линии поглощения в солнечном спектре с лабораторными спектрами. Излучение фраунгоферовых линий дает сведения не только о химическом составе атмосферы Солнца, но и о физических условиях в тех слоях, в которых образуются те или иные поглощения. Преобладающим элементом на Солнце является водород. Количество атомов гелия в 4 - 5 раз меньше, чем водорода. Число атомов всех других элементов вместе взятых, по крайней мере, в 1000 раз меньше числа атомов водорода. Среди них наиболее обильны кислород, углерод, азот, магний, железо и другие. В спектре Солнца можно отождествить также линии, принадлежащие некоторым молекулам и свободным радикалам:

ОН, NH, СН, СО и другим.

Магнитные поля на Солнце измеряются главным образом по зеемановскому расщеплению линий поглощения в спектре Солнца. Различают несколько типов магнитных полей на Солнце. Общее магнитное поле Солнца невелико и достигает напряженности в 1 этой или иной полярности и меняется со временем. Это поле тесно связано с межпланетным магнитным полем и его секторной структурой. Магнитные поля, связанные с солнечной активностью, могут достигать в солнечных пятнах напряженности в несколько тысяч э. Структура магнитных полей в активных областях очень запутана, чередуются магнитные полюсы различной полярности. Встречаются также локальные магнитные области с напряженностью поля в сотни э вне солнечных пятен. Магнитные поля проникают и в хромосферу, и в солнечную корону. Большую роль на Солнце играют магнитогазодинамические и плазменные процессы. При температуре 5000 - 10000К газ достаточно ионизирован, проводимость его велика и благодаря огромным масштабам солнечных явлений значение электромеханических и магнитомеханических взаимодействий весьма велико.

Атмосферу Солнца образуют внешние, доступные наблюдателям слои. Почти все излучение Солнца исходит из нижней части его атмосферы, называемой фотосферой. На основании уравнений лучистого переноса энергии, лучистого и локального термодинамического равновесия и наблюдаемого потока излучения можно теоретически построить модель распределения температуры и плотности с глубиной в фотосфере. Толщина фотосферы около трёхсот километров, её средняя плотность 3·10 кг/м 3 . Температура в фотосфере падает по мере перехода к более внешним слоям, среднее её значение порядка 6000 К, на границе фотосферы около 4200 К. Давление меняется от 2·104 до 102 н/м 2 . Существование конвекции в подфотосферной зоне Солнца проявляется в неравномерной яркости фотосферы, видимой её зерни называемой грануляционной структуре. Гранулы представляют собой яркие пятна менее круглой формы. Размер гранул 150 - 1000 КМ, время жизни 5 - 10 минут, отдел, удается наблюдать в течение 20 минут. Иногда гранулы образуют скопления размером до 30 тысяч километров. Гранулы ярче межгранульных промежутков на 20% что соответствует разнице в температуре в среднем на зоок. В отличие от других образований на поверхности Солнца грануляция одинакова на всех гелиографических широтах и н солнечной активности. Скорости хаотических движений (турбулентные скорости) в составляют по различным определениям 1 км/с. В фотосфере обнаружены квазипериодические, колебательные движения в радиальном направлении. Они происходят на площадках ре тысячи километров с периодом около пяти минут и амплитудой скорости порядка 500 м/ нескольких периодов колебания в данном месте затухают, затем могут возникать снова. Наблюдения показали также существование ячеек, в которых движение происходит в горизонтальном направлении от центра ячейки к её границам. Скорости таких движений около 500 м/сек. Размеры ячеек - супергранул составляют 30 тысяч километров. По положению супергранулы совпадают с ячейками хромосферной сетки. На границах супергранул магнитное поле усилено. Предполагают, что супергранулы отражают на глубине несколько тысяч километров под поверхностью конвективных ячеек такого же размера. Первоначально предполагалось, что фотосфера дает только непрерывное излучение, а линии поглощения образуются в расположенном над ней обращающем слое. Позже было установлено, что в фотосфере образуются и спектр линии, и непрерывный спектр. Однако для упрощения математических выкладок при расчете спектральных линий понятие обращающего слоя иногда применяется.

Часто в фотосфере наблюдаются солнечные пятна и факелы. Солнечные пятна – это темные образования, состоящие, как правило, из более темного ядра (тени) и окружающей его полутени. Диаметры пятен достигают двухсот тысяч километров. Иногда пятно бывает окружено светлой каемкой. Совсем маленькие пятна называют порами. Время жизни пятен от нескольких часе нескольких месяцев. В спектре пятен еще больше линий и полос поглощения, чем в спектре фотосферы, он напоминает спектр звезды спектрального класса КО. Смещения линий в спектре пятен из - за эффекта Доплера указывает на движение вещества в пятнах - вытекание на более низких уровнях и втекание на более высоких, скорости движения достигают 3 тысячи м/сек. сравнений интенсивности линий и непрерывного спектра пятен и фотосферы на 1 тысячи градусов (4500 К и ниже). Вследствие этого на фоне фотосферы пятна кажутся темными, яркость ядра составляет 0,2 - 0,5 яркости фотосферы, яркость полутени около 80% фотосферной. Все солнечные пятна обладают сильным магнитным полем, достигающим для крупных пятен напряженности тысяч эстердов. Обычно пятна образуют группы, которые по своему магнитному полю могут быть униполярными, биполярными и мультиполярными, то есть содержащими много пятен различной полярности, часто объединённых общей полутенью. Группы пятен всегда окружены факелами и флоккулами, протуберанцами, вблизи них иногда происходят солнечные вспышки, и солнечной короне над ними наблюдаются образования в виде лучей шлемов, опахал - все это вместе образует активную область на Солнце. Среднегодовое число наблюдаемых пятен и активных областей, а также средняя площадь, занимаемая ими, меняется с периодом около 11 лет.

Это средняя величина, продолжительность же отдельных циклов солнечной активности колеблется от 7,5 до 16 лет. Наибольшее число пятен, одновременно видимых на поверхности Солнца, меняется для различных циклов более чем в два раза. В основном пятна встречаются в так называемых королевских зонах, простирающихся от 5 до 30 0 гелиографической широты по обе стороны солнечного экватора. В начале цикла солнечной активности широта места расположения пятен выше, а в конце цикла - ниже, а на более высоких широтах появляются пятна о цикла. Чаще наблюдаются биполярные группы пятен, состоящие из двух крупных пятен - голов­ного и последующего, имеющих противоположную магнитную полярность, и несколько мелких. Головные пятна имеют одну и ту же полярность в течение всего цикла солнечной активности, эти полярности противоположны в северной и южной полусферах Солнца. По - видимому, пятна представляет собой углубления в фотосфере, а плотность вещества в них меньше плотности вещества в фотосфере на том же уровне.

В активных областях Солнца наблюдаются факелы - яркие фотосферные образования, видимые в белом свете преимущественно вблизи края диска Солнца. Обычно факелы проявляются раньше пятен и существуют некоторое время после их исчезновения. Площадь факельных площадок в несколько раз превышает площадь соответствующей группы пятен. Количество факелов на диске Солнца зависит от фазы цикла солнечной активности. Максимальный контраст (18%) факелы имеют вблизи края диска Солнца, но не на самом краю. В центре диска Солнца факелы практически не видны, контраст их очень мал. Факелы имеют сложную волокнистую структуру, контраст их зависит от длинны волны, на которой проводятся наблюдения. Температура факелов на несколько сотен градусов превышает температуру фотосферы, общее излучение с одного квадратного сантиметра превышает фотосферное на 3%. По-видимому, факелы несколько возвышаются над фотосферой. Средняя продолжительность их существования - 15 суток, но может достигать почти трех месяцев.

Выше фотосферы расположен слой атмосферы Солнца, называемый хромосферой. Без специальных телескопов хромосфера видна только во время полных солнечных затмений как розовое кольцо, окружающее темный диск в те минуты, когда Луна полностью закрывает фотосферу. Тогда можно наблюдать и спектр хромосферы. На краю диска Солнца хромосфера представляется наблюдателю как неровная полоска, из которой выступают отдельные зубчики ­хромосферные спикулы. Диаметр спикул 200 километров, высота порядка 10000 километров, скорость подъема плазмы в спикулах до 30 км/сек. Одновременно на Солнце существует до 250 тысяч спикул. При наблюдении в монохроматическом свете на диске Солнца видна яркая хромосферная сетка, состоящая из отдельных узелков - мелких, диаметром до 1000 км и крупных, диаметром от 2000 до 8000км. Крупные узелки представляют собой скопления мелких. Размеры ячеек сетки - 30 тысяч километров. Полагают, что спикулы образуются на границах ячеек хромосферной сетки. Плотность в хромосфере падает с увеличением расстояния от центра Солнца. Число атомов в одном куб.сантиметре изменяется от 10 15 вблизи фотосферы до 10 9 В верхней части хромосферы. Исследование спектров хромосферы привело к выводу, что в слое, где происходит переход от фотосферы к хромосфере, температура переходит через минимум и по мере увеличения высоты над основанием хромосферы становится равной 8 тысяч Кельвинов, а на высоте в несколько тысяч километров достигает 15 тысяч Кельвинов. Установлено, что в хромосфере имеет место хаотическое движение газовых масс со скоростями до 15·10 3 м/сек. В хромосфере факелы в активных областях видны светлые образования, называемые обычно флоккулами. В красной линии спектра водорода видны темные образования, называемые волокнами. На краю диска Солнца волокна выступают за диск и наблюдаются на фоне неба как яркие протуберанцы. Наиболее часто волокна и протуберанцы встречаются в четырех расположенных симметрично относительно солнечного экватора зонах: полярных севернее +40 0 и южнее -40 0 гелиографической широты и низкоширотных зонах около 30 0 в начале цикла солнечной активности и 17 0 в конце цикла. Волокна и протуберанцы низкоширотных зон показывают хорошо выраженный 11-летний цикл, их максимум совпадает с максимумом пятен. У высокоширотных протуберанцев зависимость от фаз циклы солнечной активности выражена меньше, максимум наступает через два года после максимума пятен. Волокна, являющиеся спокойными протуберанцами, могут достигать длины солнечного радиуса и существовать в течение нескольких оборотов Солнца. Средняя высота протуберанцев над поверхностью Солнца составляет 30 тысяч километров, средняя длинна 200 тысяч километров, ширина 5 тысяч километров. Согласно исследованиям А.Б.Северного, все протуберанцы по характеру движения можно разбить на 3 группы: электромагнитные, в которых движения происходят по упорядоченным искривленным траекториям - силовым линиям магнитного поля; хаотические, в которых преобладают неупорядоченные турбулентные движения (скорости порядка 10 км/сек); эруптивные, в которых вещество первоначального спокойного протуберанца с хаотическими движениями внезапно выбрасывается с возрастающей скоростью (достигающей 700 км/сек) прочь от Солнца. Температура в протуберанцах (волокнах) 5 тысяч Кельвинов, плотность близка к средней плотности хромосферы. Волокна, представляющие собой активные, быстро меняющиеся протуберанцы, обычно сильно изменяются за несколько часов или даже минут. Форма и характер движений в протуберанцах тесно связаны с магнитным полем в хромосфере и солнечной короне.

Солнечная корона - самая внешняя и наиболее разряженная часть солнечной атмосферы, простирающаяся на несколько (более) солнечных радиусов. До 1931 года корону можно было наблюдать только во время полных солнечных затмений в виде серебристо - жемчужного сияния вокруг закрытого Луной Солнца. В короне хорошо выделяются детали её структуры: шлемы, опахала, корональные лучи и полярные щеточки. После изобретения коронографа солнечную корону стали наблюдать и вне затмений. Общая форма короны меняется с фазой цикла солнечной активности: в годы минимума корона сильно вытянута вдоль экватора, в годы максимума она почти сферична. В белом свете поверхностная яркость солнечной короны в миллион раз меньше яркости центра диска Солнца. Свечение её образуется в основном в результате рассеяния фотосферного излучения свободными электронами. Практически все атомы в короне ионизированы. Концентрация ионов и свободных электронов у основания короны составляет 10 9 частиц в 1 см 3 . Нагрев короны осуществляется аналогично нагреву хромосферы. Наибольшее выделение энергии происходит в нижней части короны, но благодаря высокой теплопроводности корона почти изотермична - температура понижается наружу очень медленно. Отток энергии в короне происходит несколькими путями. В нижней части короны основную роль играет перенос энергии вниз благодаря теплопроводности. К потере энергии приводит уход из короны наиболее быстрых частиц. Во внешних частях короны большую часть энергии уносит солнечный ветер - ­поток коронального газа, скорость которого растет с удалением от Солнца от нескольких км/ек у его поверхности до 450 км/сек на расстоянии Земли. Температура в короне превышает 10 6 К. В активных слоях короны температура выше - до 10 7 К. Над активными областями могут образовываться так называемые корональные конденсации, в которых концентрация частиц возрастает в десятки раз. Часть излучения внутри короны - это линии излучения многократно ионизированных атомов железа, кальция, магния, углерода, серы и других химических элементов. Они наблюдаются и в видимой части спектра и в ультрафиолетовой области. В солнечной короне генерируется радиоизлучение Солнца в метровом диапазоне и рентгеновское излучение, усиливающееся во много раз в активных областях. Как показали расчеты, солнечная корона не находится в равновесии с межпланетной средой. Из короны в межпланетное пространство распространяются потоки частиц, образующие солнечный ветер. Между хромосферой и короной имеется сравнительно тонкий переходный слой, в котором происходит резкий рост температуры до значений, характерный для короны. Условия в нем определяются потоком энергии из короны в результате теплопроводности. Переходный слой является источником большей части ультрафиолетового излучения Солнца. Хромосфера, переходной слой и корона дают все наблюдаемое радиоизлучение Солнца. В активных областях структура хромосферы, короны и переходного слоя меняется. Это изменение, однако, ещё недостаточно изучено.(3]

В активных областях хромосферы наблюдаются внезапные и сравнительно кратковременные увеличения яркости, видимые сразу во многих спектральных линиях. Эти яркие образования существуют от нескольких минут до нескольких часов. Они называются солнечными вспышками (прежнее название - хромосферные вспышки). Вспышки лучше всего видны в свете водородной линии, но наиболее яркие видны иногда и в белом свете. В спектре солнечной вспышки насчитывается несколько сотен эмиссионных линий различных элементов, нейтральных и ионизированных. Температура тех слоев солнечной aтмосферы, которые дают свечение в хромосферных линиях (1 -) ·10 4 К, в более высоких слоях - до 10 7 К. Плотность частиц во вспышке достигает 10 13 - 10 14 В одном кубическом сантиметре. Площадь солнечных вспышек может достигать 10 15 м 2 . Обычно солнечные вспышки происходят вблизи быстро развивающихся групп солнечных пятен с магнитным полем сложной конфигурации. Они сопровождаются активизацией волокон и флоккулов, а также выбросами вещества. При вспышке выделяется большое количество энергии (до 10 21 - 10 25 джоулей). Предполагается, что энергия солнечной вспышки первоначально запасается в магнитном поле, а затем быстро высвобождается, что приводит к локальному нагреву и ускорению протонов и электронов, вызывающих дальнейший разогрев газа, его свечение в различных участках спектра электромагнитного излучения, образование ударной волны. Солнечные вспышки дают значительное увеличение ультрафиолетового излучения Солнца, сопровождаются всплесками рентгеновского излучения (иногда весьма мощными), всплесками радиоизлучения, выбросом корпускул высоких энергий вплоть до 10 10 эв. Иногда наблюдаются рентгеновские излучения и без усиления свечения в хромосфере. Некоторые вспышки (они называются протонными) сопровождаются особенно сильными потоками энергичных частиц ­космическими лучами солнечного происхождения. Протонные вспышки создают опасность для находящихся в полете космонавтов, так как энергичные частицы, сталкиваясь с атомами оболочки корабля, порождают рентгеновское и гамма - излучение, причем иногда в опасных дозах.

Глава ПI. ll-летний цикл солнечной активности и его причины

Уровень солнечной активности (число активных областей и солнечных пятен, количество и мощность солнечных вспышек и т. д) изменяется с периодом около 11 лет. Существуют также слабые колебания величины максимумов 11-летнего цикла с периодом около 90лет. На земле 11­летний цикл прослеживается на целом ряде явлений органической инеорганической природы (возмущения магнитного поля, полярные сияния, возмущения ионосферы, изменение скорости роста деревьев с периодом около 11 лет, установленным по чередованиям толщины годовых колец, и т.д.). На земные процессы оказывают также активное воздействие отдельные активные области на Солнце и происходящие в них кратковременные, но иногда очень мощные вспышки. Время существования отдельной магнитной области на Солнце может достигать одного года. Вызываемые этой областью возмущения в магнитосфере и верхней атмосфере Земли повторяются через 27 суток (с наблюдаемым с Земли периодом вращения Солнца). Наиболее мощные проявления происходят нерегулярно (чаще вблизи периодов максимальной активности), длительность их составляет 5 минут, редко несколько часов. Энергия хромосферной вспышки может достигать 10 25 джоулей, из выделяющейся при вспышке энергии лишь 1 % приходится на электромагнитное излучение в оптическом диапазоне. По сравнению с полным излучением Солнца в оптическом диапазоне энергия вспышки не велика, но коротковолновое излучение вспышки и генерируемые при вспышках электроны, а иногда солнечные космические лучи могут дать заметный вклад в рентгеновское и корпускулярное излучение Солнца. В периоды повышения солнечной активности его рентгеновское излучение увеличивается в диапазоне 30 нм В два раза, в диапазоне 10 нм в 3 раза, в диапазоне 1 - 0,2 нм более чем в сто раз. По мере уменьшения длины волны излучения вклад активных областей в полное излучение Солнца увеличивается, и в последнем из указанных диапазонов практически все излучение обусловлено активными областями. Жесткое рентгеновское излучение с длиной волны меньше 0,2 нм появляется в спектре Солнца всего лишь на короткое время после вспышек.

В ультрафиолетовом диапазоне (длина волны 180 нм) излучение Солнца за 11-летний цикл меняется всего на 1 %, а в диапазоне 290 нм остается практически постоянным и составляет 3,6 . 10 26 ватт.

Постоянство энергии, получаемой Землей от Солнца, обеспечивает стационарность теплового баланса Земли. Солнечная активность существенно не сказывается на энергетике Земли как планеты, но отдельные компоненты хромосферных вспышек могут оказывать значительное влияние на многие физические, биофизические и биохимические процессы на Земле.

Активные области являются мощным источником корпускулярного излучения. Частицы с энергиями около 1 кэв (в основном протоны), распространяющиеся вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля из активных областей усиливают солнечный ветер. Эти усиления (порывы) солнечного ветра повторяются через 27 дней и называются рекуррентными. Аналогичные потоки, но ещё большей энергии и плотности, возникают при вспышках. Они вызывают так называемые спорадические возмущения солнечного ветра и достигают Земли за интервалы времени от 8 часов до 2 суток. Протоны высокой энергии (от 100Мэв до1 Гэв) от очень сильных «протонных» вспышек и электроны с энергией 10 кэв, входящие в состав солнечных космических лучей, приходят к Земле через десятки минут после вспышек; несколько позже приходят те из них, которые попали в «ловушки» межпланетного магнитного поля и двигались вместе с солнечным ветром. Коротковолновое излучение и солнечные космические лучи (в высоких широтах) ионизируют земную атмосферу, что приводит к колебаниям её прозрачности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, а также к изменениям условий распространения коротких радиоволн (в ряде случаев наблюдаются нарушения радиосвязи).

Усиление солнечного ветра, вызванное вспышкой, приводит к сжатию магнитосферы Земли с солнечной стороны, усилению токов на её внешней границе, частичному проникновению частиц солнечного ветра в глубь магнитосферы, пополнению частицами высоких энергий радиационных поясов Земли и т.д. Эти процессы сопровождаются колебаниями напряженности геомагнитного поля (магнитной бурей), полярными сияниями и другими геофизическими явлениями, отражающими общее возмущение магнитного поля земли. Воздействие активных процессов на Солнце (солнечных бурь) на геофизические явления осуществляется как коротковолновой радиацией, так и через посредство магнитного поля Земли. По-видимому, эти факторы являются главными и для физико-химических и биологических процессов. Проследить всю цепь связей, приводящих к 11-летней периодичности многих процессов на Земле пока не удается, но накопленный обширный фактический материал не оставляет сомнений в существовании таких связей. Так была установлена корреляция между 11-летним циклом солнечной активности и землетрясениями, урожаями сельхозкультур, числом сердечнососудистых заболеваний и Т.д. Эти данные указывают на постоянное действие солнечно - земных связей.

Используя данные Тбилисской Астрономической обсерватории, мы попытались построить наглядную картину изменения солнечной активности в период с 1655 по 1944г. и узнали, что:

Наблюдения Солнца ведутся с помощью рефракторов небольшого или среднего размера и больших зеркальных телескопов, у которых большая часть оптики неподвижна, а солнечные лучи направляются внутрь горизонтальной или башенной установки телескопа при помощи одного или двух движущихся зеркал. Создан специальный тип солнечного телескопа - внезатменный коронограф. Внутри коронографа осуществляется затемнение Солнца специальным непрозрачным экраном. В коронографе во много раз уменьшается количество рассеянного света, поэтому можно наблюдать вне затмения самые внешние слои атмосферы Солнца. Солнечные телескопы часто снабжаются узкополосными светофильтрами, позволяющими вести наблюдения в свете одной спектральной линии. Созданы также нейтральные светофильтры с переменной прозрачностью по радиусу, позволяющие наблюдать солнечную корону на расстоянии нескольких радиусов Солнца. Обычно крупные солнечные телескопы снабжаются мощными спектрографами с фотографической или фотоэлектрической фиксацией спектров. Спектрограф может иметь также магнитограф ­прибор для исследования Зеемановского расщепления и поляризации спектральных линий и определения величины и направления магнитного поля на Солнце. Необходимость устранить замывающее действие земной атмосферы, а также исследования излучения Солнца в ультрафиолетовой, инфракрасной и некоторых других областях спектра, которые поглощаются в атмосфере Земли, привели к созданию орбитальных обсерваторий за пределами атмосферы, позволяющих получать спектры Солнца и отдельных образований на его поверхности вне земной атмосферы.

Время от времени в солнечной атмосфере появляются активные области, число которых регулярно меняется с циклом в среднем около 11 лет.

О возникновении активной области свидетельствуют солнечные пятна, наблюдаемые в фотосфере. Они возникают в виде маленьких черных точек - пор. За несколько дней поры превращаются в крупные темные образования. Обычно пятно окружено менее темной полутенью, состоящей из радиально вытянутых прожилок. Пятно кажется как бы «дыркой» на поверхности Солнца, но такой большой, что в неё свободно можно закинуть «мячик» размером с Землю.

Если наблюдать Солнце изо дня в день, то по перемещению пятен можно убедиться, что оно вращается вокруг своей оси и примерно через 27 суток то или иное пятно снова возвращается почти на то же место солнечного диска. На разных широтах скорость вращения Солнца различна, вблизи экватора вращение быстрее, а у полюсов медленнее.

До возникновения пятен на небольшом участке фотосферы появляется область - факел, лучше всего наблюдаемая на краю диска Солнца. Факелы на несколько сот Кельвинов горячее фотосферы. Атмосфера над факелами также горячее и плотнее. Пятна всегда окружены факелами, которые в центральной части солнечного диска почти незаметны. По мере разрастания факела в активной области постепенно усиливается магнитное поле, особенно на некотором малом участке, где в дальнейшем может образоваться пятно. Пятна обладают сильным магнитным полем, останавливающим всякое движение ионизированного газа. Поэтому в области пятна под фотосферой прекращается обычная конвекция и тем самым прекращается дополнительный перенос энергии из более глубоких слоев наружу. Температура пятна оказывается примерно на 1000К ниже, чем окружающей фотосферы, на фоне которой оно кажется темным. Появление факела также объясняется магнитным полем, но только более слабым. Когда оно не способно остановить конвекцию, тормозится лишь беспорядочный характер движений поднимающихся струй газа в конвективной зоне. Поэтому в факеле горячие газы легче поднимаются из глубины и делают его ярче окружающей фотосферы.

Размеры и само местоположение активной области пятен и факелов тесно связаны с конвективной зоной: тень отдельного пятна покрывает одну или несколько ячеек промежуточного яруса конвективной зоны, расположенных, как правило, в узлах (местах пересечения границ) гигантских ячеек самого глубокого яруса. Обычно пятна возникают целыми группами, из которых выделяются два наиболее крупных пятна - одно на восточном, а другое на западном краю группы, обладающих противоположной полярностью магнитного поля. Такие группы пятен называются биполярными. Область, занятая всей биполярной группой, совпадает по размерам с гигантской ячейкой конвективной зоны.

В хромосфере и короне над активной областью наблюдается много очень интересных явлений.

К ним относятся хромосферные вспышки и протуберанцы.(рис.9)

Вспышки - один из самых быстрых процессов на Солнце. Обычно они начинаются с того, что за несколько минут яркость в некоторой точке активной области, особенно в лучах, испускаемых атомами водорода и ионами кальция, сильно возрастает. Бывали очень сильные вспышки, которые по яркости превышали ослепительную фотосферу. После возгорания в течение нескольких десятков минут свечение постепенно ослабляется, вплоть до исходного состояния. Вспышки возникают из - за особых изменений магнитных полей, приводящих к внезапному сжатию вещества хромосферы.(рис.10) Происходит нечто подобное взрыву, и образуется направленный поток очень быстрых заряженных частиц и космических лучей. Этот поток, проходя через корону, увлекает с собой частицы плазмы; частицы приходят в колебание и испускают радиоволны.

Небольшая область, занятая вспышкой (всего лишь несколько сотен тысяч квадратных километров), создает очень мощное излучение. Оно состоит из рентгеновских, ультрафиолетовых и видимых лучей, радиоволн, быстрых частиц (корпускул), движущихся со скоростями в тысячи километров в секунду, и космических лучей. Все эти виды излучения оказывают сильное воздействие на земную атмосферу, особенно на верхние её слои.

Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи первыми достигают Земли, прежде всего верхних, ионизированных слоев её атмосферы - ионосферы. От состояния земной ионосферы зависит распространение радиоволн и слышимость радиопередач. Под воздействием солнечных ультрафиолетовых и рентгеновских лучей увеличивается ионизация ионосферы. В нижних её слоях начинают сильно поглощаться короткие радиоволны. Из-за этого происходит замирание слышимости радиопередач на коротких волнах. Одновременно ионосфера приобретает способность лучше отражать длинные радиоволны. Поэтому во время вспышки на Солнце можно обнаружить внезапное усиление слышимости далекой радиостанции, работающей на длинной волне.

Поток частиц - корпускул достигает Земли примерно лишь через сутки после того, как на Солнце произошла вспышка. «Продираясь» через солнечную корону, корпускулярный поток вытягивает её вещество в длинные, характерные для её структур лучи.

Вблизи Земли поток корпускул встречается с магнитным полем Земли, не пропускающим заряженные частицы. Однако трудно остановить частицы, мчащиеся с огромной скоростью. Они прорывают преграду и как бы вдавливаются магнитные силовые линии, окружающие земной шар. От этого на земле происходит так называемая магнитная буря, заключающаяся в быстрых и неправильных изменениях магнитного поля. Во время магнитных бурь стрелка компаса совершает беспорядочные колебания, и пользоваться им невозможно.

Подходя к Земле, поток солнечных частиц врывается в окружающие Землю слои очень быстро заряженных частиц, образующих радиационные пояса. Пройдя эти пояса, некоторые солнечные частицы прорываются глубже, в верхние слои атмосферы, и вызывают очень красивые свечения воздуха - полярные сияния.

Таким образом, вспышки на Солнце приводят к важным последствиям и тесно связаны с различными явлениями, происходящими на Земле. В короне над активной областью также происходят интересные явления. Порой вещество короны начинают ярко светиться и можно видеть, как его потоки устремляются в хромосферу. Эти гигантские облака раскаленных газов, протяженностью в десятки тысяч километров, называются протуберанцами.(рис.9) Протуберанцы поражают разнообразием форм, богатой структурой, сложными движениями отдельных узлов и внезапными изменениями, которые сменяются длительными периодами спокойного существования. Протуберанцы плотнее и холоднее окружающей их короны и имеют такую же температуру, как и хромосфера. На возникновение и движение протуберанцев влияют магнитные поля. По-видимому, эти поля - основная причина всех активных явлений, происходящих в солнечной атмосфере.

С магнитными полями связана цикличность солнечной активности. Её легко заметить, если день за днем подсчитывать имеющиеся на Солнце пятна. В начале цикла пятен совсем или почти совсем нет. Эта эпоха называется минимумом. Затем пятна появляются вдали от солнечного экватора. Постепенно их число, а также количество биполярных групп увеличивается, и пятна возникают все ближе и ближе к экватору. Через 3-4 года наступает максимум солнечных пятен, отличающийся наибольшим количеством активных образований на Солнце. Затем солнечная активность спадает, и примерно через 11 лет наступает минимум.

На протяжении всего цикла солнечной активности сохраняется одна и та же последовательность полярности биполярных групп, причем противоположная в северном и южном полушариях Солнца. Так, например, если в северном полушарии в течение всего цикла все западные пятна групп (называемые ведущими) имеют северную полярность, то восточные пятна (хвостовые) имеют южную полярность. В южном полушарии - наоборот. В следующем цикле последовательность полярностей обязательно меняется на противоположную.

Периодичность солнечной активности пока ещё остается увлекательной загадкой Солнца.

Только в последние годы удалось приблизиться к ее решению. По-видимому, она связана со сложным взаимодействием ионизированного вещества Солнца и общего его магнитного поля. Результат этого взаимодействия - периодическое усиление магнитных полей, приводящее к появлению солнечных пятен и других активных образований.

Солнце - одна из бесчисленных звезд, самосветящихся, горячих газовых шаров. Поэтому, изучая Солнце, мы познаем процессы, которые должны происходить и на многих других звездах, из-за удаленности пока еще недоступных такому подробному изучению.

Глава IV. Экспериментальная часть.

Исследуя поведение Солнца в последние годы и, связав наличие солнечных пятен с одиннадцатилетним циклом солнечной активности, я рассчитала площадь одного из пятен на Солнце. Для расчета нужны дополнительные данные позиционного угла и географической широты центрального солнечного диска.

Для пользования ортографической сеткой необходимо знать позиционный угол β и геометрическую широту β о центра солнечного диска. Эти данные имеются в астрономическом календаре ежегоднике.

Позиционный угол Р, отсчитанный от точки центра – этот угол, определяющий положение проекции.

Подсчитаем площадь пятен: α n = 0.2 мм

Д з = 12800км.

R с = 109 R з

R = з 6400км

R = с изобр 5см

R n =0,1 мм(изобр)

R с – R з (изобр)

R n – R n (изобр)

R = R с * R п из - 109 * Rз * 0,1 = 109 * 6400 =1395, 2км

n ,

R сизобр 50 500

R n =0,218 R з

Это пятно в 20 раз больше радиуса Земли

S= пR 2 = з, 14(0,22R з )2=0,222(3, 14·R 2 с ) =0,22 2 ·S з =0,05·S з Sn=0,05·3,14·6400 2 =643·10 4 (KM 2 )

Теперь определим солнечную активность. Она определяется с 1748 года числом пятен. Вольф ввел для определения пятен число, которое названо числом Вольфа:

W=K(f + 10q)

К - число, характеризующее способность телескопа.f - это число пятен; q - число групп пятен.

q=2 W=7+ 10·2=27 f =7

Пик≈200пятен

Для определения солнечных пятен с учетом чисел Вольфа с 1940 - 2005г. мы построили график.[l]

Из графика видны максимумы и минимумы, наблюдаемые через одиннадцать лет. В 2005г. число пятен из-за большой солнечной активности должно достигнуть пика примерно 200 пятен.

Анализируя лабораторные данные построил график солнечных пятен с учетом числа Вольфа с 1850-1940гг. И график , показывающий эпоху минимального цикла солнечной активности 80-90 - летнего цикла за 1632 -1947 годы по Гинзбургу.

Заключение.

Исследования в данной области астрофизики очень важны.

Во-первых экспериментально обнаружилось не предсказанное теорией явление модуляции космических лучей солнцем. Во-вторых исследования 11-летнего цикла солнечной активности связаны со вспышками на солнце и с различными явлениями, происходящими на Земле. Эти исследования позволяют анализировать явления потепления на Земле и спада температур с определённой периодичностью. Исходя из данных исследований можно предположить, что потепление на планете связано с периодом увеличения солнечной активности. В последние 2 года мы наблюдаем постепенный спад солнечной активности, потепление на Земле будет значительно ниже, чем в предыдущие годы когда Солнце находилось в пике своей активности.

Таким образом возможности экспериментальной астрофизики очень важны как для исследования, изучения уникальных мощных явлений, так и радиационной истории солнечной системы и галактики в целом.

Список использованной литературы

1. Гинзбург В.Л., Сыровский с.И., «Происхождение космических лучей и вариации Солнца» // Москва, 1963г.

2.Гинзбург в.л., «Исследование 11-летнего цикла солнечной активности» // Москва, 1968г.

Дорман Л.И. «Вариации космических лучей и исследование космоса» // Москва, 1969г. 4. Дорман Л.И., Мирошниченко Л.И. «Солнечные космические лучи» // Москва, 1968г.

5. Дорман Л.И., Смирнов В.С., Тясто М.И. «Космические лучи в магнитном поле Земли» // Москва, 1971г.

Коптев Ю.И., Никитин С.А. Сборник. Научно - популярная литература // Москва, 1987г.

Климишин И.А. «Астрономия наших дней» // Москва, 1976г.

Наблюдение за Солнцем велось с момента появления самого человека, однако с развитием технологий все более человечество приближалось к понимаю его природы. Возникновение телескопа в 17 веке повлекло за собой открытие солнечных пятен – совершенно неожиданного на тот момент явления, так как Солнце считалось неким идеалом, который не способен иметь какие-либо недостатки, особенно пятна. Несмотря на большие сомнения по поводу существования пятен на Солнце, один из первооткрывателей их – Галилео Галилей начал вести наблюдение за пятнами. Это привело к тому, что было обнаружена периодичное изменение их количества. Так наибольшее количество пятен наблюдалось примерно каждые 11 лет.

То есть в некоторый момент, когда количество пятен достигает максимального количества называется годом максимума пятен. Вслед за максимумом начинается уменьшение количества солнечных пятен, и в среднем через шесть лет можно наблюдать минимальное количество пятен. Далее их число снова начинает возрастать.

Чтобы вести счет солнечных циклов было принято, что максимум, наблюдаемый в 1761-м году является максимумом первого цикла Солнца.

В связи с циклами Солнца были замечены периодические изменения и других солнечных явлений. К таким относятся другие объекты, возникающие на Солнце – флоккулы, факелы и протуберанцы. Флоккулы – яркие и плотные волокнистые образования в одном из слоев Солнца – хромосфере. Факелы – яркие поля, которые обычно окружают солнечные пятна. Количество обоих этих наблюдаемых объектов меняется так же, как и количество пятен, и в те же годы достигает максимума и минимума.

Другим явлением, которое также имеет 11-летний период, являются протуберанцы – пучки солнечного вещества, которые поднимаются над поверхностью звезды и некоторое время находятся в таком положении посредством воздействия магнитного поля Солнца. Однако, в отличие от флоккул и факелов, наибольшее количество протуберанцев наблюдается не в годы максимума Солнца, а за 1-2 года до этого.

Еще одно явление, которое, как оказалось, изменяется с 11-летним периодом это форма солнечной короны – внешний слой Солнца, который можно частично наблюдать без специального инструментария, закрыв перед собой нашу звезду круглым предметом, например, монеткой. В годы максимума она имеет наибольшее развитие и ее многочисленные пучки лучей и струй расходятся во всех направлениях, образуя сияние примерно округлых очертаний. В годы минимума она оказывается состоящей только из двух ограниченных пучков, распространяющихся в плоскости экватора.

В связи с периодизацией наблюдаемых вышеупомянутых явлений, которые хоть и имеют одинаковый период, отличаются своими годами максимума/минимума, принято говорить не об одиннадцатилетнем периоде пятен, а об одиннадцатилетнем периоде солнечной активности. Под этим подразумевается как вся совокупность наблюдаемых на Солнце образований и явлений, так и неизвестная нам причина, заставляющая их периодически меняться.

Причина циклов Солнца

Несмотря на то, что солнечные явления несомненно изменяются периодично, 11 лет – это лишь среднее значение такого периода, который может расположиться в диапазоне от 7-ми до 17-ти лет.

Известно, что Солнце влияет не только на освещенность и температуру Земли, но также и на ее магнитное поле. Так иногда можно наблюдать неправильные, как бы случайные, колебания стрелки в ту или другую сторону. В разные дни они достигают разной величины. Бывают дни, когда амплитуда колебаний настолько значительна, что колебания можно наблюдать даже при помощи обычного компаса. Такие быстрые изменения земного магнетизма называются магнитными бурями. Энергия магнитных бурь изредка даже способна вызывать аварии в электрических сетях.

Если подсчитать число магнитных бурь за каждый год, а потом построить график, представляющий ход годвого числа бурь со временем, то получится кривая с максимумами, чередующимися через 11 лет. На данном графике I – амплитуды суточных колебаний склонения магнитной стрелки, II – амплитуды суточных колебаний горизонтальной составляющей магнитного поля, III – относительные числа солнечных пятен.

График солнечного цикла

Таким образом, причина, вызывающая периодизацию солнечных пятен, также периодично влияет на изменение магнетизма Земли. Кроме того, было замечено, что магнитная буря случается чаще всего после того, как через середину видимого полушария Солнца проходи группа крупных и бурно развивающихся пятен.

Позже была заметна и 11-летняя периодичность количества полярных сияний, и некоторых других явлений, протекающих в атмосфере Земли. Примечательно, что указанные изменения на Земле запаздывают против соответствующих им явлений на Солнце примерно на 1-2 суток. Так как солнечный свет доходит до Земли за 8 минут, причина периодизации указанных явлений на Земле не связана с ним.

В связи с развитием технологий, в 1908-м году американский астроном Джордж Хейл обнаружил магнитное поле Солнца. Дальнейшее его изучение привело к тому, что именно магнитное поле нашей звезды, а также его изменения вызывают описанные выше явления.

Периодизация магнитного поля Солнца

Изучение связи магнитного поля Солнца с явлением солнечных пятен привело к следующему выводу: пятна возникают в результате «пронизывания» магнитными линиями верхних слоев Солнца. Дальнейшее изучение природы других солнечных явлений и образований также позволило обнаружить связь этих явлений и изменениями магнитного поля Солнца. Вскоре подробное изучение самого магнитного поля и его силовых линий привело к следующей картине его динамики.

В начале магнитного цикла Солнца, что есть серединой цикла солнечных пятен, имеется магнитное поле некоторой формы, силовые линии которого постепенно «наматываются» на поверхность нашей звезды вследствие того, что экваториальные области вращаются быстрее, нежели полярные. Со временем они «запутываются» и в некоторый момент начинают пронизывать поверхность Солнце во множестве точек, которые обычно расположены ближе к экватору. Именно в этот момент наблюдается максимальное количество солнечных пятен, причем подавляющее большинство которых располагается ближе к экватору. Таким образом пятна образуются вследствие пронизывания магнитными линиями верхних слоев Солнца.

Далее часть магнитного поля как бы отрывается и отбрасывается от Солнца, увлекая за собой часть звездного вещества, которую составляют в основном заряженные частицы. Этот поток заряженных частиц и называется солнечным ветром, который в дальнейшем влечет изменения природных явлений на Земле. После «отрыва» от магнитного поля некоторой его части, происходит так называемая смена направления азимутального поля, то есть магнитное поле как «переворачивается». Это является концом 11-летнего цикла магнитного поля Солнца и серединой цикла солнечных пятен. Таким образом, полный солнечный цикл составляет около 22-х лет, по истечению которых магнитное поле Солнца возвращается к исходному положению.

Согласно модели, называющейся Солнечное динамо, наша звезда самостоятельно генерирует магнитное поле в результате осесимметричного вращения ее различных слоев, которые представлены в виде плазмы, по определению имеющей заряд.

Магнитное поле солнца

Другие солнечные циклы

Помимо 11-тилетнего и 22-хлетнего солнечных циклов наблюдаются и другие периодичные изменения солнечной активности. Так, например, солнечные максимумы и минимумы также демонстрируют колебания в масштабах века, что называется «цикл Гляйсберга» и имеет период 70 — 100 лет. Существует также двухсотлетний солнечный цикл («цикл Зюсса» или «цикл де Врие»), минимум которого называется «глобальным» и определяется как заметное снижение солнечной активности в течении десятков лет раз в два века.

Примечательно, что во время «глобальных минимумов» наблюдается не только уменьшение количества солнечных пятен, но также и значительные похолодания на Земле. Наиболее известным таким периодом является минимум Маундера (1645-1715), во время которого длился так называемый «малый ледниковый период». Однозначная взаимосвязь этих явлений не обнаружена, однако наблюдается совпадение (корреляция) вековых солнечных циклов с изменениями температуры на Земле. Причины самих вековых циклов Солнца также явно не определены. Вполне вероятно, что эти циклы вызваны не природой звезды, а динамикой неких внешних объектов, например, вращением крупного звездного скопления в центре Млечного Пути.

Нашей звезды временами меняется, и происходит это с определённой периодичностью. Эти периоды и называют солнечными циклами. За солнечные циклы отвечает магнитное поле звезды. Вращение Солнца отличается от вращения твёрдых тел. Разные области звезды обладают различными скоростями, что и определяет величину поля. И оно проявляется в солнечными пятнами. Каждый цикл характеризуется сменой полярности магнитного поля.

Известные циклы активности

Одиннадцатилетний

Этот период активности Солнца самый известный и более изученный. Также его называют законом Швабе-Вольфа, отдавая дань первооткрывателю этой периодичности светила. Название «одиннадцатилетний» несколько условно для данного цикла. Продолжительность его, например, в XVIII – XX веках колебалась от 7 до 17 лет, а в веке ХХ среднее значение составило 10,5 лет. В первые четыре года цикла происходит активное увеличение количества солнечных пятен. Также учащаются вспышки, число волокон и протуберанцев. В следующий период (около семи лет) количество пятен и активность уменьшаются. 11-летние циклы имеют различные высоты в максимумах. Их принято измерять в относительных числах Вольфа. Самым высоким индексом за всё время наблюдений отметился 19-й цикл. Его значение составило 201 единица, при минимуме около 40.

Двадцатидвухлетний

По сути, это двойной цикл Швабе. Он связывает пятна и магнитные поля звезды. Каждые 11 лет изменяется знак магнитного поля и положение магнитных полярностей групп пятен. Для возврата общего магнитного поля в начальное положение требуется два цикла Швабе, или 22 года.

Вековой

Этот цикл продолжается от 70 до 100 лет. Это модуляция одиннадцатилетних циклов. В середине прошлого века был максимум такого цикла, и следующий придётся на середину века нынешнего. Отмечена и двухвековая цикличность. В её минимумы (периоды около 200 лет) наблюдаются устойчивые ослабления солнечной активности. Они длятся десятки лет и носят название глобальных минимумов.

Также существуют циклы в 1000 и 2300 лет.

Влияние на нашу жизнь

Как считает М. Гухатхакурта, астрофизик НАСА, не только солнечные максимумы воздействуют на нашу жизнь, но и минимумы тоже. Чередование фаз изменения солнечной активности имеет свою специфику и вредные последствия. В солнечные циклы, на максимумах, обостряются риски сбоя в работе различного оборудования. Более интенсивное ультрафиолетовое облучение нагревает атмосферу, увеличивая её объём. Усиливается лобовое сопротивление, воздействующее на спутники и на МКС. Они мощнее притягиваются к Земле, и приходится корректировать их орбиты. Но от этого есть и некоторая польза: Из-за усиления притяжения космический мусор также устремляется к планете, сгорая в плотных атмосферных слоях.

В минимумы циклов интенсивность ультрафиолетового излучения падает, и от этого атмосфера охлаждается и уменьшается в объёме. Солнечный ветер ослабевает, но усиливается поток .

Опубликованы данные норвежских учёных, из которых вытекает, что люди, рождённые в год спокойного Солнца, живут дольше примерно на 5 лет. Были отслежены время рождения и смерти 8600 человек в двух населённых пунктах за период от 1676 до 1878 годов. Этот период выбрали потому, что на него существуют данные за 11-летний цикл активности Солнца. Но механизм влияния активности Солнца на продолжительность жизни пока не ясен.

С цикличностью солнечной активности тесно связаны глобальные события, происходящие на нашей планете. Самые известные эпидемии чумы, холеры, а также учащение наводнений и засух приходятся именно на максимумы активности Солнца. С этим явлением связываются и социальные потрясения. Революции и большие войны тоже укладываются в систему цикличности.

Сбои циклов

Но не всё вписывается в рамки цикличности. Солнце имеет свой характер, и иногда проявляется его своеобразие. Например, 23-й солнечный цикл должен был завершиться в 2007 – 2008 годах. Но не завершился, и чем вызван такой феномен, пока не понятно. Получается, что солнечные циклы – незакономерная закономерность нашего светила.

В 2012 году, вместо предполагаемого максимума активности, она упала ниже отметки 2011 года. Весь последний уровень солнечной активности в 4 раза ниже высших значений, известных за 260 лет наблюдений.

С середины 2006 до середины 2009 годов Солнце было в глубоком минимуме. Этот период характерен несколькими рекордами спада активности. Отмечались наименьшие показатели скорости солнечного ветра. Наблюдалось максимальное число дней без пятен. Активность вспышек упала к нулю. Из этого вытекают возможные варианты дальнейшего поведения Солнца. Если считать, что в каждом цикле звезда высвобождает определенное количество энергии, то после нескольких лет пассивности, она должна эту энергию выбросить. То есть, новый цикл должен быть очень быстрым и достичь высочайших значений.

Предельно высокие максимумы за все годы наблюдений не фиксировались. А вот исключительные минимумы отмечались. Из этого следует, что провал активности – намёк на сбой солнечных циклов.

Как известно 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?

Прежде чем отвечать на этот вопрос, напомню вкратце, что же такое солнечная активность. В Большой Советской Энциклопедии данному термину дается следующее определение: Солнечная активность - совокупность явлений наблюдаемых на Солнце… К этим явлениям относятся образование солнечных пятен, факелов, протуберанцев, флоккулов, волокон, Изменением интенсивности излучения во всех участках спектра.

В основном эти явления связанны с тем, что на солнце имеются участки с отличающимся от общего магнитным полем. Данные области называются активными. Их количество, размеры, а так же распределение их на Солнце не являются постоянными, а изменяются со временем. Следовательно, со временем, меняется, и активность нашего дневного светила. Причем это изменение активности циклическое. Так вкратце можно пояснить суть предмета нашего разговора.

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. Также предполагается существовании 22, 44 и 55 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 глины, сталактитам, залежам 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.

Но зачем уделять так много внимания изучению активности Солнца? Ответ заключается в том, что наше дневное светило оказывает огромное влияние на землю и на земную жизнь.

Увеличение интенсивности так называемого "солнечного ветра" - потока заряженных частиц - корпускул - испускаемых Солнцем, может вызвать не только прекрасные полярные сияния, но и возмущения в магнитосфере земли - Магнитные бури - которые влияют не только на оборудование, что может привести к техногенным авариям, Нои непосредственно не здоровье человека. Причем не только физическое, но и психическое.

В периоды максимума, например, учащаются случаи самоубийств. Активность солнца влияет так же на урожайность, рождаемость и смертность, и многое другое.

Вообще любой астроном - любитель может, проводя регулярные наблюдения Солнца сравнивать ее график с графиками интенсивности каких либо явлений связанных с атмосферой, биосферой и другие.

11-летний цикл. («цикл Швабе» или «цикл Швабе-Вольфа») является наиболее заметно выраженным циклом солнечной активности. Соответственно, утверждение о наличии 11-летней цикличности в солнечной активности иногда называют «законом Швабе-Вольфа».

На примерно десятилетнюю периодичность в увеличении и уменьшении количества солнечных пятен на Солнце впервые обратил внимание в первой половине XIX века немецкий астроном Г. Швабе, а затем -- Р. Вольф. «Одиннадцатилетним» цикл называют условно: его длина за XVIII--XX века менялась от 7 до 17 лет, а в XX веке в среднем была ближе к 10,5 годам.

Этот цикл характеризуется довольно быстрым (в среднем примерно за 4 года) увеличением числа солнечных пятен, а также другими проявлениями солнечной активности, и последующим, более медленным (около 7 лет), его уменьшением. В ходе цикла наблюдаются и другие периодические изменения, например -- постепенное сдвижение зоны образования солнечных пятен к экватору («закон Шпёрера»).

Для объяснения подобной периодичности в возникновении пятен обычно используется теория солнечного динамо.

Хотя для определения уровня солнечной активности можно использовать различные индексы, чаще всего для этого применяют усреднённое за год число Вольфа. Определённые с помощью этого индекса 11-летние циклы условно нумеруются начиная с 1755 года. 24-й цикл солнечной активности начался в январе 2008 года (по другим оценкам -- в декабре 2008 или январе 2009 года ).

22-летний цикл («цикл Хейла») является, в сущности, удвоенным циклом Швабе. Он был открыт после того, как в начале XX века была понята связь между солнечными пятнами и магнитными полями Солнца.

При этом оказалось, что за один цикл пятенной активности общее магнитное поле Солнца меняет знак: если в минимуме одного цикла Швабе фоновые магнитные поля преимущественно положительны вблизи одного из полюсов Солнца и отрицательны -- вблизи другого, то примерно через 11 лет картина меняется на противоположную.

Каждые 11 лет меняется и характерное расположение магнитных полярностей в группах солнечных пятен. Таким образом, для того, чтобы общее магнитное поле Солнца вернулось к своему исходному состоянию, должно пройти два цикла Швабе, то есть около 22 лет.

Вековые циклы активности Солнца по радиоуглеродым данным.

Вековой цикл солнечной активности («цикл Гляйсберга») имеет длину около 70--100 лет и проявляется в модуляциях 11-летних цикла. Последний максимум векового цикла наблюдался в середине XX века (вблизи 19-го 11-летнего цикла), последующий должен прийтись примерно на середину XXI века.

Наблюдается также двухвековой цикл («цикл Зюсса» или «цикл де Врие»), в качестве минимумов которого можно рассматривать происходящие примерно раз в 200 лет устойчивые снижения солнечной активности, длящиеся многие десятки лет (так называемые глобальные минимумы солнечной активности) -- минимум Маундера (1645--1715), минимум Шпёрера (1450--1540), минимум Вольфа(1280--1340) и другие.

Тысячелетние циклы. Солнечный цикл Холлстатта с периодом 2 300 лет по данным радиоуглеродного анализа.

Радиоуглеродный анализ указывает также на существование циклов с периодом около 2300 лет («цикла Холлстатта») и более.

Целых одиннадцать дней на Солнце, вопреки известной поговорке, нет ни одного пятна. Это значит, что наша звезда вступает в период минимальной активности и в течение ближайшего года магнитные бури и рентгеновские вспышки станут редкостью. О том, что происходит с Солнцем, когда его активность вновь возрастет и чем объясняются эти спады и подъемы, мы попросили рассказать сотрудника Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, доктора физико-математических наук Сергея Богачева.

Сегодня на Солнце пятен нет

Среднемесячное число Вольфа на Солнце - индекс, которым ученые измеряют число солнечных пятен - за первые три месяца 2018 года опустилось ниже значения 10. До этого в 2017 году оно держалось на уровне 10–40, в еще годом ранее в отдельные месяцы достигало 60. Одновременно на Солнце почти перестали происходить солнечные вспышки, а вместе с ними к нулю стремится и число магнитных бурь на Земле. Все это свидетельствует о том, что наша звезда уверенно движется в сторону очередного минимума солнечной активности - состояния, в котором она оказывается приблизительно каждые 11 лет.

Само понятие солнечного цикла (а под ним понимается как раз периодическая смена максимумов и минимумов солнечной активности) является фундаментальным для физики Солнца. Вот уже более 260 лет, с 1749 года, ученые в ежедневном режиме следят за Солнцем и аккуратно записывают положение солнечных пятен и, конечно же, их число. И, соответственно, вот уже более 260 лет на этих кривых наблюдаются периодические изменения, чем-то похожие на биение пульса.

Каждому такому «удару солнечного сердца» присваивают номер, и всего с момента начала наблюдений таких ударов наблюдалось 24. Соответственно, именно столько солнечных циклов пока знакомо человечеству. Сколько же их было всего, существуют ли они все время, пока существует Солнце, или появляются эпизодически, меняется ли их амплитуда и продолжительность и какую длительность, например, имел солнечный цикл во времена динозавров - на все эти вопросы ответа нет, равно как на вопрос, характерен ли цикл активности для всех звезд солнечного типа или существует лишь на некоторых из них, и если существует, то будут ли две звезды с одинаковым радиусом и массой иметь одинаковый период цикла. Мы не знаем и этого.

Таким образоом, солнечный цикл относится к наиболее интересным солнечным тайнам, и хотя мы достаточно много знаем о его природе, все же многие фундаментальные его основы для нас все еще являются загадкой.

График солнечной активности, измеренной по числу пятен на Солнце, за всю историю наблюдений

Солнечный цикл тесно связан с наличием у Солнца так называемого тороидального магнитного поля. В отличие от земного магнитного поля, имеющего вид магнита c двумя полюсами - север и юг, линии которого направлены сверху вниз, на Солнце есть особый вид поля, который отсутствует (или неразличим) на Земле - это два магнитных кольца с горизонтальными линиями, которые опоясывают Солнце. Одно располагается в северном полушарии Солнца, а второе в южном, примерно симметрично, то есть на таком же расстоянии от экватора.

Основные линии тороидального поля лежат под поверхностью Солнца, но часть линий может всплывать на поверхность. Именно в этих местах, где магнитные трубки тороидального поля пробивают солнечную поверхность, и возникают солнечные пятна. Таким образом, число пятен в некотором смысле отражает мощность (или более точно - поток) тороидального магнитного поля на Солнце. Чем сильнее это поле, тем крупнее пятна, тем больше их число.

Соответственно, из того, что раз в 11 лет пятна на Солнце исчезают, можно сделать предположение, что раз в 11 лет на Солнце исчезает тороидальное поле. Да, так оно и есть. И собственно это - периодическое появление и исчезновение солнечного тороидального поля с периодом 11 лет - и является причиной солнечного цикла. Пятна же и их число лишь являются косвенными признаками этого процесса.

Почему же солнечный цикл измеряется по числу пятен, а не по силе магнитного поля? Ну, хотя бы потому, что в 1749 году магнитное поле на Солнце наблюдать, конечно, не могли. Магнитное поле Солнца было обнаружено лишь в начале XX века американским астрономом Джорджем Хейлом, изобретателем спектрогелиографа - прибора, способного с высокой точностью измерять профили линий солнечного спектра, и в том числе наблюдать их расщепление под действием эффекта Зеемана. Собственно, это было не только первое измерение поля Солнца, а вообще первое обнаружение магнитного поля у внеземного объекта. Так что астрономам XVIII-XIX веков только и оставалось, что наблюдать солнечные пятна, и у них не было никакой возможности даже догадаться об их связи с магнитным полем.

Но почему тогда пятна продолжают считать в наши дни, когда развита многоволновая астрономия, в том числе наблюдения из космоса, которые, конечно, дают много более точную информацию о солнечном цикле, чем простой подсчет числа Вольфа? Причина очень проста. Какой бы современный параметр цикла вы ни измерили и как бы точен он ни был, эту цифру нельзя будет сравнить с данными XVIII, XIX, да и большей частью XX века. Вы просто не поймете, насколько сильным или слабым является ваш цикл.

Последний цикл солнечной активности

SILSO data/image, Royal Observatory of Belgium, Brussels

Единственный способ такого сравнения - это посчитать число пятен, причем точно тем же методом и по точно той же формуле, что и 200 лет назад. Хотя возможно, что лет через 500, когда будут накоплены значительные ряды новых данных о числе вспышек, о потоках радиоизлучения, ряд чисел пятен окончательно утратит актуальность и сохранится лишь как часть истории астрономии. Пока же это не так.

Знание природы солнечного цикла позволяет делать некоторые предсказания о числе и расположении пятен на Солнце и даже точно определить момент, когда начинается новый солнечный цикл. Последнее утверждение может показаться сомнительным, так как в ситуации, когда число пятен снизилось почти до нуля, кажется невозможным уверенно утверждать, что пятно, которое было вчера, относилось к предыдущему циклу, а пятно сегодня - уже часть нового цикла. Тем не менее такой способ есть, и он связан именно со знанием природы цикла.

Так как солнечные пятна возникают в тех местах, где поверхность Солнца пробивают линии тороидального магнитного поля, то каждому пятну можно присвоить некую магнитную полярность - просто по направлению магнитного поля. Пятно может быть «северным» или «южным». Более того, так как трубка магнитного поля должна пробивать поверхность Солнца в двух местах, то и пятна должны преимущественно образовываться парами. При этом пятно, образовавшееся в месте, где линии тороидального поля выходят из поверхности, будет иметь северную полярность, а парное ему пятно, образовавшееся там, где линии уходят обратно - южную.

Поскольку тороидальное поле опоясывает Солнце как кольцо и направлено горизонтально, то и пары пятен ориентированы на диске Солнца преимущественно горизонтально, то есть располагаются на одной широте, но одно впереди другого. А так как направление линий поля во всех пятнах будет одинаковое (они ведь образованы одним магнитным кольцом), то и полярности всех пятен будут ориентированы одинаково. Например, первое, ведущее, пятно во всех парах будет северным, а второе, отстающее, южным.

Структура магнитных полей в районе солнечных пятен

Такой шаблон будет поддерживаться все время, пока существует данное кольцо поля, то есть все 11 лет. В другом же полушарии Солнца, где располагается симметричное второе кольцо поля, полярности также будут сохраняться все 11 лет, но иметь обратную направленность - первые пятна будут наоборот южными, а вторые - северными.

Что же происходит, когда меняется солнечный цикл? А происходит достаточно удивительная вещь, называемая переполюсовкой. Северный и южный магнитные полюса Солнца меняются местами, а вместе с ними меняется и направление тороидального магнитного поля. Сначала это поле проходит через ноль, это-то и называется солнечным минимумом, а затем начинает восстанавливаться, но уже с другим направлением. Если в предыдущем цикле передние пятна в каком-то полушарии Солнца имели северную полярность, то в новом цикле они уже будут иметь южную. Это и позволяет отличить друг от друга пятна соседних циклов и уверенно зафиксировать момент, когда начинается новый цикл.

Если же возвратиться к событиям на Солнце прямо сейчас, то мы наблюдаем процесс умирания тороидального поля 24-го солнечного цикла. Остатки этого поля все еще существуют под поверхностью и даже иногда всплывают наверх (в эти дни мы видим отдельные слабые пятна), но в целом это последние следы умирающего «солнечного лета», как отдельные последние теплые дни в ноябре. Несомненно, что уже в ближайшие месяцы это поле окончательно умрет и солнечный цикл достигнет очередного минимума.