Солнечная активность, атмосфера и погода

Введение

В конце 60-х годов  изучение Солнца опиралось в основном на наземные наблюдения в видимой  области спектра и в радиодиапазоне, а результаты космических исследований носили ограниченный, обрывочный характер, то теперь положение резко изменилось. Работа пилотируемых орбитальных космических  станций, специализированных искусственных  спутников Земли и автоматических космических аппаратов, на которые  установлены приборы с исключительно  высоким пространственным и временным  разрешением, позволила регистрировать явления солнечной активности за достаточно длинные интервалы времени  в областях спектра, недоступных  наблюдателю с поверхности Земли. Это, прежде всего далекое ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения  Солнца. Кроме того, новые сведения о солнечной активности были получены на солнечной советской стратосферной  автоматической обсерватории в 1970 и 1973 годах. 

Вопрос о реальности и физическом механизме солнечно-земных связей имеет длительную историю. Так, еще в конце прошлого века русский  ученый Г. Вильд исследовал связь между солнечной активностью и температурой воздуха в России. Позднее американец В. Робертс доказал существование 22-летней повторяемости засух в западных областях США; У. Шуурманс и А. Оорт обнаружили регулярные изменения высоты уровней постоянного давления в тропосфере, связанные с интенсивными солнечными вспышками; Б.Тинслей с коллегами выявили вариации высотного профиля температуры в тропосфере во время форбуш-понижений интенсивности потока галактических космических лучей. 

Перечень экспериментальных  данных, свидетельствующих о наличии  статистически достоверных связей между различными погодными явлениями  и солнечной (и магнитной) активностью, можно было бы увеличить в десятки  или даже сотни раз. И, тем не менее, сама идея о влиянии солнечной  активности на состояние нижней атмосферы  многими геофизиками решительно отвергается. Дело в том, что мощность атмосферных процессов на несколько порядков превышает поток энергии, вносимой в магнитосферу Земли солнечным ветром; в связи с этим представляется маловероятным, чтобы солнечная активность могла существенно воздействовать на состояние нижней атмосферы.Однако исследования, выполненные за последние годы, позволили найти ключ к преодолению этого противоречия и тем самым к решению проблемы солнечно-земных связей.

Итак, перед современной  наукой стоит очень важная задача - выяснить закономерности воздействия  так называемой солнечной активности на земные процессы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Солнечная  атмосфера

Солнце… Ежедневно  оно появляется из-за горизонта, совершает  свой обычный путь по небу и вечером  исчезает. Обычно мы не замечаем, насколько  вся наша жизнь тесно связана  с Солнцем. А ведь оно дает свет и тело всем животным и растениям, без него не могла бы существовать жизнь на Земле.

Земля

 Солнце - центральное  тело Солнечной системы - представляет  собой раскалённый плазменный  шар. Солнце - ближайшая к Земле  звезда. Свет от него до нас  доходит за 8,3 мин. Солнце решающим  образом повлияло на образование  всех тел Солнечной системы  и создало те условия, которые  привели к возникновению и  развитию жизни на Земле.

Его масса в 333 000 раз  больше массы Земли и в 750 раз  больше массы всех других планет, вместе взятых. За 5 миллиардов лет существования  Солнца уже около половины водорода в его центральной части превратилось в гелий. В результате этого процесса выделяется то количество энергии, которое  Солнце излучает в мировое пространство. Мощность излучения Солнца очень  велика: около 3,8 * 410 520 0 степени МВт. На Землю попадает ничтожная часть  Солнечной энергии, составляющая около  половины миллиардной доли. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает  сушу и водоёмы, даёт энергию ветрам и водопадам, обеспечивает жизнедеятельность  животных и растений. Часть солнечной  энергии запасена в недрах Земли  в виде каменного угля, нефти и  других полезных ископаемых. Видимый  с Земли диаметр Солнца незначительно  меняется из-за эллиптичности орбиты и составляет, в среднем, 1 392 000 км. (что в 109 раз превышает диаметр Земли). Расстояние до Солнца в 107 раз превышает его диаметр. Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Всюду на одинаковых расстояниях от центра этого шара физические условия одинаковы, но они заметно меняются по мере приближения к центру. Плотность и давление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением вышележащих слоёв. Следовательно, температура также растёт по мере приближения к центру. В зависимости от изменения физических условий Солнце можно разделить на несколько концентрических слоёв, постепенно переходящих друг в друга.В центре Солнца температура составляет 15 миллионов градусов, а давление превышает сотни миллиардов атмосфер. Газ сжат здесь до плотности около 150 000 кг/ м. Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области с радиусом примерно 1/3 солнечного. Через слои, окружающие центральную часть, эта энергия передаётся наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная зона. Причина возникновения перемешивания (конвекции) в наружных слоях Солнца та же, что и в кипящем чайнике: количество энергии, поступающее от нагревателя, гораздо больше того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество вынужденно приходит в движение и начинает само переносить тепло. Ядро и конвективная зона фактически не наблюдаемы. Об их существовании известно либо из теоретических расчётов, либо на основании косвенных данных. Над конвективной зоной располагаются непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его Атмосферой.Они лучше изучены, т.к. об их свойствах можно судить из наблюдений.

Солнечная атмосфера  так же состоит из нескольких различных  слоёв. Самый глубокий и тонкий из них - фотосфера, непосредственно наблюдаемая  в видимом непрерывном спектре. Толщина фотосферы приблизительно около 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее. Во внешних более  холодных слоях фотосферы на фоне непрерывного спектра образуются Фраунгоферовы  линии поглощения. Во время наибольшего  спокойствия земной атмосферы можно  наблюдать характерную зернистую  структуру фотосферы. Чередование  маленьких светлых пятнышек - гранул - размером около 1000 км, окруженных тёмными  промежутками, создаёт впечатление  ячеистой структуры - грануляции. Возникновение  грануляции связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Отдельные  гранулы на несколько сотен градусов горячее окружающего их газа, и  в течение нескольких минут их распределение по диску Солнца меняется. Спектральные измерения свидетельствуют о движении газа в гранулах, похожих на конвективные: в гранулах газ поднимается, а между ними - опускается. Это движение газов порождают в солнечной атмосфере акустические волны, подобные

звуковым волнам в воздухе. Распространяясь в  верхние слои атмосферы, волны, возникшие  в конвективной зоне и в фотосфере, передают им часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоёв атмосферы- хромосферы и короны. В результате верхние слои атмосферы с температурой около 4500К оказываются самыми «холодными» на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быстро растёт. Расположенный над фотосферой слой называют хромосферой, во время полных солнечных затмений в те минуты, когда Луна полностью закрывает фотосферу, виден как розовое кольцо, окружающее тёмный диск. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени - хромосферные спикулы, представляющие собой вытянутые столбики из уплотнённого газа. Тогда же можно наблюдать и спектр хромосферы, так называемый спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затемнения. Выделяя излучение Солнца в этих линиях, можно получить его изображение. Хромосфера отличается от фотосферы значительно более неправильной неоднородной структурой. Заметно два типа неоднородностей - яркие и тёмные. По своим размерам они превышают фотосферные гранулы. В целом распределение неоднородностей образует так называемую хромосферную сетку, особенно хорошо заметную в линии ионизированного кальция. Как и грануляция, она является следствием движения газов в под фотосферной конвективной зоне, только происходящих в более крупных масштабах. Температура в хромосфере быстро растёт, достигая в верхних её слоях десятков тысяч градусов. Самая верхняя и самая разряжённая часть солнечной атмосферы - корона, прослеживающаяся от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов и имеющая температуру около миллиона градусов. Корону можно видеть только во время полного солнечного затмения либо с помощью коронографа.

Вся солнечная атмосфера  постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько  тысяч километров. Колебания носят  резонансный характер и происходят с периодом около 5 мин. В возникновении  явлений происходящих на Солнце большую  роль играют магнитные поля. Вещество на Солнце всюду представляет собой  намагниченную плазму. Иногда в отдельных  областях напряженность магнитного поля быстро и сильно возрастает. Этот процесс сопровождается возникновением целого комплекса явлений солнечной активности в различных слоях солнечной атмосферы. К ним относятся факелы и пятна в фотосфере, флоккулы в хромосфере, протуберанцы в короне. Наиболее замечательным явлением, охватывающим все слои солнечной атмосферы и зарождающимся в хромосфере, являются солнечные вспышки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Солнечная  активность 

«Спокойная» или  «невозмущенная» атмосфера Солнца представляет собой как бы фон, на котором происходит много любопытных, порой драматических событий.

Солнечная активность - совокупность явлений, периодически возникающих в солнечной атмосфере. Проявления солнечной активности тесно  связаны с магнитными свойствами солнечной плазмы. Возникновение  активной области начинается с постепенного увеличения магнитного потока в некоторой  области фотосферы. В соответствующих  местах хромосферы после этого наблюдается  увеличение яркости в линиях водорода и кальция. Такие области называют флоккулами. Примерно в тех же участках на Солнце в фотосфере (т.е. несколько  глубже) при этом также наблюдается  увеличение яркости в белом (видимом) свете - факелы. Увеличение энергии, выделяющейся в области факела и флоккула, является следствием увеличившихся до нескольких десятков экстред напряженности магнитного поля. Затем в солнечной активности наблюдаются солнечные пятна, возникающие через 1-2 дня после появления флоккула в виде маленьких чёрных точек - пор. Многие из них вскоре исчезают, и лишь отдельные поры за 2-3 дня превращаются в крупные тёмные образования. Типичное солнечное пятно имеет размеры в несколько десятков тысяч километров и состоит из тёмной центральной части - тени и волокнистой полутени. Важнейшая особенность пятен - наличие в них сильных магнитных полей, достигающих в области тени наибольшей напряжённости в несколько тысяч экстред. В целом пятно представляет собой выходящую в фотосферу трубку силовых линий магнитного поля, целиком заполняющих одну или несколько ячеек хромосферной сетки. Верхняя часть трубки расширяется, и силовые линии в ней расходятся, как колосья в снопе. Поэтому вокруг тени магнитные силовые линии принимают направление, близкое к горизонтальному. Полное, суммарное давление в пятне включает в себя давление магнитного поля и уравновешивается давлением окружающей фотосферы, поэтому газовое давление в пятне оказывается меньшим, чем в фотосфере. Магнитное поле как бы расширяет пятно изнутри. Кроме того, магнитное поле подавляет конвективные движения газа, переносящие энергию из глубины вверх. Вследствие этого в области пятна температура оказывается меньше примерно на 1000К. Пятно как бы охлаждённая и скованная магнитным полем яма в солнечной фотосфере. Большей частью пятна возникают целыми группами, в которых, однако, выделяются два больших пятна. Одно, наибольшее, - на западе, а другое, чуть поменьше, - на востоке. Вокруг и между ними часто бывает множество мелких пятен. Такая группа пятен называется биополярной, потому что у обоих больших пятен всегда противоположная полярность магнитного поля. Они как бы связаны с одной и той же трубкой силовых линий магнитного поля, которая в виде гигантской петли вынырнула из-под фотосферы, оставив концы где-то в ненаблюдаемых, глубоких слоях. То пятно, которое соответствует выходу магнитного поля из фотосферы, имеет северную полярность, а то, в области которого силовые линии входят обратно под фотосферу, - южную.

Самое мощное проявление фотосферы - это вспышки. Они происходят в сравнительно небольших областях хромосферы и короны, расположенных  над группами солнечных пятен. По своей сути вспышка - это взрыв, вызванный  внезапным сжатием солнечной  плазмы. Сжатие происходит под давлением  магнитного поля и приводит к образованию  длинного плазменного жгута или  ленты. Длина такого образования  составляет десятки, и даже сотни  тысяч километров. Продолжается вспышка  обычно около часа. Хотя детально физические процессы, приводящие к возникновению  вспышек, ещё не изучены, ясно, что  они имеют электромагнитную природу.Наиболее грандиозными образованиями в солнечной атмосфере являются протуберанцы - сравнительно плотные облака газов, возникающие в солнечной короне или выбрасываемые в неё из хромосферы. Типичный протуберанец имеет вид гигантской светящейся арки, опирающейся на хромосферу и образованной струями и потоками более плотного и холодного, чем окружающая корона, вещества. Иногда это вещество удерживается прогнувшимся под его тяжестью силовыми линиями магнитного поля, а иногда медленно стекает вдоль магнитных силовых линий. Имеется множество различных типов протуберанцев. Некоторые из них связаны со взрывоподобными выбросами вещества из хромосферы в корону.Общая активность Солнца, характеризуемая количеством и силой проявления центров солнечной активности, периодически изменяется. Существует множество удобных различных способов оценивать уровень солнечной активности. Обычно пользуются наиболее простым и введённым раньше всех способом - числами Вольфа. Числа Вольфа пропорциональны сумме полного числа пятен, наблюдаемых в данный момент на Солнце, и удесятерённого числа групп, которые они образуют. Период времени, когда количество центров активности наибольшее называют максимумом солнечной активности, а когда их совсем нет или почти совсем нет - минимумом. Максимумы и минимумы чередуются в среднем с периодом 11 лет. Это составляет так называемый 11-и летний цикл солнечной активности.Солнечная активность имеет циклический характер, который зримо проявляется в пятнообразовательной деятельности, в частоте солнечных вспышек и связанных с ними эффектов. В цикле меняется количество и распределение протуберанцев, форма солнечной короны, количество факелов и т. д. Период этих циклических вариаций составляет примерно 11 лет, хотя в нашем столетии средний период был ближе к 10 годам. Показатели солнечной активности, как правило, возрастают к максимуму быстрее, чем спадают от него к минимуму.

Существуют свидетельства  о цикле с периодом около 80 лет (восьмидесятилетний цикл). Есть также  некоторые доказательства о долгопериодических вариациях активности с периодом 200, 400 и 600 лет.При повторениях солнечного цикла наблюдаются нерегулярности. Меняется и длительность циклов, и форма зависимости чисел Вольфа от времени, и значения ее максимума и минимума. Отмечаются, по-видимому, нерегулярности с гораздо большими масштабами времени и амплитуд. Например, в течение 70 лет, с 1645 по 1715 гг. наблюдалось очень мало солнечных пятен, в этот период имело место резкое ослабление солнечной активности, что было названо «минимумом Маундера».