Источник энергии для жизни
Наша звезда — Солнце дает тепло и свет, поддерживающие жизнь на Земле. Для растений солнечный свет является источником энергии, необходимой для роста. Ископаемое горючее — уголь, нефть, природный газ, представляет собой разновидность солнечной энергии, отложенной в запас, так как содержащийся в них углерод был когда-то накоплен растениями.
О Солнце мы знаем гораздо больше, чем о любой другой звезде просто-напросто потому, что оно находится так близко — всего лишь в 150 млн. км.
В некоторых больших обсерваториях имеются телескопы, специально предназначенные для изучения Солнца. Астрономы хотят знать, какие процессы происходят на Солнце и каким образом оно воздействует на Землю. Это даст нам представление и о большинстве других обычных звезд.
Ученые полагают, что любое изменение в выработке солнечной энергии неизбежно повлечет за собой изменение климата здесь, на Земле. Следовательно, солнечная астрономия важна как для изучения звезд, так и для предвидения того, каким образом Солнце будет влиять в будущем на среду нашего обитания.
Информация в солнечном свете
Спектр света, идущего от фотосферы, несет в себе очень много информации. В 1814 г. немецкий физик Йозеф Фраунгофер (Joseph von Fraunhofer, 1787-1826) обнаружил сотни темных линий, пересекающих спектр Солнца. Он составил перечень и описал 700 таких линий.
Теперь мы знаем, что причиной появления этих спектральных линий, количество которых исчисляется многими тысячами, является наличие разнообразных химических элементов в относительно холодном слое солнечной атмосферы, расположенном поверх фотосферы. Железо, например, дает множество таких линий, а вклад натрия — пара темных линий в желтой части спектра. Изучая спектральные линии, астрономы могут узнать, какие элементы и в каких пропорциях содержатся на Солнце.
Поверхность Солнца
Диаметр Солнца примерно в 109 раз превосходит диаметр Земли. Внутри Солнца могло бы поместиться более миллиона небесных тел размером с Землю. Желтый свет Солнца приходит к нам из слоя солнечной атмосферы, который имеет толщину 500 км и называется фотосферой.
Под ним лежат внутренние области Солнца, а выше — прозрачные части наружной атмосферы. Практически вся солнечная энергия, включая тепло и свет, падающие на Землю, приходит к нам от фотосферы, но первоначально производится в глубине Солнца.
Температура фотосферы равна приблизительно 5500 °C. Одним из способов вычисления этой температуры является оценка того, насколько горячим должно быть Солнце, чтобы излучать всю ту энергию, которую оно отдает фактически.
Солнце — это огненный газовый шар, В отличие от идеального излучателя (например, белого гипсового шарика, равномерно освещенного со всех сторон), диск Солнца на краю кажется темнее. Это означает, что у Солнца нет твердой поверхности с яркостью, одинаковой по всем направлениям. Причина потемнения диска Солнца к краю в газовой природе внешних, охлаждающихся его слоев, в которых температура, как и в более глубоких слоях, продолжает уменьшаться наружу. На краю диска Солнца луч зрения пересекает более высокие и холодные слои его атмосферы, излучающие существенно меньше энергии.
Грануляция фотосферы
На первый взгляд диск Солнца кажется однородным. Однако, если приглядеться, на нём обнаруживается много крупных и мелких деталей. Даже при не очень хорошем качестве изображения видно, что вся фотосфера состоит из светлых зёрнышек — гранул и тёмных промежутков между ними.
Это похоже на кучевые облака, когда смотришь на них сверху в иллюминатор самолёта. Размеры гранул невелики по солнечным масштабам — до 1000–2000 км в поперечнике. Межгранульные дорожки более узкие, примерно 300–600 км в ширину. На солнечном диске наблюдается одновременно около миллиона гранул.
Картина грануляции не является застывшей: одни гранулы исчезают, другие появляются. Каждая из них живёт не более 10 мин. Всё это напоминает кипение жидкости в кастрюле. Такое сравнение не случайно, поскольку физический процесс, ответственный за оба явления, один и тот же. Это конвекция — перенос тепловой энергии большими массами горячего вещества, которые поднимаются снизу, расширяясь и одновременно остывая.
Грануляция создаёт общий фон, на котором можно наблюдать гораздо более контрастные и крупные объекты — солнечные пятна и факелы.
В 1960-х гг. астрономы обнаружили, что верхний слой атмосферы примерно один раз в пять минут поднимается и опускается. Так что Солнце как бы вибрирует, подобно звенящему колоколу. Изучая эти вибрации, астрономы могут узнать, что представляет собой внутренность солнечного шара.
Пятна на Солнце
В поверхностном слое Солнца, где его энергия в конце концов вырывается в виде света, астрономы наблюдают большое разнообразие солнечной активности. Пятна на Солнце являются очевидным ее признаком. Это более холодные и менее светлые области солнечного диска по сравнению с обшей яркостью фотосферы.
солнечное пятно крупным планом и петли солнечных пятен (подробнее)
В телескоп видно, что крупные пятна имеют довольно сложное строение, тёмную область тени окружает полутень, диаметр которой более чем в два раза превышает размер тени. Температура тени (3–4)·103 К. Если пятно наблюдается на краю солнечного диска, то создаётся впечатление, что оно похоже на глубокую тарелку. Происходит это потому, что газ в пятнах прозрачнее, чем в окружающей атмосфере, и взгляд проникает глубже.
В 2009 году группа астрономов из университета Глазго, возглавляемая Фрезером Уотсоном (Fraser Watson) выяснила, что основание типичного солнечного пятна лежит на 1500 километров ниже окружающей поверхности.
По величине пятна бывают очень разными — от малых, диаметром примерно 1000—2000 км, до гигантских, значительно превосходящих размеры нашей планеты. Отдельные пятна могуг достигать в поперечнике 40 тыс. километров. А самое большое из наблюдавшихся пятен достигало 100 тыс. километров.
Установлено, что пятна — это места выхода в фотосферу сильнейших магнитных полей. Магнитные поля уменьшают поток энергии, идущий от недр светила к фотосфере, поэтому в месте их выхода на поверхность температура падает. Пятна холоднее окружающего их вещества примерно на 1500 К, а следовательно, и менее ярки. Вот почему на общем фоне они выглядят тёмными.
Обычно среди множества более или менее мелких пятен выделяются два крупных, образующих биполярную группу с противоположной полярностью магнитного поля и его напряженностью в (2 − 4)·103 эрстед
Солнечные пятна часто образуют группы из нескольких больших и малых пятен, и такие группы могут занимать значительные области на солнечном диске. Картина группы всё время меняется, пятна рождаются, растут и распадаются. Живут группы пятен долго, иногда на протяжении двух или трёх оборотов Солнца (период вращения Солнца составляет примерно 27 суток).
Самые большие пятна можно иногда увидеть в тот момент, когда Солнце опускается за горизонт, и именно таким образом проводили свои наблюдения китайские астрономы 2000 лет тому назад. Древние астрономы считали, что эти пятна являются эффектом нашей, земной атмосферы, но в XVII в. Галилео Галилей опроверг эту идею.
Он использовал свой телескоп для исследования солнечных пятен в 1610 г. и сделал много важных открытий. Например, Галилей обнаружил, что пятна могут появляться и исчезать и что они меняются в размере. Проследив за перемещением пятен по солнечному диску, он доказал, что Солнце вращается. Он наблюдал также изменение формы пятен при их приближении к краям видимого диска.
Солнечная активность
Солнце вращается не как твердое небесное тело вроде Земли. В отличие от Земли различные части Солнца вращаются с разными скоростями. Быстрее всего крутится экватор, делая один оборот за 25 дней. При удалении от экватора скорость вращения снижается, и в полярных областях один оборот занимает уже 35 дней.
Различные скорости вращения возможны только потому, что Солнце — это газовый шар. Одно из следствий состоит в закручивании магнитного ноля Солнца, что увеличивает солнечную активность.
Пятна на Солнце — это лишь один пример солнечной активности. «Погодные явления» в солнечной атмосфере совершенно отличны от земных. Магнитные бури и взрывы, называемые вспышками, внезапно вздымаются над поверхностью Солнца.
Вспышка — выброс заряженных частиц с энергиями, которых с трудом удается добиться на земных ускорителях. Ей предшествует возмущение внешних слоев Солнца — короны и хромосферы. Там, где магнитное поле испытывает сильные колебания, появляются пятна и возникают все условия для перераспределения солнечного вещества. Затем случается катаклизм с мощностью большей, чем у нескольких миллионов водородных бомб. Этот момент легко могут зафиксировать орбитальные телескопы — "возмущенное" Солнце излучает практически во всех спектральных диапазонах. А потом в течении суток или полутора высвободившаяся плазма летит к Земле.
В некотором отношении вспышки напоминают земные грозы, поскольку высвобождают электрическую энергию. Однако на Солнце энергия гигантских электрических разрядов намного превосходит энергию земных молний. Солнечные бури оказывают влияние на Землю, поэтому астрономы держат Солнце под постоянным наблюдением. Солнечные вспышки выбрасывают электрически заряженные частицы в космос, что удивительным образом воздействует на нашу атмосферу.
Факелы.
Практически всегда пятна окружены яркими полями, которые называют факелами. Факелы горячее окружающей атмосферы примерно на 2000 К и имеют сложную ячеистую структуру. Величина каждой ячейки — около 30 тыс. километров.
В центре диска контраст факелов очень мал, а ближе к краю увеличивается, так что лучше всего они заметны именно по краям. Факелы живут ещё дольше, чем пятна, иногда три-четыре месяца. Они не обязательно существуют вместе с пятнами, очень часто встречаются факельные поля, внутри которых пятна никогда не появляются. По-видимому, факелы тоже являются местами выхода магнитных полей в наружные слои Солнца, но эти поля слабее, чем в пятнах.
Факелы лучше всего заметны на краю солнечного диска.
 |
Над фотосферными факелами наблюдаются их продолжения в хромосферу, имеющие сходную структуру и называемые флоккулами (от лат. flocculi, — маленький клочок, пушинка, на картинке — белые пятна), видимые на солнечном диске при наблюдении Солнца в монохроматическом свете, в лучах какой-либо определенной линии его спектра (на картинке в линии ионизованного гелия).
На лимбе видны облака хромосферного вещества в короне — протуберанцы (выступы вверху на лимбе). В проекции на диск они выглядят темными узкими волокнами. Эти проявления солнечной активности в хромосфере хорошо заметны на диске Солнца при наблюдении в спектральных линиях водорода, гелия, кальция и других элементов (см. фото внизу страницы).
Протуберанцы
(лат. protuberare — вздутие) отличаются большим разнообразием форм. Выделяют спокойные (медленные изменения) и активные (эруптивные, взрывные). Часто они отличаются наличием заметных внутренних движений при сохранении общей формы, которую используют как определение: серджи (выбросы), петли, корональные облака и дожди, торнадо, фонтаны, деревья и т. д.
Гигантский эруптивный [изверженный] протуберанец 4 июня 1946 г., — один из самых
крупных из числа наблюдавшихся. Размеры протуберанца увеличились до
размеров Солнца всего за час, еще через несколько часов он исчез.
Он, несомненно, был непревзойденным по
красоте.
Громадная арка, протянувшаяся на три четверти
миллиона километров, пульсировала в хромосфере и короне,
а затем внезапно начала подниматься вверх, пока не
исчезла в короне.
(Обсерватория Хей Элтитьюд [Hight Altitude Observatory] и Национальный центр исследований
атмосферы, США (Википедия) и сайт самого центра National Center for Atmospheric Research (NCAR).
Спикулы
(от лат. spiculum кончик, остриё, жало) — копьеобразный столб горячего газа. Объекты активности Солнца — спикулы возникают как длинные трубы длиной более 6-8 тысяч км и достаточно тонкие в солнечных масштабах (диаметром 200-2 000 км), из быстро поднимающейся из нижней хромосферы со скоростью ~15-20 км/с светящейся плазмы, видимые при наблюдении Солнца в монохроматическом свете (в спектральныхлиниях Н, Не, Са+ и др.).
Спикулы вскоре исчезают, так как горячий газ достигает верхней точки и падает обратно на Солнце. "Поверхность" таких труб ограничивается "плотно сложенными" силовыми линиями магнитных полей.
На Солнце одновременно существуют сотни тысяч спикул. Практически все из них находятся на границах супергранул, то есть именно из спикул состоит хромосферная сетка.
Основная причина возникновения спикул это похожие на звук волны, распространяющиеся по поверхности Солнца и проникающие в солнечную атмосферу.
Последовательно полученные изображения показали, что время жизни спикул — около пяти минут.
Спикулы усеивают этот снимок активной области, которая пересекла Солнце в июне 2004 года, но особенно хорошо они заметны справа, как слой темных трубок.
Полярные сияния — земные проявления активности Солнца
Зеленые полярные сияния над территорией Канады
(фотография усилена цифровым способом)
Наиболее ярким и впечатляющим проявлением бомбардировки атмосферы Земли элементарными частицами, выброшенные Солнцем, являются полярные сияния. Это свечение в верхних слоях атмосферы, имеющее либо размытые (диффузные) формы, либо вид корон или занавесей (драпри), состоящих из многочисленных отдельных лучей. Сияния обычно бывают красного или зелёного цвета: именно так светятся основные составляющие атмосферы — кислород и азот — при облучении их энергичными частицами.
Анимированное изображение смотрите здесь (Астронет)
Полярные сияния над северным и южным полюсами могут быть почти зеркальными отражениями друг друга. Анимированное изображение сделано по детальным снимкам со спутника "Полар" ("Polar") , принадлежащего NASA. Эти полярные сияния были вызваны облаками электронов и ионов, пришедшими от Солнца 22 октября 2001 года. Солнечная вспышка, выбросившая эти частицы, произошла тремя днями раньше.
Зрелище бесшумно возникающих красных и зелёных полос и лучей, беззвучная игра цветов, медленное или почти мгновенное угасание колеблющихся «занавесей» оставляют незабываемое впечатление. Подобные явления лучше всего видны вдоль овала полярных сияний, расположенного между 10° и 20° широты от магнитных полюсов Земли (как это видно на картинке выше).
В период максимумов солнечной активности в Северном полушарии овал смещается к югу, и сияния можно наблюдать не только в северных, но и в более низких широтах (см., например, чудесные снимки Полярных сияний сделанных в штате Айова (США), расположенном между 40°36' с.ш. и 43°30' с.ш., что гораздо южнее широты Красноярска — 56°00' с.ш. и Москвы — 55°45' с.ш.
Частота и интенсивность полярных сияний достаточно чётко следуют солнечному циклу: в максимуме солнечной активности редкий день обходится без сияний, а в минимуме они могут отсутствовать месяцами. Наличие или отсутствие полярных сияний, таким образом, служит неплохим показателем активности Солнца. И это позволяет проследить солнечные циклы в прошлом, за пределами того исторического периода, когда проводились систематические наблюдения солнечных пятен.
страница обновлена 24 апреля 2010
Солнечная и гелиосферная обсерватория Запущена с Земли 2 декабря 1995 года с космодрома на мысе Канаверал
(cape Canaveral), штат Флорида, США. SOHO — это лишь одна из нескольких космических обсерваторий, изучающих Солнце В конце января 2009 года Россия запустила свою солнечную обсерваторию ТЕСИС (TESIS) — это комплекс космических телескопов для исследования Солнца, который установлен на борту российского спутника
Обсерватория ТЕСИС разработана в Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН им. П.Н. Лебедева.
Но сайт обсерватории продолжает свою работу (24 апреля 2010) С 20 апреля 2010 новая солнечная обсерватория NASA SDO (Solar Dynamics Observatory) — обсерватория для изучения динамики происходящих на Солнце процессов) начала передавать на Землю первые снимки светила в высоком разрешении. Фотографии и их описание можно найти на сайте Американского космического агентства.
Обсерватория повернута "лицом" к Солнцу, справа видны приборы контролирующие ультра-фиолетовое излучение Солнца. Аппарат был запущен в космос 11 февраля 2010 года с космодрома на мысе Канаверал.
Улисс (Ulysses), SOHO, TESIS, SDO и другие солнечные спутники-обсерватории являются тем ОКОМ человека, о котором писал в 1743 году М.В. Ломоносов в своём стихотворении
Утреннее размышление Уже прекрасное светило Когда бы смертным толь высоко Там огненны валы стремятся Сия ужасная громада От мрачной ночи свободились Светило дневное блистает Творец! покрытому мне тьмою источник: Историко-мемориальный музей М.В. Ломоносова Первые описания пятен на Солнце Иногда на Солнце даже невооруженным глазом сквозь закопченное стекло можно заметить черные точечки — пятна. Это наиболее заметные образования во внешних, непосредственно наблюдаемых слоях солнечной атмосферы. Сообщения о солнечных пятнах, иногда наблюдавшихся сквозь туман или дымы пожарищ, встречаются в старинных хрониках и летописях.
Первая известная зарисовка солнечных пятен, сделанная
8 декабря 1128 г., опубликованная в «Хрониках Джона Ворчестерского»
На рисунке, сделанном по данным SOHO и Королевской Шведской Академии наук, показаны: слева – два больших пятна на Солнце, каждое размером с Юпитер, и справа – детальная структура небольшой группы пятен (тень пятна размером с Землю). |
Открытия Галилео Галилея (1564–1642): |
Галилео Галилей «Описания и доказательства, относящиеся к солнечным пятнам. Рим, 1613»
Зарисовки Галилея групп пятен, август 1611 г.
«Жизнь Земли в атмосфере Солнца» (Солнечная активность)
Еще два рисунка Галилея из его книги о солнечных пятнах. В 1613 году он издал в виде прекрасных гравюр три письма под общим названием "Описания и доказательства, относящиеся к солнечным пятнам". Источники: верхний рис., нижний рис. |
смещение пятен вследствие вращения Солнца
Она была зарегистрирована вечером 7 сентября 2005 года аппаратурой американского метеорологического спутника GOES (Geostationary Operational Environmental Satellites) в находящейся вблизи восточного лимба Солнца группе пятен.
За 15 предшествующих лет эта вспышка была самой сильной.
Интенсивность вспышки соответствует максимальному классу. Она вызвала нарушения условий радиосвязи на протяжении часа после явления. В основном неполадки были зафиксированы в западной части Атлантики и на восточном побережье Америки.
источник: Великая эпоха
