«Жизнь со звездой» — часть 1: солнечная активность
В первой части статьи — я опишу явления солнечной активности, которые лежат в основе «космической погоды», а для этого, в свою очередь — нам потребуется углубиться в строение Солнца, выглядящее следующим образом:
Солнечное ядро — занимает зону от центра до 0,25 радиуса Солнца. Здесь находится зона с максимальной температурой (порядка 15 млн K), давлением (порядка 250 млрд атмосфер), и плотностью (достигающей 150 г/см 3 ). Так как скорость термоядерных реакций сильно зависит от температуры — основная часть выделения энергии в Солнце, происходит именно в этой области. Однако даже при таких показателях — скорость термоядерных реакций весьма не велика (порядка 275 Ватт/м 3 ), поэтому термоядерные реакторы, типа ITER – требуют на порядок больших температур, чтобы иметь разумные показатели по соотношению объём/мощность.
Зона лучистого переноса — простирается от глубины в 0,25, до примерно 0,7 радиуса Солнца. Названа она так — потому-что основным способом переноса энергии в ней является последовательное излучение и поглощение фотонов. Это довольно спокойная зона, в которой основным видом движения является вращательное: Солнце делает примерно один оборот за 25,6 дней по линии экватора (для наблюдателя на Земле, с учётом нашего вращения вокруг Солнца — выходит примерно 28 дней), и за 33,5 дня на уровне полюсов. Лучистая зона, в данном случае — имеет примерно усреднённую (между этих двух) скорость.
Тахоклин — переходная область, находящаяся между лучистой и конвективной зонами, его толщина составляет примерно 0,04 радиуса Солнца. В данной области происходит переход от лучистого (спокойного) переноса тепла к конвективному (турбулентному), и от «твердотельного вращения» (когда слои вращаются с равномерной частотой) — к дифференциальному (различающемуся в полярных, и экваториальных областях).
Причины такого перехода следующие: на границе около 0,7 радиуса Солнца — постепенное падение температуры и давления солнечных слоёв приводит к тому, что физические условия уже не позволяют поддерживать атомы плазмы без электронов (однократно ионизованными — атомы водорода, и двукратно — гелия). Соответственно начинает действовать фотоэффект, и вещество перестаёт быть прозрачным. Лучистый перенос теряет свою эффективность, и конвективный перенос тепла выходит на первое место.
Объяснение источника второго эффекта является значительно более комплексной задачей, и её решение долго не давалось учёным. Но в 2013 году с помощью данных «Обсерватории солнечной динамики» была также показана связь между конвективным движением на Солнце (носящим на мелких масштабах — хаотический характер) и устойчивым, дифференциальным вращением Солнца:
Ключевыми факторами, в понимании процессов происходящих на Солнце являются следующие:
1) Источником энергии для возникновения всех процессов, регистрируемых нами на Солнце является турбулентная конвекция (а уже её источником — является градиент температуры между солнечным ядром, в котором протекают термоядерные реакции, и поверхностью Солнца через которое происходит излучение этой энергии).
2) Практически всё вещество на Солнце (за исключением определённой доли водорода в фотосфере) находится в состоянии плазмы. По этой причине перенос энергии происходит за счёт кинетической энергии конвективных потоков, и за счёт электромагнитного поля. При этом энергия может свободно переходить из одного вида, в другое (движение плазмы может генерировать магнитное поле, а в другом случае — магнитное поле может разгонять потоки плазмы).
Конвективная зона — зона, располагающаяся на расстоянии около 0,7 радиуса, и непосредственно до самой видимой поверхности. За неимением других возможностей перенос тепла с этого уровня начинает происходить за счёт перемешивания слоёв (то есть конвекции, отчего, собственно, данная зона и была так названа). Именно эта зона ответственна за все явления, которые принято называть «солнечная активность».
Основная структура конвективной зоны (и видимой «поверхности» Солнца) — состоит из гранул (типичным диаметром в 1000 км, и временем существования от 8 до 20 минут), и супергранул (размерами в 30 тыс. км, и временем жизни — около суток). Гранулярная структура — состоит из светлых областей (где вещество поднимается из глубин Солнца) и тёмных промежутков между ними (где вещество соответственно опускается). Вертикальная скорость движения вещества составляет 1-2 км/с, а глубина гранул — составляет сотни и тысячи километров.
Солнечные пятна — это области, в которых сильные магнитное поля препятствует конвективному движению вещества. Не смотря на название — «пятнами» их можно назвать с большой натяжкой: температура внутри них составляет 3000-4500 K. А видимая их чернота объясняется температурой окружающего вещества (составляющая в среднем 5780 K), и соответственно значительно меньшим излучением света «пятнами» на внешнем фоне. Практически с начала систематических наблюдений за пятнами на Солнце в 1749 году — они стали основным доказательством существования 11-летнего цикла солнечной активности (поэтому нулевым циклом, от которого сейчас ведётся отсчёт был выбран тот, который шёл в тот момент — он начался 1745 году):
Если быть более точными — цикл имеет усреднённую длительность около 11,2 лет, и меняется в интервале от 7 до 17 лет (при этом чем короче цикл — тем большую силу он имеет). Стадия роста в цикле занимает меньший период времени (4,6 года, против 6,7 лет — в среднем у стадии спада). В начале цикла пятна появляются на широтах порядка ±35-40°, затем смещаются к области ±15° в период максимума, а к концу цикла — большинство из них встречается на широтах ±5-8° (так называемый закон Шпёрера): 
Такая цикличность в поведении и числе пятен — связана с 11-летним циклом по смене магнитных полюсов Солнца (при этом полный цикл по смене полярности север/юг — занимает соответственно 22 года). Однако этот 22-х летний период (цикл Хейла) — не получил широкой известности, так как кроме смены полярности, он себя никак практически не проявляет.
Наличие статистики за 400+ лет позволило предположить о наличие векового цикла солнечной активности (так называемого цикла Гляйсберга — длящегося в интервале 70-100 лет, со среднем значением в 87 лет). Но по настоящему доказать его наличие — удалось только с появлением радиоуглеродного анализа: дело в том, что в периоды солнечного максимума солнечный ветер становится плотнее, а гелиосфера Солнца немного расширяется (на этом основывалась череда сообщений о выходе Вояджера-1 за пределы Солнечной системы: 1, 2, 3, 4), при этом поток галактических космических лучей — сокращается, а вместе с ним сокращается выработка радиоактивного углерода-14 в верхних слоях атмосферы. Следы этих изменений за прошедшие 11 тысяч лет — находят в ледяных кернах и годичных кольцах деревьев:
Солнечные пятна часто образуются группами, при этом ведущее пятно — имеет ту же полярность, что и текущая полярность данного полушария, а заднее — противоположную. Группа пятен может существовать от нескольких часов, до нескольких месяцев (на этом основывается долгосрочный, 27-дневный прогноз — когда пятна, сделавшие один оборот, вернутся в то же положение, что и сейчас).
Солнечные факелы — являются своеобразными «пятнами на оборот»: в данном случае магнитное поле выступает усилителем конвекции, которая в свою очередь — поднимает температуру и светимость «поверхности» Солнца.
Протуберанцы — образования причудливой формы, в стабильном состоянии напоминающие половинку тора, опирающуюся на «поверхность» Солнца:
Такой формой они обязаны магнитному полю, которое является их источником: поток вещества, двигающийся по магнитным линиям — в начале поднимается из глубин Солнца, затем описывает дугу, и падает обратно на Солнце. Такие фонтаны вещества — могут существовать вплоть до месяцев. В них может заключаться огромная энергия, которая может выделяться в двух физических явлениях, о которых речь пойдёт ниже.
Солнце, крупный протуберанец и Юпитер с Землёй — в масштабе
Солнечные вспышки — гигантские выбросы энергии (самый крупный из которых — описан в начале данной статьи). В ходе типичной вспышки может выделяться энергия порядка 10 20 Дж (около 10 гигатонн в тротиловом эквиваленте), в крупных — порядка 10 25 Дж (около 1 млрд мегатонн). Их источником являются пересоединение магнитных полей на Солнце (когда два магнитных «кольца» соприкасаются между собой, и резко меняют свою структуру):
Точные доказательства такого процесса — были получены совсем недавно. В ходе солнечной вспышки энергия выделяется во всём спектре электромагнитного излучения, большая часть — излучается в жёстком ультрафиолете, а также рентгеновских и гамма-лучах (это связано с тем, что магнитные поля в процессе пересоединения разогревают плазму до десятков миллионов градусов). Только небольшая часть энергии выделяется в видимом диапазоне света, поэтому в обычной ситуации — они не видны. Но в случае с Кэррингтонским событием — вспышку можно было наблюдать даже невооружённым глазом.
Вспышки по интенсивности делят на пять классов: A, B, C, M, X. Каждый последующий класс — мощнее предыдущего в десять раз. Каждый класс разбивается на линейную шкалу от 1.0 до 9.9, у класса X — нет верхней границы: на данный момент самая мощная вспышка, зафиксированная с 1957 года (когда начались внеатмосферные наблюдения, и полную мощность по всему спектру излучения — стало возможно установить) — произошла 4 ноября 2003, и по уточнённым данным — имела класс X45.
Фактически являясь продолжением конвективной зоны — фотосфера является видимым (для нас) отражением тех явлений и той структуры, которая существует в конвективной зоне (которая описана выше).
Хромосфера — это слой около 10 тыс. км толщиной, располагаемый между фотосферой и короной. Здесь резко начинает падать давление, а температура — снова начинает расти:
В связи с тем, что давление в этом слое очень низкое — его светимость (несмотря на рост температуры) в сотни раз меньше, чем у фотосферы. По этой причине, впервые оно было открыто благодаря лунным затмениям (когда свет от фотосферы не мешал наблюдению данного слоя). Именно в этой области Солнца — впервые был обнаружен гелий.
Хромосфера в основном, состоит из спикул — объектов продолговатой формы, имеющих несколько тысяч километров в диаметре, и около тысячи в глубину:
Поднимаясь из фотосферы — они переносят вещество в верхние слои Солнца. Другой составляющей хромосферы — являются фибриллы. Они представляют собой вертикальные петли вещества, увлекаемые магнитным полем (по типу протуберанцев).
Корона — начинается от видимого радиуса Солнца, и простирается на 10-20 его диаметров. Состоит из весьма разреженного, и неравномерно распределённого вещества, с температурой превышающей миллион кельвин.
Источником столь большой температуры короны, по последним данным — служат хромосферные спикулы, которые подпитывают её высокоэнергетическими частицами. Структура короны сильно зависит от периода солнечной активности: во время максимумов — она имеет сферическую форму, во время минимумов — вытянутую по направлению экватора:
Солнечный ветер — это поток сильно разреженного солнечного вещества, с температурой близкой к корональной, движущийся с высокой скоростью (на орбите Земли — его скорость составляет 300-400 км\с):
П.С. Во второй части статьи — об космической погоде, аппаратах исследующих Солнце и службах, следящих за его состоянием.
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ. Активная область на Солнце – (АО) – это совокупность изменяющихся структурных образований в некоторой ограниченной области солнечной атмосферы, связанная с усилением в ней магнитного поля от значений 10–20 до нескольких (4–5) тысяч эрстед. В видимом свете наиболее заметным структурным образованием активной области являются темные, резко очерченные солнечные пятна, часто образующие целые группы. Обычно среди множества более или менее мелких пятен выделяются два крупных, образующих биполярную группу пятен с противоположной полярностью магнитного поля в них. Отдельные пятна и вся группа обычно окружены яркими ажурными, похожими на сетку структурами – факелами. Здесь магнитные поля достигают значений в десятки эрстед. В белом свете факелы лучше всего заметны на краю солнечного диска, однако, в сильных спектральных линиях (особенно водорода, ионизованного кальция и др. элементов), а также в далекой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, они значительно ярче и занимают большую площадь. Протяженности активной области достигают нескольких сотен тысяч километров, а время жизни – от нескольких дней до нескольких месяцев. Как правило, их можно наблюдать практически во всех диапазонах солнечного электромагнитного спектра от рентгеновских, ультрафиолетовых и видимых лучей до инфракрасных и радио волн. На краю солнечного диска, когда активная область видна сбоку, над нею, в солнечной короне в эмиссионных линиях часто наблюдаются протуберанцы – огромные плазменные «облака» причудливых форм. Время от времени в активной области происходят внезапные взрывы плазмы – солнечные вспышки. Они порождают мощное ионизующее излучение (в основном, рентгеновское) и проникающее излучение (энергичные элементарные частицы, электроны и протоны). Высокоскоростные корпускулярные плазменные потоки изменяют структуру солнечной короны. Когда Земля попадает в такой поток, деформируется ее магнитосфера и возникает магнитная буря. Ионизующее излучение сильно влияет на условия в верхних слоях атмосферы и создает возмущения в ионосфере. Возможны влияния и на многие другие физические явления (см. раздел СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫЕ СВЯЗИ).
Первые наблюдения солнечных пятен.
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. Например, наиболее ранние упоминания о «местах черных» на Солнце в Никоновской летописи относятся к 1365 и 1371. Первые телескопические наблюдения в самом начале 17 в. были почти одновременно независимо друг от друга выполнены Галилео Галилеем в Италии, Иоганом Холдсмитом в Голландии, Христофором Шейнером в Германии и Томасом Харриотом в Англии. При очень хороших атмосферных условиях на фотографиях Солнца можно иногда увидеть не только тонкую структуру солнечных пятен, но и светлые ажурные площадки вокруг них – факелы, лучше всего заметные на краю солнечного диска. При этом видно, что 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.
Галилео Галилей о солнечных пятнах.
Галилей родился в Пизе (Северная Италия) в 1564. В 1609 он одним из первых направил на небо свой крохотный телескоп. В наше время каждый школьник из очкового стекла и обыкновенной лупы сам себе может сделать даже лучший инструмент. Однако поразительно, как много нового увидел Галилей в свой весьма несовершенный телескоп: спутники Юпитера, горы и впадины на Луне, фазы Венеры, пятна на Солнце, звезды в Млечном Пути и многое другое. Будучи приверженцем идей Коперника о центральном положении Солнца в нашей планетной системе, он стремился подтвердить его идеи наблюдениями. В 1632 Галилей издал свою знаменитую книгу Диалог о двух системах мира. Фактически это была первая научно-популярная книга, написанная блестящим литературным языком, причем не по-латыни, как было тогда принято среди ученых, а на понятном всем соотечественникам Галилея итальянском языке. Эта книга оказалось смелой и рискованной поддержкой учения Коперника, за что вскоре Галилей был привлечен инквизицией к суду. Наблюдения Солнца Галилей, естественно, надеялся использовать как наиболее убедительный аргумент. Поэтому в 1613 он издал в виде прекрасных гравюр три письма под общим названием Описания и доказательства, относящиеся к солнечным пятнам. Эти письма были ответом на нелепые доводы аббата Шейнера, который также наблюдал солнечные пятна, но принял их за планеты, которые, по его мнению, двигались в направлении, предписанном системой Птолемея (геоцентрической), а потому якобы ее подтверждавшие. Галилей указал на ошибку Шейнера, который не заметил, что его труба переворачивала изображение. Затем он доказал, что пятна принадлежат Солнцу, которое, как оказалось, вращается. Галилей даже высказал предположение, оказавшееся верным, но доказать которое удалось только через два с половиной столетия, о том, что пятна состоят из газов более холодных и прозрачных, чем атмосфера Солнца. Наконец, сравнив черноту пятен с темнотой неба за краем изображения Солнца и заметив, что Луна темнее фона неба вблизи Солнца, он установил, что солнечные пятна ярче самых светлых мест на Луне. Это сочинение Галилея – первое серьезное научное исследование, посвященное физической природе Солнца. Вместе с тем, это сочинение – блестящий образец художественной литературы, иллюстрированный прекрасными гравюрами самого автора.
Наблюдения солнечных пятен.
Общее число пятен и образованных ими групп медленно меняется в течение некоторого периода времени (цикла) от 8 до 15 лет (в среднем 10–11 лет). Важно, что наличие пятен на Солнце влияет на магнитное поле Земли. Это было замечено Горребовым еще в 18 в., а сейчас уже известно, что солнечная активность связана с очень многими земными явлениями, так что изучение солнечно-земных связей очень важно для практической жизни. Поэтому необходимы непрерывные и постоянные наблюдения Солнца, которые часто затрудняются плохой погодой и недостаточностью сети специальных обсерваторий. Ясно, что даже скромные любительские наблюдения, но выполненные тщательно и хорошо описанные (с указанием времени, места и т.д.) могут оказаться полезными для международной сводки данных о солнечной активности (см. Solar Geophysical data). Кроме того, наблюдения, выполненные любителем в данном месте, могут натолкнуть наблюдателя на обнаружение новой, ранее не замеченной связи с каким-нибудь земным явлением, специфическим именно для этого места. Каждый любитель на своем телескопе может определять самый известный индекс солнечной активности – относительное число солнечных пятен Вольфа (по имени немецкого астронома, который ввел его в середине 19 в.). Чтобы определить число Вольфа, надо подсчитать сколько на изображении Солнца видно отдельных пятен, а затем прибавить к полученному числу удесятеренное число групп, которые они образуют. Очевидно, что результат такого подсчета сильно зависит от очень многих причин, начиная от размера инструмента, качества изображения, на которое сильно влияют погодные условия, и кончая искусством и зоркостью наблюдателя. Поэтому каждый наблюдатель должен на основании сравнения длительных своих наблюдений с общепринятыми данными оценить тот средний коэффициент, на который он должен умножить свои оценки чисел Вольфа, чтобы в среднем получились результаты в общепринятой шкале. Сводку общепринятых значений чисел Вольфа (W) можно найти, например, в бюллетене Солнечные данные, издаваемом Пулковской обсерваторией в Санкт-Петербурге.
Физические особенности солнечных пятен.
Пятна и особенно группы солнечных пятен – наиболее заметные активные образования в фотосфере Солнца. Известно множество случаев, когда большие пятна на Солнце наблюдались невооруженным глазом через закопченное стекло. Пятна всегда связаны с появлением сильных магнитных полей с напряженностью до нескольких тысяч эрстед в солнечной активной области. Магнитное поле замедляет конвективный перенос тепла, из-за чего температура фотосферы на небольшой глубине под пятном уменьшается на 1–2 тысячи К. Пятна зарождаются в виде множества мелких пор, часть которых скоро гибнет, а некоторые разрастаются в темные образования с яркостью раз в 10 меньшей, чем у окружающей фотосферы. Тень солнечного пятна окружена полутенью, образованной радиальными по отношению к центру пятна волоконцами. Продолжительность существования солнечных пятен – от нескольких часов и дней до нескольких месяцев. Большинство солнечных пятен образуют вытянутые примерно вдоль солнечного экватора пары – биполярные группы солнечных пятен с противоположной полярностью магнитных полей у восточных и западных членов группы. Количество солнечных пятен и образованных ими биполярных групп циклически (т.е. за непостоянный интервал времени, в среднем близкий к 11 годам) меняется: сначала сравнительно быстро увеличиваясь, а затем медленно убывая.
Фотосферные факелы.
Вокруг пятен часто наблюдаются яркие площадки, называемые факелами от греческого слова факелос (пучок, факел). Это начальная фаза проявления солнечной активности, лучше всего заметная вблизи края солнечного диска, где контраст с невозмущенным фоном фотосферы достигает 25–30%. Факелы выглядят как совокупность мелких ярких точек (факельных гранул размером в сотни километров), образующих цепочки и ажурную сетку. Они есть практически в любой активной области на Солнце, и их появление предшествует образованию пятен. Вне активных областей факелы периодически появляются в полярных областях Солнца.
Флоккулы.
В хромосфере над факелами наблюдаются их продолжения, имеющие сходную структуру и называемые флоккулами (от латинского флоккулис – маленький клочок, пушинка). Это проявление солнечной активности в хромосфере, хорошо заметное на диске Солнца при наблюдении в спектральных линиях водорода, гелия, кальция и других элементов.
Протуберанцы и волокна.
Солнечные вспышки.
Оно возникает в области изменения полярности магнитного поля, где в малой области пространства «сталкиваются» сильные противоположно направленные магнитные поля, в результате чего существенно меняется их структура. Обычно солнечная вспышка характеризуется быстрым ростом (до десятка минут) и медленным спадом (20–100 мин.). Во время вспышки возрастает излучение практически во всех диапазонах электромагнитного спектра. В видимой области спектра это увеличение сравнительно невелико: у самых мощных вспышек, наблюдаемых даже в белом свете на фоне яркой фотосферы, оно составляет не более полутора – двух раз. Зато в далекой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра и, особенно, в радиодиапазоне на метровых волнах это увеличение очень велико. Иногда наблюдаются всплески гамма лучей. Примерно половина общей энергии вспышки уносится мощными выбросами плазменного вещества, которое проходит через солнечную корону и достигает орбиты Земли в виде корпускулярных потоков, взаимодействующих с земной магнитосферой, что иногда приводит к появлению полярных сияний.
Как правило, вспышки сопровождаются выбросом высокоэнергичных заряженных частиц. Если во время вспышки удается зарегистрировать протоны, то такая вспышка называется «протонной». Потоки энергичных частиц от протонных вспышек представляют серьезную опасность для здоровья и жизни космонавтов в космическом пространстве. Они могут вызывать сбои в работе бортовых компьютеров и других приборов, а также их деградацию. Самые мощные вспышки видны даже в «белом свете» на фоне яркой фотосферы, но такие события весьма редки. Впервые такую вспышку 1 сентября 1859 независимо наблюдали в Англии Кэррингтон и Ходжсон. Наблюдать солнечные вспышки легче всего в красной линии водорода, излучаемой хромосферой. В радио диапазоне усиление радио яркости в активных областях бывает настолько велико, что полный поток энергии радиоволн, идущих от всего Солнца, возрастает в десятки и даже многие тысячи раз. Эти явления называются всплесками радиоизлучения Солнца. Всплески проявляются на всех длинах волн – от миллиметровых до километровых. Они создаются распространяющимися в солнечной короне ударными волнами, порожденными вспышкой. Их сопровождают потоки ускоренных протонов и электронов, вызывающих нагрев плазмы в хромосфере и короне до температур в десятки миллионов кельвинов. Считается, что наиболее вероятным источником энергии, выделяющейся во время солнечной вспышки, является магнитное поле. При усилении напряженности магнитного поля в некоторой области хромосферы или короны происходит накопление большого количества магнитной энергии. При этом могут возникать неустойчивые состояния, приводящие к почти мгновенному взрывному процессу выделения энергии, соизмеримой с энергией миллиардов ядерных взрывов. Все явление длится от нескольких минут до нескольких десятков минут, за которые выделяется до 10 25 –10 26 Дж (10 31–32 эрг) в виде энергичного выброса плазмы и потока солнечных космических лучей, а также электромагнитного излучения всех диапазонов – от рентгеновского и гамма-излучения до метровых радиоволн. Жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучения от вспышек изменяют состояние земной атмосферы, вызывая магнитные возмущения, которые оказывают существенное воздействие на всю атмосферу Земли, обуславливая многие геофизические, биологические и другие явления.
Солнечные космические лучи
– поток заряженных частиц высоких энергий, ускоренных в верхних слоях солнечной атмосферы, которые возникают во время вспышек на Солнце. Они регистрируются у поверхности Земли в виде внезапных и резких повышений интенсивности космических лучей на фоне более высоко энергичных галактических космических лучей. Полученный из наблюдений верхний предел энергии частиц солнечных космических лучей eк » 2·10 10 эВ. Нижняя граница их энергии неопределённа и превышает мега электрон вольт (eк Ј 10 6 эВ). Во время некоторых вспышек она опускается ниже 10 5 эВ, т.е., по существу, смыкается с верхней границей энергии частиц солнечного ветра. Условно принятый нижний предел энергии солнечных космических лучей составляет 10 5 – 10 6 эВ. При меньших энергиях поток частиц приобретает свойства плазмы, для которой уже нельзя пренебрегать электромагнитным взаимодействием частиц между собой и с межпланетным магнитным полем.
Основную долю солнечных космических лучей составляют протоны с eк і 10 6 эВ, имеются также ядра с зарядом Z і 2 (вплоть до ядер 28 Ni) и энергией eк от 0,1 до 100 МэВ/нуклон, электроны с eк і 30 кэВ (экспериментальный предел). Зарегистрированы заметные потоки дейтронов 2 H, установлено наличие трития 3 Н и основных изотопов С, О, Ne и Аr. Во время некоторых вспышек возникает заметное количество ядер изотопа 3 Не. Относительное содержание ядер с Z і 2 в основном отражает состав солнечной атмосферы, тогда как доля протонов меняется от вспышки к вспышке.
Комплекс явлений (процессов), предшествующих моменту t0 генерации солнечных космических лучей, а также процессов, происходящих вблизи момента t0 (сопутствующие эффекты) и сопровождающих генерацию солнечных космических лучей (с запаздыванием Т относительно момента t0 или t0 + Dt, где Dt – длительность ускорения), называется солнечным протонным событием (СПС). Для частиц с eк і 10 8 эВ зависимость от времени интенсивности потока солнечных космических лучей у Земли (временной профиль СПС) имеет характерный несимметричной вид. Он изображается кривой с очень быстрым нарастанием (за минуты и десятки минут) с более медленным (от нескольких часов до » 1 суток) спадом. При этом амплитуда возрастания на поверхности Земли может достигать сотен и тысяч процентов по отношению к фоновому потоку галактических космических лучей. По мере удаления от поверхности Земли (в стратосфере, на орбитах ИСЗ и в межпланетном пространстве) энергетический порог регистрации солнечных космических лучей постепенно снижается, а частота наблюдаемых протонных событий значительно увеличивается. При этом временной профиль лучей, как правило, растягивается на несколько десятков часов.
Распределение солнечных космических лучей по энергиям и зарядам у Земли определяется механизмом ускорения частиц в источнике (солнечная вспышка), особенностями их выхода из области ускорения и условиями распространения в межпланетной среде, поэтому форму спектра солнечных космических лучей надежно установить весьма трудно. По-видимому, она неодинакова в различных интервалах энергии: в представлении дифференциального энергетического спектра степенной функцией
Ускорение частиц тесно связано с механизмом возникновения и развития самих солнечных вспышек. Основным источником энергии вспышки является магнитное поле. При его изменениях возникают электрические поля, которые и ускоряют заряженные частицы. Наиболее вероятными механизмами ускорения частиц во вспышках принято считать электромагнитные. Частицы космических лучей с зарядом Ze, массой Атр и скоростью n в электромагнитных полях принято характеризовать магнитной жесткостью R = Ampс n/Ze, где А – атомный номер элемента. При ускорении квазирегулярным электрическим полем, возникающим при разрыве нейтрального токового слоя во вспышке, в процесс ускорения вовлекаются все частицы горячей плазмы из области разрыва, при этом формируется спектр солнечных космических лучей вида
ехр (–R/R0), где R0 – характеристическая жесткость. Если магнитное поле в области вспышки меняется регулярным образом (например, растет со временем по определенному закону), то возможен эффект бетатронного ускорения. Такой механизм приводит к степенному спектру по жесткостям (
R – g). В сильно турбулентной плазме солнечной атмосферы возникают также нерегулярно меняющиеся электрические и магнитные поля, которые приводят к стохастическому ускорению. Наиболее детально разработан механизм статистического ускорения при столкновениях частиц с магнитными неоднородностями (механизм Ферми). Этот механизм дает энергетический спектр вида
В условиях вспышки основную роль должны играть быстрые (регулярные) механизмы ускорения, хотя теория допускает и альтернативную возможность – медленное (стохастическое) ускорение. Из-за сложности физической картины вспышек и недостаточной точности наблюдений сделать выбор между различными механизмами трудно. Вместе с тем наблюдения и теоретический анализ показывают, что во вспышке может работать некоторая комбинация механизмов ускорения. Принципиально важную информацию о процессах ускорения солнечных космических лучей можно получить, регистрируя поток нейтронов и гамма-излучение от вспышек, а также по рентгеновскому и радио электромагнитному излучению. Данные об этих излучениях, полученные с помощью космических аппаратов, свидетельствуют в пользу быстрого ускорения солнечных космических лучей (за секунды времени).
Цикл солнечной активности.
Немецкий астроном-любитель Генрих Швабе из Дессау, по профессии аптекарь, в течение четверти столетия каждый ясный день наблюдал Солнце и отмечал количество замеченных им солнечных пятен. Когда он убедился в том, что это число регулярно увеличивается и уменьшается, он в 1851 опубликовал свои наблюдения и тем привлек внимание ученых к своему открытию. Директор обсерватории в Цюрихе Р.Вольф подробно изучил более ранние данные о наблюдении пятен на Солнце и организовал дальнейшую систематическую их регистрацию. Он ввел для характеристики пятнообразовательной деятельности Солнца специальный индекс, пропорциональный сумме числа всех отдельных пятен, в данный момент наблюдаемых на солнечном диске, и удесятеренного числа образованных ими групп. Впоследствии этот индекс стали называть числами Вольфа. Оказалось, что чередование максимумов и минимумов ряда чисел Вольфа происходит не строго периодично, а через интервалы времени колеблющиеся от восьми до пятнадцати лет. Однако в различные эпохи интервал оказывался одинаковым, в среднем, – около одиннадцати лет. Поэтому явление стали называть 11-летним циклом солнечной активности.
В начале цикла пятен на Солнце почти совсем нет. Потом за несколько лет их количество увеличивается до некоторого максимума, после чего несколько медленнее оно снова уменьшается до минимума. С учетом чередования магнитной полярности пятен биполярных групп и всего Солнца в соседних циклах физически более обоснован 22-летний цикл солнечной активности. Есть данные о существовании более продолжительных циклов: 35-летнего (цикл Брюкнера), векового (80–130 лет) и некоторых других.
Индексы солнечной активности.
Уровень солнечной активности принято характеризовать специальными индексами солнечной активности. Самым известным из них являются числа Вольфа W, введенные немецким астрономом Рудольфом Вольфом: W = k (f + 10g), где, f – число всех отдельных пятен, в данный момент наблюдаемых на солнечном диске, а g – удесятеренное число образованных ими групп. Этот индекс удачно отражает вклад в солнечную активность не только от самих пятен, но и от всей активной области, в основном, занятой факелами. Поэтому числа W очень хорошо согласуются с современными более точными индексами, например, величиной потока радиоизлучения от всего Солнца на волне 10,7 см. Существует также множество других индексов солнечной активности, определяемых площадью факелов, флоккулов, теней пятен, количеством вспышек и т.д.
Роль Солнца для жизни на Земле.
Различные виды солнечного излучения определяют тепловой баланс суши, океана и атмосферы. За пределами земной атмосферы на каждый квадратный метр площадки, перпендикулярной солнечным лучам, приходится чуть больше 1,3 киловатта энергии. Суша и воды Земли поглощают примерно половину этой энергии, а в атмосфере поглощается около одной пятой ее части. Остальная часть солнечной энергии (около 30 %) отражается обратно в межпланетное пространство, главным образом, земной атмосферой. Трудно себе представить, что случится, если на некоторое время какая-то заслонка преградит путь этим лучам на Землю. Арктический холод быстро начнет охватывать нашу планету. Через неделю тропики занесет снегом. Замерзнут реки, стихнут ветры и океан промерзнет до дна. Зима наступит внезапно и всюду. Начнется сильный дождь, но не из воды, а из жидкого воздуха (в основном, из жидкого азота и кислорода). Он быстро замерзнет и семиметровым слоем покроет всю планету. Никакая жизнь не сможет сохраниться в таких условиях. К счастью, всего этого случиться не может, по крайней мере, внезапно и в обозримом будущем, зато описанная картина достаточно наглядно иллюстрирует значение Солнца для Земли. Солнечный свет и тепло были важнейшими факторами возникновения и развития биологических форм жизни на нашей планете. Энергия ветра, водопадов, течения рек и океанов – это запасенная энергия Солнца. То же можно сказать и об ископаемых видах топлива: уголь, нефть, газ. Под влиянием электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца молекулы воздуха распадаются на отдельные атомы, которые, в свою очередь, ионизуются. Образуются заряженные верхние слои земной атмосферы: ионосфера и озоносфера. Они отводят или поглощают губительное ионизирующее и проникающее солнечное излучение, пропуская к поверхности Земли только ту часть энергии Солнца, которая полезна живому миру, к которой растения и живые существа приспособились. Однако даже ничтожная остаточная часть ультрафиолетовых лучей, достигающая наших пляжей, способна доставить много неприятностей неосторожным туристам, жаждущим поскорее загореть.
Солнечно-земные связи.
Комплекс явлений, связанных с воздействием солнечного корпускулярного и электромагнитного излучений на геомагнитные, атмосферные, климатические, погодные, биологические и другие геофизические и геологические процессы – предмет особой дисциплины, называемой солнечно-земные связи. Ее основные идеи были заложены в начале 20 в. трудами выдающихся русских ученых В.И.Вернадского, К.Э.Циолковского и А.Л.Чижевского – основоположника гелиобиологии, активного исследователя влияния солнечной активности на самые различные явления, происходящие на Земле.
Солнце и тропосфера.
Поверхность Земли нагревается сильнее, чем воздух, поэтому приземные слои воздуха теплее вышележащих. Если посмотреть на открытый пейзаж в жаркий день, то можно заметить поднимающиеся струи горячего воздуха. Так в нижней атмосфере Земли возникает перемешивание (конвекция), подобная той, что приводит к образованию грануляции в солнечной фотосфере. Этот слой, толщиной километров 10–12 (в средних широтах), называются тропосферой. Его хорошо видно сверху из иллюминатора самолета, летящего над пеленой кучевых облаков – проявления конвекции в земной атмосфере. Температура в тропосфере неуклонно уменьшается с высотой вплоть до значений –40 и даже –80° С на высотах около 8 и 100 км.
Солнце, погода и климат.
Приток солнечного света и тепла к вращающейся Земле приводит к суточному изменению температуры почти на всех широтах, кроме полярных шапок, где ночи и дни могут длиться вплоть до полугода. Зато здесь существеннее всего годичный ритм солнечной облученности, также заметный на всей Земле, кроме экваториальной зоны, где ощущается только смена дня и ночи. Суточные и годичные изменения освещенности Земли солнечными лучами приводят к сложной периодической изменчивости нагрева в различных районах Земли. Неодинаковый нагрев разных участков суши, океана и атмосферы приводит к возникновению мощных струйных течений в океанах, а также к ветрам, циклонам и ураганам в тропосфере. Эти перемещения вещества сглаживают перепады температуры и при этом оказывают сильное влияние на погоду в каждой точке Земли и формируют климат на всей планете. Можно ожидать, что устоявшийся в течение тысячелетий тепловой режим на Земле должен обеспечить исключительно точную повторяемость погодных явлений в каждом заданном регионе. В некоторых местах это действительно так, Например, со времен древней истории известно, что разливы Нила, связанные с осадками в его верховьях, как часы начинаются в один и тот же день тропического года. Однако во многих других местах при сохранении общих закономерностей часто наблюдаются заметные отклонения от среднего. Многие из них отражены в календарях разных народов, в частности и в русском (май холодный – год плодородный, если на Евдокию курочка может из лужицы напиться, лету теплому быть и т.д.). Однако, даты, например, крещенских и введенских морозов – более устойчивы, а рождественских – менее. Из геологии известно о нескольких ледниковых периодах. Все эти аномалии, хотя бы частично, могут быть связаны с солнечной активностью.
Пикельнер С.Б. Солнце. М., Физматгиз, 1961
Мензел Д. Наше солнце. М., Физматгиз, 1963
Витинский Ю.И., Оль А.И., Сазонов Б.И. Солнце и атмосфера Земли. Л., Гидрометеоиздат, 1976
Кононович Э.В. Солнце – дневная звезда. М., Просвещение, 1982
Миттон С. Дневная звезда. М., Мир, 1984
Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. М., УРСС, 2001
