§ 20. Сонячна активність і її вплив на Землю
На поверхні Сонця часто спостерігають особливі утворення: ділянки з підвищеною яскравістю — факели, ділянки зі зниженою яскравістю — плями, іноді з'являються маложивучі дуже яскраві.
спалахи. а на краю диска помітні протуберанці. Всі вони є активними утвореннями на Сонці, а їхня поява й розвиток - це і є прояв сонячної активності.
Місця, де спостерігаються активні утворення, названі активними зонами. Їхня головна характеристика - сильні локальні магнітні поля, які виходять на поверхню Сонця. Ці поля набагато сильніше його регулярного магнітного поля.
1. Сонячні плями. Активні зони у фотосфері проявляються насамперед сонячними плямами. Через контраст із фотосферою сонячні плями мають вигляд темних утворень, тому що температура речовини в них досягає лише 4 500 К. Трапляються як одиничні плями, так й їхньої групи. Розміри плям у середньому рівні 40 000 км, але іноді вони досягають 180 000 км у діаметрі.
В великій плямі виділяють значно більш темне ядро, оточене півтінню (мал. 20.1). Час життя одиночних плям досягає декількох місяців, для груп плям воно іноді обмежено декількома годинниками.
Ще в 1908 р. було доведено, що плями мають сильне магнітне поле, що виникає при конвективних рухах речовини в підфотосферных шарах. Індукція магнітного поля плям досягає 0,5 Тл. Потужне магнітне поле перешкоджає виходу гарячої сонячної речовини з його надр, тому температура поверхні Сонця в цьому місці знижується.
Пляма, у якій магнітні силові лінії виходять з-під поверхні, має північну полярність N, якщо ж ці лінії йдуть під поверхню - південну S. Досить часто магнітні силові лінії, що виходять із плям (особливо одиночних), простираються далеко за межі поверхні Сонця, у хромосферу й корону.
На сонячному диску спостерігаються світлі утворення — факели (мал. 20.2), які є повсюдними супутниками плям. Оскільки в самій плямі потік енергії менше, а із глибини Сонця він рівномірний у всіх напрямках, то ділянка поруч із плямою — факел — це місце, де її просочується більше.
2. Циклічність сонячної активності. У середині XIX в. було помічено, що в різні роки кількість плям на Сонці неоднакова. Іноді їх багато — це максимум активності. І навпаки, бувають роки, коли плям на Сонце дуже мало — це мінімум активності.
Ступінь плямоутворення на Сонці прийнято виражати числом Вольфа
(20.1)
де g - кількість груп плям, f - загальна кількість всіх плям, які присутні в цей момент на диску Сонця.
Підрахунки чисел Вольфа роблять на щодня, після чого знаходять середнє за місяць і середнє за рік. У результаті можна скласти графік зміни цього статистичного параметра від року до року (мал. 20.3). Як видно, кількість плям на Сонце в наш час змінюється в середньому з періодом 11,1 року, тобто існує 11 -літній цикл активності Сонця. Проте проміжки часу між двома максимумами можуть коливатися від 7,5 до 16 років, тому передбачати настання конкретного максимуму нелегко.
Введена умовна нумерація циклів. За початок відліку прийнятий цикл, що мав початок в 1755 р. Тому говоримо, що в 1996 р. почався 23-й цикл.
Максимуми числа W від циклу до циклу неоднакові (мал. 20.4). Імовірно, існує віковий цикл сонячної активності — певна повторюваність найбільших максимумів через 80-90 років, а також тисячолітній цикл із періодом близько 1 100 років.
3. Протуберанці. При спостереженнях Сонця через щільний червоний світлофільтр на краю диска виднj світлі виступи над його поверхнею, які можуть простиратися далеко за межі кульгаво сфери, у корону (мал. 20.5).
Такі викиди речовини називаються протуберанцями (від лат. «протуберо» — «здуваюся»). Протуберанці являють собою згустки речовини, які піднімаються над сонячною поверхнею й утримуються над нею магнітним полем.
Протуберанці — найбільш грандіозні утворення в атмосфері Сонця, Довжина деяких з них досягає 200 тис. км, товщина — кілька тисяч кілометрів. Це дуже плоскі й довгі, більш щільні й більш холодні, ніж корона, хмари газу, розташовані практично перпендикулярно до поверхні Сонця. Тому в проекції на сонячний диск вони мають вигляд вигнутих темних волокон, як правило, витягнутих у напрямку схід-захід уздовж паралелі.
4. Сонячні спалахи. Досить часто над сонячними плямами в хромосфері відбуваються хромосферні спалахи (мал. 20.6) — найбільш вражаючі прояви сонячної активності. У роки максимумів сонячної активності може трапитися до десяти спалахів за добу, тоді як у роки мінімумів протягом багатьох місяців може не бути ні однієї.
Як правило, спалах починається зі швидкого збільшення температури корони іноді навіть до 40 млн К, що викликає сплеск м'якого рентгенівського випромінювання. Потім під зоною збільшення температури в короні підвищується температура хромосфери. Самі потужні спалахи можна спостерігати без допомоги спеціального фільтра. Яскравість спалахів буває на 50% більше яскравості фотосфери.
За сучасними уявленнями, спалах — це раптове виділення енергії, накопиченої в магнітному полі активної зони. На певній висоті над поверхнею Сонця виникає ділянка, у якій магнітне поле на невеликому відрізку різко змінюється по величині й напрямку. У такий момент силові лінії раптом перезамикаються, конфігурація поля різко змінюється, що супроводжується істотним прискоренням заряджених часток і перетворенням їх у високоенергічні. Через підвищення температури речовини з'являється потужне електромагнітне випромінювання в рентгенівських, ультрафіолетовому й радіодіапазонах. Верхньою своєю частиною спалах проривається в корону, викидаючи в міжпланетний простір у радіальному напрямку вузький струмінь часток високої енергії зі швидкостями 3 000 - 30 000 км/с. А в деяких самих потужних спалахах навіть народжуються сонячні космічні промені — електрони, протони, нейтрони, α-частки й інші, що рухаються зі швидкостями до 0,2-0,8 швидкості світла.
Процес розвитку невеликих спалахів триває 5-10 хвилин, самих потужних — до 7 годин. За цей час на ділянці сонячної поверхні довжиною 1000 км виділяється енергія близько 1021 - 1025 Дж, що порівняно з енергією, випромінюваною всією поверхнею Сонця за 1 с, або з кількістю тепла, що одержує Земля від Сонця за рік.
Із всіх активних утворень спалаху виділяються своєю особливою здатністю впливати на геофізичний стан Землі. І хоча принцип утворення спалахів учені встановили, детальної теорії поки ще немає.
5. Вплив сонячної активності на магнітосферу й атмосферу Землі. Під час спалаху потік рентгенівських квантів зростає в 100-400 разів, і вже через 8 хв 20 с вони досягають орбіти Землі й проникають в іоносферу. Тверде випромінювання викликає додаткову іонізацію повітря. У результаті змінюється щільність іоносферних шарів й їхня здатність, що відбиває, а тому порушується зв'язок на коротких радіохвилях. Почасти також руйнується озоновий шар, і до поверхні Землі проникає підвищена кількість ультрафіолету.
Через кілька годин після спалаху досягає Землі й потік високоенергічних часток. Завдяки наявності геомагнітного поля ці частки не потрапляють на земну поверхню, але в районах магнітних полюсів, де силові магнітні лінії виходять із поверхні або входять у неї, вони проникають до висот 100 км, іонізуючи й збуджуючи атоми повітря. При поверненні атомів до нейтрального стану відбувається висвічування, що спостерігається у вигляді полярних сяйв — дивних по красі явищ (мал. 20.7).
6. Магнітні бурі. Через 1-2 доби посилений потік сонячного вітру досягає Землі. Під його дією земна магнітосфера в цілому трохи стискується. Але як відомо з §13, навколо Землі в пастці силових геомагнітних ліній, у так званих радіаційних поясах, перебуває багато заряджених часток. На висоті 3-5R© вони утворять в екваторіальній площині електричний струм, що тече у напрямку зі сходу на захід. Цей струм створює власне магнітне поле, що приєднується до геомагнітного. При посиленні сонячного вітру кількість заряджених часток у радіаційних поясах зростає, тому збільшується й екваторіальний електричний струм. Зростає при цьому і його магнітне поле, що перешкоджає подальшому стисканню магнітосфери, більш того, вона починає розширюватися.
При стисканні магнітосфери напруженість магнітного поля підсилюється, при розширенні - зменшується. Так виникає окремий сплеск геомагнітного збурювання тривалістю біля години. Потужні сонячні збурювання спричиняються тривале посилення сонячного вітру. У магнітосферу надходить один імпульс за іншим. Виникає послідовна серія збурень геомагнітного поля, коли його напруженість швидко й різко змінюється - наступає магнітна буря.
Під час магнітної бурі збурювання геомагнітного поля можуть досягати такої сили, що в земній корі, у металевих предметах, у провідниках і т.д. индуцируються досить сильні хаотичні електричні струми, які можуть викликати аварії в телеграфно-телефонному зв'язку й виводити з ладу електричні прилади.
Так, під час сильної магнітної бури 11 лютого 1958 р. у Швеції був зареєстрований вихід з ладу електричної лінії, горіли запобіжники, трансформатори, ізоляція на кабелях. У земній корі в сейсмічно активних регіонах електричні збурювання можуть спровокувати землетруси.
7. Вплив активності Сонця на погоду. Активність Сонця впливає на погоду на Землі. Цей зв'язок можна простежити в такий спосіб. Відомо, що крім екваторіального кільцевого струму в районах геомагнітних полюсів на відстані 20о уночі й 10 удень на висоті близько 100 км приблизно уздовж магнітних паралелей також тече електричний струм. Частина посиленого потоку заряджених часток, що надходить від Сонця, підсилює плин струму у високих широтах, що приводить до додаткового розігріву атмосфери. Від місця розігріву вниз до тропосфери й далі уздовж поверхні Землі хвилеподібні імпульси протягом декількох годин поширюються в напрямку низьких широт. Ці хвилі є тим енергетичним мостом між іоносферою й тропосферою, що передає енергію корпускулярних сонячних потоків погодному шару атмосфери. Вони підсилюють меридіональну циркуляцію повітря й зменшують зональну. У районах, де тиск був низьким, воно стає ще нижче, а де було високим - стає ще більш високим. За таких умов у тропічній зоні народжуються тайфуни, а в місцях з різко вираженим континентальним кліматом - посухи.
8. Сонячна активність і коливання клімату Землі. Від циклів сонячної активності залежать коливання клімату Землі. В 1000-літньому циклі істотно змінюється рівень води в озерах і морях.
Викликає інтерес історія колонізації Ісландії. В 860 р. клімат цього острова був значно м'якіше, ніж у цей час. Родючі землі, багаті рослинністю пасовища були й у Гренландії, де в IX в. існували два поселення із загальним числом жителів близько 5 000. Але з XIV в. у північній півкулі, зокрема в Європі, кількість опадів різко зросла. Зледеніння Арктики досягло значних розмірів, Гренландія була блокована льодом і на 200 років зв'язок з нею перервалася. А коли до неї вдалося пробитися через льоди, там не знайшли жодного жителя.
9. Сонячна активність і біосфера Землі. Впливаючи на погоду й клімат, сонячна активність не може не впливати на біосферу Землі. Було зібрано багато зрізів дерев із чітко вираженими річними кільцями, зокрема, однієї секвої віком 3 200 років і дев'ятнадцяти — 500-літніх. Товщину річних кілець визначали з точністю до 0,01 мм. Виявилося, що в роки максимумів сонячної активності приріст дерев був більше виражений, чим у роки мінімумів. Давно відомий і той факт, що сонячна активність впливає на врожайність сільськогосподарських культур.
Сонячна активність впливає й на тваринний світ. Тісно пов'язані з 11-літнім циклом періоди більше активного розмноження каракуртів, пустельної сарани й інших. Останню в періоди між піками сонячної активності взагалі не можна знайти.
До тваринного світу відносяться бактерії й віруси, що викликають різноманітні захворювання в людей і тварин. Регулюючи їхню чисельність і поводження, сонячна активність впливає тим самим на поширення епідемій і пандемій (хвороб, що охоплюють цілі країни й материки), а також епізоотії (масових захворювань тварин). Один з основоположників геліобіології А. Чижевський установив, що в роки високої сонячної активності трапляються пандемії холери, грипу, чуми, дизентерії, дифтерії й інших хвороб.
10. Вплив сонячної активності на людину. Багаточисельні дослідження показали, що найбільш чутливими до змін напруженості геомагнітного поля, викликаним сонячною активністю, є нервова й серцево-судинна системи людини.
Вплив відбувається по різному: змінюються електричні властивості тканин людського організму; з'являються вільні радикали в клітинах; під впливом геомагнітних полів в організмі виникають індукційні струми; змінюється проникність клітинних мембран. У підсумку самопочуття людей із хворобами серцево-судинної системи під час геомагнітних бур погіршується. Це приводить до збільшення числа інфарктів й інсультів.
У здорових людей змінюється сприйняття часу, сповільнюються рухові реакції, різко знижується короткочасна пам'ять, притупляється увага. Навіть у спеціально тренованих людей - спортсменів вищого класу й льотчиків - фіксують збільшення кількості помилок при виконанні контрольних завдань. Різкі й часті збурювання геомагнітного поля, впливаючи на візерунок біопотенціалів мозку, погіршують сон.
Все це позначається на виконанні робіт, що вимагають точності й
уваги, збільшуючи кількість травматичних випадків і транспортних подій. А люди з порушеннями функцій головного мозку в такі дні часто попадають на лікарняні ліжка.
Сонячна активність впливає й на кровоносну систему людини. За деяким даними, під час геомагнітних бур швидкість згортання крові зменшується на 8% . У роки активного Сонця кількість білих кров'яних тілець - лейкоцитів, від яких залежить опірність організму різним інфекційним захворюванням, знижується в 1,5-1,7 рази. Таким чином, поширення епідемій у періоди активного Сонця залежить не тільки від посилення активності патогенних мікроорганізмів.
Таким чином, можна впевнено говорити про те, що ізоляція біосфери від дії космічних факторів відносна. Біосфера чуйно реагує на зміну параметрів навколишнього середовища.
У зв'язку із цим дуже важливо проводити регулярні спостереження за Сонцем і вміти аналізувати різні прояви його активності. Саме цим і займаються багато обсерваторій світу.
Яка причина появи плям на поверхні Сонця?
Дайте визначення числа Вольфа?
Що таке протуберанці?
Що є джерелом енергії сонячних спалахів?
Як впливає сонячна активність на організм людини?
Уявлення, про те, що зірки — це далекі сонця, виникло ще
в древній Греції. Але, здавалося, що природа й ці далекі світила, і близького Сонця назавжди залишиться нез'ясованої. Так і повчав своїх
учнів філософ Сократ (469 - 399 р. до н.е.): «Все це назавжди залишиться таємницею для смертного, і, напевно, самим богам сумно бачити старання людини розгадати те, що вони назавжди приховали від нього...»
А тому «усе, що вище нас, нас не стосується».
Через 2000 років те ж саме затверджував французький філософ О. Конт(1798 - 1857): «Ми нічого не можемо довідатися про зірки крім того, що вони існують». Тому заняття астрономією - «це даремна витрата часу, що не може дати ні корисних, ні цікавих результатів».
Проте за останні сто років астрономам, всупереч песимістичним прогнозам Конта, вдалося знайти відповіді на основні питання, що стосуються природи зірок і фізики процесів, що відбуваються в їхніх надрах.