Что такое пятна на солнце как они влияют на жизнь земли
Откуда на Солнце пятна и как они влияют на Землю
Солнце представляет собой плотный горячий шар, состоящий в основном из водорода и гелия. Всю эту массу газов удерживает вместе гравитационная сила, благодаря которой в недрах звезды протекает реакция термоядерного синтеза. В результате этой реакции выделяется огромное количество энергии, которое разогревает внешние слои звезды до нескольких тысяч градусов и заставляет их светиться.
Однако время от времени на Солнце формируются темные области в виде пятен. Их температура примерно на 1500 градусов ниже, чем у всей остальной атмосферы звезды. Эти области называются солнечными пятнами и по их поведению можно многое сказать об активности нашей звезды.
Нашей звезде удается поддерживать такие высокие температуры в своей атмосфере благодаря постоянному перемешиванию (конвекции) потоков плазмы — более горячие внутренние слои поднимаются, а охладившиеся внешние — опускаются. Но в некоторых местах сильное магнитное поле мешает этому процессу, в результате чего формируются солнечные пятна, в которых конвекция не происходит.
Количество солнечных пятен связано с так называемым числом Вольфа. Зная количество солнечных пятен, можно рассчитать число Вольфа, которое покажет текущую активность светила. Это возможно благодаря стойкой взаимосвязи между количеством солнечных пятен и фазой цикла активности звезды. Фаза цикла активности Солнца, в свою очередь, влияет на жизнь на Земле.
Так, при увеличении солнечной активности на Земле могут возникать сильные магнитные бури, приводящие к проблемам в телекоммуникационных и энергетических сетях. Кроме того, высокая активность нашей звезды может стать причиной обострения симптомов некоторых заболеваний. Также при активном Солнце люди быстрее утомляются и становятся менее внимательными.
Как пятна на Солнце воздействуют на Землю?
Для человечества Солнце является главным небесным светилом. Звезда дарует планете жизнь, свет и тепло. Вместе с тем, она до сих пор вызывает множество вопросов и является причиной оживлённых дискуссий среди учёных.
Долгое время наши предки считали Солнце ослепительно белым шаром. Благодаря этому появилось такое выражение, как «ясное солнышко». Вместе с тем, в 1613 году известный итальянский физик Галилео Галилей смог сделать одно из самых выдающихся открытий в истории астрономии: он заявил о существовании солнечных пятен. Учёный смог увидеть их при помощи телескопа.
Солнечные пятна до сих пор являются загадкой для исследователей. Природа происхождения темных пятен на поверхности звезды долгое время оставалась невыясненной, но в конце ХХ века были сделаны сразу несколько открытий, которые смогли объяснить, почему они появляются.
Солнечные пятна представляют собой мощные магнитные поля, которые возникают внутри звезды. Данные поля приводят к невозможности движения плазмы. Энергия из глубины звезды поступает медленнее, а потому на поверхности появляются затемнения. Поэтому температура в пятнах на 1000−1500 К ниже, чем вокруг, и они кажутся темными, хотя на самом деле являются красными. Срок существования таких пятен достаточно мал – всего 2-3 оборота Солнца. Вместе с тем, протуберанцы, вспышки, факелы и тёмные пятна являются примерами солнечной активности, которая оказывает огромное влияние на Землю.
Солнце не является стабильной звездой
Небесное светило, благодаря которому жизнь на планете стала возможной, нельзя назвать полностью стабильным. Вместе с тем, атмосфера Земли, а также ее геомагнитное поле надёжно защищают планету от проявлений солнечной активности.
Солнечная активность влияет на уровень заболеваний. Ученый А.Л. Чижевский сделал это заявление ещё в 20-х годах прошлого века. Во время роста солнечной активности растёт количество случаев сердечно-сосудистых заболеваний. Японские ученые и вовсе утверждают, что с конца XIX по вторую половину ХХ веков среднее количество лейкоцитов уменьшилось в три раза. К этому привёл рост солнечной активности.
В разное время учёные приходили к выводу о том, что рост солнечной активности негативно влияет на биоритмы человеческого мозга, приводит к обострению нервных заболеваний, а также провоцирует вспышки эпидемий. «Спокойствие» на Солнце, в свою очередь, положительно сказывается на состоянии человека, а также жизни на планете в целом.
Что сегодня, в 2020 году, происходит с пятнами на Солнце?
В 2016 году впервые за долгое время учёные зафиксировали снижение солнечной активности. Утверждалось, что уже к 2020 году большинство солнечных пятен исчезнет, так как звезда входит в фазу низкой активности. Пик солнечной активности уже был зафиксирован ранее − он пришёлся на апрель 2014 года. Тогда на поверхности светила ученые насчитали 116 пятен.
Вместе с тем, прогнозы учёных не подтвердились. Всего две недели прошло с наступления 2020 года, а на Солнце уже зафиксировано пятно cолнечного цикла 25: AR2755. Солнечные пятна cолнечного цикла 25 появляются третий месяц подряд: ноябрь 2019 года, декабрь 2019 года и теперь январь 2020 года. Это свидетельствует о том, что уровень солнечной активности не снижается до минимума, но пока остаётся достаточно низким в сравнении с уровнем 2014 года.
Солнечная активность
Солнце нельзя считать полностью стабильной звездой, оно постоянно меняет силу излучения, тем самым проявляется солнечная активность. Причины этой активности находятся в глубинах нашей звезды и определяются совокупностью нестационарных процессов, которые возникают и развиваются в глубинных областях звезды.
Солнечные пятна
Те области фотосферы, где выходят сильные, в несколько тысяч гауссов, магнитные поля, и являются солнечными пятнами. Они выделяются потемнениями на общем фоне поверхности. Это вызвано тем, что магнитное поле подавляет конвективные движения вещества, поэтому снижается поток переноса тепловых энергий. В 1947 году зафиксирована самая большая группа солнечных пятен. Её максимальная площадь составила около 18 млрд. км², что больше размеров нашей планеты в 100 раз. Самая долговременная группа просуществовала в 1947 году 7 месяцев.
Солнечные вспышки
Так называется процесс выделения энергии в солнечной атмосфере. Он имеет взрывной характер. Вспышки затрагивают все слои атмосферы. Они бывают и в фотосфере, и в хроносфере, и в солнечной короне. За несколько минут вспышки высвобождается энергия в миллиарды мегатонн, если исчислять её в тротиловом эквиваленте. Выделенная энергия – это электромагнитное и корпускулярное излучения. Они превращаются в потоки, называемые солнечным ветром. Это очень ионизированные частицы, мчащиеся со скоростями 300-1200 км/с. До Земли они добираются за двое-трое суток.
Корональные выбросы
Из солнечной короны происходит выброс вещества посредством энергии, накопленной в активных областях звезды. Выброс состоит из плазмы, содержащей электроны и протоны с незначительным количеством кислорода и гелия. Внешне выброс выглядит, как гигантская петля. Её основания – одно или оба – сцеплены с солнечной атмосферой. Высокое магнитное поле при этом представляется скрученными в жгут силовыми линиями.
Протуберанцы
Магнитное поле Солнца поднимает и удерживает над поверхностью более плотные и холодные (по отношению к короне) слои вещества. Это и есть протуберанец. При наблюдении они выглядят, как волокнистые или клочковатые структуры, или же постоянно движущиеся сгустки плазмы.
Влияние на Землю
Активность Солнца несомненно влияет и на нашу планету, и на её биосферу. Фактически, наша звезда определяет характер и ритм жизни планеты. Без неё существование Земли и жизни на ней невозможно, но оно же и главная опасность для них.
Воздействие на человека
Но красоту полярных сияний дополняют магнитные бури, воздействующие на работу некоторых приборов, да и на организм человека. Ученый А.Л. Чижевский Чижевский, Александр Леонидович советский учёный, биофизик, философ, поэт, художник. ещё в 20-х годах понял, что солнечная активность влияет на возникновение заболеваний. Особенно явно это проявляется в сердечно-сосудистых заболеваниях. Эпидемии, поражавшие человечество в разные века, тоже укладываются в теорию учёного. Чижевским была составлена хронология эпидемий чумы с середины пятого века до конца девятнадцатого. Вспышки смертельной болезни пришлись на пики солнечной активности.
Учёные из Японии установили, что вспышки на Солнце могут изменить количество лейкоцитов в крови. Более того, с конца XIX по вторую половину ХХ веков среднее количество лейкоцитов уменьшилось в три раза. Это полностью совпало с интенсивностью солнечной активности. Магнитные бури, рождаемые взрывами солнечной активности, приводят к сбоям механизма свёртывания крови. Нервные заболевания учащаются и обостряются. Человек быстрее утомляется, а количество дорожных происшествий увеличивается. Это происходит из-за влияния магнитных бурь на биоритмы мозга человека.
Изучение солнечной активности привело к созданию новых наук: гелиобиологии и солнечно-земной физики. Они призваны исследовать взаимную связь земной жизни и климата с активными солнечными проявлениями, потому что солнечная активность – главный стимулятор жизненных процессов.
Воздействие на природу
Животный и растительный миры тоже зависимы от солнечной активности. Именно в их высшие значения саранча собирается в полчища, а рыбы увеличивают свою численность. Даже популяции соболей, когда активность Солнца на пике, растут.
Всплески солнечной активности вполне способны отрицательно повлиять на функционирование систем связи, линий электропередач. Нарушаются системы навигации авиационных и космических объектов, возникают вихревые токи в трансформаторах и проводниках.
Причуды «желтого карлика»: как вспышки и пятна на Солнце влияют на погоду и здоровье человека?
Единственная солнечная обсерватория в России ведет круглосуточные наблюдения за главной звездой планеты. Научная деятельность обсерватории охватывает почти все приоритетные направления фундаментальных исследований современной астрономии, солнца и ее связи с землей. Больше всего ученых волнуют изменения в короне звезды и вспышки на ней. Как нагревается плазма короны, появляются, а затем исчезают пятна на солнце, ученые пока объяснить не могут. Зато, известно, что эти явления оказывают серьезное влияние на здоровье человека, погоду и в целом изменения климата земли, говорят астрономы.
«Северное сияние, которое жители Москвы и области наблюдали прошлым летом, результат вспышки на Солнце. Явления на Солнце также способны вызывать катастрофы, как это было, например, в 1989 году в Канаде. Из-за мощной вспышки, тогда из строя вышла вся энергосистема страны. Сначала вспышка появляется в виде маленького протуберанца, который затем резко вспыхивает. Последствия вспышек Земля ощутит уже через считанные минуты в виде магнитных бурь», – рассказывает астрофизик Светлана Гусева.
К вспышкам на Солнце особенно чувствительны люди с хроническими и психическими болезнями. В этот момент у них скачет давление, появляются резкие головные боли, коснуться это может и летящих в самолете людей. Некоторые люди чувствуют приближение бури заранее. Это проявляется в виде боли в суставах, повышения давления и общего ухудшения самочувствия. В группе риска находятся, прежде всего, люди, подверженные заболеваниям сердца и сосудов. Электромагнитная волна от вспышки вызывает помехи спутников. Погода на огненной звезде может вывести его из строя и даже «сбить» с орбиты. В пору повышенной активности, «горячий дружок» обеспечит перебои радиосвязи и электросистем, а точность GPS-сигнала может и вовсе сойти на нет. Прогнозы солнечной погоды возможно предсказывать только на короткие сроки от одного до трех дней. Астрофизики говорят, все из-за неравномерной и неустойчивой структуры Солнца.
«Солнце оказалось звездой переменной. На ней существует цикл, это цикл активности. Иногда на Солнце мы видим много пятен, иногда их мало. Солнце является и источником солнечного ветра. Яркое проявление этого солнечного ветра является северное сияние. Но не только они, часто солнечная активность приводит к возмущениям магнитного поля Земли. От активности Солнца во многом зависит космонавтика. Большие вспышки могут сильно навредить здоровью космонавтов. После такой информации они немедленно должны уйти в специальный отсек. Иначе можно получить мощную дозу радиации», – говорит руководитель Кисловодской горной астрономической станции РАН Андрей Тлатов.
Наблюдения последних нескольких столетий показывают, что активность Солнца меняется циклически с периодом в 11 лет. За это время количество пятен на поверхности Солнца постепенно растет, затем падает. Текущий цикл завершится в этом году. Это значит светило выходит из спячки и вероятность возникновения опасных корональных выбросов будет максимально высокой в 2024 году, уже в середине следующего цикла активности звезды, считают ученые. Хотя точно предсказать капризы звезды все же сложно. Как давно существуют подобные циклы и могут ли они меняться в принципе, для астрофизиков во всем мире – пока загадка. Случались и аномально долгие периоды спокойствия на Солнце, например в XVII веке. Тогда минимальное количество вспышек и пятен ассоциировали с похолоданием климата. Рост числа вспышек в нашу эпоху многие теперь связывают с глобальным потеплением. Есть и мнение, что возможно рост активности светила в последующие 10 лет может повысить температуры на Земле и ускорить изменение климата.
«Желтый карлик», такое прозвище придумали астрономы – чтобы эмоционально и даже интуитивно быть готовыми к причудам Cолнца. Обсерватория Cолнца находится на высоте 2000 метров над уровнем моря. Под прицелом девяти мощных телескопов все явления на Cолнце и оболочка Земли.
История горной астрономической станции РАН началась осенью 1948 года. Трофейный коронограф до сих пор работает словно часы. Его вывезли из Германии после войны. По инициативе тогда молодого астронома Мстислава Гневышева телескоп установили под Кисловодском, чтобы вести наблюдения за короной Солнца. Позже поставили еще 8 телескопов, чтобы обеспечить наблюдение за всеми слоями и областями Солнца. Место для строительства обсерватории выбирали вдали от цивилизации, чтобы было меньше пыли в воздухе, и больше солнечных дней в году. Плато под Кисловодском подошло идеально. Даже когда на плато спускается туман, за солнцем продолжают наблюдать с помощью радиотелескопа.
Фото: Дмитрий Демьяненко, МТРК «МИР»
Солнечные пятна: каковы причины их появления и чем они угрожают Земле
Как происходят магнитные бури и вспышки на Солнце, почему солнечные пятна темнее поверхности Солнца, как они возникают и чем опасно их образование для жителей Земли.
Самое древнее упоминание о солнечных пятнах сделано ещё во времена Древней Греции, учеником Аристотеля – Теофрастом из Афин. Так уж получилось, что именно ученику, довелось основательно пошатнуть теорию учителя – ведь Аристотель (и Птолемей), считали звезды за совершенные и неизменяемые сферы. Однако, как сказал поэт (Михаил Херасков) “И в Солнце, и в Луне есть темные места!”.
Упоминают о пятнах на солнце есть и во “Всемирной хронологии” Иоанна Вустерского (Англия), и в наших, русских никоновских летописях, а по словам китайских историков – в Китае солнечные пятна заметили и описали ещё до древних греков. Однако началом “научного” осмысления пятен на Солнце все же принято считать 1610 год, когда (с появлением телескопа и первых наблюдений Галилео Галилея) появилась возможность инструментально их зафиксировать.
Систематические наблюдения за пятнами на Солнце начали вести примерно с 1750 г., и, хотя природа их появления оставалась не ясной вплоть до 20-го века, выявить некоторые закономерности и сходные черты этого явления, астрономам удалось довольно быстро.
Галилео Галилей наблюдает в свой телескоп космические объекты. Судя по звездному небу на картинке, вряд ли он занят наблюдениями за пятнами на Солнце!
Солнечные циклы и солнечные пятна
Уже с начала XVIII в. было известно, что интенсивность пятен и время их появления находятся в рамках периода, равного примерно 11 земным годам. Этот период получил название солнечный цикл. За это время пятна на Солнце появляются, достигают максимальных размеров, а затем понемногу уменьшаются. Солнечный цикл может длиться от 7 до 15 лет, его средняя продолжительность составляет 11,07 года.
В начальной фазе солнечного цикла в течение многих дней или недель на Солнце не наблюдается никаких следов пятен. На заключительном этапе периода на Солнце можно видеть около двух десятков скоплений пятен, не говоря об единичных.
Каждое солнечное пятно существует в среднем в течение нескольких месяцев, но тот факт, что цикл составляет 11 лет, свидетельствует о глубоких и длительных процессах, происходящих в недрах Солнца.
Солнечный цикл, судя по всему, связан с взаимодействием магнитного поля светила с конвективным слоем.
В 1908 г. Иоганн Галле совершил открытие — солнечные пятна имеют мощные магнитные поля. Мощность поля типичного пятна составляет 0,25 теслы. Для сравнения — мощность магнитного поля Земли меньше и составляет 0,0001 теслы.
Замечена интересная регулярность в плане распределения магнитных полей — если группа солнечных пятен образуется в Северном полушарии, значит, в предыдущем цикле пятна дислоцировались в Южном полушарии, и так далее. Когда заканчивается один цикл и начинается другой, полярность уравновешивается. Таким образом, полный солнечный цикл, включая и перемещение полярности, длится около 22 лет.
Впрочем, пятна могут появиться одновременно в двух полушариях Солнца симметрично в отношении экватора. Места образования пятен перемещаются на 4,5° — 5° в течение всего цикла.
Солнечные пятна на фоне диска Солнца
Солнечные пятна и солнечные вспышки
Именно солнечные пятна являются областями наибольшей активности на Солнце. В том случае, если пятен появляется много, существует высокая вероятность того, что произойдет пересоединение магнитных линий — линии, проходящие внутри одной группы пятен, соединяются с линиями из другой группы пятен, имеющими противоположную полярность.
Видимым результатом этого процесса является солнечная вспышка.
Всплеск излучения от солнечной вспышки, достигая Земли, вызывает сильные возмущения её магнитного поля (“магнитная буря“), нарушает работу искусственных спутников и даже оказывает влияние на расположенные на планете объекты.
Из-за нарушений магнитного поля Земли увеличивается вероятность возникновения северных сияний в гораздо более низких географических широтах, чем обычно. Ионосфера Земли также сильно подвержена изменению солнечной активности, что проявляется в нарушении распространения коротких радиоволн – в периоды сильной солнечной активности, Солнце “глушит” волны коротких диапазонов и вносит в них весьма ощутимые помехи.
Солнечный ветер постоянно воздействует на магнитосферу Земли, но как правило она успешно «гасит» его «порывы». В случае мощной солнечной бури, магнитное поле нашей планеты едва справляется с потоком солнечной радиации, заметно «сжимаясь» в размерах
Почему солнечные пятна выглядят темными
Солнечные пятна на фоне поверхности Солнца выделяются своим темным цветом. Это связано с тем, что температура солнечных пятен довольно значительно ниже, чем температура фотосферы звезды.
Вокруг самой темной области пятна (ее называют «тень») — находится зона средней светимости — «полутень». Температура солнечного пятна колеблется от 4300° до 4800° К, то есть, примерно на 1000-1500° ниже, чем температура фотосферы.
В полутени температура составляет 5400-5500° К. Для тени характерна светимость, составляющая 32% от фотосферы, для полутени — 80%, поэтому по контрасту с фотосферой они выглядят темными.
Понижение температуры внутри пятен связано с подавлением мощным магнитным полем пятен, конвективных движений вещества внутри Солнца и, как следствие, снижением потока переноса тепловой энергии в этих областях, то есть “остыванием” участка “накрытого” пятном.
На “холодных” звёздах наблюдаются пятна гораздо большей площади, чем на Солнце.
Коллаж – размеры планеты Земля на фоне не самых крупных по размерам солнечных пятен. Как видите, пятна на Солнце имеют действительно гигантский размер.
Появление и время существования солнечных пятен
Пятна на Солнце возникают в результате возмущений отдельных участков магнитного поля Солнца – узкие “языки” магнитного поля звезды внезапно “разрывают” фотосферу в область короны, и сильное магнитное поле подавляет конвективное движение разогретой плазмы, препятствуя в этих местах переносу энергии из внутренних областей Солнца наружу.
В месте “прорыва” фотосферы образуется затемнение, диаметр которого равен нескольким тысячам километров. Это так называемые «поры». Большая часть пор исчезает через день. Другие, напротив, увеличиваются в размерах и приобретают типичные черты пятен, становится заметной полутень, протяженность может составлять от 7000 до 50 000 км.
Срок существования пятен составляет от 2-х недель до нескольких месяцев, то есть отдельные “устойчивые” группы солнечных пятен могут наблюдаться в течение нескольких оборотов Солнца. Интересно, что именно это явление и позволило первым исследователям Солнца, убедительно доказать вращение нашей звезды, а также провести измерения периода обращения Солнца вокруг оси.
Группа устойчивых солнечных пятен на поверхности Солнца. Звезда вращается, и пятна вращаются вместе с ней
Пятна обычно образуются группами, но иногда возникает одиночное пятно, живущее всего несколько дней, или биполярная группа: два пятна разной магнитной полярности, соединённые линиями магнитного поля. Западное пятно в такой биполярной группе называется «ведущим», «головным» или «P-пятном» (от англ. preceding), восточное — «ведомым», «хвостовым» или «F-пятном» (от англ. following).
Только половина солнечных пятен живёт больше двух дней, и всего десятая часть — более 11 дней.
Пятна перемещаются но солнечной поверхности. Дело в том, что Солнце не является твердым телом и его скорость вращения в разны х зонах неодинакова. Например, в зоне экватора период вращения составляет примерно 27 суток, в то время как в полярных частях светила он равен примерно 31 суткам.
В начале 11-летнего цикла солнечной активности пятна на Солнце появляются на высоких гелиографических широтах (порядка ±25—30°), а по ходу времени, перемещаются к солнечному экватору, в конце цикла достигая уже широт ±5—10°. Эта закономерность носит название закон Шпёрера.