АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

ТЕМА 2.2. ФІЗИКА ЗІР І МІЖЗОРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА

§ 18. СОНЯЧНА АКТИВНІСТЬ І ЇЇ ПРОЯВИ НА ЗЕМЛІ

Сонце - доволі стабільна зоря. Але наша цивілізація створює комп'ютеризовані системи управління, GPS-навігацію, транспортні засоби, системи зв'язку тощо, чутливі до зовнішніх факторів, зокрема до змін в довкіллі, зумовлених активністю Сонця.

1. Поняття сонячної активності та її прояви в атмосфері Сонця.

Плями, факели, активні та еруптивні протуберанці, сонячні спалахи (рис. 18.1) називають активними утворами на Сонці, а їх появу й розвиток - проявами сонячної активності. Багаторічні спостереження Сонця показали, що в середньому впродовж кожних майже 11-ти років кількість всіх проявів сонячної активності, поступово збільшується, а потім поступово спадає. Цей період назвали 11-річним циклом сонячної активності.

Рис. 18.1. Активна ділянка у фотосфері Сонця

Про наявність плям на Сонці знали ще з античних часів, хоча послідовники Арістотеля не вірили в їх реальність. З джерел давнього Сходу відомо, сонячні плями спостерігали за сотні років до винаходу телескопа. Ґ. Ґалілей, виконуючи перші телескопічні спостереження, відкрив ці утворення знову. Систематично спостерігати сонячні плями почали приблизно в середині XVIII ст. Ці спостереження, серед іншого, спонукали науковців Середньовіччя до перегляду аристотель-птолемеєвої моделі Всесвіту, згідно з якою зорі - це ідеальні неподільні сфери.

Сонячні плями інколи мають такі розміри (40000-50000 км), що їх можна бачити неозброєним оком. Вони можуть з'являтися поодинці, але здебільшого - групами. Крім того, плями зміщуються поверхнею Сонця і самі собою, і набагато сильніше через його обертання. Як кожне тіло, що складається з газів, наша зоря обертається нерівномірно: швидше в близьких до екватора зонах (період обертання становить 27 діб), ніж у полярних (майже 32 доби).

У сонячних плямах відбуваються направлені рухи речовини: темними волокнами півтіні газ витікає з них назовні, а світлими волокнами навпаки - з навколишньої фотосфери гаряча речовина тече в напрямку до плями. Найважливішою особливістю плям і причиною їх появи є наявність у них сильних магнітних полів. Магнітні силові трубки, що внаслідок конвективних рухів речовини формуються в підфотосферних шарах Сонця, спливають у фотосферу. Потужне магнітне поле на деякий час гальмує винос гарячої речовини з глибших шарів, що й спричиняє охолодження цієї ділянки фотосфери. Існують сонячні плями від кількох днів до кількох місяців.

Рис. 18.2. Типові сонячні плями мають розміри в кілька десятків тисяч кілометрів, діаметри найбільших плям перевищують 200 тис км

Факели - повсякчасні супутники плям - утворення світліші (яскравіші), ніж фотосфера, а отже, й гарячіші. Якщо група плям перебуває поблизу краю сонячного диска, то зазвичай навколо неї видно безліч факелів - факельне поле. Факели - це місця, де на поверхню Сонця піднімається гарячіша речовина, ніж в інших ділянках фотосфери. Майже завжди факели виникають трохи раніше плям й існують в середньому втричі довше, ніж вони.

На краю сонячного диска в спеціальний телескоп можна побачити протуберанці (від лат. «здуваюся») - гігантські вогняні струмені, що виникають у сонячній короні або проникають в неї з хромосфери.

Рис. 18.3. Протуберанці схожі на полум'я або величезні хмари й утворюють характерні арки та петлі. Речовина протуберанців поглинає й розсіює випромінювання, що йде знизу, тому на яскравому диску Сонця їх видно як темні волокна

Протуберанці поділяють на спокійні, що існують кілька тижнів або навіть місяців, й активні, які живуть набагато менше. Спокійні протуберанці руйнуються повільно, й речовина, викинута в простір, поступово «тане» подібно до земних хмар. Активні протуберанці швидко піднімаються над сонячном диском і швидко осідають донизу.

Найпотужнішим проявом сонячної активності є спалахи - нестаціонарні процеси, що охоплюють всі шари атмосфери Сонця. Найслабкіші спалахи тривають 5-10 хв, а найсильніші бушують упродовж кількох годин.

Початок великого спалаху зазвичай має вигляд різкого підвищення яскравості невеликої ділянки поверхні Сонця у світлі хромосферних ліній, зокрема в лінії водню Н_а. Потім він охоплює дедалі більший простір - десятки мільйонів квадратних кілометрів. При цьому в ділянці спалаху вивільняється в 100-1000 разів більше енергії, ніж за той самий проміжок часу з такої самої площі незбуреної поверхні. Сонячний спалах часто спричиняє викид у міжпланетний простір прискорених до високих енергій заряджених частинок, а також розігрів речовини, появу жорсткого електромагнітного випромінювання й потужного випромінювання в радіодіапазоні. Найпотужніші сонячні спалахи навіть породжують сонячні космічні промені, серед яких, крім протонів і електронів, трапляються ядра хімічних елементів, присутніх в атмосфері Сонця. Частинки сонячних космічних променів рухаються в міжпланетному просторі з майже світловими швидкостями.

Рис. 18.4. Сонячний спалах. Теоретичні моделі вказують на те, що головна причина спалахів - швидкі зміни в потужних магнітних полях активних зон на поверхні Сонця, а основний спалаховий процес, як стрімкий викид енергії, накопиченої магнітним полем активної зони, розгортається у верхній хромосфері й нижній короні

Незважаючи на видиме розмаїття, поява активних утворень має спільну причину - різку зміну напруженості магнітного поля в деяких ділянках поверхні Сонці.

Німецький астроном-аматор Г. Швабе, який 17 років поспіль виконував регулярні спостереження сонячних плям, зауважив: їх кількість зменшується до мінімуму і збільшується до максимального значення за період майже в 10 років. У максимумі активності на сонячному диску може бути 100 і більше плям, а в мінімумі - лише кілька або жодної.

Швейцарський астроном Р. Вольф уточнив, що середній період зміни кількості плям становить не 10, а 11 років. Він запропонував для кількісної оцінки активності Сонця використовувати умовну величину, названу пізніше числом Вольфа W.

де g — кількість груп плям, при цьому як групу вважають також кожну окрему пляму або пору f — повна кількість плям на видимій півкулі Сонця.

Аналізуючи спостереження плям з початку телескопічних досліджень, англійський астроном У Маундер 1893 р. виявив, що з 1645 р. по 1715 р. на Сонці взагалі не було плям. З'ясувалося, що таке траплялося і в далекому минулому. Саме на маундерівський мінімум припав період найхолодніших зим в Європі за останнє тисячоліття.

Головні плями в усіх групах однієї півкулі Сонця (перші в напрямку його обертання) впродовж одного циклу активності мають однакову полярність магнітного поля, наприклад, північну, а ті, що замикають групу, - південну. Водночас в другій півкулі полярність плям протилежна. З початком нового циклу вона змінюється в обох півкулях. Тому «істинний» сонячний цикл з поверненням старої магнітної полярності головних плям насправді охоплює не 11, а 22 роки (в середньому).

Цикл сонячної активності називають 11-річним, проте за час регулярних спостережень він змінювався від 7 до 17 років. Цикли позначають номерами, які їм приписують протягом майже 300 років. Найпершим є цикл 1755-1766 років, бо саме з нього Вольф почав реєструвати періоди сонячної активності.

2. Вплив сонячної активності на Землю.

Під дією сонячного вітру магнітне поле Землі, що має форму диполя, на денному боці притискається до її поверхні, утворюючи майже сферичну поверхню з радіусом в 10-15 земних діаметрів. На нічному боці магнітні силові лінії витягаються у протилежному від Сонця напрямку, утворюючи шлейф у сотні тисяч кілометрів завдовжки, спрямований від Сонця. Особлива конфігурація силових ліній геомагнітного поля створює для заряджених частинок пастку. Захоплені нею частинки сонячного вітру (переважно електрони, протони й альфа-частинки) утворюють навколо Землі радіаційні пояси, в яких вони можуть існувати від 10 до 100 років. Але згодом частинки втрачають енергію, розсіюються, й їх поглинає атмосфера.

Під час хромосферного спалаху на Сонці відбувається викид у міжпланетний простір потоку заряджених частинок, які вже через 10-12 год. досягають орбіти Землі. Під тиском магнітного поля, створеного таким потоком, на денному боці Землі магнітосфера стискається ще більше, внаслідок чого напруженість геомагнітного поля збільшується. Потім магнітосфера розширюється, й напруженість геомагнітного поля зменшується. Так виникає одноразовий сплеск геомагнітного збурення, який триває близько години.

Якщо спалах на Сонці потужний і тривалий, то потік частинок у сонячному вітрі довго не вичерпується. В магнітосферу надходить один імпульс за іншим, напруженість геомагнітного поля багато разів різко й неправильно змінюється, і, замість одного короткого сплеску, відбувається їх серія. Таку швидку й неправильну зміну напруженості магнітного поля Землі називають магнітною бурею. Магнітні бурі можуть тривати від кількох годин до кількох діб. Найчастіше вони трапляються поблизу максимуму 11-річного циклу сонячної активності.

Магнітні бурі впливають на техносферу й біосферу планети, і часом вони спричиняють дуже негативні наслідки. Зазнають аварій космічні апарати і їхнє бортове обладнання; виходить з ладу електроніка авіалайнерів, що здійснюють польоти поблизу полюсів; перегорають електротрансформатори, що призводить до аварій в лініях електропередач; посилюється корозія металевих труб магістральних нафто- і газоводів тощо.

У різні роки, залежно від активності Сонця, об'єм клітковини, яку нарощують дерева, буває більшим чи меншим. Такий зв'язок є опосередкованим до зміни клімату планети й кількості опадів, що випадають у різні роки. Нарощена клітковина відкладається в стовбурах дерев у вигляді річних кілець. Аналізуючи товщину річних кілець дерев-довгожителів, наприклад, секвойї, вдалося прослідкувати цикли сонячної активності за останні 7500 років і виявити 18 випадків, коли Сонце було або спокійнішим, або активнішим, ніж завжди.

Потужні сонячні спалахи і спричинені ними магнітні бурі можуть змінювати циркуляцію земної тропосфери, а також впливати на поведінку фізико-хімічних систем (зокрема, колоїдних розчинів) і живих організмів. Вимірювання часу осідання оксихлориду вісмуту показали, що в період сильних сонячних спалахів цей час помітно збільшується.

Спалахи спричиняють зміни в стані людини. Медична статистика показує: в дні, коли відбуваються сильні спалахи, у півтора - два рази збільшується кількість захворювань серцево-судинної системи і кількість смертей з цієї причини. Відомо також про кореляцію між появою спалахів і зростанням кількості транспортних пригод.

Проте, сучасні знання про сонячно-земні зв'язки мають емпіричний характер і спираються, головно, на статистичні дані. Фізичні механізми таких зв'язків на рівні теоретичних узагальнень вивчені мало. Але феномен «космічної погоди» нині привертає увагу багатьох дослідників, її визнано одним із важливих завдань, що вимагає докладного вивчення.

НАВЧАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

• Підготуйте, скориставшись додатковими джерелами інформації, усну доповідь на тему «Космічна погода».

ВИСНОВКИ

З періодом близько 11 років на поверхні Сонця збільшується кількість плям, сонячних спалахів, а також інших активних утворень, що дозволяє говорити про максимуми й мінімуми його активності. Сонячна активність впливає як на живу, так і неживу природу нашої планети.