В этой статье есть несколько проблем. Помогите улучшить ее или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти сообщения ) |
Солнечные явления — это естественные явления , которые происходят в атмосфере Солнца . Они принимают множество форм, включая солнечный ветер , поток радиоволн , солнечные вспышки , выбросы корональной массы , [1] нагрев короны и солнечные пятна .
Считается, что эти явления генерируются спиральным динамо , расположенным вблизи центра массы Солнца, которое генерирует сильные магнитные поля, а также хаотическим динамо, расположенным вблизи поверхности, которое генерирует более мелкие колебания магнитного поля. [2] Все солнечные колебания вместе называются солнечной вариацией, которая создает космическую погоду в гравитационном поле Солнца.
Солнечная активность и связанные с ней события регистрируются с восьмого века до нашей эры. На протяжении всей истории технологии и методология наблюдений развивались, и в 20 веке интерес к астрофизике резко возрос, и было построено много солнечных телескопов. Изобретение коронографа в 1931 году позволило изучать корону при полном дневном свете.
Солнце — звезда , расположенная в центре Солнечной системы . Оно имеет почти идеальную сферическую форму и состоит из горячей плазмы и магнитных полей . [3] [4] Его диаметр составляет около 1 392 684 километров (865 374 миль), [5] что примерно в 109 раз больше массы Земли , а его масса (1,989 × 1030 килограммов, что примерно в 330 000 раз больше массы Земли) составляет около 99,86% от общей массы Солнечной системы. [6] Химически, около трех четвертей массы Солнца состоит из водорода , а остальная часть в основном из гелия . Оставшиеся 1,69% (что равно 5600 массам Земли) состоят из более тяжелых элементов, включая кислород , углерод , неон и железо . [7]
Солнце образовалось около 4,567 млрд [a] [8] лет назад в результате гравитационного коллапса области внутри большого молекулярного облака . Большая часть материи собралась в центре, а остальная часть сплющилась в орбитальный диск, который стал балансом Солнечной системы . Центральная масса становилась все более горячей и плотной, в конечном итоге инициировав термоядерный синтез в ее ядре.
Солнце является звездой главной последовательности G-типа (G2V) на основе спектрального класса , и оно неофициально обозначено как желтый карлик , потому что его видимое излучение наиболее интенсивно в желто-зеленой части спектра . На самом деле оно белое, но с поверхности Земли оно кажется желтым из-за атмосферного рассеивания синего света. [9] В метке спектрального класса G2 указывает на его поверхностную температуру , приблизительно 5770 К [3] (в 2014 году UAI примет 5772 К), а V указывает на то, что Солнце, как и большинство звезд, является звездой главной последовательности и, таким образом, генерирует свою энергию путем синтеза водорода в гелий. В своем ядре Солнце каждую секунду синтезирует около 620 миллионов метрических тонн водорода. [10] [11]
Среднее расстояние Земли от Солнца составляет приблизительно 1 астрономическую единицу (около 150 000 000 км; 93 000 000 миль), хотя расстояние меняется по мере того, как Земля движется от перигелия в январе до афелия в июле. [12] На этом среднем расстоянии свет проходит от Солнца до Земли примерно за 8 минут 19 секунд. Энергия этого солнечного света поддерживает почти всю жизнь [b] на Земле посредством фотосинтеза , [13] и управляет климатом и погодой Земли. [14] Еще в 19 веке ученые мало знали о физическом составе Солнца и источнике энергии. Это понимание все еще развивается; ряд современных аномалий в поведении Солнца остаются необъясненными.
Многие солнечные явления периодически меняются в течение среднего интервала около 11 лет. Этот солнечный цикл влияет на солнечное излучение и влияет на космическую погоду, земную погоду и климат .
Солнечный цикл также модулирует поток коротковолнового солнечного излучения, от ультрафиолетового до рентгеновского , и влияет на частоту солнечных вспышек , выбросов корональной массы и других солнечных извержений.
Часть серии статей о |
Гелиофизика |
---|
![]() |
Корональный выброс массы (CME) — это мощный всплеск солнечного ветра и магнитных полей, поднимающийся над солнечной короной . [15] Вблизи солнечных максимумов Солнце производит около трех CME каждый день, тогда как в периоды солнечных минимумов происходит один CME каждые пять дней. [16] CME, наряду с солнечными вспышками другого происхождения, могут нарушать радиопередачи и повреждать спутники и линии электропередач , что может привести к потенциально масштабным и длительным отключениям электроэнергии . [17] [18]
Выбросы корональной массы часто возникают вместе с другими формами солнечной активности, в первую очередь солнечными вспышками , но причинно-следственная связь не установлена. Большинство слабых вспышек не имеют корональных выбросов массы; однако, самые мощные имеют. Большинство выбросов происходят из активных областей на поверхности Солнца, таких как группы солнечных пятен, связанные с частыми вспышками. Другие формы солнечной активности, часто связанные с выбросами корональной массы, — это эруптивные протуберанцы, корональное затемнение, корональные волны и волны Мортона , также называемые солнечными цунами.
Магнитное пересоединение ответственно за выбросы корональной массы и солнечные вспышки . Магнитное пересоединение — это название перестройки линий магнитного поля, когда два противоположно направленных магнитных поля объединяются. Эта перестройка сопровождается внезапным высвобождением энергии, хранящейся в исходных противоположно направленных полях. [19] [20]
Когда CME воздействует на магнитосферу Земли, он временно деформирует магнитное поле Земли , изменяя направление стрелки компаса и вызывая большие электрические токи заземления в самой Земле; это называется геомагнитной бурей , и это глобальное явление. Воздействия CME могут вызывать магнитное пересоединение в хвосте магнитосферы Земли (полуночной стороне магнитосферы); это запускает протоны и электроны вниз к атмосфере Земли, где они формируют полярное сияние .
Солнечная вспышка — это внезапная вспышка яркости, наблюдаемая на поверхности Солнца или на его лимбе , которая интерпретируется как выброс энергии до 6 × 10 25 джоулей (около одной шестой от общего выхода энергии Солнца каждую секунду или 160 миллиардов мегатонн тротилового эквивалента, более чем в 25 000 раз больше энергии, чем высвободилось при столкновении кометы Шумейкеров–Леви 9 с Юпитером). За ней может последовать выброс корональной массы . [21] Вспышка выбрасывает облака электронов, ионов и атомов через корону в космос. Эти облака обычно достигают Земли через день или два после события. [22] Похожие явления у других звезд известны как звездные вспышки.
Солнечные вспышки сильно влияют на космическую погоду вблизи Земли. Они могут создавать потоки высокоэнергетических частиц в солнечном ветре, известные как солнечные протонные события . Эти частицы могут воздействовать на магнитосферу Земли в форме геомагнитной бури и представлять радиационную опасность для космических аппаратов и астронавтов.
Солнечное протонное событие (СПС), или «протонная буря», происходит, когда частицы (в основном протоны), испускаемые Солнцем, ускоряются либо вблизи Солнца во время вспышки, либо в межпланетном пространстве ударными волнами коронального выброса массы. События могут включать другие ядра, такие как ионы гелия и ионы HZE . Эти частицы вызывают множественные эффекты. Они могут проникать в магнитное поле Земли и вызывать ионизацию в ионосфере . Эффект аналогичен авроральным событиям, за исключением того, что в них участвуют протоны, а не электроны. Энергичные протоны представляют значительную радиационную опасность для космических аппаратов и астронавтов. [23] Энергичные протоны могут достичь Земли в течение 30 минут после пика крупной вспышки.
Протуберанец — это большой, яркий, газообразный объект, простирающийся наружу от поверхности Солнца , часто в форме петли . Протуберанцы закреплены на поверхности Солнца в фотосфере и простираются наружу в корону. В то время как корона состоит из высокотемпературной плазмы , которая не излучает много видимого света , протуберанцы содержат гораздо более холодную плазму, похожую по составу на плазму хромосферы .
Плазма протуберанца обычно в сто раз холоднее и плотнее корональной плазмы. Протуберанец формируется в течение времени, составляющего около земных суток, и может сохраняться в течение недель или месяцев. Некоторые протуберанцы распадаются и образуют корональные выбросы массы.
Типичный протуберанец простирается на многие тысячи километров; самый большой из зарегистрированных протуберанцев имел длину более 800 000 километров (500 000 миль) [24] — примерно радиус Солнца.
Когда протуберанец рассматривается на фоне Солнца, а не космоса, он кажется темнее фона. Это образование называется солнечной нитью. [24] Проекция может быть как нитью, так и протуберанцем. Некоторые протуберанцы настолько мощные, что выбрасывают вещество со скоростью от 600 км/с до более 1000 км/с. Другие протуберанцы образуют огромные петли или дугообразные колонны светящихся газов над солнечными пятнами, которые могут достигать высоты в сотни тысяч километров. [25]
Солнечные пятна — это относительно темные области на излучающей «поверхности» Солнца ( фотосфере ), где интенсивная магнитная активность подавляет конвекцию и охлаждает фотосферу . Факелы — это немного более яркие области, которые образуются вокруг групп солнечных пятен, когда поток энергии в фотосферу восстанавливается, и как нормальный поток, так и заблокированная солнечными пятнами энергия повышают температуру излучающей «поверхности». Ученые начали размышлять о возможных связях между солнечными пятнами и солнечной светимостью в 17 веке. [26] [27] Уменьшение светимости, вызванное солнечными пятнами (обычно <- 0,3%), коррелирует с увеличением (обычно <+ 0,05%), вызванным как факелами, которые связаны с активными областями, так и магнитно-активной «яркой сетью». [28]
Чистый эффект в периоды повышенной солнечной магнитной активности заключается в увеличении лучистого солнечного излучения, поскольку факелы больше и сохраняются дольше, чем солнечные пятна. Наоборот, периоды более низкой солнечной магнитной активности и меньшего количества солнечных пятен (например, минимум Маундера ) могут коррелировать с периодами более низкой освещенности. [29]
Активность солнечных пятен измеряется с помощью числа Вольфа уже около 300 лет. Этот индекс (также известный как число Цюриха) использует как число солнечных пятен, так и число групп солнечных пятен для компенсации вариаций измерений. Исследование 2003 года показало, что солнечные пятна стали появляться чаще с 1940-х годов, чем в предыдущие 1150 лет. [30]
Солнечные пятна обычно появляются парами с противоположной магнитной полярностью. [31] Подробные наблюдения выявляют закономерности в годовых минимумах и максимумах и в относительном расположении. По мере того, как каждый цикл продолжается, широта пятен уменьшается с 30-45° до примерно 7° после солнечного максимума . Это широтное изменение следует закону Шпёрера .
Чтобы солнечное пятно было видно человеческому глазу, оно должно быть около 50 000 км в диаметре, охватывая 2 000 000 000 квадратных километров (770 000 000 квадратных миль) или 700 миллионных видимой области. За последние циклы с Земли видны примерно 100 солнечных пятен или компактных групп солнечных пятен. [c] [32]
Солнечные пятна расширяются и сжимаются по мере своего движения и могут перемещаться со скоростью несколько сотен метров в секунду, когда они впервые появляются.
Солнечный ветер — это поток плазмы, выбрасываемый из верхней атмосферы Солнца . Он состоит в основном из электронов и протонов с энергией обычно от 1,5 до 10 кэВ . Поток частиц меняет плотность, температуру и скорость с течением времени и по солнечной долготе. Эти частицы могут выходить из-под гравитации Солнца из-за своей высокой энергии.
Солнечный ветер делится на медленный солнечный ветер и быстрый солнечный ветер. Медленный солнечный ветер имеет скорость около 400 километров в секунду (250 миль/с), температуру 2 × 105 К и состав, близкий к короне. Быстрый солнечный ветер имеет типичную скорость 750 км/с, температуру 8 × 105 K и почти соответствует фотосфере. [33] [34] Медленный солнечный ветер в два раза плотнее и более изменчив по интенсивности, чем быстрый солнечный ветер. Медленный ветер имеет более сложную структуру с турбулентными областями и крупномасштабной организацией. [35] [36]
Как быстрый, так и медленный солнечный ветер может прерываться крупными, быстро движущимися всплесками плазмы, называемыми межпланетными корональными выбросами массы (МКВМ). Они вызывают ударные волны в тонкой плазме гелиосферы , генерируя электромагнитные волны и ускоряя частицы (в основном протоны и электроны), образуя ливни ионизирующего излучения , которые предшествуют корональным выбросам массы.
Космическая погода — это состояние окружающей среды в Солнечной системе, включая солнечный ветер . Она изучается, в частности, вокруг Земли, включая условия от магнитосферы до ионосферы и термосферы. Космическая погода отличается от земной погоды тропосферы и стратосферы . Этот термин не использовался до 1990-х годов. До этого времени такие явления считались частью физики или аэрономии .
Солнечные бури вызываются возмущениями на Солнце, чаще всего корональными облаками, связанными с солнечными вспышками CME, исходящими из активных областей солнечных пятен, или реже из корональных дыр . Солнце может производить интенсивные геомагнитные и протонные бури, способные вызывать отключения электроэнергии , сбои или отключения связи (включая системы GPS ) и временное/постоянное отключение спутников и другой космической техники. Солнечные бури могут быть опасны для высокоширотной, высотной авиации и для пилотируемых космических полетов . [37] Геомагнитные бури вызывают полярные сияния. [38]
Самая значительная известная солнечная буря произошла в сентябре 1859 года и известна как событие Кэррингтона . [39] [40]
Полярное сияние — это естественное световое явление на небе, особенно в высокоширотных ( Арктика и Антарктика ) регионах, в форме большого круга вокруг полюса. Оно вызвано столкновением солнечного ветра и заряженных магнитосферных частиц с высотной атмосферой ( термосферой ).
Большинство полярных сияний происходит в полосе, известной как зона полярных сияний , [41] [42], которая обычно имеет ширину от 3° до 6° по широте и наблюдается на расстоянии от 10° до 20° от геомагнитных полюсов на всех долготах, но часто наиболее ярко проявляется в периоды весеннего и осеннего равноденствия . Заряженные частицы и солнечный ветер направляются в атмосферу магнитосферой Земли. Геомагнитная буря расширяет зону полярных сияний до более низких широт.
Полярные сияния связаны с солнечным ветром. Магнитное поле Земли захватывает его частицы, многие из которых движутся к полюсам, где они ускоряются к Земле. Столкновения этих ионов с атмосферой высвобождают энергию в виде полярных сияний, появляющихся в больших кругах вокруг полюсов. Полярные сияния более часты и ярче во время интенсивной фазы солнечного цикла, когда корональные выбросы массы увеличивают интенсивность солнечного ветра. [43]
Геомагнитная буря — это временное возмущение магнитосферы Земли, вызванное ударной волной солнечного ветра и/или облаком магнитного поля, которое взаимодействует с магнитным полем Земли . Увеличение давления солнечного ветра сжимает магнитосферу, а магнитное поле солнечного ветра взаимодействует с магнитным полем Земли, передавая повышенную энергию в магнитосферу. Оба взаимодействия увеличивают движение плазмы через магнитосферу (вызванное возросшими электрическими полями) и увеличивают электрический ток в магнитосфере и ионосфере. [44]
Возмущение в межпланетной среде, которое приводит к буре, может быть вызвано CME или высокоскоростным потоком (область взаимодействия с со-вращающимся потоком или CIR) [45] солнечного ветра, исходящим из области слабого магнитного поля на поверхности Солнца. Частота геомагнитных бурь увеличивается и уменьшается с циклом солнечных пятен . Бури, вызванные CME, чаще встречаются во время солнечного максимума солнечного цикла, в то время как бури, вызванные CIR, чаще встречаются во время солнечного минимума.
Несколько явлений космической погоды связаны с геомагнитными бурями. К ним относятся события солнечных энергетических частиц (SEP), геомагнитно-индуцированные токи (GIC), ионосферные возмущения, которые вызывают радио- и радарные мерцания , нарушение навигации по компасу и полярные сияния на гораздо более низких широтах, чем обычно. Геомагнитная буря 1989 года активировала наземные индуцированные токи , которые нарушили распределение электроэнергии по всей провинции Квебек [46] и вызвали полярные сияния на юге вплоть до Техаса [47] .
Внезапное ионосферное возмущение (SID) — это аномально высокая плотность ионизации/плазмы в области D ионосферы, вызванная солнечной вспышкой. SID приводит к внезапному увеличению поглощения радиоволн, которое наиболее сильно в диапазонах верхних средних частот (MF) и нижних высоких частот (HF), и в результате часто прерывает или создает помехи для телекоммуникационных систем. [48]
Геомагнитно-индуцированные токи являются проявлением космической погоды на уровне земли, которая влияет на нормальную работу длинных электрических проводниковых систем. Во время космических погодных явлений электрические токи в магнитосфере и ионосфере испытывают большие изменения, которые проявляются также в магнитном поле Земли. Эти изменения индуцируют токи (GIC) в земных проводниках. Электропередающие сети и подземные трубопроводы являются распространенными примерами таких проводниковых систем. GIC может вызывать такие проблемы, как повышенная коррозия стали трубопровода и повреждение высоковольтных силовых трансформаторов.
Производство углерода-14 (радиоуглерода: 14 C) связано с солнечной активностью. Углерод-14 производится в верхних слоях атмосферы, когда бомбардировка атмосферного азота ( 14 N) космическими лучами заставляет азот подвергаться β+-распаду , таким образом превращаясь в необычный изотоп углерода с атомным весом 14, а не более распространенным 12. Поскольку галактические космические лучи частично исключаются из Солнечной системы внешним воздействием магнитных полей солнечного ветра, повышенная солнечная активность снижает производство 14 C. [49]
Концентрация 14 C в атмосфере ниже во время солнечных максимумов и выше во время солнечных минимумов. Измеряя захваченный 14 C в древесине и подсчитывая годичные кольца деревьев, можно измерить и датировать производство радиоуглерода относительно современной древесины. Реконструкция последних 10 000 лет показывает, что производство 14 C было намного выше в середине голоцена 7 000 лет назад и снижалось до 1 000 лет назад. Помимо изменений солнечной активности, долгосрочные тенденции производства углерода-14 зависят от изменений в геомагнитном поле Земли и изменений в круговороте углерода в биосфере ( особенно тех, которые связаны с изменениями в объеме растительности между ледниковыми периодами ). [ необходима ссылка ]
Солнечная активность и связанные с ней события регулярно регистрировались со времен вавилонян . Ранние записи описывали солнечные затмения, корону и солнечные пятна.
Вскоре после изобретения телескопов, в начале 1600-х годов, астрономы начали наблюдать за Солнцем. Томас Харриот был первым, кто наблюдал солнечные пятна в 1610 году. Наблюдатели подтвердили менее частые солнечные пятна и полярные сияния во время минимума Маундера. [50] Одним из этих наблюдателей был известный астроном Иоганн Гевелий , который зарегистрировал ряд солнечных пятен с 1653 по 1679 год в раннем минимуме Маундера, перечисленных в книге Machina Coelestis (1679). [51]
Солнечная спектрометрия началась в 1817 году. [52] Рудольф Вольф собрал наблюдения за солнечными пятнами еще в цикле 1755–1766 годов. Он установил относительную формулу числа солнечных пятен ( число солнечных пятен Вольфа или Цюриха ), которая стала стандартной мерой. Около 1852 года Сабина, Вольф, Готье и фон Ламонт независимо друг от друга обнаружили связь между солнечным циклом и геомагнитной активностью. [52]
2 апреля 1845 года Физо и Фуко впервые сфотографировали Солнце. Фотография помогла в изучении солнечных протуберанцев, грануляции , спектроскопии и солнечных затмений. [52]
1 сентября 1859 года Ричард К. Каррингтон и отдельно Р. Ходжсон впервые наблюдали солнечную вспышку. [52] Каррингтон и Густав Шпёрер обнаружили, что Солнце демонстрирует дифференциальное вращение , и что внешний слой должен быть жидким. [52]
В 1907–08 годах Джордж Эллери Хейл раскрыл магнитный цикл Солнца и магнитную природу солнечных пятен. Хейл и его коллеги позже вывели законы полярности Хейла, которые описали его магнитное поле. [52]
Изобретение коронографа Бернардом Лио в 1931 году позволило изучать корону при полном дневном свете. [52]
До 1990-х годов Солнце было единственной звездой, поверхность которой была разрешена. [53] Другие важные достижения включают понимание: [54]
В конце двадцатого века спутники начали наблюдать за Солнцем, предоставляя много информации. Например, модуляция солнечной светимости магнитно-активными областями была подтверждена спутниковыми измерениями полной солнечной радиации (TSI) экспериментом ACRIM1 в рамках миссии Solar Maximum (запущенной в 1980 году). [28]
секунду Солнце сжигает 620 миллионов тонн водорода...