Работа на конкурс «Турнир физиков» 2013 – пик солнечной активности. Солнечно-земные связи. Выполнила Алтухова Светлана Руководитель Л. А. Гаврилина

2013 – пик солнечной активности. Солнечно-земные связи.

Солнечно-земные связи, реакция Земли (её внешних оболочек, включая биосферу) на изменение солнечной активности. Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещенности и среднюю температуру ее поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию УФ- и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей. Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в магнитосфере, ионосфере, нейтральной атмосфере, биосфере, гидросфере и, возможно, литосфере Земли. Изучение этих явлений и составляет суть проблемы Солнечно-земной связи. Строго говоря, Земля оказывает некоторое обратное (по крайней мере, гравитационное) воздействие на Солнце, однако оно ничтожно мало, так что обычно рассматривают только воздействие солнечной активности на Землю. Это воздействие сводится либо к переносу от Солнца к Земле энергии, выделяющейся в нестационарных процессах на Солнце, либо к перераспределению уже накопленной энергии в магнитосфере, ионосфере и нейтральной атмосфере Земли. Перераспределение энергии может происходить либо плавно (ритмичные колебания геофизикеских параметров), либо скачкообразно (триггерный механизм).. Представления о Солнечно-земной связи складывались постепенно, на основе отдельных догадок и открытий. Так, в конце 19 в. В.О. Биркелан (Биркеланд; Норвегия) впервые высказал предположение, что Солнце кроме волнового излучения испускает также и частицы. В 1915 г. А.Л. Чижевский обратил внимание на циклическую связь между развитием некоторых эпидемий и пятно образовательной деятельностью Солнца. Синхронность многих гелио- и геофизик. явлений (а также форма кометных хвостов) наводила на мысль, что в межпланетном пространстве имеется агент, передающий солнечные возмущения Земле. Этим агентом оказался солнечный ветер, существование которого экспериментально было доказано в начале 1960-х гг. путем прямых измерений с помощью АМС. Открытие солнечного ветра вместе с накопленными о других проявлениях солнечной активности послужило основой для исследования физики Солнечно-земных связей. Последовательность событий в системе Солнце-Земля можно проследить, наблюдая цепочку явлений, сопровождающих мощную вспышку на Солнце- высшее проявление солнечной активности. Последствия вспышки начинают сказываться в околоземном пространстве почти одновременно с событиями на Солнце (время распространения электромагнитных волн от Солнца до Земли чуть больше 8 мин). В частности, УФ- и рентгеновские излучение вызывают дополнительную ионизацию верхней атмосферы, что приводит к ухудшению (или даже полному прекращению) радиосвязи (эффект Деллинджера) на освещенной стороне Земли.

Уровень солнечной активности (число активных областей и солнечных пятен, количество и мощность солнечных вспышек и т.д.) изменяется с периодом около 11 лет. Существуют также слабые колебания величины максимумов 11- летнего цикла с периодом около 90 лет. На Земле 11-летний цикл прослеживается на целом ряде явлений органической и неорганической природы (возмущения магнитного поля, полярные сияния, возмущения ионосферы, изменение скорости роста деревьев с периодом 11 лет, установленным по чередованию толщины годовых колец, и т.д.). На земные процессы оказывают также воздействие отдельные активные области на Солнце и происходящие в них кратковременные, но иногда очень мощные вспышки. Время существования отдельной активной области на Солнце может достигать 1 года. Вызываемые этой областью возмущения в магнитосфере и верхней атмосфере Земли повторяются через 27 сут (с наблюдаемым с Земли периодом вращения Солнца). Наиболее мощные проявления солнечной активности солнечные (хромосферные) вспышки происходят нерегулярно (чаще вблизи периодов максимальной активности), длительность их составляет 540 мин, редко несколько часов. Энергия хромосферной вспышки может достигать ~10 32 эрг (~10 25 дж), из выделяющейся при вспышке энергии лишь 110% приходится на электромагнитное излучение в оптическом диапазоне. По сравнению с полным излучением Солнца в оптическом диапазоне энергия вспышки невелика (~10 –5 10 –6 ), но коротковолновое излучение вспышки и генерируемые при вспышке быстрые электроны, а иногда солнечные космические лучи могут дать заметный вклад в рентгеновское и корпускулярное излучение Солнца. Вторжение солнечных космических лучей в ионосферу полярных широт вызывают дополнит. ионизацию и соответственно ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Имеются данные о том, что солнечные космические лучи в значительной мере способствуют опустошению озонового слоя Земли (озоносферы). Усиленные потоки солнечных космических лучей представляют собой также один из главных источников радиационной опасности для экипажей и оборудования космических кораблей.

Вспышка генерирует мощную ударную волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы. Двигаясь со скоростью свыше 100 км/с, ударная волна и облако плазмы за 1,5-2 суток достигают Земли и вызывают магнитную бурю, понижение интенсивности галактических космических лучей, усиление полярных сияний, возмущения ионосферы и т.д.Имеются статистические данные о том, что через 2-4 сутки после магнитной бури происходит заметная перестройка барочного поля тропосферы. Это приводит к увеличению нестабильности атмосферы, нарушению характера циркуляции воздуха (развитию циклонов и др. метеоявлений). Мировые магнитные бури представляют собой крайнюю степень возмущенности магнитосферы в целом. Более слабые (но более частые) возмущения, называемые суббурями, развиваются в магнитосфере полярных областей. Еще более слабые возмущения возникают вблизи границы магнитосферы с солнечным ветром. Причиной возмущений последних двух типов являются флуктуации мощности солнечного ветра. При этом в магнитосфере генерируется широкий спектр электромагнитных волн с частотами 0,001-10,0 Гц, которые свободно доходят до поверхности Земли. Во время магнитных бурь интенсивность этого низкочастотного излучения возрастает в раз. Большую роль в геомагнитных возмущениях играет межпланетное магнитное поле (ММП), особенно его южный компонент, перпендикулярный плоскости эклиптики. Со сменой знака радиального компонента ММП связаны асимметрии потоков солнечных космических лучей, вторгающихся в полярные области, изменения направления конвекции магнитосферной плазмы и ряд др. явлений. Статистически установлена связь между уровнем солнечной и геомагнитной возмущенности и ходом ряда процессов в биосфере Земли (динамикой популяций животных, эпидемий, эпизоотий, количеством сердечно сосудистых кризов и др.). Наиболее вероятной причиной такой связи являются низкочастотные колебания эл.-магн. поля Земли. Это подтверждается лабораторными экспериментами по изучению действия эл.-магн. полей естественной напряженности и частоты на млекопитающих.

Воздействие активных процессов на Солнце (солнечных бурь) на геофизикеские явления осуществляется как коротковолновой радиацией, так и через посредство магнитного поля Земли. По-видимому, эти факторы являются главными и для физико-химических, и биологических процессов. Проследить всю цепь связей, приводящих к 11- летней периодичности многих процессов на Земле, пока не удаётся, но накопленный обширный фактический материал не оставляет сомнений в существовании таких связей. Так, была установлена корреляция между 11-летним циклом солнечной активности и землетрясениями, колебаниями уровня озёр, урожаями с.-х. культур, размножением и миграцией насекомых, эпидемиями гриппа, тифа, холеры, числом сердечно-сосудистых заболеваний и т.д. Эти данные указывают на постоянно действующие Солнечно-земные связи. Раскрытие их механизмов представляет большой научный и практический интерес. В частности, на этой основе может быть значительно повышена точность долгосрочных прогнозов погоды и необходимых для космонавтики прогнозов интенсивности корпускулярных потоков в околоземном пространстве. Влияние Солнечно –земных связей на физические процессы изучает гелиогеофизика, влияние на биологические процессы гелиобиология, на погоду гелио метеорология.

Хотя не все звенья цепочки Солнечно-земных связей одинаково изучены, в общих чертах картина Солнечно-земных связей представляется качественно ясной. Количеств. исследование этой сложной проблемы с плохо известными (или вообще неизвестными) начальными и граничными условиями затруднено из-за незнания конкретных физ. механизмов, обеспечивающих передачу энергии между отдельными звеньями. Наряду с поисками физ. механизмов ведутся исследования информационного аспекта Солнечно-земных связей. Связи проявляются двояко, в зависимости от того, плавно или скачкообразно происходит перераспределение энергии солнечных возмущений внутри магнитосферы. В первом случае Солнечно-земные связи проявляются в форме ритмичных колебаний геофизикеских параметров (11-летних, 27-дневных и др.). Скачкообразные изменения связывают с т.н. триггерным механизмом, который применим к процессам или системам, находящимся в неустойчивом состоянии, близком к критическому. В этом случае небольшое изменение критичного параметра (давления, силы тока, концентрации частиц и т.п.) приводит к качественному изменению хода данного явления или вызывает новое явление. Для примера можно указать на явление образования внетропических циклонов при геомагнитных возмущениях. Энергия геомагнитного возмущения преобразуется в энергию ИК-излучения. Последнее создает небольшой дополнительный разогрев тропосферы, в результате которого и развивается ее вертикальная неустойчивость. При этом энергия развитой неустойчивости может не два порядка превышать энергию первоначального возмущения. Новым методом исследования Солнечно-земных связей является активные эксперименты в магнитосфере и ионосфере по моделированию эффектов, вызываемых солнечной активностью. Для диагностики состояния магнитосферы и ионосферы используются пучки электронов, облака натрия или бария (выпускаемые с борта ракеты). Для непосредственного воздействия на ионосферу используются радиоволны коротковолнового диапазона. Главное преимущество активных экспериментов - возможность контролировать некоторые начальные условия (параметры пучка электронов, мощность и частоту радиоволн и т.п.). Это позволяет более уверенно судить о физ. процессах на заданной высоте, а вместе с наблюдениями на других высотах - о механизме магнитосферно- ионосферного взаимодействия, об условиях генерации низкочастотных излучений, о Солнечно-земных связей в целом. Активные эксперименты имеют также и прикладное значение. Доказана возможность создавать искусственный радиационный пояс Земли и вызвать полярные сияния, изменять свойства ионосферы и генерировать низкочастотные излучения над заданным районом. Изучение Солнечно-земных связей является не только фундаментальной научной проблемой, но и имеет большое прогностическое значение. Прогнозы состояния магнитосферы и других оболочек Земли крайне необходимы для решения практических задач в области космонавтики, радиосвязи, транспорта, метеорологии и климатологии, сельского хозяйства, биологии и медицины.

"Главные свойства солнечной цикличности.11-летний цикл солнечной активности" Важное значение как для изучения солнечно-земных связей так и для проникновения в сущность солнечной активности имеет одиннадцатилетний цикл. В середине прошлого столетия астроном-любитель Г. Швабе и Р. Вольфа впервые установили факт изменения числа солнечных пятен со временем, причем средний период этого изменения составляет 11 лет. Вольфа определил годы максимальных и минимальных чисел пятен еще со времени наблюдений Г. Галилея, т. е. с 1610 г., и впервые определил продолжительность среднего периода изменения числа солнечных пятен. Так появился знаменитый закон Швабе-Вольфа, согласно которому изменения солнечной активности происходят периодически, причем длина среднего периода составляет 11,1 года. Этот вывод был подтвержден для всех известных индексов солнечной активности. Хотя изменения солнечной активности происходят периодически, эта периодичность особая. Дело в том, что интервалы времени между годами максимальных (или минимальных) чисел Вольфа довольно сильно различаются. С 1749 г. до наших дней известна продолжительность от 7 до 17 лет между годами максимумов и от 9 до 14 лет между годами минимумов относительного числа солнечных пятен.

"22-летний цикл солнечной активности (внутривековой)" Регулярные наблюдения магнитных полей солнечных пятен, открытых в начале нынешнего столетия американским астрономом Дж. Хейлом, привели к окончательному признанию реальности 22-летнего цикла солнечной активности, существование которого заподозрил еще Р. Вольфа. В 1913 г. в конце 14-го цикла по цюрихской нумерации Хейл впервые показал, что полярность магнитных полей ведущих (хвостовых) пятен северного (южного) полушария Солнца изменяется на противоположную при переходе от одного 11-летнего цикла к другому. А поскольку знак их противоположен у ведущего и хвостового пятен группы и у соответствующих пятен северной и южной полусферы, то получается, что они как бы меняются местами в отношении магнитных свойств. Таким образом было установлено, что магнитные поля групп солнечных пятен получают первоначальную полярность не через 11 лет, а через 22 года.

"Длинные циклы солнечной активности. Несолнечная природа ритмов на Земле" Когда речь идет о внутривековом 22-летним и вековом летним ритмах, следует иметь в виду одну их интересную особенность. Эти ритмы как бы одновременно имеют и солнечную и несолнечную природу. Если подразумевается воздействие на то или иное явление пульсаций Земли, то воздействие Солнца тут, собственно говоря, не при чем. Так, при расширении Земли снеговая граница как бы опускается и горные ледники активизируются. Поэтому внутривековая изменчивость ледников, обусловленная пульсациями Земли, выступает в качестве явления, в большей мере земного (хотя климатические интервалы, определяемые правилом Иверсена-Гричук, известную роль все же играют). То же самое можно сказать и об уровнях Мирового океана, прежде всего связанных с объемом планеты. Древесная растительность на верхнем пределе распространения в первую очередь реагирует на колебания высоты снеговой границы и поэтому в своей изменчивости согласуется с изменчивостью ледников: наступление ледников сопровождается угнетением древесной растительности, сокращение ледников - ее оживлением. Катастрофические явления: землетрясения, извержения вулканов, ураганы и т. п. - также прежде всего связаны со внутренней пульсацией Земли.

"Солнечная природа земных ритмов" Многочисленная группа земных явлений непосредственно связанная с деятельностью Солнца. Вспомним, что "Космос (и прежде всего Солнце) обрушивает на Землю непрерывный поток атомных ядер, летящих с огромными скоростями космических лучей. Интенсивность космической "бомбардировки" то усиливается, то ослабевает, что отражается на состоянии земной атмосферы: давлении, температуре, ионизации, проводимости". Особенно велико воздействие солнечной активности на магнитное поле Земли. Солнечные пятна - это гигантские магниты, меняющие свой знак от цикла к циклу. Но число солнечных пятен прежде всего меняется по ходу 11-летнего цикла, т. е. по ходу половины 22-летнего пульсационного цикла. Поэтому земные процессы и явления, обусловленные активностью Солнца или флуктуациями магнитного поля, подчинены в большей мере 11-летнему режиму. А. Л. Чижевский в книге "Земное эхо солнечных бурь" приводит перечень явлений органического мира, для которых установлена связь с солнцедеятельностью. Назовем самые важные из них: величина урожаев кормовых злаков, рост древесины, эпифитии, эпизоотии и эпидемии, размножаемость и миграции насекомых, рыб, животных, психопатические эпидемии, частота внезапных смертей, преступлений и несчастных случаев, колебаний общей смертности, рождаемости и брачности. Вероятно, все сказанное касается и векового ритма. Процессы земной пульсационной природы должны в первую очередь реагировать на полную длину ритма, а процессы, обусловленные солнцедеятельностью, - на длину полуритма.

"Магнитные бури" В период, когда на Солнце возникают пятна, происходят исключительной силы взрывы и выбрасываются мощные потоки заряженных частиц - корпускул и ультрафиолетовых лучей. Примерно через два дня частицы достигают земного шара, где они захватываются его магнитным полем и "сортируются" по зарядам и массам. Вокруг Земли образуется гигантский круговой электрический контур радиусом в тысяч километров. Магнитное поле этого тока в основном и создает бурю, охватывающую весь земной шар. Ионизация атмосферы усиливается, проводимость возрастает, возникают сильные, сравнительно кратковременные электрические токи, которые обнаруживаются на Земле в виде магнитных возмущений. Число сильных мировых магнитных бурь в течение года невелико: единицы в годы "спокойного" Солнца или несколько десятков в годы сильной солнечной активности. Что касается умеренных магнитных бурь или магнитных возмущений, то они бывают часто, особенно в полярных районах, где спокойные магнитные дни чрезвычайно редки. В течение сильной магнитной бури склонение изменяется на несколько градусов, а вертикальная и горизонтальная составляющие - на тысячи гамм и больше. Амплитуды магнитных бурь изменяются с изменением географической широты: на севере они больше, на юге меньше. Продолжаются магнитные бури в течение нескольких дней (в среднем 4-5 суток), однако очень сильные, как правило, 1-2 суток. Магнитные бури охватывают земной шар чаще в дни весеннего и осеннего равноденствия (март-апрель, август- сентябрь), а также в годы интенсивной солнечной активности, имеющей четко выраженную периодичность около 11 лет. Наблюдается в частоте появления магнитных бурь и 27-дневная повторяемость, связанная с периодом вращения Солнца вокруг своей оси. Таким образом, магнитное поле Земли очень чутко улавливает степень активности нашего светила, его "настроение" Солнечный ветер, или плазма, состоящая из ионизированного, очень разряженного газа, охватив земной шар, вызывает в его магнитном поле различные возмущения и колебания. В дни, когда земной шар находится во власти невидимой магнитной бури, в Арктике и Антарктиде полыхают сильные полярные сияния, а исследователи космических лучей - частиц, летящих из космоса и от Солнца, обладающих колоссальной энергией, наблюдают изменения интенсивности потоков этих частиц.

2013 год - пик солнечной активности После трёх летнего минимума годов, солнце постепенно подбирается к максимуму своей активности которое ожидается в году. Стоит вспомнить, что в период года был просто аномальным минимумом за всю историю наблюдения за солнцем, так долго период минимума ещё не длился, а 1 августа 2008 впервые астрономы да и обычные люди не увидели солнечной короны во время затмения, такое случилось также впервые в истории астрономии. По прогнозам учёных-астрономов в ближайшие два года ожидается пик солнечной активности. Уже в январе наступившего года ожидается серия вспышек, что может привести к общей слабости, учащённой головной боли и мигрени у многих жителей земли. Магнитные бури ощущают более половины жителей Земли. Ощущают люди это по разному: ухудшается самочувствие, портится аппетит, сон и настроение, повышается давление, усиливается сердцебиение, появляется тревога. Но это всё мелочи в сравнении с тем, что солнце может вывести из строя электроподстанции и прочую электронную аппаратуру. Мощная магнитная буря может вывести из строя всё что работает от электричества. Такое уже было в нашей недавней истории, когда в Северной Америке более шести миллионов человек остались без электричества более чем на сутки. Учитывая, что в 1859 году мир еще был достаточно слабо «завязан» на электричестве, солнечная буря тогда не смогла нанести критического ущерба. А что значит сейчас – выведены из строя электрические сети? Это означает остановку холодильников и порчу запасов пищи, остановку насосных станций на бензозаправках и трубопроводах – и коллапс транспортной системы, а также (в зимнее время) моментальный выход из строя отопительных систем. Так что готовимся к новым мощным вспышкам на Солнце. Интересно мнение тех, кто наблюдает за нашим светилом и видит какие-то изменения в сторону увеличения активности. Грозит ли нам смена полюсов и мощные электромагнитные импульсы в году?!