Содержание

 1. Наша звезда – Солнце

1.1. Характеристика Солнца

       Из  всего окружающего нас несметного множества звезд несопоставимо  важнейшую роль в нашей жизни играет Солнце. Эта ближайшая к нам звезда обеспечивает нашу планету подавляющей частью энергии, которой мы располагаем на Земле. Благодаря солнцу и земной атмосфере на поверхности земли температура и другие условия такие, какие они есть,  а не космический холод, что делает нашу планету комфортной для обитающих на ней живых существ. Даже относительно мизерные изменения потока энергии, передаваемой Солнцем Земле, которые происходят при солнечных вспышках, существенно сказываются на земных условиях. С другой стороны, Солнце по своим свойствам является типичной для своего класса звездой, и постигая процессы, происходящие на Солнце, мы лучше понимаем и то, что творится на очень далеких от нас звездах.

       Астрономическими  методами было измерено, что орбита Земли удалена от Солнца в среднем на r=150 миллионов километров. Эта орбита имеет формулу эллипса, так что в разные моменты времени расстояние от Земли до Солнца несколько изменяется; меняется и скорость движения Земли по ее орбите. Как известно, период обращения Земли вокруг Солнца равно одномуг., точнее, 365,2522 суток. Ближе всего к Солнцу Земля подходит в январе, и в этот же период скорость движения Земли по ее орбите максимальна, хотя вариации скорости (в среднем 35 км/с) и расстояния между Землей и Солнцем очень невелики (1,7%). Угловой размер Солнца, видимый с Земли, составляет в среднем a=32,05 угловых минут. Радиус Солнца составляет 697 тысяч километров. Масса Солнца 2*10³⁰ кг. Средняя плотность Солнца составляет 1,41*10³ кг/м³, т.е. в 1,41 раза больше плотности воды. Однако распределение плотности по глубине Солнца неоднородно, и величина средней плотности не очень показательна. С другой стороны, вспомнив, до каких чудовищных величин возрастает давление на больших глубинах земных океанов, мы качественно поймем, что происходит с давлением и плотностью по мере приближения к центру Солнца (плотность солнечного вещества – газа – прямо зависит от давления, в то время как вода практически несжимаема).

       Казалось  бы, странно рассуждать о распределении  плотности по глубине небесного тела, удаленного от нас на полторы сотни миллионов километров. Но один из парадоксов естественнонаучных исследований состоит в том, что о внутреннем строении Солнца мы имеем, по-видимому, гораздо лучшее представление, чем о внутреннем строении Земли. Кстати, химический элемент гелий был вначале открыт на Солнце, а уже потом обнаружен на Земле. Состоит солнце примерно  на ¾ из водорода, на ¼ из гелия, с небольшой добавкой (примерно 2%) более тяжелых элементов.

2. Солнечно – Земные Связи (Физический аспект)

       Система прямых или опосредованных физических связей между гелио- и геофизическими процессами. Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещённости и среднюю температуру её поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию ультрафиолетового 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-Земных связей. 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 (энергетический аспект Солнечно-Земные связи), либо к перераспределению уже накопленной энергии в магнитосфере, ионосфере и нейтральной атмосфере Земли (информационный аспект). Перераспределение энергии может происходить либо плавно (ритмические колебания геофизических параметров), либо скачкообразно (триггерный механизм).

       Представления о Солнечно-Земных связях складывались постепенно, на основе отдельных догадок  и открытий. Так, в конце XIX в. К.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 пятнообразовательной деятельностью Солнца. Синхронность многих гелио- и геофизических явлений (а также форма кометных хвостов) наводила на мысль, что в межпланетном пространстве имеется агент, передающий солнечные возмущения к Земле. Этим агентом оказался солнечный ветер, существование которого экспериментально было доказано в начале 1960-х гг. путём прямых измерений с помощью автоматических межпланетных станций. Открытие солнечного ветра вместе с накопленными данными 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 минут). В частности, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение вызывает дополнительную ионизацию верхней атмосферы, что приводит к ухудшению или даже полному прекращению радиосвязи (эффект Деллинджера) на освещённой стороне Земли.

       Обычно  мощная вспышка сопровождается испусканием  большого количества ускоренных частиц – солнечных космических лучей (СКЛ). Самые энергичные из них начинают приходить к Земле спустя чуть более 10 мин после максимума вспышки. Повышенный поток СКЛ у Земли может наблюдаться несколько десятков часов. Вторжение СКЛ в ионосферу полярных широт вызывает дополнительную ионизацию и, соответственно, ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Имеются данные о том, что СКЛ в значительной мере способствуют опустошению озонного слоя Земли. Усиленные потоки СКЛ 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. 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 так далее.

       Имеются статистические данные о том, что  через 2-4 суток после магнитной  бури происходит заметная перестройка  барического поля тропосферы. Это  приводит к увеличению нестабильности атмосферы, нарушению характера  циркуляции воздуха (развитию циклонов и др. метеоявлений). Мировые магнитные бури представляют собой крайнюю степень возмущённости магнитосферы в целом. Более слабые (но более частые) возмущения, называемые суббурями, развиваются в магнитосфере полярных областей. Ещё 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 10-100 раз. Большую роль в геомагнитных возмущениях играет межпланетное магнитное поле, особенно его южный компонент, перпендикулярный плоскости эклиптики. Со сменой знака радиального компонента межпланетного магнитного поля связаны асимметрия потоков СКЛ, вторгающихся в полярные области, изменение направления конвекции магнитосферной плазмы и ряд других явлений.

       Статистически установлена связь между уровнями солнечной и геомагнитной возмущённости  и ходом ряда процессов в биосфере Земли (динамикой популяции животных, эпидемий, эпизоотий, количеством сердечно-сосудистых кризов и др.). Наиболее вероятной  причиной такой связи являются низкочастотные колебания электромагнитного поля Земли. Это подтверждается лабораторными экспериментами по изучению действия электромагнитных полей естественной напряжённости и частоты на млекопитающих.

       Рис.2 Схема солнечно-земных связей

       Хотя  не все звенья цепочки Солнечно-Земных связей одинаково изучены, в общих  чертах картина Солнечно-Земных связей представляется качественно ясной. Количественное исследование этой сложной  проблемы с плохо известными (или  вообще неизвестными) начальными и граничными условиями затруднено из-за незнания конкретных физических механизмов, обеспечивающих передачу энергии между отдельными звеньями.

       Наряду  с поисками физических 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 ритмических колебаний геофизических параметром (11-летних, 27-дневных и др.). Скачкообразные изменения связывают с так называемым триггерным механизмом, который применим к процессам или системам, находящимся в неустойчивом состоянии, близком к критическому. В этом случае небольшое изменение критического 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 инфракрасного излучения. Последнее создаёт небольшой дополнительный разогрев тропосферы, в результате которого и развивается её вертикальная неустойчивость. При этом энергия развитой неустойчивости может на два порядка превышать энергию первоначального возмущения.

       Новым методом исследования Солнечно-Земных связей являются 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 физических процессах на заданной высоте, а вместе с наблюдениями на других высотах – о механизме магнитосферно-ионосферного взаимодействия, об условиях генерации низкочастотных излучений, о механизме Солнечно-Земных связей в целом. Активные эксперименты имеют также и прикладное значение. Доказана возможность создать искусственный радиационный пояс Земли и вызвать полярные сияния, изменять свойства ионосферы и генерировать низкочастотное излучение 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.

3. Солнечная активность

3.1. Важнейшие проявления и индексы солнечной активности

       Одной из самых замечательных особенностей Солнца являются почти периодические, регулярные изменения различных  проявлений солнечной активности, то есть всей совокупности наблюдаемых  изменяющихся (быстро или медленно) явлений на Солнце. Это и солнечные пятна – области с сильным магнитным полем и вследствие этого с пониженной температурой, и солнечные вспышки – наиболее мощные и быстроразвивающиеся взрывные процессы, затрагивающие всю солнечную атмосферу над активной областью, и солнечные волокна – плазменные образования в магнитном поле солнечной атмосферы, имеющие вид вытянутых (до сотен тысяч километров) волоконообразных структур. Когда волокна выходят на видимый край (лимб) Солнца, можно видеть наиболее грандиозные по масштабам активные и спокойные образования – протуберанцы, отличающиеся богатым разнообразием форм и сложной структурой. Нужно еще отметить корональные дыры – области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем. Это своеобразные окна, из которых выбрасывается высокоскоростной поток солнечных заряженных частиц.

       Солнечные пятна – наиболее известные явления  на Солнце. Впервые в телескоп их наблюдал Г. Галилей в 1610 г. Мы не знаем, когда и как он научился ослаблять яркий солнечный свет, но прекрасные гравюры, изображающие солнечные пятна и опубликованные в 1613г. в его знаменитых письмах о солнечных пятнах, явились первыми систематическими рядами наблюдений.

       С этого времени регистрация пятен  то проводилась, то прекращалась, то возобновлялась вновь. В конце ХIX столетия два наблюдателя – Г. Шперер в Германии и Е. Маундер в Англии указали на тот факт, что в течение 70-летнего периода вплоть до 1716г. пятен на солнечном диске, по-видимому, было очень мало. Уже в наше время Д. Эдди, заново проанализировав все данные, пришел к выводу, что действительно в этот период был спад солнечной активности, названный Маундеровским минимумом.