Солнце, основные сведения

Но не только на образование озона расходуется энергия солнечных УФ-лучей.

Радиоволны, как и все электромагнитные волны, должны распространяться прямолинейно. Значит, поскольку Земля - шар, радиосвязь между Европой и Америкой невозможна? Итальянский радиотехник Гульельмо Маркони осуществил в 1901 году прямую радиосвязь между Англией и США, раз и навсегда доказав, что радио волны могут огибать земной шар. Для этого им надо отразиться от какого-то "зеркала", висящего над земной поверхностью на высоте 150 - 300 километров. Таким "зеркалом" служит ионизованные слои атмосферы, а источником ионизации - ультрафиолетовое излучение Солнца. Словом, УФ-лучи властно вторгаются в земные дела.

Теперь оставалось немногое: непосредственно измерить интенсивность УФ-излучения Солнца. Создание баллистических ракет позволило исследователям вынести аппаратуру за пределы земной атмосферы, на высоту более 100 километров. И первые же запуски увенчались успехом: УФ-излучение Солнца было обнаружено и измерено. Излучение с длинами волн короче 0,15 мкм связано уже не с видимой поверхностью Солнца, а с более высокими и горячими атмосферными слоями.

С развитием спутниковой астрономии исследования ультрафиолетового излучения Солнца стало ее обязательным компонентом. Причина ясна: УФ-излучение контролирует состояние ионизованных слоев атмосферы, а следовательно, и условия радиосвязи на Земле, особенно в полярных районах. Эта не слишком приятная зависимость от капризов Солнца стало ослабевать лишь в последние десятилетия, с развитием спутниковой связи.

МЕСТО СОЛНЦА В ГАЛАКТИКЕ

В окрестностях Солнца удается проследить участи двух спиральных ветвей, удаленных от нас примерно на 3 тысячи световых лет. По созвездиям, где обнаруживаются эти участки, их называют рукавом Стрельца и рукавом Персея. Солнце находится почти посередине между этими спиральными ветвями. Правда, сравнительно близко (по галактическим меркам) от нас, в созвездии Ориона, проходит еще одно, не столь явно выраженная ветвь, считающаяся ответвлением одного из основных спиральных рукавов Галактики.

Расстояние от Солнца до центра Галактики составляет 23 - 28 тысяч световых лет, что составляет примерно 7 - 9 тысяч парсек. Это говорит о том, что Солнце располагается между центром и краем диска Галактики.

Вместе со всеми близкими звездами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 200 - 220 километров в секунду, совершая один оборот примерно за 200 миллионов лет. Значит, за все время своего существования Земля облетела вокруг центра Галактики не более 30 раз.

Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики практически совпадает с той скоростью, с которой в данном районе движется волна уплотнения, формирующая спиральный рукав. Такая ситуация в общем неординарна для Галактики: спиральные ветви вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы колеса, а движение звезд подчиняется совершенно иной закономерности. Поэтому почти все звездное население диска то попадает внутрь спиральных ветвей, то выходит из них. Единственное место, где скорости звезд и рукавов совпадают, - это так называемая коротационная окружность. Именно вблизи нее и располагается Солнце.

Для Земли это обстоятельство крайне благоприятно. Ведь в спиральных ветвях происходят бурные процессы, порождающие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не могла бы от него защитить. Но наша планета существует в относительно спокойном месте Галактики и в течении сотен миллионов и миллиардов лет не испытывала катастрофического влияния космических катаклизмов. Может быть, именно поэтому на Земле могла сохраниться жизнь.

Долгое время положение Солнца среди звезд считалось самым заурядным. Сегодня мы знаем, что это не так: в известном смысле оно привилегированное. И это нужно учитывать, рассуждая о возможности существования жизни в других частях нашей Галактики.

ЦИКЛЫ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Число пятен на Солнце не является постоянным, оно меняется как день ото дня, так и в течение более длительных промежутков времени. Немецкий астроном-любитель Генрих Швабе, который 17 лет вел систематические наблюдения солнечных пятен, заметил: их количество убывает от максимума к минимуму, а затем увеличивается до максимального значения за период около 10 дет. При этом в максимуме на солнечном диске можно наблюдать 100 и более пятен, тогда как в минимуме - всего несколько, а иногда в течении целых недель не наблюдается ни одного. Сообщение о своем открытии Швабе опубликовал в 1843 году.

Швейцарский астроном Рудольф Вольф уточнил, что средний период изменения числа пятен составляет не 10, а 11 лет. Он же предложил для количественной оценки активности Солнца использовать условную величину, называемую с тех пор числом Вольфа. Оно определяется как сумма общего числа пятен на Солнце (f) и удесятеренного числа групп пятен (g), причем одно изолированное пятно тоже считается группой: W = f + 10g .

Цикл солнечной активности называют 11-летним во всех учебниках и популярных книгах по астрономии. Однако Солнце любит поступать по-своему. Так, за последние 50 лет промежуток между максимумами составлял в среднем 10,4 года. Вообще же за время регулярных наблюдений за Солнцем указанный период менялся от 7 до 17 лет. И это еще не все. Проанализировав наблюдения пятен с начала телескопических исследований, английский астроном Уолтер Маундер в 1893 году пришел к выводу, что с 1645 по 1715 годы на Солнце вообще не было пятен! Это заключение подтвердилось в более поздних работах; мало того, выяснилось, что подобные "отпуска" Солнце брало и в более далеком прошлом. Кстати, именно на "маундеровский минимум" пришелся период самых холодных зим в Европе за последнее тысячелетие.

Но и на этом сюрпризы солнечных циклов не кончаются. Ведущее пятно в группе (первое по направлению движения Солнца) обычно имеет одну полярность (например, северную),а замыкающее - противоположную (южную), и это правило выполняется для всех групп пятен в одном полушарии Солнца. В другом полушарии картина обратная: ведущие пятна в группах будут иметь южную полярность, а замыкающие - северную. Но, оказывается, при появлении пятен нового поколения(следующего цикла) полярность ведущих пятен меняется на противоположную! Лишь в цикле через один ведущие пятна обретают прежнюю полярность. Так что "истинный" солнечный цикл с возвращением прежней магнитной полярности ведущих пятен в действительности охватывает не 11, а 22 года (в среднем, конечно).

КАК СОЛНЦЕ ВЛИЯЕТ НА ЗЕМЛЮ

Солнце освещает и согревает нашу планету, без этого была бы возможна жизнь на ней не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце - главный (хотя и не единственный) двигатель происходящих на Земле процессов. Но не только тепло и свет получает Земля от Солнца. Различный виды солнечного излучения и потоки частиц постоянно оказывают влияние на жизнь нашей планеты.

Солнце посылает на Землю электромагнитные волны всех областей спектра - от многокилометровых радиоволн до гамма-лучей. Окрестностей Земли достигают также заряженные частицы разных энергий - как высоких (солнечные космические лучи), так и низких и средних (потоки солнечного ветра, выбросы от вспышек). Наконец, Солнце испускает мощный поток элементарных частиц - нейтрино. Однако воздействие последних на земные процессы пренебрежимо мало: для этих частиц земной шар прозрачен, и они свободно пролетают сквозь него.

Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли - остальные отклоняет иди задерживает геомагнитное поле. Но и их энергии достаточно для того, чтобы вызвать полярные сияния и возмущения магнитного поля нашей планеты.

ЭНЕРГИЯ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА

Электромагнитное излучение подвергается строгому отбору в земной атмосфере. Она прозрачна только для видимого света и ближних ультрафиолетового и инфракрасного излучений, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне (от сантиметровых до метровых). Все остальное излучение либо отражается, либо поглощается атмосферой, нагревая и ионизуя ее верхние слои.

Поглощение рентгеновских и жестких ультрафиолетовых лучей начинается на высотах 300 - 350 километров; на этих же высотах отражаются наиболее длинные радиоволны, приходящие из космоса. При сильных всплесках солнечного рентгеновского излучения от хромосферных вспышек рентгеновские кванты проникают до высот 80 - 100 километров, ионизуют атмосферу и вызывают нарушение связи на коротких волнах.

Мягкое (длинноволновое) ультрафиолетовое излучение способно проникать еще глубже, оно поглощается на высоте 30 - 35 километров. Здесь ультрафиолетовые кванты разбиваются на атомы (диссоциируют) молекулы кислорода (О2) с последующим образование озона (03). Тем самым создается не прозрачный для ультрафиолета "озонный экран", предохраняющий жизнь на Земле для гибельных лучей. Не поглотившаяся часть наиболее длинноволнового ультрафиолетового излучения доходит до земной поверхности. Именно эти лучи и вызывают у людей загар и даже ожоги кожи при длительном пребывании на солнце.

Излучение в видимом диапазоне поглощается слабо. Однако оно рассеивается атмосферой даже в отсутствие облаков, и часть его возвращается в межпланетное пространство. Облака, состоящие из капелек воды и твердых частиц, значительно усиливают отражение солнечного излучения. В результате до поверхности планеты доходит в среднем около половины падающего на границу земной атмосферы света.

Количество солнечной энергии, приходящейся на поверхность площадью 1 м2, развернутую перпендикулярно солнечным лучам на границе земной атмосферы, называется солнечной постоянной. Измерять ее с Земли очень трудно, и потому значения, найденные для начала космических исследований, были весьма приблизительными. Небольшие колебания (если они реально существовали) заведомо "тонули" в неточности измерений. Лишь выполнение специальной космической программы по определению солнечной постоянной позволило найти ее надежное значение. По последним данным, оно составляет 1370 Вт/м2 с точностью до 0,5%. Колебании, превышающих 0,2% за время измерений не выявлено.

На Земле излучение поглощается сушей и океаном. Нагретая Земля поверхность в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области. Для такого излучения азот и кислород атмосферы прозрачны. Зато оно жадно поглощается водяным паром и углекислым газом. Благодаря этим малым составляющим воздушная оболочка удерживает тепло. В этом и заключается парниковый эффект атмосферы. Между приходом солнечной энергии на Землю и ее потерями на планете в общем существует равновесие: сколько поступает, столько и расходуется. В противном случае температура земной поверхности вместе с атмосферой либо постоянно повышалась бы, либо падала.

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР И МЕЖПЛАНЕТНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

В конце 50-х годов ХХ века американский астрофизик Юджин Паркер пришел к выводу, что, поскольку газ в солнечной короне имеет высокую температуру, которая сохраняется с удалением от Солнца, он должен непрерывно расширяться, заполняя Солнечную систему. Результаты, полученные с помощью советских и американских космических аппаратов подтвердили правильность теории Паркера.

В межпланетном пространстве действительно мчится направленный от Солнца поток вещества, получивший название солнечный ветер. Он представляет собой продолжение расширяющейся солнечной короны; составляет его в основном ядра атомов водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы), а также электроны. Частицы солнечного ветра летят со скоростями, составляющие несколько сот километров в секунду, удаляясь от Солнца на многие десятки астрономических единиц - туда, где межпланетная среда Солнечной системы переходит в разреженный межзвездный газ. А вместе с ветром в межпланетное пространство переносятся и солнечные магнитные поля.

Общее магнитное поле Солнца по форме линий магнитной индукции немного напоминает земную. Но силовые линии земного поля близ экватора замкнуты и не пропускают направленные к Земле заряженные частицы. Силовые линии солнечного поля, напротив, в экваториальной области разомкнуты и вытягиваются в межпланетное пространство, искривляясь подобно спиралям. Объяснятся это тем, что силовые линии остаются связанными с Солнцем, которое вращается вокруг своей оси. Солнечный ветер вместе с "вмороженным" в него магнитным полем формирует газовые хвосты комет, направляя их в стороны от Солнца. Встречая на своем пути Землю, солнечный ветер сильно деформирует ее магнитосферу, в результате чего наша планета обладает длинным магнитным "хвостом", также направленным от Солнца. Магнитное поле Земли чутко отзывается на обдувающие ее потоки солнечного вещества.

БОМБАРДИРОВКА ЭНЕРГИЧНЫМИ ЧАСТИЦАМИ

Помимо непрерывно "дующего" солнечного ветра наше светило служит источником энергических заряженных частиц (в основном протонов, ядер атомов гелия и электронов) с энергией 106 - 109 электронвольт (эВ). Их называют солнечными космическими лучами. Расстояние от Солнца до Земли - 150 миллионов километров - наиболее энергичные из этих частиц покрывают всего за 10 - 15 минут. Основным источником солнечных космических лучей являются хромосферные вспышки.

По современным представлениям вспышка - это внезапное выделение энергии, накопленной в магнитном поле активной зоны. На определенной высоте над поверхностью Солнца возникает область, где магнитное поле на небольшом протяжении резко меняется по величине и направлению. В какой-то момент силовые линии поля внезапно "пересоединяются", конфигурация его резко меняется, что сопровождается ускорением заряженных частиц до высокой энергии, нагревом вещества и появлением жесткого электромагнитного излучения. При этом происходит выброс частиц высокой энергии в межпланетное пространство и наблюдается мощное излучение в радиодиапазоне.

Хотя "принцип действия" вспышки ученые, по-видимому, поняли правильно, детальной теории вспышек пока нет.

Вспышки - самые мощные взрывоподобные процессы, наблюдаемые на Солнце, точнее в его хромосфере. Они могут продолжаться всего несколько минут, но за это время выделяется энергия, которая иногда достигает 1025 джоулей. Примерно такое же количество тепла проходит от Солнца на всю поверхность нашей планеты за целый год.

Потоки жесткого рентгеновского излучения и солнечных космических лучей, рождающиеся при вспышках, оказывают сильное влияние на физические процессы в верхней атмосфере Земли и околоземном пространстве. Если не принять специальных мер, могут выйти из строя сложные космические приборы и солнечные батареи. Появляется даже серьезная опасность облучения космонавтов, находящихся на орбите. Поэтому в разных странах проводятся работы по научному предсказанию солнечных вспышек на основании измерения солнечных магнитных полей.

Как и рентгеновские излучение, солнечные космические лучи не доходят до поверхности Земли, но могут ионизовать верхние слои ее атмосферы, что сказывается на устойчивости радиосвязи между отдаленными пунктами. Но действие частиц этим не ограничивается. Быстрые частицы вызывают сильные токи в земной токи в земной атмосфере, приводят в возмущению магнитного поля нашей планеты и даже влияют на циркуляцию воздуха в атмосфере.

Наиболее ярким и впечатляющим проявлением бомбардировки атмосферы солнечными частицами является полярное сияние. Это свечение в верхних слоях атмосферы, имеющее либо размытые (диффузные) формы, либо вид корон или занавесей (драпри), состоящих из многочисленных отдельных лучей. Сияние обычно бывают красного или зеленого цвета: именно так светятся основные составляющие атмосферы - кислород и азот - при облучении их энергичными частицами. Зрелище бесшумно возникающих красных и зеленых полос и лучей, беззвучная игра цветов, медленная или почти мгновенное угасание колеблющихся "занавесей" оставляют незабываемое впечатление. Подобные явления лучше всего видны вдоль овала полярных сияний, расположенного между 10° и 20° широты от магнитных полюсов. В период максимумов солнечной активности Северного полушария овал смещается к югу, и сияние можно наблюдать в более низких широтах.

Частота и интенсивность полярных сияний достаточно четко следуют солнечному циклу: в максимуме солнечной активности редкий день обходится без сияний, а в минимуме они могут отсутствовать месяцами. Наличие или отсутствие полярных сияний, таким образом, служит неплохим показателем активности Солнца. И это позволяет проследить солнечные циклы в прошлом, за пределами того исторического периода, когда проводились систематические наблюдения солнечных пятен.

АКТИВНОСТЬ СОЛНЦА И ЗДОРОВЬЕ ЛЮДЕЙ

Александр Леонидович Чижевский внес большой вклад в изучение влияние Солнца на возникновение эпидемических заболеваний. Результаты этих исследований имеют особую ценность: ведь он работал с материалом тех эпох, когда медицина еще не умела бороться ни с чумой, ни с холерой, ни с тифом. Стихийный характер возникновения и распространения эпидемий давал надежду выявить их взаимосвязь с солнечной активностью "в чистом виде" На обширном материале ученый показал, что самые сильные и смертоносные эпидемии всегда совпадали с максимумами солнечной активности. Такая же закономерность была обнаружена для заболеваний дифтерией, менингитом, полиомиелитом, дизентерией и скарлатиной.

А в начале 60-х годов появились научные публикации о связи сердечно-сосудистых заболеваний с солнечной активностью. В них было показано, что наиболее подвержены солнечному воздействию люди, уже перенесшие один инфаркт. При этом выяснилось, что их организм реагирует не на абсолютное значение уровня активности, а на скорость его изменения.

В ряду многообразных проявлений солнечной активности особое место занимают хромосферные вспышки. Эти мощные взрывные процессы существенно влияют на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли. Магнитное поле Земли начинает беспорядочно меняться, и это является причиной магнитных бурь.

В 30-х годах ХХ столетия в городе Ницце (Франция) случайно было замечено, что число инфарктов миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастает в те дни, когда на местной телефонной станции наблюдались сильные нарушения связи вплоть до полного ее прекращения. Как впоследствии выяснилось, нарушения телефонной связи были вызваны магнитными бурями.

Сведения о влиянии магнитного поля на организм человека имелись и в глубокой древности. Лечебные свойства магнита описывали Аристотель и Плиний Старший, Парацельс и Вильям Гилберт. Сейчас установлено, что магнитное поле прежде всего влияет на регуляторные системы организма (нервную, эндокринную и кровеносную). Его воздействие затормаживает условные и безусловные рефлексы, меняет состав крови. Такая реакция на магнитное поле объясняется в первую очередь изменением свойств водных растворов в организме человека.

В 1934 году английские ученые Джон Бернал и Ральф Фаулер высказали гипотезу, что вода может проявлять свойства, присущие твердым кристаллам. Впоследствии эта гипотеза была экспериментально доказана, а в наше время жидкие кристаллы широко распространены в быту: они применяются в электронных часах, калькуляторах пейджерах и других устройств (недавно появились жидкокристаллические мониторы). В обычных условиях кристаллическая структура воды крайне неустойчива и слабо себя проявляет. Но если воду пропустить через постоянное магнитное поле, эта структура становится заметной, а сама вода приобретает ряд необычных свойств. Так, "намагниченная" вода дает гораздо меньше накипи, изменяется ее диэлектрическая проницаемость, она иначе поглощает свет, а прорастание семян и рост растений, обработанных такой водой, происходит гораздо быстрее.

В любом живом организме более 70% воды, которая составляет неотъемлемую часть клеток и тканей. Если предположить, что для "намагничивания" воды внутри организма достаточно даже относительно слабого поля Земли, то в периоды магнитных бурь следует ожидать резкого изменения процессов жизнедеятельности. Поскольку эти процессы протекают на клеточном уровне, магнитная буря будет вызывать изменения в поведении всего живого, начиная с человека и кончая микробом. Вот почему в годы активного излучения Солнца могут проходить столь несхожие события, как Варфоломеевская ночь или опустошительные набеги саранчи.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

Г.А. Гуреев. Земля и небо. - М.:Сашко, 1993 год.

Е.П. Левитан. Учебник астрономии для 11-х классов. - М.: Просвещение, 1994 год.

Л. Алексеева. Небесные сполохи и земные заботы. - М.: Мир, 1995 год.

Н.П. Русин, Л.Л. Флит. Солнце на земле. - М.: Тригон, 1994 год.

Ф.Л. Уилл. Семья Солнца - Сп-Б.:Художественная литература, 1995 год.

Энциклопедия для детей. Астрономия. - М.: Аванта+, 1997 год.