Солнечные явления – это природные явления , происходящие в атмосфере Солнца . Они принимают множество форм, включая солнечный ветер , поток радиоволн , солнечные вспышки , корональные выбросы массы , [1] нагрев короны и солнечные пятна .
Считается, что эти явления порождаются спиральным динамо , расположенным вблизи центра массы Солнца, которое генерирует сильные магнитные поля, а также хаотическим динамо, расположенным вблизи поверхности, которое генерирует меньшие флуктуации магнитного поля. [2] Все солнечные колебания вместе называются солнечными вариациями, создавая 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, а в 20 веке интерес к астрофизике резко возрос, и было построено множество солнечных телескопов. Изобретение коронографа в 1931 году позволило изучать корону при дневном свете.
Солнце — звезда , расположенная в центре Солнечной системы . Оно имеет почти идеально сферическую форму и состоит из горячей плазмы и магнитных полей . [3] [4] Его диаметр составляет около 1 392 684 километров (865 374 миль), [5] примерно в 109 раз больше, чем у Земли , а его масса (1,989 × 1030 килограммов, что примерно в 330 000 раз больше массы Земли), составляет около 99,86% общей массы Солнечной системы. [6] С химической точки зрения около трёх четвертей массы Солнца состоит из водорода , а остальная часть — в основном из гелия . Остальные 1,69% (что в 5600 раз превышает массу Земли) состоят из более тяжелых элементов, включая кислород , углерод , неон и железо . [7]
Солнце образовалось около 4,567 миллиарда [а] [8] лет назад в результате гравитационного коллапса области внутри большого молекулярного облака . Большая часть материи собралась в центре, а остальная часть сплюснулась в орбитальный диск, который стал балансом Солнечной системы . Центральная масса становилась все более горячей и плотной, что в конечном итоге привело к термоядерному синтезу в ее ядре.
Солнце является звездой главной последовательности G-типа (G2V) по спектральному классу и неофициально обозначается как желтый карлик , поскольку его видимое излучение наиболее интенсивно в желто-зеленой части спектра . На самом деле он белый, но с поверхности Земли кажется желтым из-за атмосферного рассеяния синего света. [9] В метке спектрального класса G2 указывает температуру его поверхности , примерно 5770 К [3] (UAI примет в 2014 году 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 сжигает около 620 миллионов тонн водорода. [10] [11]
Среднее расстояние Земли от Солнца составляет примерно 1 астрономическую единицу (около 150 000 000 км; 93 000 000 миль), хотя расстояние меняется по мере движения Земли от перигелия в январе к афелию 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 определяет климат и погоду Земли. [14] Еще в 19 веке ученые мало что знали о физическом составе Солнца и источнике энергии. Это понимание все еще развивается; ряд современных аномалий в поведении Солнца остается необъяснимым.
Многие солнечные явления меняются периодически 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 , корональных выбросов массы и других солнечных эруптивных явлений.
Корональный выброс массы (КВМ) — это мощный всплеск солнечного ветра и магнитных полей, поднимающийся над солнечной короной . [15] Вблизи солнечных максимумов Солнце производит около трех КВМ каждый день, тогда как в солнечных минимумах происходит примерно один раз в пять дней. [16] КВМ, наряду с солнечными вспышками другого происхождения, могут нарушить радиопередачу и повредить спутники и объекты линий электропередачи , что приведет к потенциально массовым и длительным отключениям электроэнергии . [17] [18]
Корональные выбросы массы часто появляются вместе с другими формами солнечной активности, особенно с солнечными вспышками , но причинно-следственная связь не установлена. Большинство слабых вспышек не имеют КВМ; самые могущественные так делают. Большинство выбросов происходят из активных областей на поверхности Солнца, таких как группы солнечных пятен, связанные с частыми вспышками. Другими формами солнечной активности, часто связанными с выбросами корональной массы, являются эруптивные протуберанцы, затемнение короны, корональные волны и волны Мортона , также называемые солнечными цунами.
Магнитное пересоединение ответственно за КВМ и солнечные вспышки . Магнитное пересоединение — это название перестановки силовых линий магнитного поля, когда два противоположно направленных магнитных поля собираются вместе. Эта перестройка сопровождается внезапным высвобождением энергии, запасенной в исходных противоположно направленных полях. [19] [20]
Когда КВМ воздействует на магнитосферу Земли, он временно деформирует магнитное поле Земли , изменяя направление стрелок компаса и вызывая сильные электрические токи на земле в самой Земле; это называется геомагнитной бурей , и это глобальное явление. Удары КВМ могут вызвать магнитное пересоединение в хвосте магнитосферы Земли (полночная сторона магнитосферы); это запускает протоны и электроны вниз к атмосфере Земли, где они образуют полярное сияние .
Солнечная вспышка — это внезапная яркая вспышка, наблюдаемая над поверхностью Солнца или лимбом Солнца , которая интерпретируется как выделение энергии до 6 × 10 25 джоулей (около шестой части общей выработки энергии Солнца каждую секунду или 160 миллиардов мегатонн). тротилового эквивалента, что более чем в 25 000 раз больше энергии, чем высвободилось при столкновении кометы Шумейкера-Леви-9 с Юпитером). За этим может последовать корональный выброс 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] Подобные 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, известном как солнечное протонное событие . Эти частицы могут воздействовать на магнитосферу Земли в виде геомагнитной бури и представлять радиационную опасность для космических кораблей и астронавтов.
Солнечное протонное событие (SPE), или «протонная буря», происходит, когда частицы (в основном протоны), испускаемые Солнцем, ускоряются либо вблизи Солнца во время вспышки, либо в межпланетном пространстве из-за ударных волн КВМ. События могут включать в себя другие ядра, такие как ионы гелия и ионы HZE . Эти частицы вызывают множество эффектов. Они могут проникать через магнитное поле Земли и вызывать ионизацию в ионосфере . Эффект аналогичен полярным сияниям, за исключением того, что в нем участвуют протоны, а не электроны. Энергичные протоны представляют значительную радиационную опасность для космических кораблей и астронавтов. [23] Энергичные протоны могут достичь Земли в течение 30 минут после пика крупной вспышки.
Протуберанец — это большая яркая газообразная деталь, выступающая наружу от поверхности Солнца , часто имеющая форму петли . Протуберанцы прикреплены к 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, аналогичную по составу хромосфере .
Плазма протуберанцев обычно в сто раз холоднее и плотнее корональной плазмы. Выдающееся положение формируется в течение примерно одного земного дня и может сохраняться в течение недель или месяцев. Некоторые выступы распадаются и образуют КВМ.
Типичный выступ простирается на многие тысячи километров; длина самого большого из зарегистрированных объектов оценивалась в более чем 800 000 километров (500 000 миль) [24] – примерно радиус Солнца.
Когда протуберанец рассматривается на фоне Солнца, а не в космосе, он кажется темнее фона. Это образование называется солнечной нитью. [24] Проекция может быть одновременно нитью и выступом. Некоторые протуберанцы настолько мощны, что выбрасывают материю со скоростью от 600 до более 1000 км/с. Другие протуберанцы образуют огромные петли или дугообразные столбы светящихся газов над солнечными пятнами, высота которых может достигать сотен 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 энергия, заблокированная солнечными пятнами, повышают излучающую «поверхностную» температуру. Ученые начали размышлять о возможной связи 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, связанными с активными областями, так и магнитоактивной «яркой сетью». [28]
Конечным эффектом в периоды повышенной солнечной магнитной активности является увеличение солнечной радиации, поскольку факелы крупнее и сохраняются дольше, чем солнечные пятна. И наоборот, периоды более низкой солнечной магнитной активности и меньшего количества солнечных пятен (например, минимум Маундера ) могут коррелировать со временем более низкой освещенности. [29]
Активность солнечных пятен измерялась с помощью числа Вольфа уже около 300 лет. Этот индекс (также известный как число Цюриха) использует как количество солнечных пятен, так и количество групп солнечных пятен, чтобы компенсировать различия в измерениях. Исследование 2003 года показало, что с 1940-х годов солнечные пятна появлялись чаще, чем за предыдущие 1150 лет. [30]
Солнечные пятна обычно появляются в виде пар с противоположной магнитной полярностью. [31] Детальные наблюдения выявляют закономерности в годовых минимумах и максимумах, а также в относительном местоположении. По мере продолжения каждого цикла широта пятен уменьшается с 30 до 45° и примерно до 7° после солнечного максимума . Это широтное изменение следует закону Шперера .
Чтобы солнечное пятно было видно человеческому глазу, оно должно иметь диаметр около 50 000 км и занимать 2 000 000 000 квадратных километров (770 000 000 квадратных миль), или 700 миллионных видимой площади. За последние циклы с Земли было видно около 100 солнечных пятен или компактных групп солнечных пятен. [с] [32]
Солнечные пятна расширяются и сжимаются по мере своего движения и могут двигаться со скоростью несколько сотен метров в секунду, когда они впервые появляются.
Солнечный ветер — это поток плазмы, высвобождаемый из верхних слоев атмосферы Солнца . Он состоит в основном из электронов и протонов с энергией обычно от 1,5 до 10 кэВ . Поток частиц различается по плотности, температуре и скорости с течением времени и по солнечной долготе. Эти частицы могут избежать 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 × 105К и состав, близкий к короне. Быстрый солнечный ветер имеет типичную скорость 750 км/с, температуру 8 × 105 К 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 быть прерван большими, быстро движущимися вспышками плазмы, называемыми межпланетными КВМ или ICME. 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 КВМ.
Космическая погода — это состояние окружающей среды в Солнечной системе, включая солнечный ветер . Он изучается особенно 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 такие явления считались частью физики или аэрономии .
Солнечные бури вызываются возмущениями на Солнце, чаще всего корональными облаками, связанными с солнечными вспышками КВМ, исходящими из активных областей солнечных пятен или реже из корональных дыр . Солнце может вызывать интенсивные геомагнитные и протонные бури, способные вызвать перебои в подаче электроэнергии , сбои в работе или отключения связи (включая системы GPS ), а также временное/постоянное отключение спутников и других космических технологий. Солнечные бури могут быть опасны для высокоширотной и высотной авиации, а также для полетов человека в космос . [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 регионах высоких широт ( Арктика и Антарктика ), в виде 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 авроральная зона , [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 около дни весеннего и осеннего равноденствия . Заряженные частицы и солнечный ветер направляются в атмосферу магнитосферой Земли. Геомагнитная буря расширяет авроральную зону до более низких широт.
Полярные сияния связаны с солнечным ветром. Магнитное поле Земли улавливает ее частицы, многие из которых движутся к полюсам, где они ускоряются по направлению к Земле. Столкновения этих ионов с атмосферой высвобождают энергию в виде полярных сияний, образующих большие круги вокруг полюсов. Полярные сияния встречаются чаще и ярче во время интенсивной фазы солнечного цикла, когда КВМ 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, и магнитное поле солнечного ветра взаимодействует с магнитным полем Земли, передавая повышенную энергию в магнитосферу. Оба взаимодействия увеличивают движение плазмы через магнитосферу (движимое увеличением электрических полей) и увеличивают электрический ток в магнитосфере и ионосфере. [44]
Возмущение в межпланетной среде, вызывающее бурю, может быть вызвано КВМ или высокоскоростным потоком (область совращающегося взаимодействия или CIR) [45] солнечного ветра, возникающим из области слабого магнитного поля на поверхности Солнца. Частота геомагнитных бурь увеличивается и уменьшается в зависимости от цикла солнечных пятен . Штормы, вызванные CME, чаще встречаются во время солнечного максимума солнечного цикла, тогда как штормы, вызванные CIR, чаще встречаются во время солнечного минимума.
Некоторые явления космической погоды связаны с геомагнитными бурями. К ним относятся явления солнечных энергетических частиц (SEP), геомагнитно-индуцированные токи (GIC), ионосферные возмущения, которые вызывают радио- и радиолокационные мерцания , нарушение навигации по компасу и полярные сияния на гораздо более низких широтах, чем обычно. Геомагнитная буря 1989 года вызвала наземные токи , которые нарушили распределение электроэнергии на большей части территории провинции Квебек [46] и вызвали полярные сияния даже на юге, вплоть до Техаса . [47]
Внезапное ионосферное возмущение (SID) — это аномально высокая плотность ионизации/плазмы в D-области ионосферы, вызванная солнечной вспышкой. SID приводит к внезапному увеличению поглощения радиоволн, которое наиболее сильно проявляется в верхнем диапазоне средних частот (СЧ) и нижнем диапазоне высоких частот (ВЧ), и в результате часто прерывает работу телекоммуникационных систем или создает помехи. [48]
Геомагнитно-индуцированные токи являются проявлением наземной космической погоды, влияющей на нормальную работу систем длинных электрических проводников. Во время явлений космической погоды электрические токи в магнитосфере и ионосфере испытывают большие изменения, которые проявляются и в магнитном поле Земли. Эти изменения индуцируют токи (GIC) в заземляющих проводниках. Сети электропередачи и подземные трубопроводы являются типичными примерами таких проводящих систем. GIC может вызвать такие проблемы, как повышенная коррозия стали трубопровода и повреждение высоковольтных силовых трансформаторов.
Производство углерода-14 (радиоуглерод: 14 C) связано с солнечной активностью. Углерод-14 образуется в верхних слоях атмосферы, когда бомбардировка атмосферного азота ( 14 N) космическими лучами заставляет азот подвергаться β+-распаду , превращаясь таким образом в необычный изотоп углерода с атомным весом 14, а не более распространенным 12. Поскольку галактические космические лучи частично исключаются из Солнечной системы из-за размаха магнитных полей солнечного ветра, повышенная солнечная активность снижает производство 14 C. [49]
Концентрация 14 C в атмосфере ниже во время максимума солнечной активности и выше во время минимума солнечной активности. Измеряя захваченный 14 C в древесине и подсчитывая годичные кольца, можно измерить и датировать производство радиоуглерода по отношению к свежей древесине. Реконструкция последних 10 000 лет показывает, что производство 14 C было намного выше в середине голоцена 7 000 лет назад и снизилось до 1 000 лет назад. Помимо изменений солнечной активности, на долгосрочные тенденции производства углерода-14 влияют изменения геомагнитного поля Земли и изменения в круговороте углерода в биосфере ( особенно те, которые связаны с изменениями в площади растительности между ледниковыми периодами ). . [ нужна цитата ]
Хотя солнечная активность была основной движущей силой изменения климата на протяжении геологического времени, ее роль в потеплении, начавшемся в двадцатом веке, по-видимому, не была значительной. [50]
Солнечная активность и связанные с ней события регулярно фиксировались со времен вавилонян . Ранние записи описывали солнечные затмения, корону и солнечные пятна.
Вскоре после изобретения телескопов, в начале 1600-х годов, астрономы начали наблюдать Солнце. Томас Харриот был первым, кто наблюдал солнечные пятна в 1610 году. Наблюдатели подтвердили менее частые солнечные пятна и полярные сияния во время минимума Маундера. [51]
Солнечная спектрометрия началась в 1817 году. [52] Рудольф Вольф собирал данные наблюдений солнечных пятен еще в цикле 1755–1766 годов. Он разработал формулировку относительного 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. Кэррингтон и отдельно Р. Ходжсон впервые наблюдали солнечную вспышку. [52] Кэррингтон и Густав Шперер обнаружили, что Солнце демонстрирует дифференциальное вращение и что внешний слой должен быть жидким. [52]
В 1907–08 годах Джордж Эллери Хейл открыл магнитный цикл Солнца и магнитную природу солнечных пятен. Позже Хейл и его коллеги вывели законы полярности Хейла, описывающие его магнитное поле. [52]
Изобретение Бернаром Лио в 1931 году коронографа позволило изучать корону при полном дневном свете. [52]
До 1990-х годов Солнце было единственной звездой, поверхность которой была определена. [53] Другие важные достижения включали понимание: [54]
В конце двадцатого века спутники начали наблюдать за Солнцем, что дало много информации. Например, модуляция солнечной светимости магнитно-активными областями была подтверждена спутниковыми измерениями общего солнечного излучения (TSI) в ходе эксперимента ACRIM1 в рамках миссии Solar Maximum Mission (запущенной в 1980 году). [28]
Каждую секунду Солнце сжигает 620 миллионов тонн водорода...