Наблюдение за Солнцем — это научное занятие по изучению Солнца , его поведения и связи с Землей и остальной частью Солнечной системы . Намеренное наблюдение за Солнцем началось тысячи лет назад. Первоначальная эра прямого наблюдения уступила место телескопам в 1600-х годах, а затем спутникам в двадцатом веке.
Стратиграфические данные показывают, что солнечные циклы происходили сотни миллионов лет, если не дольше; измерение варвов в докембрийских осадочных породах выявило повторяющиеся пики в толщине слоев, соответствующих циклу. Возможно, что ранняя атмосфера на Земле была более чувствительна к солнечному излучению , чем сегодня, поэтому большее таяние ледников (и более толстые осадочные отложения) могли происходить в годы с большей активностью солнечных пятен. [1] [2] Это предполагает ежегодное наслаивание; однако были предложены и альтернативные объяснения (суточные). [3]
Анализ годичных колец деревьев выявил подробную картину прошлых солнечных циклов: дендрохронологически датированные концентрации радиоуглерода позволили реконструировать активность солнечных пятен, охватывающую 11 400 лет. [4]
Солнечная активность и связанные с ней события регулярно регистрировались со времен вавилонян . В 8 веке до н. э. [5] они описали солнечные затмения и, возможно, предсказали их с помощью нумерологических правил. Самое раннее сохранившееся сообщение о солнечных пятнах относится к китайской Книге Перемен , ок. 800 г. до н. э . Фразы, используемые в книге, переводятся как «Доу виден на Солнце» и «Мэй виден на Солнце», где доу и мэй означают затемнение или затенение (в зависимости от контекста). Наблюдения регулярно отмечались китайскими и корейскими астрономами по приказу императоров, а не независимо. [5]
Первое ясное упоминание о солнечном пятне в западной литературе, около 300 г. до н. э., принадлежит древнегреческому ученому Теофрасту , ученику Платона и Аристотеля и преемнику последнего. [6] 17 марта 807 г. н. э. бенедиктинский монах Адельм наблюдал большое солнечное пятно, которое было видно в течение восьми дней; однако Адельм ошибочно заключил, что наблюдает транзит Меркурия . [ 7]
Самая ранняя сохранившаяся запись о преднамеренном наблюдении за солнечными пятнами датируется 364 годом до нашей эры и основана на комментариях китайского астронома Гань Де в звездном каталоге . [8] К 28 году до нашей эры китайские астрономы регулярно записывали наблюдения за солнечными пятнами в официальных императорских записях. [9]
Большое солнечное пятно наблюдалось во время смерти Карла Великого в 813 году нашей эры. [10] Активность солнечных пятен в 1129 году была описана Иоанном Вустерским , а Аверроэс дал описание солнечных пятен позднее в 12 веке; [11] однако эти наблюдения также были неверно истолкованы как планетарные транзиты. [12]
Первое недвусмысленное упоминание о солнечной короне принадлежит Льву Диаконусу , византийскому историку. Он писал о полном затмении 22 декабря 968 года, которое он наблюдал в Константинополе (современный Стамбул, Турция): [13]
в четвертом часу дня... тьма покрыла землю, и все самые яркие звезды засияли. И можно было видеть диск Солнца, тусклый и неосвещенный, и тусклое и слабое свечение, подобное узкой полосе, сияющей в круге по краю диска.
— Лев Диакон [13]
Самая ранняя известная запись о рисунке солнечных пятен относится к 1128 году и принадлежит Джону Вустерскому . [14]
В третий год правления Лотаря, императора римлян, в двадцать восьмой год правления короля Генриха Английского... в субботу, 8 декабря, с утра и до вечера на фоне солнца появились две черные сферы.
— Джон Вустерский , «Хроника Джона Вустера» , цитируется в книге Альберта Ван Хелдена, 1996. [15]
Другим ранним наблюдением были солнечные протуберанцы, описанные в 1185 году в русской Новгородской летописи . [13]
Вечером было затмение солнца. Становилось очень мрачно, и были видны звезды... Солнце стало похоже на луну, и из его рогов вышло что-то вроде живых углей.
— Новгородская летопись [13]
Джордано Бруно и Иоганн Кеплер высказали идею о вращении Солнца вокруг своей оси. [16] Впервые солнечные пятна были обнаружены телескопом 18 декабря 1610 года (по григорианскому календарю, который ещё не был принят в Англии) английским астрономом Томасом Харриотом , что зафиксировано в его записных книжках. [17] 9 марта 1611 года (по григорианскому календарю, который также ещё не был принят в Восточной Фризии) их наблюдал фризский студент-медик Иоганн Голдсмид (латинизированное имя Иоганнес Фабрициус ), который впоследствии объединился со своим отцом Дэвидом Фабрициусом , пастором и астрономом, чтобы провести дальнейшие наблюдения и опубликовать описание в брошюре в июне 1611 года. [18] Фабрициусы использовали телескопическую камеру-обскуру , чтобы получить лучший вид на солнечный диск, и, как и Харриот, проводили наблюдения вскоре после восхода и незадолго до захода солнца. Иоганн был первым, кто понял, что солнечные пятна показывают вращение Солнца, но он умер 19 марта 1616 года в возрасте 26 лет, а его отец годом позже. Несколько ученых, таких как Иоганн Кеплер , Симон Мариус и Михаэль Местлин, знали о ранней работе Фабрициуса по солнечным пятнам, и действительно, Кеплер неоднократно ссылался на нее в своих трудах. Однако, как и работа Харриота, их работа не была широко известна. Галилео Галилей почти наверняка начал телескопические наблюдения солнечных пятен примерно в то же время, что и Харриот, учитывая, что он сделал свой первый телескоп в 1609 году, услышав о голландском патенте на устройство, и что ему ранее удалось провести наблюдения солнечных пятен невооруженным глазом. Сообщается также, что он показывал солнечные пятна астрономам в Риме, но у нас нет записей о датах. Записи телескопических наблюдений солнечных пятен, которые у нас есть от Галилея, не начинаются до 1612 года, поскольку они беспрецедентного качества и детализации, поскольку к тому времени он разработал конструкцию телескопа и значительно увеличил его увеличение. [19] Аналогично Кристоф Шайнер , вероятно, наблюдал пятна, используя усовершенствованный гелиоскоп собственной конструкции. Галилей и Шайнер, ни один из которых не знал о работе Харриота или Фабрициуса, соперничали за признание этого открытия. В 1613 году в « Письмах о солнечных пятнах » Галилей опроверг утверждение Шайнера 1612 года о том, что солнечные пятна были планетами внутри орбиты Меркурия, показав, что солнечные пятна были поверхностными образованиями. [18] [20]
Хотя физические аспекты солнечных пятен не были определены до 20-го века, наблюдения продолжались. [21] Исследования были затруднены в 17-м веке из-за малого количества солнечных пятен в течение того, что сейчас признано как длительный период низкой солнечной активности, известный как минимум Маундера . К 19-му веку достаточные на тот момент записи солнечных пятен позволили исследователям вывести периодические циклы в активности солнечных пятен. В 1845 году Генри и Александр наблюдали за Солнцем с помощью термобатареи и определили, что солнечные пятна испускают меньше излучения, чем окружающие области. Позднее из солнечных факелов наблюдалось излучение более высокого, чем в среднем, количества излучения . [22] Солнечные пятна имели некоторое значение в дебатах о природе Солнечной системы . Они показали, что Солнце вращается, а их приходы и уходы показали, что Солнце меняется, вопреки Аристотелю, который учил, что все небесные тела являются идеальными, неизменными сферами.
Солнечные пятна редко регистрировались между 1650 и 1699 годами. Более поздний анализ показал, что проблема заключалась в уменьшении количества солнечных пятен, а не в ошибках наблюдений. Основываясь на работе Густава Шпёрера , команда супругов Энни Маундер и Эдварда Маундера предположила, что Солнце изменилось с периода, когда солнечные пятна практически исчезли, до возобновления циклов солнечных пятен, начавшегося примерно в 1700 году. Дополнением к этому пониманию отсутствия солнечных циклов стали наблюдения за полярными сияниями , которые отсутствовали в то же время, за исключением самых высоких магнитных широт [23]
Отсутствие солнечной короны во время солнечных затмений отмечалось и до 1715 года. [24]
Период низкой активности солнечных пятен с 1645 по 1717 год позже стал известен как « Маундеровский минимум ». [25] Такие наблюдатели, как Иоганн Гевелий , Жан Пикар и Жан Доминик Кассини, подтвердили это изменение. [20]
После обнаружения инфракрасного излучения Уильямом Гершелем в 1800 году и ультрафиолетового излучения Иоганном Вильгельмом Риттером , солнечная спектрометрия началась в 1817 году, когда Уильям Хайд Волластон заметил, что темные линии появляются в солнечном спектре при наблюдении через стеклянную призму . Йозеф фон Фраунгофер позже независимо открыл линии, и они были названы линиями Фраунгофера в его честь. Другие физики поняли, что свойства солнечной атмосферы могут быть определены по ним. Известными учеными, которые продвинули спектроскопию, были Дэвид Брюстер , Густав Кирхгоф , Роберт Вильгельм Бунзен и Андерс Йонас Ангстрем . [26]
Циклическое изменение числа солнечных пятен впервые наблюдал Самуэль Генрих Швабе между 1826 и 1843 годами. [27] Рудольф Вольф изучал исторические записи в попытке установить историю солнечных изменений. Его данные простирались только до 1755 года. Он также установил в 1848 году относительную формулировку числа солнечных пятен для сравнения работы разных астрономов, использующих различное оборудование и методологии, теперь известную как число солнечных пятен Вольфа (или Цюриха) .
Позднее Густав Шпёрер предположил, что до 1716 года существовал 70-летний период, в течение которого солнечные пятна наблюдались редко, что и стало причиной неспособности Вольфа продлить циклы до XVII века.
Также в 1848 году Джозеф Генри спроецировал изображение Солнца на экран и определил, что солнечные пятна были холоднее окружающей поверхности. [28]
Около 1852 года Эдвард Сабин, Вольф, Жан-Альфред Готье и Иоганн фон Ламонт независимо друг от друга обнаружили связь между солнечным циклом и геомагнитной активностью, что положило начало первым исследованиям взаимодействия Солнца и Земли. [29]
Во второй половине девятнадцатого века Ричард Каррингтон и Шпёрер независимо друг от друга отметили миграцию активности солнечных пятен к солнечному экватору по мере развития цикла. Эту картину лучше всего визуализировать в виде так называемой диаграммы бабочки, впервые построенной Эдвардом Уолтером Маундером и Энни Скотт Дилл Маундер в начале двадцатого века (см. график). Изображения Солнца делятся на широтные полосы, и рассчитывается среднемесячная дробная поверхность солнечных пятен. Это отображается вертикально в виде цветной полосы, и процесс повторяется месяц за месяцем для получения диаграммы временного ряда.
Полвека спустя команда отца и сына Гарольда и Хораса Бабкока показала, что солнечная поверхность намагничена даже вне солнечных пятен; что это более слабое магнитное поле является диполем первого порядка ; и что этот диполь претерпевает изменения полярности с тем же периодом, что и цикл солнечных пятен (см. график ниже). Эти наблюдения установили, что солнечный цикл представляет собой пространственно-временной магнитный процесс, разворачивающийся над Солнцем в целом.
Солнце было впервые сфотографировано 2 апреля 1845 года французскими физиками Луи Физо и Леоном Фуко . На их дагерротипах видны солнечные пятна, а также эффект потемнения края . Фотография помогла в изучении солнечных протуберанцев, грануляции и спектроскопии. Чарльз А. Янг впервые запечатлел протуберанец в 1870 году. Солнечные затмения также фотографировались, причем самые полезные ранние изображения были сделаны в 1851 году Берковским и в 1860 году командой Де ла Рю в Испании. [29]
Ранние оценки периода вращения Солнца варьировались от 25 до 28 дней. Причина была определена независимо в 1858 году Ричардом К. Каррингтоном и Шпёрером . Они обнаружили, что широта с наибольшим количеством солнечных пятен уменьшается с 40° до 5° в течение каждого цикла, и что на более высоких широтах солнечные пятна вращаются медленнее. Таким образом, было показано, что вращение Солнца меняется в зависимости от широты, и что его внешний слой должен быть жидким. В 1871 году Герман Фогель , а вскоре после этого Чарльз Янг подтвердили это спектроскопически. Спектроскопические наблюдения Нильса Дюнера в 1880-х годах показали 30% разницу между более быстрыми экваториальными областями Солнца и его более медленными полярными областями. [29]
Первые современные и четко описанные отчеты о солнечной вспышке и выбросе корональной массы произошли в 1859 и 1860 годах соответственно. 1 сентября 1859 года Ричард К. Каррингтон, наблюдая за солнечными пятнами, увидел пятна все более яркого света внутри группы солнечных пятен, которые затем потускнели и переместились по этой области в течение нескольких минут. Это событие, также описанное Р. Ходжсоном, является описанием солнечной вспышки. Широко распространенное полное солнечное затмение 18 июля 1860 года привело к появлению множества рисунков, изображающих аномальную особенность, которая соответствует современным наблюдениям за корональным выбросом массы. [26]
На протяжении многих столетий земные эффекты солнечной вариации замечались, но не понимались. Например, проявления полярного сияния давно наблюдались в высоких широтах, но не были связаны с Солнцем.
В 1724 году Джордж Грэхем сообщил, что стрелка магнитного компаса регулярно отклоняется от магнитного севера в течение каждого дня. Этот эффект был в конечном итоге приписан воздушным электрическим токам, текущим в ионосфере и магнитосфере Бальфуром Стюартом в 1882 году и подтвержден Артуром Шустером в 1889 году на основе анализа данных магнитной обсерватории.
В 1852 году астроном и британский генерал-майор Эдвард Сабин показал, что вероятность возникновения магнитных бурь на Земле коррелирует с числом солнечных пятен , тем самым продемонстрировав новое солнечно-земное взаимодействие. В 1859 году сильная магнитная буря вызвала яркие полярные сияния и нарушила работу всемирного телеграфа . Ричард Каррингтон правильно связал бурю с солнечной вспышкой , которую он наблюдал накануне в непосредственной близости от большой группы солнечных пятен, тем самым продемонстрировав, что определенные солнечные события могут влиять на Землю.
Кристиан Биркеланд объяснил физику полярного сияния, создав искусственное полярное сияние в своей лаборатории, и предсказал солнечный ветер .
В начале 20-го века интерес к астрофизике вырос в Америке, и было построено несколько обсерваторий. [30] : 320 Солнечные телескопы (и, таким образом, солнечные обсерватории) были установлены в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии в 1904 году, [30] : 324 и в 1930-х годах в обсерватории Макмата-Халберта . [31] Интерес также вырос в других частях мира с созданием солнечной обсерватории Кодайканал в Индии на рубеже веков, [32] Эйнштейнтурм в Германии в 1924 году, [33] и телескопа Solar Tower в Национальной обсерватории Японии в 1930 году. [34 ]
Около 1900 года исследователи начали изучать связи между солнечными вариациями и погодой Земли. Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO) поручила Эбботу и его команде обнаружить изменения в излучении Солнца. Они начали с изобретения приборов для измерения солнечного излучения. Позже, когда Эббот был главой SAO, они основали солнечную станцию в Каламе, Чили , чтобы дополнить ее данные из обсерватории Маунт-Вильсон . Он обнаружил 27 гармонических периодов в 273-месячных циклах Хейла , включая 7-, 13- и 39-месячные модели. Он искал связи с погодой, например, сопоставляя противоположные солнечные тенденции в течение месяца с противоположными тенденциями городской температуры и осадков. С появлением дендрохронологии такие ученые, как Глок, попытались связать изменения в росте деревьев с периодическими солнечными вариациями и вывести долгосрочную вековую изменчивость солнечной постоянной из аналогичных изменений в тысячелетних хронологиях. [35]
До 1930-х годов в понимании солнечной короны был достигнут незначительный прогресс, поскольку ее можно было наблюдать только во время редких полных солнечных затмений. Изобретение Бернардом Лиотом в 1931 году коронографа — телескопа с приспособлением для блокировки прямого света солнечного диска — позволило изучать корону при полном дневном свете. [26]
Американский астроном Джордж Эллери Хейл , будучи студентом Массачусетского технологического института , изобрел спектрогелиограф , с помощью которого он сделал открытие солнечных вихрей . В 1908 году Хейл использовал модифицированный спектрогелиограф, чтобы показать, что спектры водорода демонстрируют эффект Зеемана всякий раз, когда область обзора проходит над солнечным пятном на солнечном диске. Это было первым указанием на то, что солнечные пятна в основном являются магнитными явлениями, которые появляются в противоположных парах полярностей. [36] Последующие работы Хейла продемонстрировали сильную тенденцию к выравниванию магнитных полярностей в солнечных пятнах с востока на запад, с зеркальной симметрией поперек солнечного экватора; и что магнитная полярность для солнечных пятен в каждом полушарии меняет ориентацию от одного солнечного цикла к другому. [37] Это систематическое свойство магнитных полей солнечных пятен теперь обычно называют законом Хейла-Николсона , [38] или во многих случаях просто законами Хейла .
Введение радио выявило периоды экстремальной статики или шума. Сильные помехи радарам во время крупного солнечного события в 1942 году привели к открытию солнечных радиовсплесков.
Многие спутники на орбите Земли или в гелиосфере развернули солнечные телескопы и приборы различных видов для измерений частиц и полей на месте . Skylab , известная крупная установка для наблюдения за Солнцем, выросла под влиянием кампании Международного геофизического года и установок NASA . Другие космические аппараты, в неполном списке, включают серию OSO , Solar Maximum Mission , Yohkoh , SOHO , ACE , TRACE и SDO среди многих других; еще другие космические аппараты (такие как MESSENGER , Fermi и NuSTAR ) внесли свой вклад в солнечные измерения с помощью отдельных инструментов.
Модуляция солнечного болометрического излучения магнитно-активными областями и более тонкие эффекты были подтверждены спутниковыми измерениями полной солнечной радиации (TSI) в ходе эксперимента ACRIM1 на миссии Solar Maximum (запущенной в 1980 году). [39] Модуляции были позже подтверждены результатами эксперимента ERB, запущенного на спутнике Nimbus 7 в 1978 году. [40] Спутниковые наблюдения были продолжены ACRIM-3 и другими спутниками. [41]
Прямые измерения облученности были доступны в течение последних трех циклов и являются составными из нескольких спутников-наблюдателей. [41] [42] Однако корреляция между измерениями облученности и другими косвенными показателями солнечной активности делает разумным оценивать солнечную активность для более ранних циклов. Наиболее важными среди этих косвенных показателей являются записи наблюдений за солнечными пятнами, которые были зарегистрированы с ~1610 года. Солнечное радиоизлучение на длине волны 10,7 см является еще одним косвенным показателем, который можно измерить с Земли, поскольку атмосфера прозрачна для такого излучения.
Другие косвенные данные, такие как распространенность космогенных изотопов, использовались для определения магнитной активности Солнца и, следовательно, вероятной яркости на протяжении нескольких тысячелетий.
Утверждается, что общая солнечная радиация изменяется способами, которые не предсказываются изменениями солнечных пятен или радиоизлучением. Эти сдвиги могут быть результатом неточной калибровки спутника. [43] [44] В солнечной радиации может существовать долгосрочная тенденция. [45]
До 1990-х годов Солнце было единственной звездой, поверхность которой была разрешена. [46] Другие важные достижения включают понимание: [47]
Самая мощная вспышка, зафиксированная спутниковой аппаратурой, началась 4 ноября 2003 года в 19:29 UTC и насыщала приборы в течение 11 минут. По оценкам, область 486 произвела рентгеновский поток X28 . Голографические и визуальные наблюдения указывают на то, что значительная активность продолжалась на дальней стороне Солнца.
Измерения солнечных пятен и инфракрасных спектральных линий, проведенные во второй половине первого десятилетия 2000-х годов, показали, что активность солнечных пятен может снова исчезнуть, что, возможно, приведет к новому минимуму. [48] С 2007 по 2009 год уровень солнечных пятен был намного ниже среднего. В 2008 году Солнце было без пятен 73 процента времени, что является экстремальным даже для солнечного минимума. Только 1913 год был более выраженным, когда в течение 85 процентов года пятен не было. Солнце продолжало слабеть до середины декабря 2009 года, когда появилась самая большая группа солнечных пятен за несколько лет. Даже тогда уровень солнечных пятен оставался значительно ниже, чем в недавних циклах. [49]
В 2006 году НАСА предсказало, что следующий максимум солнечных пятен достигнет от 150 до 200 около 2011 года (на 30–50% сильнее, чем цикл 23), за которым последует слабый максимум около 2022 года. [50] [51] Вместо этого цикл солнечных пятен в 2010 году все еще был на минимуме, когда он должен был быть близок к максимуму, демонстрируя свою необычную слабость. [52]
Минимум цикла 24 пришелся на декабрь 2008 года, а следующий максимум, как прогнозировалось, должен был достичь числа солнечных пятен в 90 около мая 2013 года. [53] Среднемесячное число солнечных пятен в северном солнечном полушарии достигло пика в ноябре 2011 года, в то время как южное полушарие, по-видимому, достигло пика в феврале 2014 года, достигнув пикового месячного среднего значения в 102. Последующие месяцы снизились примерно до 70 (июнь 2014 года). [54] В октябре 2014 года солнечное пятно AR 12192 стало крупнейшим, наблюдаемым с 1990 года. [55] Вспышка, которая произошла из этого солнечного пятна, была классифицирована как солнечная буря класса X3.1. [56]
Независимые ученые Национальной солнечной обсерватории (NSO) и Исследовательской лаборатории ВВС (AFRL) предсказали в 2011 году, что 25-й цикл будет значительно сокращен или может вообще не произойти. [57]
{{cite journal}}
: |author1=
имеет общее название ( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )