Полярное сияние влияние солнца

Полярные сияния и солнечная деятельность

Раньше чем говорить об отношении солнечной деятельности к полярным сияниям, ознакомимся с некоторыми явлениями, про исходящими на Солнце, и прежде всего с самим Солнцем.

Солнце представляет собой раскаленный газовый шар (поперечник его в 109 раз больше поперечника Земли) и состоит главным образом из водорода и гелия, а также относительно небольшой примеси остальных элементов.

В центральных областях Солнца температура, согласно теоретическим расчетам, достигает 20 млн. градусов, а плотность, благодаря огромному давлению, в сто раз превосходит плотность воды. В результате целой цепи ядерных реакций в недрах Солнца происходит превращение водорода в гелий, сопровождающееся выделением огромного количества энергии, которая и является источником его излучения.

Солнце окружено обширной раскаленной атмосферой, которая может быть подразделена на три различных слоя: фотосферу, хромосферу и корону.

Фотосфера — это тот слой, от которого непосредственно исходит видимое излучение Солнца. Раскаленные газы во внешних слоях фотосферы нагреты до 6000° и находятся в непрерывном движении. Временами на ослепительно яркой поверхности Солнца возникают темные образования, которые называются солнечными пятнами (рис. 20). На самом деле пятна тоже ярко светят, но температура их ниже, чем температура фотосферы, и по контрасту они кажутся темными. Многие пятна по своим размерам в несколько раз превосходят величину земного шара. Пятна обычно появляются группами. В них наблюдаются сильные магнитные поля, в несколько тысяч раз превышающие напряженность магнитного поля Земли. Это очень большая величина, хотя в наших лабораториях мы можем получать и более сильные магнитные поля. Наличие в пятнах сильного магнитного поля составляет их неотъемлемое свойство.

Некоторые из пятен существуют всего несколько часов или один — два дня после своего возникновения; но есть и такие, которые живут, непрерывно изменяясь по внешнему виду, несколько месяцев. Уже первые наблюдения над пятнами показали, что, возникнув на одном краю Солнца, они постепенно передвигаются к западу, а иногда,

исчезнув за краем Солнца, могут через некоторое время снова появиться на восточном краю. Все это указывает на то, что Солнце вращается. Но Солнце вращается не как твердое тело. Вращение про исходит с большей скоростью около экватора и с меньшей — на больших широтах. Средний период вращения Солнца в широтах, где наблюдаются пятна, можно принять равным примерно 27 суткам. Пятна обычно появляются на широте от 5 до 30 ° к северу и к югу от солнечного экватора. На больших широтах они появляются очень редко. В экваториальной области пятен почти не бывает.

Число и площадь пятен на Солнце постепенно меняются. Эти изменения проходят периодически; от одного максимума пятен или минимума до другого проходит примерно 11 лет. В годы минимума Солнце в течение нескольких месяцев может быть совершенно свободно от пятен. Причина такой цикличности до сих пор еще не выяснена.

В начале каждого нового цикла (в годы минимума) пятна зарождаются примерно на широте 20—30 ° и, по мере увеличения их числа, появляются все ближе к экватору. В конце цикла (в годы максимума) пятна возникают почти у самого экватора. Наиболее высокий максимум солнечной активности в прошлые годы наблюдался в 1947 г., когда число солнечных пятен в среднем было 150. В 1954 г. наблюдался минимум солнечной активности. Следующий за ним максимум пятен наблюдается в 1958 г.

Бурные процессы, протекающие на Солнце, проявляются не толь ко в виде пятен, но и в целом ряде других образований, таких же не постоянных, как и пятна.

В следующем слое атмосферы Солнца — хромосфере,— простирающейся на высоту до 15 тыс. км над поверхностью Солнца,— видны

отдельные светлые хромосферные облака — флоккулы, а еще выше — огромные газовые массы, имеющие причудливые очертания и достигающие колоссальных размеров — протуберанцы (рис. 21). Возникновение протуберанцев связано с какими-то грандиозными физическими процессами, они поднимаются на сотни тысяч и даже на миллионы километров над поверхностью Солнца. В 1947 г. наблюдался протуберанец высотой свыше полутора миллионов километров.

Известно, что некоторые протуберанцы достигают таких скоростей, что совсем покидают Солнце и уносятся в межпланетное пространство. Скорости, с которыми двигаются такие протуберанцы, иногда превосходят 700 км/сек.

Хромосфера очень неоднородна; она имеет вид волнующейся огненной травы и состоит как бы из языков красного пламени, находящихся в постоянном движении.

Хромосфера хорошо видна во время полных солнечных затмений, когда Луна закрывает Солнце и яркий свет неба, мешавший прежде ее видеть, исчезает. Красный цвет хромосферы обусловлен излучением водорода. Такой же цвет имеют и протуберанцы. Водород в солнечной атмосфере является наиболее обильным элементом; число атомов водорода в десять тысяч раз превышает число атомов всех металлов, вместе взятых.

Представим себе, что мы смотрим на хромосферу и протуберанцы через очки, в которые вставлены специальные стекла, пропускающие только излучение водорода и не пропускающие все остальные излучения. Что же мы увидим? Яркость хромосферы и протуберанца

изменится мало, так как самое яркое излучение пройдет через стекло без ослабления. Яркость же неба сильно уменьшится, так как наше стекло, пропуская только определенное излучение, поглотит остальной свет. Через такие очки протуберанцы и хромосфера в силу контрастности будут казаться более яркими, чем фон неба, и их можно видеть в любой ясный день, а не только во время солнечных затмений. Хотя подобные специальные светофильтры, пропускающие только определенные излучения (в частности излучение водорода), изготовить очень трудно, они уже с успехом применяются для фотографирования хромосферы и протуберанцев.

Флоккулы, как и протуберанцы, часто бывают расположены вблизи пятен. Иногда пятна рядом с флоккулом нет, но оно было или появится через некоторое время. Флоккулы сохраняются на диске в течение нескольких недель или месяцев, постепенно изменяя свой вид, а затем исчезают. Иногда на поверхности Солнца можно заметить быстро изменяющиеся вспышки (рис. 22), которые, по-видимому, представляют собой области хромосферы с повышенной ионизацией.

Большие хромосферные вспышки наблюдаются редко даже в годы максимума солнечной активности (два — три раза в год). Природа вспышек еще окончательно не выяснена. Они возникают всегда неожиданно. Общее излучение вспышки в коротких ультрафиолетовых лучах может в несколько раз превышать излучение Солнца. Отдельные вспышки живут от четырех минут до нескольких часов. Обычно вспышки также встречаются вблизи пятен. Систематическое исследование хромосферных вспышек ведется в СССР на Крымской астрономической обсерватории.

Над хромосферой расположена самая внешняя газообразная оболочка Солнца — солнечная корона (рис. 23), видимая невооруженным глазом как серебристо-жемчужное сияние в редкие моменты полных солнечных затмений, когда диск Луны заслоняет Солнце. Она простирается на огромное расстояние в несколько солнечных радиусов (радиус Солнца равен 695 тыс. км). В обычных условиях корона не видна, так как яркость ее в миллион раз меньше яркости самого Солнца, а потому даже свет неба, представляющий собой солнечный свет, рассеянный молекулами воздуха земной атмосферы, оказывается гораздо ярче света короны.

В настоящее время внутренние области короны наблюдаются в любое время при помощи специального прибора — внезатменного коронографа. Такие наблюдения короны систематически проводятся близ Алма-Аты, а также на Горной астрономической станции Академии наук СССР, расположенной близ Кисловодска, на высоте 2130 м. На этой станции, кроме того, ведется систематическое фотографирование фотосферы и хромосферы Солнца, наблюдаются протуберанцы.

Корона богата изменчивыми деталями, имеющими вид струй и лучей. Состав ее точно неизвестен, но можно предполагать наличие в короне разреженных газов, свободных, т. е. не связанных с атомами электронов, и, возможно, пыли. Физические условия в короне совершенно необычные. Температура ее достигает миллиона градусов.

Хромосфера и корона являются источниками открытого недавно радиоизлучения Солнца. Большая заслуга в теоретическом объяснении природы явлений, происходящих в солнечной короне, при надлежит советскому, астроному И. С. Шкловскому.

Все описанные образования на Солнце тесно связаны между собой и обнаруживают те же циклические изменения, что и пятна.

Всю совокупность наблюдаемых на Солнце переменных образований и явлений принято объединить понятием солнечной деятельности или солнечной активности.

Процесс развития активной области на Солнце протекает следующим образом: после того как площадь пятен достигает максимума, пятна начинают разрушаться. В это время обычно область, занятая

пятнами, становится особенно активной. В ней происходят наиболее бурные изменения, часто возникают вспышки, резко меняется магнитное поле пятен, наблюдается усиление свечения солнечной короны. В момент максимальной интенсивности над вспышкой часто появляется яркий протуберанец.

На рис. 24 показаны активные области на Солнце 3 февраля 1953 г. На круге, изображающем диск Солнца, точкой отмечено солнечное пятно, заштрихованные области — кальциевые флоккулы. По краю диска сплошной краской показаны протуберанцы, а области, заштрихованные радиальной штриховкой, указывают места с корональным свечением. Чем ярче корональное свечение, тем больше радиус заштрихованной области. Хорошо видно, что солнечная активность захватывает все слои атмосферы Солнца. Свечение короны есть только частное проявление этого возмущения. Активная область на Солнце, до выражению советского астронома М. Н. Гневышева, представляет своеобразный ураган в наружных слоях Солнца, разыгрывающийся на значительной глубине под поверхностью фотосферы.

Уже давно было замечено, что в большинстве случаев полярные сияния и связанные с ними магнитные бури появляются и достигают наибольшей интенсивности в моменты, непосредственно следующие за прохождением большой или очень активной (быстро изменяющейся) группы солнечных пятен вблизи центра диска Солнца. Пятна, расположенные далеко от центра видимого диска Солнца, не обнаруживают связи с этими явлениями.

В то же время исследование сияний показало, что они, подобно магнитным бурям, имеют тенденцию повторяться через 27 дней, что соответствует одному обороту Солнца (относительно Земли) для мест, в которых появляются пятна. Следовательно, пятно после прохождения его вблизи центра Солнца может вызывать повторяющиеся явления через 27 дней, когда оно снова будет проходить ту же область. Правда, такая цикличность не очень отчетлива, так как пятна не являются постоянными образованиями они рождаются и исчезают

через неодинаковые промежутки времени. Некоторые из них могут исчезнуть раньше, чем они снова пройдут вблизи центра при следующих оборотах Солнца.

Далее было обнаружено, что полярные сияния и магнитные бури имеют ту же самую одиннадцатилетнюю цикличность, которая наблюдается в солнечной деятельности. Для иллюстрации связи между числом солнечных пятен и полярными сияниями на рис. 25 приведены кривые изменения числа солнечных пятен, полярных сияний и магнитной активности для обсерватории Голубая Гора, расположенной на северной широте 42 °. Кривые рисунка обнаруживают известный параллелизм. Следует, однако, отметить, что такая зависимость полярных сияний от цикла Солнца характерна только для низких и средних широт.

В годы с наибольшим количеством солнечных пятен полярные сияния наиболее часты, их интенсивность достигает наибольшей величины, а зона их видимости расширяется, распространяясь иногда до средних и даже южных широт.

На рис. 26 приведен сезонный ход частоты появления полярных сияний для лет максимума (слева) и минимума (справа) солнечной деятельности. Видно, что амплитуды изменений гораздо большие в годы высокой активности солнечной деятельности.

Установленная зависимость между изменениями полярных сияний и магнитных бурь и солнечной деятельностью заставляет пред положить, что происхождение полярных сияний и магнитных бурь связано с процессами на Солнце.

Этот вопрос мы разберем в главе о теориях полярных сияний.

Исаев, С.И. Полярные сияния/ С.И. Исаев [и д.р.]. – М.: Издательство академии наук СССР, 1958.- 112 с.

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Продолжаем изучать предпочтение читателей этого бложика в форме стола заказов декабря. Пришла очередь второй заявочки, а значит мы слушаем dr_axon :

«. про северное сияние не было?» — нет не было. Рассказываю .

Полярное сияние (лат. Aurora Borealis, Aurora Australis) — свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра. В Северном полушарии его называют также северным сиянием, а в высоких широтах Южного полушария – южным.

В тишине бескрайней арктической тундры странные огни играют зимой в небесах. Сходные дуги и вспышки сияют и на дальнем юге — лучше всего наблюдать их на антарктическом континенте в ясные, чрезвычайно холодные зимние ночи.

Можно увидеть эти огни и в более низких широтах.

Когда они появлялись в небесах средневековой Европы, хронисты объясняли это тем, что это великаны сражаются в небе, или что с небес летят на землю сверкающие разноцветными огнями копья. По старинным финским легендам, это лисы охотятся на сопках и чешут бока о скалы так, что искры летят на небо, превращаясь в северное сияние.

Они, строго говоря, вовсе не относятся к земным явлениям, поскольку вызваны Солнцем и развертываются высоко над Землей. Периодически на Солнце происходит вспышка, равная по высвобождаемой энергии взрыву невообразимого числа атомных бомб, и в космос выбрасывается масса частиц, мчащихся со скоростью света. Отклоняясь под действием магнитного поля Земли, они ударяются об атмосферные частицы, сообщая им электрический заряд. Избавляясь от заряда, частицы начинают «светиться» — этот процесс и дает свет, творя представление в ночных небесах.

А причина того, что сияние облюбовало именно полярные регионы, кроется в магнитных полях: они отклоняют частицы, устремляющиеся к экватору, и направляют их к магнитным полюсам Земли.

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем.

Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса (авроральные овалы). Выявлением причин, приводящим к высыпаниям заряженных частиц из плазменного слоя, занимается космическая физика. Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпаний играет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмы солнечного ветра.Полярное сияние

В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызванынизкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние.

Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с высотой в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200—400 км, а совместное свечение азота и кислорода — на высоте около 110 км.

Кроме того, эти факторы обуславливают и форму полярных сияний — размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.

Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли — авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет около 3000 км во время спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10—16o, на ночной — 20—23o.

Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на 12o, полярные сияния наблюдаются в широтах 67—70o, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах — на 20—25o южнее или севернее границ их обычного проявления.

Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям.

Полярное сияниеВо время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии (во время одного из зарегистрированных в 2007 году возмущений — 5×1014 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.

При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

Первым ученым, высказавшем правильное толкование природы полярных сияний в своей работе: «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих», был сын холмогорского помора Михайло Ломоносов, самолично их наблюдавший.

Но дальше общих высказываний на эту тему дело не сдвинулось еще полтора века, пока в 1882-1884 гг. не был организован Первый международный полярный год. Но не все ученые жаждали отправляться за открытиями в полярные районы, некоторые попытались воспроизвести полярное сияние в лабораторных условиях. Наибольшую известность приобрел проведенный в конце XIX века эксперимент Биркеланда.

Основываясь на правильном представлении, что полярные сияния вызываются потоком солнечных корпускул, учёный предположил, что магнитное поле Земли должно искривлять их траектории и концентрировать возле магнитных полюсов. С этой целью он создал маленькую модель Земли, которую назвал «терреллой» (уменьшительное от «Терра»-«Земля»).
Полярное сияниеВнутри модели был расположен электромагнит, позволявший менять напряженность магнитного поля, а ее поверхность была покрыта составом, светящимся под действием катодных лучей. «Террелла» была помещена в камеру, из которой был выкачан воздух, чтобы имитировать верхнюю атмосферу Земли. Создав внутри камеры поток катодных лучей, заменявших солнечный корпускулярный поток, и меняя положение модели относительно этого потока, Биркеланд наблюдал, как эти лучи сосредотачиваются возле магнитных полюсов, вызывая свечение, аналогичное наблюдаемому в природе полярному сиянию.

Позже было обнаружено, что полярное сияние сопровождается на поверхности Земли не только магнитными явлениями, но и электрическими. И первыми с ними столкнулись в ХIX веке канадские связисты, прокладывавшие первые телеграфные, а затем и телефонные линии на севере страны. Ради экономии дефицитного провода такие линии вначале делали однопроводными, используя в качестве второго провода землю. И почти сразу же железнодорожники, рядом с путями которых появились линии связи, попытались использовать их для своих целей.

Чтобы связаться с любой точки трассы с диспетчером, поезд останавливался, помощник машиниста спрыгивал на насыпь с небольшим ящичком в руке (вначале с телеграфным, а затем и телефонным аппаратом), присоединял один из проводов к рельсу, а другой с помощью длинной штанги, похожей на троллейбусную, цеплял за провод линии связи.
Но не дПолярное сияниеай бог, если в это время вспыхивало полярное сияние: при плохом контакте с рельсом «связист» поражался сильнейшим электрическим разрядом, и машинист надолго оставался без помощника.

Но доставалось и обычным связистам. Как отмечено в исторической хронике XIX века: «Электрические пертурбации, возникавшие в 1848, 59, 72, 83 и 94-м годах не только сопровождались ярким северным сиянием, но и усилением теллурических токов. Эти пертурбации настолько сильно давали о себе знать на севере Европы и в Северной Америке, что телеграфные сношения были прерваны на много часов. Земные токи, проходившие осенью 1859 года по телеграфным проводам, были настолько сильны, что из аппаратов выбрасывались целые снопы пламени, которые исчезали лишь по выключении земных проводов».

В 30-е годы ХХ века началось интенсивное освоение полярных районов СССР. Для обеспечения судоходства и авиации на побережье Северного Ледовитого океана строились полярные станции, геофизические обсерватории, радиоантенны. Тогда связь по радио осуществлялась либо на длинных волнах, требовавших больших мощностей передатчиков и громоздких антенн, либо на коротких, при значительно меньших мощностях.

Но как только начинался сезон полярных сияний, связь на КВ прерывалась, иногда на много дней. В те же годы от полярников стали поступать странные сообщения о звуках, якобы сопровождающих полярные сияния. Это явление пытались объяснить психофизическими реакциями ослабленного болезнями и плохим питанием организма.

Приходится предположить, что природа этих звуков аналогична природе звучания электрофонных болидов (и там и там звук возникает мгновенно при возникновении некоторых форм быстро движущихся сияний, либо при пролете болида), т.е. этот «звук» имеет электромагнитную природу.

В 1957-1958 гг. состоялся Первый Международный Геофизический год (МГГ), во время которого были проведены первые надежные приборные исследования сияний. И сразу было обнаружено множество ранее неизвестных эффектов.
В частности, что полярные сияния после мощных солнечных вспышек синхронно вспыхивают на обоих полюсах Земли. Тогда же были зафиксированы и «невозможные» звуки от некоторых форм полярных сияний на поверхности Земли, правда, в инфразвуковом диапазоне. А заодно и биологически активные электромагнитные вариации в диапазоне 7 — 13 Герц.

Был исследован и так называемый «береговой эффект полярных сияний» — это когда формы спокойного сияния наблюдаются только над морем и не проникают на территорию над берегом, зачастую повторяя его форму, — в небе возникает своеобразная «небесная карта».

Существует также психофизическое явление, названное как «меряченье». У разных народов севера это явление наблюдается по-разному, но многие его элементы схожи.

Во время полярного сияния целое северное селение может забросить все дела, собраться в одном месте и начать пританцовывать, дергаться или раскачиваться словно по команде невидимого дирижера. Иногда такое состояние может продолжаться несколько часов.

Когда один врач успел на собачьей упряжке быстро достичь другого селения, то он с изумлением обнаружил, что его жители занимаются тем же самым. Он впервые и высказал идею, что «мерячка» возникает под действием некоего глобального геофизического фактора, как-то связанного с полярным сиянием.

Полярное сияниеИ, наконец, последнее и вовсе уникальное явление. Ряд путешественников, волею обстоятельств оказавшихся в полярных районах зимой, иногда наблюдали, как в сполохах и лентах небесного огня начинают формироваться миражи каких-то зданий, фантастических кораблей, а то и животных. Например, в альманахе «Вселенная и человечество», изданном в самом начале ХХ века, есть фотография громадной змеи с головой кобры, свернувшейся в несколько колец и отпочковавшейся от обычной лучистой дуги сияния.

Видели полярные сияния и в южном полушарии. Английский мореплаватель Джеймс Кук (1728-1779 гг.) был одним из первых, кто не только дал их описание в южном полушарии, но и обратил внимание на то, что полярные сияния появляются в высоких широтах обоих полушарий одновременно.

Полярное сияние — завораживающее зрелище. Огромные арки переливающихся огней расцвечивают небо всеми цветами спектра — от фиолетовато-белого до желто-зеленого и оранжево-красного.

Хотя эти танцующие огни и получили научное объяснение, они сохранили ауру таинственности и репутацию одного из самых ярких явлений природы.

Страничка SpaceWeather.com, предназначена для широкой публики и великолепно разъясняет явления ближайшего космоса, а также дает точные прогнозы появления северного сияния.

Информация в реальном времени о возмущениях магнитного поля, вызываемых именно северным сиянием, найдется на страничке геофизической обсерватории города Соданкюля, где представлена магнитограмма обсерватории. Если на кривых, описывающих возмущения, наблюдается мгновенное колебание в 1000nT (меньшего тоже хватит), то повышается вероятность появления в небе северного сияния вплоть до южной Финляндии.

Астрономы, которые наблюдают за Солнцем в большой телескоп, могут предсказать сияние. Солнце спокойно – сияний нет. Появляются на Солнце пятна, или языки пламени, — жди на Земле сияния. Обычно сияния бывают в Заполярье, но иногда сияния бывают и в теплых краях.

В древних рукописях появление полярного сияния отмечено даже в Египте и Риме.

А вот в 1111 году при сражении на Дону малочисленных русских войск с бесчисленными полками половцев, победа оказалась на стороне русских. Русичи решили, что им помогали небесные ангелы, а на самом деле половцев устрашили диковинные картины полярного сияния, которое разыгралось на небосклоне с той стороны, откуда наступали русские дружины.