Солнце можно рассматривать как источник электромагнитных волн которые являются плоскими
Электромагнитное излучение Солнца
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.
Рис.1 Солнце в рентгеновском диапазоне.
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 (Оз). 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.
Рис.2 Поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли.
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
В конце 50-х годов XX 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.
Солнце является источником постоянного потока частиц. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы, так называемый солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы – солнечной короны. Вблизи Земли его скорость составляет обычно 400–500 км/с. Поток заряженных частиц выбрасывается из Солнца через корональные дыры – области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем.
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.
Рис.3 Радиационные пояса (Ван Аллена) и магнитосфера Земли.
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 10 6 -1011 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 Е 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 10 25 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 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, 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.
Рис 4.Полярное сияние с борта корабля «Space Shttle»
Заряженные частицы, скользя вдоль силовых магнитных линий могут проникать в атмосферу Земли. Сталкиваясь с атомами атмосферы они вызывают особое свечение, называемое полярным сиянием.
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. Полярные сияния видны из космоса.
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 лет. 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.
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).
Источник
Солнце можно рассматривать как источник электромагнитных волн которые являются плоскими
Понимание никогда не может быть чем то иным, кроме как осознанием связей
Наше Солнце является источником электромагнитного (волнового) излучения в широком диапазоне длин волн — от сверхнизкочастотного радиоизлучения до гамма-квантов. Основная доля энергии, излучаемая Солнцем, приходится на видимый свет (диапазон длин волн 290—700 нм), который свободно проникает до земной поверхности и характеризуется тадс называемой солнечной постоянной (1,4-106 эрг-с»1 -см*»2). Из измерений этой величины следует, что светимость Солнца как звезды отличается высокой стабильностью: изменения солнечной постоянной не превышают 0,1%.
В ближней ультрафиолетовой области (А, которые отражают собой полную амплитуду (размах) изменения наиболее изменчивого компонента поля за 3-часовой интервал времени (в особой логарифмической шкале). После усреднения локальных (по специально отобранным станциям) индексов получают планетарный индекс Кр . Индекс а определяется из К путем перехода к линейной шкале, причем среднесуточное значение а обозначается через А (соответствующий планетарный индекс обозначается через Аа ).
Хотя индексы геомагнитной возмущенности в сущности отражают только вариации ионосферных токов, они косвенно служат индикаторами и некоторых других явлений. В частности, изменения индексов геомагнитной возмущенности в некоторой степени отражают вариации естественного электромагнитного поля (ЭМП) Земли. Последнее представляет собой постоянно существующий повсюду (в л*обой точке земной поверхности) фон электромагнитных колебаний в достаточно широком интервале частот.
В разных диапазонах этот фон естественного происхождения обусловлен различными причинами. Например, в радиочастотном «окне прозрачности» уровень естественного электромагнитного фона (подчеркнем, естественного, так как есть еще и искусственный фон) определяется космическим радиоизлучением галактического происхождения и радиоизлучением Солнца. В диапазоне низких и звуковых частот (до нескольких герц) уровень естественного ЭМП определяется радиоизлучением атмосферных молниевых разрядов — атмосфери- ков. Ниже нескольких герц ионосфера вновь делается прозрачной (низкочастотное «окно прозрачности»), и ЭМП магнитосферного происхождения проникают к земной поверхности.
Магнитная составляющая ЭМП регистрируется специальной аппаратурой как короткопериодические колебания (микропульсации) магнитного поля Земли. Во время магнитных бурь амплитуда микропульсаций в некоторых частотных полосах может в сотни раз возрасти относительно невозмущенного уровня, а на высоких широтах и во много раз больше. Изменения в естественном ЭМП происходят, конечно, не только во время магнитных бурь Даже небольшие вариации солнечной активности сказываются на параметрах фонового ЭМП, К сожалению, пока не существует длительных рядов наблюдений для индексов, характеризующих эти изменения. Между тем громадные по своим масштабам возмущения ЭМП имеют, как мы увидим, важное значение.
Мы еще вернемся к описанию некоторых деталей этих явлений, а пока продолжим знакомство с процессами, сопутствующими вариациям солнечной активности. К их числу нужно отнести и вариации электростатического поля Земли (порядка 100 В/м для равнинной местности). Его изменения тесно связаны с вариациями метеорологических параметров нижней атмосферы, достигая наибольших значений при грозах. Но в условиях ясной погоды «электрическое поле обнаруживает связь и с солнечной активностью.
С индексами геомагнитной активности коррелирует и интенсивность галактического космического излучения: каждая магнитная буря с внезапным началом сопровождается резким падением интенсивности (на несколько процентов). Радиоактивный (естественный) фон земной поверхности только отчасти обусловлен космическими лучами. Важное значение (среди других факторов) имеет здесь концентрация тяжелого радиоактивного газа радона. Оказывается, изменения его приземной концентрации также коррелируют с индексами геомагнитной возмущенности .
Довольно давно было замечено, что сильные магнитные бури сопровождаются возмущениями и совсем другого рода — появлением акустических колебаний очень низкой частоты (инфразвука). По-видимому, во многих случаях это явление носит глобальный характер. Обычно спустя 4—6 ч после начала бури амплитуда инфразвуковых колебаний на средних широтах начинает плавно возрастать, достигает максимального значения, а затем спустя несколько часов уменьшается. Установлено, что эти акустические сигналы генерируются при развитии полярных сияний.
Инфразвук на таких низких частотах при своем распространении в атмосфере почти не затухает, и сигналы могут обнаруживаться на громадном удалении от ис/очника. Полярное сияние — не единственный источник возбуждения инфразвука. Ураганы, сильные молниевые разряды, землетрясения, вулканические извержения тоже сопровождаются появлением инфразвуковых колебаний, так что существует постоянный фон акустических шумов, а его вариации в отдельных полосах частот связаны с солнечной активностью.
Значительные изменения на поверхности Земли могут произойти и в том случае, если под влиянием каких- либо причин что-то изменится в «экранах», защищающих Землю от космических воздействий.
Определенные небольшие изменения возникают, например, в одной из наших оболочек — озоносфере Вариации толщи озоносферы, как уже отмечалось, приводят к изменениям приземного потока ультрафиолетового излучения. Доказано, что небольшие изменения в толще озона происходят и благодаря солнечной активности. В связи с тем вниманием, которое ученые в последние годы уделяют проблеме антропогенного влияния на озоносферу, было проведено много исследований в этой области, что позволило получить ряд количественных оценок.
Так, например, обнаружено, что при уменьшении толщи озона на 1%, интенсивность ультрафиолетового излучения в интервале длин волн 280—340 нм, доходящего до земной поверхности, возрастает на средних широтах в среднем на 2%. Это значение не так >ж и мало, поскольку полное изменение толщи озона за 11-летний цикл в некоторых точках земной поверхности может достигать 8%.
В 3 перечислены показатели внешней среды, изменяющиеся при вариациях солнечной активности (здесь не учитывается влияние солнечной активности на тропосферную циркуляцию и погоду). Какие же из перёчисленных физических факторов имеют значение для жизнедеятельности организмов? Иными словами, какие из контролируемых солнечной активностью параметров среды обитания являются экологически значимыми?
Легко видеть, что ряд показателей мы можем сразу же исключить из дальнейшего рассмотрения. Так, вариации интенсивности солнечного излучения в радиочастотном «окне прозрачности» (всплески радиоизлучения от больших вспышек, шумовые бури) можно отбросить по той причине, что уровень фона искусственного происхождения в этом диапазоне, примерно на три порядка выше сигналов естественного происхождения.
Аналогичный вывод можно сделать и относительно медленных изменений напряженности магнитного поля Земли. Из магнитобиологических экспериментов следует, что изменение напряженности статического магнитного поля на величину порядка 1 % при экспозиции около 1 сут (главная фаза магнитной бури на средних широтах) не сказывается заметным образом на каких-либо физиологических показателях организма.
Можно не принимать во внимание и вариации космических лучей. Возрастание интенсивности солнечных космических лучей на уровне моря достаточно редки, а изменения интенсивности галактического компонента очень малы. Вариации радиоактивного фона, обусловленные другими естественными причинами, заведомо их покрывают. Даже для колебаний радиоактивности приземной атмосферы из-за вариаций концентрации радиоактивного радона, много больших по амплитуде, трудно пока сделать какое-либо определенное заключение об их значении, для экологии без специальных модельных экспериментов.
Что касается других физических факторов, приведенных в 3, то вопрос об их экологической значимости требует специальных исследований и более подробного анализа. В последние годы в этом направлении была проделана большая работа и о ее результатах будет сказано дальше.
Несмотря на то, что длина электромагнитных волн и их свойства различны, все они, начиная от радиоволн и заканчивая гамма—излучением, – одной физической природы. Исследованный в настоящее время диапазон электромагнитных волн состоит из.
Космические тела излучают электромагнитную энергию в очень широком диапазоне.
В настоящее время космическое радиоизлучение исследуется в длинах волн от одного.
Квантовые свойства Э. в. определяются электромагнитным излучением в виде отдельных элементарных порций — квантов (фотонов).
Биологич. активность радиоволн возрастает с уменьшением длины волны.
Электромагнитное излучение обладает волновыми свойствами, проявляющимися в таких.
обратно пропорциональна длине волны l ) . Коэффициентом пропорциональности. является постоянная Планка.
Впервые доказать существование радиоизлучения, идущего из глубин космоса
Даже Солнце — самый близкий к нам радиоисточник — дает плотность излучения в
диапазона длин волн — от нескольких миллиметров до 15—20 м. Более длинные.
Природа гамма—излучения та же, что и у видимого света, и то и другое — электромагнитные волны.
Чем больше плотность космических лучей, тем ярче в гамма—диапазоне светится среда, окружающая их источник.
кванта электромагнитного излучения.
излучит квант с энергией 6×10-6 эв, соответствующий радиоизлучению с длиной.
и послужило поводом к названию этого элемента (гелиос, по-гречески, Солнце).
ростом длины волны в диапазоне метровых волн происходит так же, как и у.
особенностью радиоизлучения Солнца является его переменность, увеличивающаяся с.
Источник