Свечение солнца это физическое явление

Часть доклада Владимира Кажанова на МАН (Малой Академии Наук) 2001 года.

Явления происходящие на Солнце и их воздействия на Землю. Магнитные бури. Полярные сияния

Солнечные пятна – это темные образования на диске Солнца (в белом свете). На диске Солнца в телескоп видно, что крупные пятна имеют довольно сложное строение: темную область “тени” (ядра) окружает “полутень”, диаметр которой более чем в два раза превышает размер тени. По величине, пятна бывают очень разными – от малых, диаметром примерно 1000 – 2000 км, до гигантских, значительно превосходящих размеры нашей планеты. Отдельные пятна могут достигать в поперечине 40 тыс.км. А самое большое из наблюдавшихся пятен достигало 100 тыс.км.

Установлено, что пятна – это место выхода в солнечную атмосферу сильных магнитных полей. Магнитные поля уменьшают поток энергии, идущей от недр светила к фотосфере, поэтому в месте их выхода на поверхность температура падает. Пятна холоднее окружающего их вещества примерно на 1500 К, а следовательно, и менее ярки. Вот почему на общем фоне они выглядят темными.

Солнечные пятна часто образуют группы из нескольких больших и малых пятен, такие группы могут занимать значительные области на солнечном диске (Приложение № 1). Картина группы все время меняется, пятна рождаются, растут и распадаются. Живут группы пятен долго, иногда на протяжении двух или трех оборотов Солнца (период вращения Солнца составляет примерно 27 суток).

На первый взгляд диск Солнца кажется однородным. Однако, если приглядеться, на нем обслуживается много крупных и мелких деталей. Даже при не хорошем качестве изображения видно (в белом свете), что вся фотосфера состоит из всех зернышек (называемых гранулами) и темных промежутков между ними.

Размеры гранул невелеки по солнечным масштабам – от 500 до 2000 км в поперечнике; межгранульные дорожки более узкие,

300 – 600 км в ширину. На солнечном диске наблюдаются одновременно около миллиона гранул. Картина грануляции не является застывшей: одни гранулы исчезают, другие появляются. Каждая из них живет не более 10 минут (5 – 7 минут).

За явление грануляции ответственен физический процесс, называемый конвекцией. Конвекция – перенос тепла большими массами горячего вещества, которые поднимаются снизу, расширяясь и одновременно остывая.

Грануляция создает общий фон, на котором можно наблюдать более контрастные и крупные объекты – солнечные пятна и факелы.

Практически всегда пятна окружены яркими полями, которые называют факелами. Факелы горячее окружающей атмосферы примерно на 2000К. и имеют сложную ячеистую структуру. Величина каждой ячейки – около 30 тыс. км. В центре диска контраст факелов очень мал, а ближе к краю увеличивается, так что лучше всего они заметны именно по краям. Факелы живут еще дольше чем пятна, иногда 3 – 4 месяца. Они не обязательно существуют вместе с пятнами, очень часто встречаются факельные поля, внутри которых пятна никогда не появляются.

3) Солнечные вспышки

Солнечная вспышка – своеобразный взрыв, в результате которого происходит внезапное освобождение энергии, накопленной в ограниченном объеме солнечной атмосферы (чаще всего короны и хромосферы). Подавляющее большинство солнечных вспышек происходят в районах групп солнечных пятен со сложным строением магнитного поля, особенно на ранних и максимальных стадиях их развития. Но иногда их регистрируют и вдали от пятен, в старых “рыхлых” магнитных областях. Обычно вспышкам предшествует перестрой магнитного поля. Нередко она связана со всплыванием в этой области нового магнитного потока противоположной полярности. Сама солнечная вспышка обычно начинается быстрым возрастанием температуры короны примерно до 40 млн. градусов, приводящих к появлению всплесков мягкого рентгеновского излучения. Этот процесс длится от одной до нескольких минут. Вспышка “Вдавливает” переходной слой между короной и хромосферой в хромосферу и нагревает несколько сотен километров верхней хромосферы до температуры 10 тыс. градусов. При этом регистрируется увеличение излучения в линии водорода (Н) и в линиях крайней ультрафиолетовой области. Продолжительность вспышки в видимой части спектра составляет от нескольких минут до нескольких часов, причем возрастание интенсивности излучения в линии водорода (Н-альфа) до максимума происходит быстрее, чем последующий спад. Иногда наблюдается также микроволновой всплеск с постепенным подъемом и спадом потока радиоизлучения.

На стадию теплового нагрева солнечной вспышки еще до достижения максимума яркости накладывается вторая импульсивная, или взрывная стадия, в течение которой происходит ускорение электронов, а иногда и ядер атомов до энергий 10 – 100 кэВ (кило электрон-вольт). Ускоренные электроны вызывают импульсные всплески жесткого рентгеновского, далекого ультрафиолетового и микроволнового излучения. Область, в которой происходит этот импульсный процесс, гораздо меньше области тепловой вспышки. Практически все солнечные вспышки с импульсной стадией сопровождаются “расталкиванием” вещества и магнитного поля. Из большинства таких вспышек происходит выброс в наружные слои солнечной атмосферы вещества со скоростями до 400 км/с. Другим эффектом, связанным иногда с импульсной стадией, является всплеск 3 типа метровом диапазоне радиоволн, который наглядно свидетельствует о движении электронов через корональную и межпланетную плазму со скоростью, большей 100000 км/с. Его продолжительность составляет от одной до нескольких секунд.

Наибольший интерес представляют так называемые протонные вспышки, во время которых выбрасываются протоны с энергиями выше 10 МэВ (мега электрон-вольт).

4. Воздействия солнечных вспышек на Землю

Установлено, что при вспышках выделяются радиоволны и потоки частиц.

Электромагнитное излучение достигает Земли за 8 минут, следовательно, все волны достигают Земли в один и тот же момент — именно тогда, когда мы замечаем вспышку в поле зрения спектрогелиоскопа. Частицы же отстают и прибывают на Землю через различные интервалы времени, зависящие от их скоростей. Поэтому волны генерируют те явления, которые мы относим к одновременными (со вспышкой) эффектами, а частицы дают начало запаздывающим эффектам.

А) Одновременные эффекты

Электромагнитные волны, достигающие Земли, можно для удобства разделить на три различные спектральные области: ультрафиолетовый свет, видимый свет и радиоволны (в порядке увеличения длин волн).

Основное действие ультрафиолетовых лучей сводится к созданию повышенной ионизации в слое D на высоте 60 – 90 км над Землей (рис.1). В результате, число свободных электронов в этом слое резко увеличивается, что приводит к внезапным ионосферным возмущениям. Они бывают следующих типов:

1) Магнитное кроше. Некоторая часть земного магнетизма обусловлена магнитными эффектами электрических токов, которые непрерывно текут в проводящих слоях атмосферы (

в слое Е на высоте 100 – 130 км.).

Во время интенсивной вспышки колличество свободных электронов резко увеличивается; в ионосфере возникает более сильный ток и, как следствие этого, регистрируется внезапный скачок или “бухтообразное” возмущение на магнитограммах, называемое кроше.

Как и другие возмущения, вызываемые ультрафиолетовым излучением вспышки, появление кроше ограничено тем полушарием Земли, которое в данное время обращено к Солнцу.

2) Замирание на коротких радиоволнах. Второй эффект повышенной степени ионизации ионосферы состоит в увеличении поглощения ею коротких радиоволн, которые происходят через слой D на своем пути к слою F и обратно (рис.1).

Во время замирания сила сигнала падает до 1/5 – 1/10 своей нормальной величины. Отсюда можно сделать вывод, что электронная концентрация в слое D увеличивается во время вспышки в 5 – 10 раз, а не вдвое, как было оценено по явлению кроше.

3) Внезапное усиление атмосфериков. Когда число свободных электронов в слое D значительно увеличивается, он будет гораздо сильнее отражать те очень длинные волны (около 10000 м длинной), которые возвращаются к нам от области, близкой к основанию слоя. Если во время вспышки удается зарегистрировать сигналы от удаленного передатчика, то налицо оказывается резкое увеличение силы сигнала.

Для наблюдений внезапных усилений необходим радиоприемник, который будет суммировать “трески” (генерируемые молниями) подходящей частоты за период около одной минуты и даст нам результат в виде импульсов выпрямленного тока, которые можно регистрировать на движущемся листе бумаги. Таким путем мы получаем постоянную запись суммарной интенсивности “атмосфериков” на данной частоте для любого часа дня. Когда возникает солнечная вспышка, регистрирующее устройство может иногда за несколько минут отметить удвоенную силу поступающих сигналов.

Большинство атмосфериков возникает в тропических областях, где грозы особенно часты. Что же касается внезапных усилений во время вспышек то они обусловливаются просто повышением отражательной способности слоя D на высоте порядка 70 км, а не действительным увеличением числа разрядов молний в это время.

Описанный метод дает простой и эффективный способ для регистрации вспышек и фиксации моментов их появления, когда погода облачная и само Солнце видеть нельзя.

4) Внезапные фазовые аномалии. Во время вспышки слой D не только лучше отражает длинные радиоволны, но одновременно уменьшается и высота отражающего “потолка”. Иными словами, концентрация электронов, необходимая для отражения, теперь создается в более низком слое атмосферы. Это порождает изменение фазы между земной и небесной волнами, когда мы можем одновременно принимать обе волны от длинноволнового передатчика.

Ежедневно, когда Солнце всходит, скорость образования электронов в слое D постепенно возрастает и достигает максимальной величины в полдень, когда высота Солнца наибольшая. Но максимум концентрации свободных электронов, зависящий от высоты Солнца, достигается через 30 – 60 минут после полудня.

5) Внезапное замирание космического радиоизлучения. В земную атмосферу из внешнего пространства непрерывно протекают короткие радиоволны. Во время солнечной вспышки такие радиоволны как бы замирают, аналогично тому, как замирают короткие радиоволны, отрезаемые обратно к Земле слоем F.

Это поглощение дает один из самых чувствительных способов обнаружения ультрафиолетового излучения вспышки.

6) Всплески радиоизлучения. Радиоволны вспышки доходят от Солнца до Земли за то же время, что и видимый и ультрафиолетовый свет. Поэтому они относятся к одному из одновременных эффектов вспышек.

В настоящее время, по-видимому, нет оснований сомневаться в простой гипотезе, согласно которой интенсивное радиоизлучение возбуждается в короне при прохождении наружу частиц, выбрасываемых вспышкой.

Б. Запаздывающие эффекты

Самые медленные частицы (корпускулы) доходят до нас примерно через 26 часов после начала вспышки, что соответствует их средней скорости около 1600 км/сек. По прибытии в окрестности Земли корпускулы создают сильные электрические токи, которые можно наблюдать по их влиянию на земной магнетизм – сильным магнитным бурям. В это же время бывают видны полярные сияния в северной и южной полярных областях Земли, а в исключениях – даже ближе к экватору.

Где бы ни была расположена вспышка на видимой полусфере Солнца, ее ультрафиолетовое излучение и радиоизлучение достигают Земли; не всегда дело обстоит так, если речь идет о потоках корпускул.

Магнитные бури гораздо более вероятны, если вспышка происходит около центра солнечного диска. Это обозначает, что частицы покидают Солнце главным образом в перпендикулярном к поверхности направлении.

5. Магнитные бури

Приходящие в окрестность Земли солнечных корпускулы создают сильные электрические токи, которые воздействуют на земной магнетизм и порождают так называемые магнитные бури. Во время бурь Земля окружена внешним магнитным полем, силовые линии которого приблизительно параллельны направлению оси постоянного поля Земли. Направление этого внешнего поля между первой и второй фазами бури должно быстро меняться на обратное.

Магнитные бури делятся несколько произвольно на два класса – в соответствии с величиной возмущений.

В отличии от вспышечных магнитных бурь , рекуррентные повторяются в течении нескольких солнечных оборотов, а иногда даже 10-15 оборотов. Вневспышечные магнитные бури связаны с неоднородностью солнечного ветра и прежде всего долгоживущими областями на солнце.

Если число вспышечных магнитных бурь достигает максимальной величины в эпоху максимума 11-ти летнего цикла, то максимальное число рекуррентных магнитных бурь отмечается на его ветви спада, за 2-3 года до эпохи минимума.

Геомагнитные бури особенно заметны на фоне влияния солнечной активности на биосферу Земли и в частности человека.

Медики обратили внимание на то обстоятельство, что число внезапных смертей и случаев обострения заболеваний сердечно-сосудистой системы, тесно связано с солнечной активностью и обусловлено геомагнитной возмущенностью магнитного поля Земли.

6. Полярные сияния

Наиболее яркими и впечатляющими проявлением бомбардировки атмосферы солнца частицами являются полярные сияния. Это свечение в верхних слоях атмосферы (100-150 км), имеющее либо размытые (диффузные) формы, либо вид корон или занавесей (драпри), состоящих из многочисленных отдельных лучей. Большая часть света полярных сияний излучается атомами водорода и молекулами азота, которые возбуждаются за счет столкновений с низко энергичными электронами. Цвет полярных сияний обычно красный или зеленый. Красный цвет излучается атомами кислорода, зеленый – молекулами азота. Излучение заметно также в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.

Число ночей, в которые наблюдаются полярные сияния, растет по мере приближения к северному или южному магнитным полюсам.

Полярные сияния в низких широтах наблюдаются только в эпоху высокой солнечной активности. Это обстоятельство дает возможность проследить за ходом 11-летнего цикла солнечных пятен по появлениям полярных сияний за последние 2000 лет.

Фотографии по теме:
Полное солнечное затмение , Большое пятно на Солнце
Фотография Солнца полученная орбитальным солнечным телескопом SOHO

Источник

Физика

Световые явления. Часть 1

План урока:

Что такое свет? Источники света

Много тысячелетий прошло прежде, чем была выяснена природа этого замечательного явления – свет. Десятки гипотез, предположений, догадок выдвигались учеными. Но вот в конце девятнадцатого века Д. Максвелл и Г. Герц установили, что природа света электромагнитная.

Значение света в жизни человека и в природе громадно. Зарождение и развитие всего живого происходит под влиянием тепла и, конечно, света.

Свет для человека – важнейшее средство познания окружающего мира.

Основной источник света для всей Земли – это Солнце. Световые потоки устремляются к планетам от Солнца благодаря ядерным реакциям, происходящим на нем.

При изучении тепловых явлений одним из видов теплообмена названо излучением, с помощью которого Земля получает от Солнца тепло. Тепло невидимо. Та часть излучения, которая видима глазом человека, называется видимым излучением.

Именно это излучение рассматривается как световое явление.

Раздел физики, посвященный световым явлениям называют оптикой (греч. «оптикос» — «глаз», «зрительный», «видимый»).

Не умея объяснить природу света, многие древние ученые придерживались мнения о том, что световые лучи исходят из глаз человека и «ощупывают» все вокруг. Некоторые считали, что есть другое объяснение свету, но не могли его сделать, не зная теории электромагнетизма. Как же далеки были эти люди от современных знаний в оптической области физики.

Сейчас известна природа света, свойства его, строение глаза, создано большое число оптических устройств и простых приборов. Световые явления широко используются в жизни человека.

Создается световое излучение источниками света, которые бывают естественными и искусственными. Сама природа создала естественные источники света. Искусственные источники придумал и изготовил человек.

Естественные (природные) источники света:

Солнце и другие звезды;
молния;
полярные сияния;
светящиеся вещества (фосфор, радий, актиний и другие);
насекомые (например, светлячки, грибные комары);
морские животные (медузы, электрические скаты, угри и другие);
старые гниющие пни;
светящиеся грибы.

Среди таких источников есть яркие, дающие много света, а есть едва видимые в темноте.

Например, науке известно уже около семидесяти видов светящихся грибов. Из них некоторые можно увидеть ночью на расстоянии десяти метров.

Светящиеся грибы.

Светиться могут подгнившие грузди и старые сыроежки.

Подкрашенный фосфором циферблат часов.

Светящиеся медузы.

Искусственные источники света:

всевозможные фонари и лампы;
прожекторы и маяки;
экраны телевизоров, проекторов;
гаджеты;
светящиеся рекламы;
свечи.

Ночной город.

Не может деятельность человека протекать без освещения. Трудно представить современный город в ночное время без освещенного дома, улицы, квартиры.

Созданные человеком источники света.

Искусственное освещение создано человеком лишь благодаря научному подходу к изучению таких интересных явлений природы – световых.

Распространение света

Чтобы лучше понять, как свет распространяется, введено понятие светового луча. А там, где лучи, там геометрия. Поэтому появился новый подход к световым явлениям, который называется геометрическая оптика.

Для практического изучения света учеными рассматриваются узкие пучки световых лучей. Для их получения используют непрозрачные экраны с отверстиями.

Каковы же главные законы, по которым свет распространяется?

Один из них подтверждается достаточно легко. Человек, который не хочет, чтобы яркий свет бил ему в глаза, приставляет ко лбу ладонь. Он видит окружающие предметы, а свет прямо в глаза ему не попадает.

Это говорит о том, что свет не может обогнуть ладонь и попасть в глаза наблюдателю. Этот пример показывает, что свет идет по прямой.

Значит, существует закон прямолинейного распространения света. Он звучит так:

Как на рисунке, луч света не пойдет. Он не может огибать препятствия.

Первая научная формулировка этого важного закона была дана в третьем веке до нашей эры Евклидом.

В соответствии с этим законом свет в одной и той же среде не может идти по ломаной траектории и огибать препятствия. Отсюда вытекает понятие тени. Тень сопровождает человека всюду.

На экране тень и полутень. Источник

Если поместить между источником света предмет, например, шар, он перекроет путь световых лучей. За шаром на экране в центре тень более темная, чем по краям. Почему так?

Объяснить это можно, проведя два эксперимента.

Первый. Источник по своим размерам очень мал по сравнению с шаром и расстоянием до экрана. Такой источник света называют точечным. Пусть это будет светящаяся точка А. Та часть прямых лучей, которая упирается на шар не дойдет до экрана, и в соответствующей области его образуется темное пятно – тень. Лучи, идущие выше и ниже шара достигают цели и на экране в этой области светло.

Второй эксперимент. Берется источник света большой или сравнимый с предметом, помещенным между источником и экраном. Такой источник содержит огромное число светящихся точек, испускающих лучи. Из каждой точки, которые находятся между А и В выходит такой же пучок света, как и в первом эксперименте.

Потоки лучей из разных точек источника устремляются к экрану, но доходят до него не все. Мешает шар, дающий для каждого потока свою тень. Все тени пересекаются в центре экрана и образуют общее темное пятно – общую тень. Вокруг нее образуется область размытая, куда от одних точек свет попадает, а от других нет – это полутень.

Природа предоставила человеку яркий пример распространения света, который очень напоминает второй эксперимент. Это солнечные и лунные затмения.

Солнечное затмение.

Они происходят, когда Солнце, Луна и Земля, двигаясь по законам Солнечной системы, выстраиваются в одну линию, как показано на схемах.

Схема солнечного затмения. Источник

Схема лунного затмения. Источник

Затмения для науки представляют большой интерес, особенно солнечные. Они позволяют наблюдать, хоть и кратковременно, состояние солнечной атмосферы, процессы внутри ее и состав.

Отражение света и его законы

Наверное, нет человека, который бы не наблюдал одно из явлений. Снежинки попадают в свет фар автомобиля или солнечные лучи попадают в запыленную комнату, или солнце освещает влажный воздух леса.

Сами снежинки не являются источниками света, но человек их видит. Но видит только те, которые падают на землю в свете фар. Падающий снег за пределами автомобиля человеческий глаз не фиксирует.

В пыльной комнате наблюдается плавное движение мелких пылинок в том месте, где через окно проникает солнечный свет. Но ведь это не значит, что пыль в комнате находится только там, где лучи света. Пылинки летают по всей комнате, но не видны глазом.

В утреннем влажном лесу там, куда прокрадываются яркие лучи, становятся видны мельчайшие капельки воды и лесные пылинки. Они тоже есть по всему лесу, но видны только, где свет.

Эти явления объясняются тем, что человеческий глаз воспринимает свет, идущий от источника или отраженный от освещенного тела.

Если взять в темноте лист бумаги, то сказать, какого цвета этот лист, невозможно. Лист – не источник света и не освещен, поэтому он невидим. Другое дело, если лист попал в руки в светлом помещении. Человек его видит, так как бумага отражает световые лучи, отраженные лучи уже попадают в глаз.

Так снежинки в свете фар, капельки воды и пылинки на свету отражают лучи света, которые и воспринимает человек.

Приведенные примеры показывают, что свет обладает свойством отражения. Как и прямолинейность распространения света, древнегреческим ученым Евклидом был открыт первый закон отражения света. «Световые лучи обратимы» — утверждали древние ученые. Современная трактовка закона следующая:

Для экспериментального подтверждения этого закона используется устройство, называемое оптическим диском.

Оптический диск.

На светлый круг этого прибора нанесена шкала с градусами. Яркая лампочка осветителя находится в светонепроницаемом футляре с очень узким отверстием. В центре диска прикрепляется отражающая поверхность, например, зеркальная пластинка. Осветитель имеет возможность перемещаться вокруг диска.

Из осветителя луч света от лампочки падает на пластинку и отражается от нее. Если переместить осветитель, направление падения луча света изменится. Соответственно изменится и направление отражения света. Но все это происходит в одной плоскости диска, что подтверждает первый закон отражения света.

При сравнении углов, которые образуются световыми лучами в этих опытах, подтверждается второй закон отражения света. Но прежде, чтобы его понять, следует изучить геометрическую схему отражения света.

На схеме представлен геометрический подход к изучению световых явлений. Пучки света заменены геометрическими лучами и добавлены некоторые геометрические элементы, нужные для исследования.

α – угол падения;
β – угол отражения.
прямая MN – плоскость отражения;
СО – перпендикуляр к поверхности отражения;
АО – падающий луч;
ОВ – отраженный луч;

Нужно четко запомнить: углы падения и отражения берутся не к поверхности отражения, а к проведенному в точку падения перпендикуляру.

Если передвигать осветитель вокруг диска, угол падения будет меняться. Угол отражения тоже изменится и будет таким же, как угол падения. Это свойство отражения является вторым законом отражения света:

Если падающий луч пойдет от точки В по направлению ВО, то он отразится от поверхности MN как раз по линии ОА. Это свойство называют обратимостью световых лучей, о чем говорили еще в древности, но дать научного объяснения не могли.

Почему сломался карандаш?

Наблюдательный рыболов видит, что весла от его лодки при погружении в воду как будто ломаются. Когда весла над поверхностью воды, они снова прямые. Почему? Это объясняют оптические законы.

Взмахнуть рукой в воздухе гораздо легче, чем провести рукой внутри воды. Вот и свет проходит в разных средах (например, в вакууме, стекле, воздухе, алмазе, воде) тоже по-разному. На границе двух различных сред меняется направление хода лучей света.

Углы падения и преломления, которые определяются, как и при отражении, с помощью перпендикуляра к границе раздела, в данном случае не равны.

Вот почему карандаш выглядит в стакане сломанным. Здесь не нужно путать световые лучи и сам карандаш. Лучи идут человеку в глаз, как показано на чертеже. То, что карандаш воспринимается глазом в сломанном виде – это оптическая иллюзия, созданная ходом всех лучей, отражающихся от карандаша.

Как проходит свет в разных средах?

Различные среды преломляют лучи по-разному. Так, на границе между воздухом и водой угол преломления примерно 30 о , а на границе воздух – алмаз, угол преломления около 21 о . Причем, это с одним углом падения в 60 о .

Не всегда угол преломления меньше угла падения, как в приведенных примерах. Если вспомнить, что свет – это электромагнитная волна, то значит, он обладает скоростью (300 000 км/с в вакууме). В веществах скорость света другая, всегда меньше.

На своем пути лучи света проходят по различным прозрачным веществам, которые образуют оптическую среду. Если скорость света в одной среде больше, чем в другой, то первая среда называется оптически менее плотной, а вторая – оптически более плотной средой. Например, попадая в воду из воздуха, лучи света переходят из оптически менее плотной среды (воздух) в оптически более плотную (воду).

Преломление лучей на границе раздела связано с оптической плотностью каждой из сред следующим правилом:

Отсюда видно, что угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Все объясняется оптическими свойствами среды, куда переходит световой луч.

Источник