Развитие представлений о солнечной активности

Общие сведения о Солнце. Солнце – это ближайшая к нам звезда, центр Солнечной системы, в котором сосредоточена почти вся ее масса (99.85%). Оно представляет собой гигантский светящийся раскаленный плазменный шар, равновесие которого обеспечивается балансом между гравитационной силой и давлением горячего вещества (газа) и излучения. Масса Солнца равна 1.99•10³⁰ кг, а радиус – 6.96•10⁸ м. Примерно 68% его массы составляет водород, 30% – гелий, 2% – другие химические элементы. Экваториальная зона Солнца вращается относительно Земли с периодом 25 земных суток, а полярные области – с периодом 29 земных суток. Средний период обращения Солнца вокруг своей оси относительно Земли равен 27,275 земных суток, а скорость движения вокруг центра Млечного Пути – около 240 км/с. Солнце - средняя звезда во Вселенной, его возраст, как и возраст всей Солнечной системы, составляет около 5 млрд. лет. По оценкам ученых, каждая двухсотая звезда в нашей Галактике подобна Солнцу.

В гелиоцентрической системе мира, построенной польским астрономом Н. Коперником (1473-1543), Солнце занимает центральное положение, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него, двигаясь также вокруг своих осей. По современным представлениям, Солнце - не центр Вселенной, а рядовая звезда в ней. Такое предположение высказывал еще в ХVI в. Дж. Бруно (1548–1600). Он также считал, что Вселенная бесконечна и что у нее не может быть центра.

Солнце образовалось около 5 млрд. лет назад из облака водорода, гелия и космической пыли – остатков погибших звезд предыдущих поколений. Сжатие этого вещества под действием сил всемирного тяготения привело к его нагреванию, начались ядерные реакции превращения водорода в гелий, появилось устойчивое свечение. Считается, что Солнце будет светить еще приблизительно 5–7 млрд. лет, пока не закончатся запасы его водородного топлива.

Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца за счет гравитационного притяжения к нему. Солнце является основным источником энергии для большинства природных процессов, происходящих на Земле. Жизнь на Земле была бы невозможна без солнечного тепла и света. Солнечная энергия приводит в действие механизмы самоорганизации в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли.

Солнце находится на расстоянии 149.6 млн. км от Земли. Когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, она закрывает его: наступает солнечное затмение. В 1919 г. во время одного из таких затмений ученые впервые обнаружили искривление световых лучей вблизи Солнца, подтверждающее выводы ОТО А. Эйнштейна (1879-1955) об искривлении пространства гравитационными полями, созданными массами. Смещение спектральных линий, излученных на Солнце, в сторону больших длин волн по сравнению с аналогичными линиями земного происхождения (красное смещение) подтвердило второе важное следствие ОТО – о гравитационном замедлении времени во Вселенной. Уменьшение частот спектральных линий при красном смещении свидетельствует об увеличении периодов колебаний их источников, т.е. о более медленном течении времени. Степень искривленности пространства и замедления времени вблизи масс определяется безразмерным гравитационным потенциалом Ф:

 

Ф = 2GM/ (Rc²),

 

где G – гравитационная постоянная (G = 6.67•10^-11 Н•м²/кг²), М – масса объекта, R – его размер, с – скорость света в вакууме (с = 3•10⁸ м/с). Чем больше значение Ф, тем более искривленным является пространство и тем медленнее течет время вблизи данной массы.

Источники солнечной энергии. К вопросу об источниках горения Солнца и других звезд ученые обратились в ХIХ в. Один из открывателей закона сохранения энергии Р.Майер (1814-1878) вычислил, что если бы Солнце горело за счет угля, оно светило бы всего приблизительно 5000 лет. Тогда он предположил, что наша звезда светит за счет постоянной бомбардировки ее поверхности метеоритами и метеорными частицами. Но позже эта гипотеза была отвергнута, т.к. для того чтобы Солнце устойчиво светило в течение 5 млрд. лет, необходимо, чтобы на него за это время упало достаточно большое количество метеорного вещества (с массой, в 150 раз превышающей массу Солнца). Г.Гельмгольц (1821-1894) и У.Томсон (1824-1907) (барон Кельвин) высказали гипотезу о том, что Солнце излучает за счет постепенного сжатия. Но тогда возраст Солнца должен составлять около 20 млн. лет. И только в 20-х гг. ХХ в. астрофизик А.Эддингтон (1882-1944) предположил, что излучение Солнца происходит за счет энергии, выделяющейся при слиянии 4-х ядер водорода в ядро гелия. Теория ядерного горения в звездах уточнялась до середины ХХ века в работах различных ученых. После взрыва первой в мире водородной бомбы, который был осуществлен в 1952 г. в США, в возможности осуществления в недрах звезд термоядерных реакций, предсказанных А. Эддингтоном, уже никто из ученых не сомневался. Начавшиеся в начале 50-х годов ХХ века разработки управляемых термоядерных реакторов, способных обеспечить человечество огромным количеством энергии без загрязнения окружающей среды, не принесли пока успешных результатов.

Источники тепла и света Солнца - реакции термоядерного синтеза гелия и других химических элементов из водорода, протекающие в его недрах с выделением огромного количества энергии. Силы гравитации стремятся сжать Солнце, и в его центре температура вещества достигает приблизительно 1.6·10⁷К. При таких температурах ядра водорода часто сближаются на малые расстояния (их кинетическая энергия при этом достаточно велика, и поэтому они могут преодолеть электромагнитное отталкивание). Следовательно, возможными становятся ядерные реакции, в результате которых из водорода синтезируется гелий. Общий результат водородного цикла в недрах Солнца можно записать в виде:

 

4 ₁Н¹ ® ₂Не⁴ + 2 ₁е⁰ + 2n_е + 2g+ 26.73 МэВ,

 

где ₁е⁰ - позитрон (античастица электрона), n_е - нейтрино, g - гамма-квант.

Ученым удалось зарегистрировать нейтрино, рожденные в недрах Солнца при термоядерных реакциях, что подтвердило представление о строении, составе и процессах, происходящих в звездах.

Излучение, покидающее Солнце, возникает в его тонком поверхностном слое – фотосфере, имеющем толщину около 350 км. Температура фотосферы равна 5780 К. Полная мощность солнечного излучения, которую также называют светимостью Солнца, составляет в настоящее время 3.86•10²⁶Вт. Над фотосферой располагаются хромосфера толщиной несколько тысяч километрови корона, простирающаяся на миллионы километров. Из короны вырываются потоки заряженных частиц – солнечный ветер. В дни бурь на Солнце он усиливается (космонавтам в это время не рекомендуется выходить в открытый космос). Солнечный ветер вызывает полярные сияния и магнитные бури на Земле. Он состоит в основном из ионизированных атомов водорода и гелия. Магнитное поле Земли предохраняет нас от замагниченного солнечного ветра.

В настоящее время Солнце является желтым карликом.

Излучение Солнца представляет собой сумму излучений разной температуры: рентгеновского, ультрафиолетового, оптического, инфракрасного и радиоизлучения. Основную долю потока солнечной энергии составляет оптическое излучение, которое совпадает с излучением тела, нагретого до 5780 К.

Солнечная активность. На поверхности Солнца в фотосфере периодически возникают холодные темные области - солнечные пятна, вызванные изменением магнитного поля. Это - проявление солнечной активности, которая представляет собой совокупность всех нестационарных процессов на Солнце. Пятна обычно появляются группами, существуют в среднем 10-20 суток, имеют температуру около 3500-4000 К, достигают размеров 100-200 тыс.км (небольшие пятна имеют поперечный диаметр несколько тысяч километров), обладают большим локальным магнитным полем, превышающим среднее в несколько тысяч раз. Такое интенсивное поле тормозит движение газовых потоков из глубин Солнца, и на его поверхность поступает меньше энергии. Поэтому на ней и возникают холодные и темные участки.

В хромосфере и короне над фотосферным пятном возникают дополнительные потоки рентгеновского, а иногда и гамма-излучения, и выбрасываются потоки горячей плазмы. Так образуются вспышки и протуберанцы. Через 8 минут на Земле вследствие этого возникает внезапное ионосферное возмущение (резкое увеличение проводимости в нижней ионосфере) с изменением условий радиосвязи в отдельных частотных диапазонах. Ионосфера – это ионизованная проводящая оболочка земной атмосферы, расположенная на высотах 50-250 км от земной поверхности. Ионизация газов в ней осуществляется под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца. При солнечных вспышках происходит взрывоподобное выделение энергии, накопленной в солнечных магнитных полях, которая преобразуется в энергию коротковолнового излучения Солнца, в кинетическую энергию потоков солнечной плазмы, космических лучей (ядер атомов (преимущественно водородных), обладающих скоростями, близкими к скорости света в вакууме) и в энергию радиоизлучения.

С помощью телескопа пятна на Солнце наблюдал Г.Галилей (1564–1642) в 1610 г. По перемещению пятен он установил, что Солнце вращается, и оценил период его вращения. До Г.Галилея астрономы наблюдали наиболее крупные группы пятен невооруженным глазом.

В 1843 г. астроном Г.Швабе (1789-1875) установил, что количество пятен на поверхности Солнца изменяется со временем: в годы минимума их может не быть совсем, а в годы максимума их число может быть равным многим десяткам. Швейцарский астроном Р.Вольф (1816-1896) определил, что среднее за год число пятен изменяется с характерным периодом около 11.2 лет (от 7 до 17 лет) и для характеристики солнечной активности ввел так называемое число Вольфа W. Оно определяется как сумма общего количества пятен на Солнце f и удесятерённого числа групп пятен g, причем изолированное одиночное пятно тоже считается группой: W=f+10g. Числа Вольфа определены с 1750 г. (рис.1) Рост активности Солнца, связанной с изменением числа солнечных пятен, составляет в среднем 4.2 года, а спад - 7 лет. Колебания солнечной активности в 11-летнем цикле изменяют интенсивность излучения Солнца не более чем на 0.2% (вблизи Земли за пределами атмосферы она равна в настоящее время 0.1368 Вт/см²).

 

Среднегодовые числа Вольфа

Годы

Рис. 1. Изменение активности Солнца с 1700 г.

 

Под воздействием меняющейся солнечной активности в 11-летнем цикле колеблется толщина озонового слоя, предохраняющего живые организмы на Земле от губительного для них ультрафиолетового излучения Солнца. Изменения указанной толщины могут достигать нескольких процентов (основная масса озона (О₃) в земной атмосфере сосредоточена на высоте 20 км над поверхностью Земли). Ее уменьшение увеличивает риск заболеваемости раком кожи, число мутаций (необратимых изменений наследственного вещества организмов), влияет на интенсивность фотосинтеза, а, следовательно, и на концентрацию в зеленых растениях активных биологических веществ.

Впервые разрушение озонового слоя под воздействием солнечных космических лучей было экспериментально обнаружено после мощной солнечной вспышки, произошедшей 4 августа 1972 г. Частицы космических лучей расщепляют и ионизируют молекулы атмосферного азота (N₂), который затем очень быстро окисляется кислородом до оксида NО, являющегося катализатором разрушения озона:

NO + O₃ ® NO₂ + O_2,

NO₂ + O ® NO + O₂.

 

Следует отметить, что после указанной солнечной вспышки концентрация озона в земной атмосфере восстанавливалась больше месяца.

Влияние cолнечной активности на биосферу. Максимум 23-го 11-летнего цикла солнечной активности наблюдался в конце 2000 г. (нулевой номер присвоен циклу, максимум активности которого был в 1750 г.) На годы, соответствующие максимуму активности Солнца, часто приходятся яркие природные и исторические события: изменение климата, катастрофы, эпидемии, рост политической, экономической и иной активности, войны, революции и т.д.

Зависимость между циклами солнечной активности и многими явлениями в биосфере была установлена в начале ХХ в. русским ученым А.Л.Чижевским (1897-1964) на основе многолетних статистических исследований. А.Л.Чижевский является основоположником гелиобиологии – направления в науке, изучающего воздействие Солнца на живые организмы.

Рассмотрим один из примеров солнечно-биосферных связей, подробно изученный А.Л.Чижевским. В 20-х гг. ХХ в. он открыл ритмы в эпидемиях и обнаружил соответствие между заболеваемостью и смертностью для ряда инфекционных болезней и числами Вольфа. На рис.2 представлено сопоставление смертности от дифтерии в городах Дании в 1860-1911 гг. с солнечной активностью, характеризуемой указанными числами. В 1894 г. были введены профилактические мероприятия, что нарушило соответствие между активностью Солнца и смертностью от дифтерии.

 

Рис.2. Сопоставление смертности от дифтерии n в городах Дании в 1860-1911 гг. (1) и чисел Вольфа W (2). Вертикальная черта соответствует введению профилактических мероприятий в 1894 г. (А.Л. Чижевский).

 

Сопоставление данных о заболеваниях у растений, животных и людей с солнечной активностью позволяет сделать вывод о том, что при ее изменениях, видимо, меняются болезнетворные свойства бактерий и вирусов.

Вспышки массового размножения насекомых повторяются каждые 11-12 лет, что совпадает с 11-летним циклом активности Солнца.

11-летние циклы наблюдаются в частоте следования инфарктов миокарда. Из медицинской статистики также следует, что число инфарктов резко увеличивается в дни сильных магнитных бурь. Поэтому в некоторых больницах пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями в дни магнитных бурь помещают в специальные экранированные палаты, защищающие их от возмущений земного магнитного поля. Связь с солнечной активностью также установлена для пневмонии, хронических бронхитов, бронхиальной астмы, глаукомы, экзем, поздних токсикозов беременности и для других заболеваний.

Солнечные ритмы обнаружены и для процессов в обществе. Еще А.Л. Чижевский показал, что с увеличением чисел Вольфа на территории России растет количество преступлений, совершенных из-за утраты контроля над своими поступками под влиянием сильных эмоций. Он также сделал вывод о том, что революции, как правило, происходят в годы, близкие к годам максимумов 11-летних солнечных циклов. По данным полиции Чикаго, число потенциальных участников преступных группировок в годы повышенной активности Солнца возрастает примерно на 25% за счет усиления агрессивности в среде подростков и безработных.

В годы солнечных максимумов люди становятся более возбудимыми и нервными, что и приводит к усилению вероятности возникновения конфликтов между ними. Особенно опасным является воздействие Солнца на тех, кто работает на пределе нервной нагрузки – например, на летчиков, авиадиспетчеров, водителей и т.д. Именно поэтому годы повышенной солнечной активности отличаются от других лет возрастанием количества авиа-, авто- и других аналогичных катастроф. Кроме этого, в годы активного Солнца увеличивается число техногенных катастроф, т.к. в моменты колебаний земного магнитного поля нарушается радиосвязь и наводятся индукционные электрические токи, например, в линиях электропередач или трубопроводах. В 1989 г., когда наблюдался солнечный максимум, в Канаде целая провинция осталась без света из-за массового сгорания трансформаторов. Всплески солнечной активности также приводят к увеличению брака в высокотехнологичных отраслях экономики.

Английский экономист У.Джевонс (1835-1882) пришел к выводу о связи между промышленными кризисами и периодическими изменениями солнечной активности.

Российский экономист Н.Д.Кондратьев (1892-1938) на основе анализа статистических данных о динамике цен, заработной платы, объема внешней торговли, а также производства основных видов промышленной продукции и нововведений в промышленности и сельском хозяйстве в ведущих странах мира установил в 20-х годах ХХ века, что мировая экономика развивается циклами, средняя продолжительность которых от 48 до 55 лет. Они прослеживаются в мировой экономической системе с начала ХVIII века. В настоящее время наблюдается спад. Установлено, что поворотные пункты в мировой экономике соответствуют максимумам солнечной активности (рис.3).

 

Рис.3. Сопоставление циклов мировой экономики, открытых Н.Д.Кондратьевым, с солнечной активностью (С.Эртель, Германия).

Экспериментальные исследования показывают, что воздействие солнечной активности на биосферу осуществляется в соответствии со следующей схемой: процессы на Солнце → возмущения электромагнитных полей в среде обитания живых организмов → реакция организмов на возмущенные электромагнитные поля.

Солнечная активность влияет на процессы, происходящие на Земле через изменение коротковолнового излучения Солнца (прежде всего ультрафиолетового и рентгеновского, а иногда – и гамма-излучения) и через изменение солнечного ветра.

Историческая геология свидетельствует, что в прежние геологические эпохи на нашей планете временами наступали похолодания. Самое раннее из установленных на Земле оледенений было около 2500 млн. лет назад. После нескольких фаз оледенений, которые происходили примерно 2500-2200 млн. лет назад, наступил длительный перерыв продолжительностью около 1500 млн. лет, когда оледенений не было или же они были такими слабыми, что не оставили следов. Примерно 900 млн. лет назад оледенения возобновились и стали происходить с интервалом 50-100 млн. лет.

Вероятнее всего оледенения связаны с уменьшением светимости Солнца. По-видимому, в современную эпоху приблизительно один раз в 80-100 млн. лет светимость Солнца падает и в течение нескольких миллионов лет оказывается ниже средних значений. Ученые предполагают, что характер солнечной светимости изменяется циклически: в течение 1.5 млрд. лет Солнце ведет себя как стационарная звезда, а затем приблизительно столько же времени пульсирует с периодом 80-100 млн. лет. Такие колебания солнечной светимости оказывают сильное влияние на эволюцию биосферы, заставляя живые организмы на Земле приспосабливаться к меняющемуся климату и другим факторам.