Открыл пятна на солнце. Солнечные пятна

Факелы

Гранулы - это малые (размером около 1000 км) элементы, похожие на ячейки неправильной формы, которые как сетка покрывают всю фотосферу Солнца , за исключением солнечных пятен . Эти поверхностные элементы являются верхней частью уходящих вглубь Солнца конвективных ячеек. В центре этих ячеек горячее вещество поднимается из внутренних слоев Солнца , затем растекается горизонтально по поверхности, охлаждается и опускается вниз на темных внешних границах ячейки. Отдельные гранулы живут совсем недолго, всего около 20 минут. В результате сетка грануляции постоянно меняет свой вид. Это изменение хорошо видно в фильме (470 kB MPEG) , полученом на Вакуумном Солнечном Телескопе в Швеции (Swedish Vacuum Solar Telescope). Потоки внутри гранул могут достигать сверхзвуковых скоростей более 7 км в секунду и производить звуковые "удары", которые приводят к формированию волн на поверхности Солнца .

Супергранулы

Супергранулы имеют конвективную природу, схожую с природой обычных гранул, но обладают заметно большими размерами (около 35,000 км). В отличие от гранул, которые видны на фотосфере обычным глазом, супергранулы чаще всего обнаруживают себя по эффекту Доплера, в соответствиии с которым излучение, поступающее от вещества, движущегося к нам, смещается по оси длин волн в голубую сторону, а излучение вещества, движущегося от нас, смещается в красную сторону. Супергранулы также покрывают всю поверхность Солнца и непрерывно эволюционируют. Отдельные супергранулы могут жить один или два дня и иметь среднюю скорость течения около 0.5 км в секунду. Конвективные потоки плазмы внутри супергранул сгребают линии магнитного поля к краям ячейки, где это поле формирует хромосферную сетку.

Вещества и, как следствие, снижением потока переноса тепловой энергии в этих областях.

Количество пятен на Солнце (и связанное с ним число Вольфа) - один из главных показателей солнечной магнитной активности .

История изучения

Первые сообщения о пятнах на Солнце относятся к наблюдениям 800 года до н. э. в Китае .

Зарисовки пятен из хроники Иоанна Вустерского

Впервые пятна были зарисованы в 1128 году в хронике Иоанна Вустерского .

Первое известное упоминание солнечных пятен в древнерусской литературе содержится в Никоновской летописи , в записях, относящихся ко второй половине XIV века :

бысть знамение на небеси, солнце бысть, аки кровь, и по нем места черны

бысть знамение в солнце, места черны по солнцу, аки гвозди, и мгла велика была

Первые исследования фокусировались на природе пятен и их поведении . Несмотря на то, что физическая природа пятен оставалась неясной вплоть до XX века , наблюдения продолжались. К XIX веку уже имелся достаточно продолжительный ряд наблюдений пятен , чтобы заметить периодические вариации в активности Солнца. В 1845 году Д. Генри и С. Александер (англ. S. Alexander ) из Принстонского университета провели наблюдения Солнца с помощью специального термометра (en:thermopile) и определили, что интенсивность излучения пятен, по сравнению с окружающими областями Солнца, понижена .

Возникновение

Пятна возникают в результате возмущений отдельных участков магнитного поля Солнца. В начале этого процесса трубки магнитного поля «прорываются» сквозь фотосферу в область короны, и сильное поле подавляет конвективное движение плазмы в гранулах , препятствуя в этих местах переносу энергии из внутренних областей наружу. Сначала в этом месте возникает факел , чуть позже и западнее - маленькая точка, называемая по́ра , размером несколько тысяч километров. В течение нескольких часов величина магнитной индукции растет (при начальных значениях 0,1 тесла), размер и количество пор увеличивается. Они сливаются друг с другом и формируют одно или несколько пятен. В период наибольшей активности пятен величина магнитной индукции может достигать 0,4 тесла.

Срок существования пятен достигает нескольких месяцев, то есть отдельные группы пятен могут наблюдаться в течение нескольких оборотов Солнца. Именно этот факт (движение наблюдаемых пятен по солнечному диску) послужил основой для доказательства вращения Солнца и позволил провести первые измерения периода обращения Солнца вокруг своей оси.

Пятна обычно образуются группами, однако иногда возникает одиночное пятно, живущее всего несколько дней, или биполярная группа: два пятна разной магнитной полярности, соединённые линиями магнитного поля. Западное пятно в такой биполярной группе называется «ведущим», «головным» или «P-пятном» (от англ. preceding ), восточное - «ведомым», «хвостовым» или «F-пятном» (от англ. following ).

Только половина пятен живёт больше двух дней, и всего десятая часть - более 11 дней.

В начале 11-летнего цикла солнечной активности пятна на Солнце появляются на высоких гелиографических широтах (порядка ±25-30°), а с ходом цикла пятна мигрируют к солнечному экватору, в конце цикла достигая широт ±5-10°. Эта закономерность носит название «закон Шпёрера ».

Группы пятен ориентируются приблизительно параллельно солнечному экватору, однако отмечается некоторый наклон оси группы относительно экватора, который имеет тенденцию к увеличению для групп, расположенных дальше от экватора (т. н. «закон Джоя »).

Свойства

Фотосфера Солнца в области, где располагается пятно, расположена примерно на 500-700 км глубже, чем верхняя граница окружающей фотосферы . Это явление носит название «вильсоновской депрессии ».

Пятна - области наибольшей активности на Солнце. В случае, если пятен много, то существует высокая вероятность того, что произойдет пересоединение магнитных линий - линии, проходящие внутри одной группы пятен, рекомбинируют с линиями из другой группы пятен, имеющими противоположную полярность. Видимым результатом этого процесса является солнечная вспышка . Всплеск излучения, достигая Земли, вызывает сильные возмущения её магнитного поля, нарушает работу спутников и даже оказывает влияние на расположенные на планете объекты. Из-за нарушений магнитного поля Земли увеличивается вероятность возникновения северных сияний в низких географических широтах. Ионосфера Земли также подвержена флуктуациям солнечной активности, что проявляется в изменении распространения коротких радиоволн.

Классификация

Пятна классифицируют в зависимости от срока жизни, размера, расположения.

Стадии развития

Локальное усиление магнитного поля, как было сказано выше, тормозит движение плазмы в конвекционных ячейках, тем самым замедляя вынос тепла на фотосферу Солнца. Охлаждение затронутых этим процессом гранул (примерно на 1000 °C) приводит к их потемнению и формированию единичного пятна. Некоторые из них исчезают через несколько дней. Другие развиваются в биполярные группы из двух пятен, магнитные линии в которых имеют противоположную полярность. Из них могут сформироваться группы из множества пятен, которые в случае дальнейшего увеличения области полутени объединяют до сотни пятен, достигая размеров в сотни тысяч километров. После этого происходит медленное (в течение нескольких недель или месяцев) снижение активности пятен и уменьшение их размеров до маленьких двойных или одинарных точек.

Самые крупные группы пятен всегда имеют связанную группу в другом полушарии (северном или южном). Магнитные линии в таких случаях выходят из пятен в одном полушарии и входят в пятна в другом.

Размеры групп пятен

Размеры группы пятен принято характеризовать её геометрической протяжённостью, а также количеством входящих в неё пятен и их полной площадью.

В группе может насчитываться от одного до полутора сотен и более пятен. Площади групп, которые удобно измерять в миллионных долях площади солнечной полусферы (м.с.п.), варьируются от нескольких м.с.п. до нескольких тысяч м.с.п.

Максимальную площадь за весь период непрерывных наблюдений групп пятен (с 1874 по 2012 годы) имела группа № 1488603 (по Гринвичскому каталогу), появившаяся на диске Солнца 30 марта 1947 года, в максимуме 18-го 11-летнего цикла солнечной активности . К 8 апреля её полная площадь достигла 6132 м.с.п. (1,87·10 10 км², что более чем в 36 раз превышает площадь земного шара). На фазе своего максимального развития эта группа состояла из более чем 170 отдельных солнечных пятен.

Цикличность

Солнечный цикл связан с частотой появления пятен, их активностью и сроком жизни. Один цикл охватывает примерно 11 лет. В периоды минимума активности пятен на Солнце очень мало или нет вообще, в то время как в период максимума их может наблюдаться несколько сотен. В конце каждого цикла полярность солнечного магнитного поля меняется на противоположную, поэтому правильнее говорить о 22-летнем солнечном цикле.

Длительность цикла

Хотя в среднем цикл солнечной активности длится около 11 лет, бывают циклы длиной от 9 до 14 лет. Средние значения также меняются на протяжении столетий. Так, в XX веке средняя длина цикла составила 10,2 года.

Форма цикла непостоянна. Швейцарский астроном Макс Вальдмайер утверждал, что переход от минимума к максимуму солнечной активности происходит тем быстрее, чем больше максимальное количество солнечных пятен, зарегистрированное в этом цикле (т. н. «правило Вальдмайера »).

Начало и конец цикла

В прошлом началом цикла считался момент, когда солнечная активность пребывала в точке своего минимума. Благодаря современным методам измерений стало возможно определять изменение полярности солнечного магнитного поля, поэтому сейчас за начало цикла принимают момент изменения полярности пятен. [ ]

Нумерация циклов была предложена Р. Вольфом . Первый цикл, согласно этой нумерации, начался в 1749 году. В 2009 году начался 24-й солнечный цикл.

• Данные последней строки - прогноз

Существует периодичность изменения максимального количества солнечных пятен с характерным периодом около 100 лет («вековой цикл»). Последние минимумы этого цикла приходились примерно на 1800-1840 и 1890-1920 годы. Есть предположение о существовании циклов ещё большей длительности.

В последние годы ученые заметили, что Магнитное поле Земли ослабевает . Оно ослабевало последние 2000 лет, но в последние 500 лет этот процесс происходит неслыханными темпами.

Солнечное поле, напротив, сильно усилилось за последние 100 лет. С 1901 года солнечное поле усилилось на 230 %. Пока, ученые не совсем понимают, какие последствия это повлечет для землян.

Усиление Солнечного поля :

Согласно данным Наса, следующий, 24-й Солнечный цикл уже начался. В начале 2008 года была зафиксирована вспышка на Солнце, свидетельствующая об этом. Как предполагается, своего пика этот цикл достигнет к 2012 году .

Что же такое, эти темные пятна на солнце ? Попробуем разобраться.

Когда то, темные пятна на солнце считались мистическим явлением. Так считали до тех пор, пока не была установлена связь между пятнами на солнце и количеством тепла, выделяемого солнцем. Бурлящий на солнце газ создает мощнейшее магнитное поле, которое в некоторых местах разрывается, создавая что-то наподобие дыры или темного пятна, тем самым высвобождая часть своей энергии в космическое пространство.

Темные пятна рождаются внутри светила. У Солнца , как и у Земли, есть экватор. На солнечном экваторе скорость вращения энергии больше чем на солнечных полюсах. Таким образом, происходит постоянное перемешивание и взбалтывание солнечной энергии и в местах ее высвобождения, на поверхности Солнца, появляются темные пятна. Тепло от короны распространяется в космос.

День за днем солнце нам кажется одинаковыми. Однако, это не так. Солнце постоянно изменяется. длятся, в среднем, по 11 лет. «Солнечный минимум » – это цикл, с практически полным отсутствием пятен. Минимумы оказывает успокаивающее влияние на Землю, с ними связывают периоды похолодания на земле. «Солнечные максимумы » – это цикл, в период которого образуется множество пятен и коронарных выбросов .

Когда солнце очень активно, образуется много темных пятен и энергетические выбросы Солнца вызывают возмущение магнитного поля Земли, в связи с чем и было введено понятие «солнечный шторм », а в рамках долговременного процесса, объединить понятием «космическая погода».

Солнечный шторм

В период солнечного максимума коронарная активность наблюдается даже на полюсах Солнца . Вспышка на Солнце эквивалентна миллиардам мегатонн динамита. Концентрированные выбросы выделяют огромное количество энергии, которая достигает Земли примерно за 15 минут. Солнечные выбросы оказывают влияние не только на магнитное поле Земли, но и на космонавтов, на орбитальные спутники, на Земные электростанции, на самочувствие людей, а иногда вызывают повышение радиационного уровня. В 1959 году один наблюдатель увидел вспышку невооруженным глазом. Если сегодня случится подобная вспышка, то около 130 миллионов людей останутся без электричества, как минимум, на месяц. Все важнее понимать и прогнозировать солнечную погоду. Для этого в космическое пространство запущены спутники, с помощью которых можно наблюдать за пятнами на солнце еще до того, как оно повернется к Земле ударной стороной. Солнечная энергия дает жизнь всему, что существует на Земле. Солнце защищает нас от космического воздействия. Но защищая нас, иногда, оно может и навредить. Жизнь на Земле существует в результате очень тонкого баланса.

В древности Солнце обожествляли. И не только Солнце, но и вообще все небесное. Вероятно, с тех давних пор дошло до нас известное противопоставление идеально совершенного неба и грешной, несовершенной Земли. «Отличается, как небо от Земли»,— говорим мы о вещах, во всем не похожих друг на друга.

В реальном мире трудно найти более подходящий предмет для религиозного поклонения, чем Солнце. В культе Солнца люди инстинктивно выражали верную идею о зависимости всего земного от Солнца. И этот культ проник даже в древнегреческую философию — учение о «совершенстве» небес было освящено авторитетом Аристотеля и его учеников. Впрочем, в те времена солнцепоклонники встречались во всех уголках земного шара.

Вы, вероятно, догадались, к чему я завел этот разговор. Когда кто-нибудь из древних наблюдателей замечал пятна на Солнце, он не только совершал научное открытие,

но и оскорблял божество. Открытие ценилось лишь потомками, расправа за оскорбление наступала немедленно. По этим причинам открытие солнечных пятен решало принципиальный спор — совершенны ли небеса или ничто земное им не чуждо.

Трудно сказать, кто первый заметил на Солнце пятна. Их описывали древние китайские летописцы, арабские и армянские хроники, русские летописи, средневековые историки,— все они отмечают, что изредка на Солнце появляются какие-то темные образования, больше всего похожие на гвозди, как бы вбитые в Солнце. Слово «пятно» появилось позже, в XVII веке, когда впервые удалось рассмотреть солнечные пятна в телескоп.

В истории науки нередки случаи, когда открытие совершают сразу и независимо друг от друга несколько ученых. Так было и в начале XVII века, когда честь открытия солнечных пятен оспаривали трое ученых — великий итальянец Галилео Галилей, голландец Иоганн Фабрициус и немецкий профессор-иезуит Христофор Шейнер.

Увидеть солнечные пятна в телескоп — дело нехитрое. Стоит лишь, защитив глаза темным фильтром, направить телескоп на Солнце, и на его поверхности почти всегда удается заметить пятна. Древние же наблюдения солнечных пятен невооруженным глазом были или забыты, или еще неизвестны.

Первая книга о солнечных пятнах появилась в 1611 году. В ней Иоганн Фабрициус рассказывает, что еще в декабре 1610 года он однажды утром, наблюдая Солнце в телескоп, заметил на нем черное пятно, которое сначала посчитал за далекое маленькое облако. Однако через некоторое время, когда Солнце уже было высоко в небе, странное темное «облачко» осталось на прежнем месте солнечного диска. Когда же и на следующее утро Фабрициус увидел на Солнце то же самое пятно и в том же месте, всякие сомнения исчезли — пятно не было облаком, а принадлежало Солнцу!

Через несколько дней на Солнце появились новые пятка, а прежнее пятно изменило форму и заметно сдвинулось к западному краю Солнца. Еще через несколько дней оно исчезло за этим краем, но спустя две недели снова появилось на противоположном, восточном краю. Напрашивался вывод, что огромный солнечный шар медленно вращается вокруг оси, завершая полный оборот примерно за месяц.

Книга Фабрициуса уже готовилась к печати, когда в марте 1611 года Шейнер в свой телескоп впервые заметил солнечные пятна и показывал их своим ученикам. Однако, в отличие от Фабрициуса, Шейнер не торопился с публикацией. Он прекрасно понимал, что пятна на Солнце прежде всего запятнают его авторитет профессора-иезуита, пропагандиста аристотелевского учения о «неприкосновенной чистоте» небес. Лишь в декабре 1611 года Шейнер рискнул написать об открытии солнечных пятен, впрочем и здесь поступив вполне по-иезуитски. Не желая неприятностей, Шейнер заявил, что открытые им образования — это не пятна на Солнце, а неизвестные близкие к Солнцу планеты, в виде черных пятен проектирующиеся на солнечный диск.

Галилей открыл солнечные пятна, по-видимому, еще в середине 1610 года, но нигде не заявил о своем открытии. Однако в апреле 1611 года в Риме Галилей показывал солнечные пятна в свой телескоп тем, кто интересовался его астрономическими открытиями. Осторожность Галилея понятна,— все, что он увидел в небе, вооружив свои глаза телескопом, шло вразрез не только с философией Аристотеля, но и с учением церкви. В такой ситуации солнечные

пятна могли быть последней каплей, переполнявшей терпение врагов великого ученого.

И все-таки, как это ни было опасно, Галилей ввязался в спор о природе солнечных пятен. Он принял сторону Фабрициуса и убедительно доказал новыми наблюдениями, что пятна — не планеты, а какие-то образования на солнечной поверхности.

Следует все-таки помянуть добрым словом и Шейнера. Он согласился с доводами Галилея и усердно наблюдал солнечные пятна вплоть до 1627 года. Шейнер уточнил период вращения Солнца и описал свои наблюдения в объемистом фолианте, содержащем около 800 страниц!

И на Солнце есть пятна — с этой истиной в конце концов пришлось согласиться и недоверчивым ученым и правоверным церковникам. Почти два века астрономы продолжали наблюдать на Солнце пятна, не открывая при этом ничего принципиально нового. Лишь в прошлом веке неожиданно выявилось, что число пятен на Солнце колеблется по определенному закону.

Генрих Швабе, скромный немецкий аптекарь, живший в прошлом веке в Германии, был любителем астрономии. Заметим, что не во всяком деле возможно, а тем более полезно «любительство». Вы, вероятно, не рискнули бы обратиться к помощи хирурга-любителя. Но в астрономии любители играли, а отчасти играют и теперь большую роль. Астрономов-специалистов всегда было мало. Они не успевали следить за всем, что происходит на небе. Тут и приходили на помощь многочисленные любители астрономии. Они открывали новые планеты и кометы, вели регулярные наблюдения переменных звезд, регистрировали появление метеоров. Словом, почти во всех областях астрономии добросовестный наблюдатель, вооруженный пусть даже скромным оптическим инструментом, может принести пользу науке. Некоторые же из любителей астрономии, как Генрих Швабе, совершили великие открытия.

В 1826 году Швабе приобрел небольшой телескоп и занялся поисками неизвестных планет, более близких к Солнцу, чем Меркурий. Тема эта в те годы была модной, и каждому хотелось стать первооткрывателем. Очевидно, если есть неизвестные планеты, они должны временами проектироваться на солнечный диск. С первого взгляда они будут похожими на солнечные пятна, но детали строения выявят истинную природу подозрительных объектов. Вот

почему Швабе с чисто немецкой пунктуальностью на протяжении многих лет регистрировал в своих журналах все Появлявшиеся на Солнце пятна.

И тут, разыскивая одно, Швабе неожиданно открыл совсем другое. Выявилось, что примерно каждые десять лет число солнечных пятен становится наибольшим. Через пять лет после этого оно снижается до минимума: в иные дни Солнце выглядит совсем по Аристотелю — ослепительно чистым. Первое сообщение о своем открытии Швабе опубликовал в 1843 году. Однако оно стало широкоизвестным лишь восемь лет спустя, когда знаменитый естествоиспытатель Александр Гумбольдт в своей книге «Космос» оповестил весь мир о наблюдениях Швабе.

Открытие загадочного солнечного ритма заинтересовало астронома Цюрихской обсерватории Рудольфа Вольфа. Он собрал все телескопические наблюдения солнечных пятен, а также их описание в старинных хрониках. За больший промежуток времени четче выражается и ритм солнечного пульса. В 1852 году Вольф нашел, что максимальное количество пятен заполняет солнечный диск каждые 11,1 года (а не раз в 10 лет, как подсчитал Швабе). Три года спустя, став директором Цюрихской обсерватории, Вольф впервые организовал постоянные систематические наблюдения солнечных пятен — наглядного выражения так называемой солнечной активности.

Примеру Вольфа вскоре последовали и астрономы других обсерваторий. Постепенно сложилась «служба Солнца» — регулярные, никогда не прекращающиеся доныне наблюдения Солнца на множестве обсерваторий земного шара. Кроме того, Вольф обнаружил связи солнечной активности с полярными сияниями, магнитными бурями и другими явлениями на Земле. Это был один из первооткрывателей Солнца, астроном-специалист, всю свою жизнь посвятивший изучению Солнца и солнечно-земных связей. Не подумайте, что после Вольфа астрономы-любители, исследователи Солнца, уже не совершали открытий. Приведу только один пример.

В Московском планетарии много лет в должности заведующего диапозитивным фондом работал Алексей Петрович Моисеев. Впервые я его увидел в 1934 году на заседании отдела Солнца Московского астрономо-геодезического общества. Высокого роста, худощавый, скромно одетый, Моисеев не любил говорить о себе, о своих открытиях.

Долгое время я не знал, что этот уже немолодой любитель астрономии, вооруженный астрономической трубой с поперечником объектива всего 34 мм, внес большой вклад в изучение Солнца и его активности.

Моисеев открыл, что радужные кольца вокруг Солнца и Луны, так называемые галосы, связаны с солнечными пятнами. С теми же пятнами, по его исследованиям, связаны частота появления перистых облаков, частота и сила гроз.

Это был терпеливый исследователь природы, буквально каждый день наблюдавший Солнце. И так из года в год, из десятилетия в десятилетие.

Легко понять, что в один и тот же момент в большой телескоп на Солнце увидишь пятен гораздо больше, чем в маленький. Чтобы сравнить между собой столь разнородные наблюдения, их путем расчетов приводят (редуцируют) к какому-нибудь телескопу, принимаемому за стандарт. Иначе говоря, теоретически подсчитывают, что можно было бы увидеть, если заменить данный телескоп стандартным.

За рубежом «стандартным» телескопом издавна считался тот, в который когда-то наблюдал Вольф. В Советском Союзе долгое время все наблюдения солнечных пятен редуцировали к крошечному телескопу Алексея Петровича Моисеева.

Это ли не знак уважения скромного труженика науки, не имевшего официального диплома астронома, но всей своей жизнью показавшего себя настоящим ученым?

Еще интересные статьи