§ 20. Сонячна активність та її вплив на Землю

На соняшій поверхні часто спостерігаються особливі утворен­ня: ділянки з підвищеною яскравістю - факели, ділянки із зниженою яскравістю - плями, інколи з'являються короткоживучі дуже яскраві спалахи, а на краю диска помітні протуберанці. Всі вони є активни­ми утворами на Сонці, а їхня поява і розвиток - це прояв со­нячної активності.

Місця, де спостерігаються активні утвори, отримали назву актив­них зон. їхня головна характеристика - це сильні локальні магнітні по­ля, які виходять на поверхню Сонця і є набагато сильнішими від його регулярного магнітного поля.

1. Сонячні плями. Активні зони у фотосфері проявляють себе передовсім сонячними плямами. За контрастом із фотосферою с о -нячні плями мають вигляд темних утворень, тому що температура

речовини в них менша, ніж у навко­лишніх ділянках фотосфери: у вели­ких плямах вона сягає лише 4 500 К. Трапляються як поодинокі плями, так і їхні групи. Розміри плям в середньо­му рівні 40 000 км, проте бувають пля­ми діаметром до 180 000 км.

У великій плямі виділяють значно темніше ядро і півтінь (мал. 20.1). Час життя поодиноких плям досягає кіль­кох місяців, для груп плям він іноді об­межений кількома годинами.

Ще 1908 р. було доведено, що в плямах є сильні магнітні поля, які ви­никають при конвективних рухах речовини у підфотосферних шарах.

Мал. 20.1. Сонячна пляма

Індукція магнітного поля в плямах до­сягає 0,5 Тл. Сильне магнітне поле гальмує вихід гарячої сонячної речовини з його надр, і саме тому температура поверхні Сонця у цьому місці знижується.

Пляма, в якій магнітні силові лінії виходять з-під поверхні, має північну полярність N, якщо ж ці лінії йдуть під поверхню - південну S. Магнітні силові лінії, які виходять із плям, іноді простя­гаються далеко за поверхню Сонця, у хромосферу і корону.

Мал. 20.2. Факели

На сонячному диску спостерігаються світлі утвори - факели ( мал. 20.2), вони є повсюдними супутника­ми плям. Оскільки в самій плямі потік енергії менший (а з глибини Сон­ця він рівномірний у всіх напрямках), то ділянка поруч з плямою - фа­кел - це місце, де її надходить більше.

2. Циклічність сонячної активності. В середині XIX ст. було виявлено, що в різні роки кількість плям на Сонці неоднакова. Є роки, коли їх багато - це максимум активності. І навпаки, бувають роки, коли їх на Сонці дуже мало - це мінімум активн

де q - кількість груп плям, / - загальна кількість усіх плям, які є в цей момент на диску Сонця.

Обчислення чисел Вольфа проводять на кожний день. Після чого, зна­ходять середнє за місяць і середнє за рік значення числа Вольфа. Зреш­тою, можна скласти графік зміни цього статистичного параметра від року до року (мал. 20.3). Як видно, кількість плям на Сонці в наш час змінюється в середньому з періодом 11,1 року, тобто існує 11-річний цикл активності Сонця. Проте проміжки часу між двома максимумами можуть коливатись від 7,5 до 16 років, тому передбачити настання конкретного максимуму нелегко.

Мал. 20.3. Графік чисел Вольфа  Мал. 20.4. Графік чисел Вольфа за останні 250 років

Введено умовну нумерацію циклів, починаючи від того, що мав по­чаток у 1755 р. У 1996 р. розпочався 23-й цикл.

Максимуми числа W від циклу до циклу неоднакові (мал. 20.4). Імовірно, існує й віковий цикл сонячної активності - певна повторю­ваність найбільших максимумів через 80-90 років. Є припущення, що існує тисячолітній цикл, з періодом близько 1 100 років.

3. Протуберанці. При спостереженнях Сонця через густочервоний світлофільтр на краю диска видно своєрідні світлі виступи над поверхнею, його, які можуть простягатися далеко за межі хромосфери аж у корону (мал. 20.5).

Такі викиди речовини називаються протуберанцями (від лат. «протуберо» - «здуваюся»). Протуберанці - це речовина, яка підіймається над сонячною поверхнею і утримується над нею завдяки магнітному полю.

Протуберанці - найграндіозніші утво­рення в атмосфері Сонця. Довжина деяких з них сягає 200 000 км, товщина - кілька тисяч кілометрів. Оскільки найчастіше  протуберанці - це дуже плоскі й довгі, щільніші й холодніші від корони хмари газу, розташовані своєю пло­щиною майже перпендикулярно до поверхні Сонця, то в проекції на сонячний диск вони мають вигляд вигнутих темних волокон, часто витяг­нутих у напрямку схід-захід уздовж паралелі.

4. Сонячні спалахи. Досить часто над сонячними пляма­ми у хромосфері відбуваються хромосферні спалахи (мал. 20.6) -найбільш вражаючий прояв сонячної активності. В роки максимумів сонячної активності може трапитись до десяти спалахів за добу, тоді як у мінімумі впродовж багатьох місяців може не бути жодного.

Як правило, спалах починається зі швидкого зростання температури корони до 40 млн К, що призводить до сплеску м'якого рентгенівського випромінювання. Потім під зоною зростання температури в короні підвищується температура хромосфери. Найпотужніші спалахи видно без допомоги фільтра. Яскравість спалахів може бути на 50% більшою за яскравість фотосфери.

За сучасними уявленнями, спалах - це раптове виділення енергії, накопиченої у магнітному полі активної зони. На певній висоті над по­верхнею Сонця виникає зона, де магнітне поле на невеликому відрізку різко змінюється за величиною і напрямком. Це супроводжується при­-

скоренням заряджених частинок і пере­творенням їх на високоенергійні. При цьому речовина нагрівається, з'яв­ляється потужне електромагнітне ви­промінювання у рентгенівському, ульт­рафіолетовому та радіодіапазоні, а також у міжпланетний простір у радіальному напрямку викидається вузький­

Мал. 20.6. Хромосферний спалах

струмінь частинок високої енергії зі швидкостями 3 000-30 000 км/с. У деяких найпотужніших спалахах навіть народжуються сонячні космічні промені - електрони, протони, нейтрони, а-частинки та інші, що рухаються зі швидкостями до 0,2-0,8 швидкості світла.

Процес розвитку невеликих спалахів триває 5-10 хв, найпотужні­ших - до семи годин. За цей час у ділянці сонячної поверхні протяжністю лише 1 000 км виділяється енергія близько 10²¹-10²⁵ Дж, сумірна з енергією, що її випромінює Сонце з усієї своєї поверхні за 1 с, або з кількістю тепла, що його отримує Земля від Сонця за цілий рік.

З усіх активних утворень спалахи вирізняються своєю особливою здатністю впливати на геофізичний стан Землі. І хоча принцип утворен­ня спалахів вчені зрозуміли, детальної теорії поки що немає.

5. Вплив сонячної активності на магнітосферу і атмосферу Землі. Оскільки під час спалаху потік рентгенівських квантів зрос­тає у 100-400 разів, то вже через 8 хв 20 с вони досягають орбіти Землі й проникають в іоносферу. Жорстке випромінювання спричи­няє додаткову іонізацію повітря. Як наслідок, змінюється щільність іоносферних шарів і їхня відбивна здатність, а тому одразу ж пору­шується зв'язок на коротких радіохвилях. Почасти також руй­нується озоновий шар, і до поверхні Землі проникає підвищена кількість ультрафіолету.

Через декілька годин після спалаху Землі досягає потік високо-енергійних частинок. Завдяки наявності геомагнітного поля вони не

потрапляють на земну поверхню, але в районах магнітних полюсів, де силові магнітні лінії виходять з поверхні або входять у неї, частинки

проникають до висот 100 км, іонізують і збуджують атоми повітря. При поверненні атомів до нейтрального стану відбувається висвічування, яке спостерігається у вигляді полярних сяйв - дивовижних   за красою явищ(мал.20.7). Мал. 20.7. Полярне сяйво

6. Магнітні бурі. Ще через 1-2 доби Землі досягає підсиле­ний потік сонячного вітру. Під його дією земна магнітосфера стис­кається. Але, як відомо з § 13, навколо Землі у пастці силових гео­магнітних ліній є багато заряджених частинок (радіаційні пояси). На висоті 3-5R вони утворюють в екваторіальній площині електричний струм, що тече зі сходу на захід. Цей струм, у свою чергу, створює власне магнітне поле, яке додається до геомагнітного. При посиленні сонячного вітру збільшується кількість заряджених частинок в радіаційних поясах, тому збільшується і екваторіальний електричний струм. Зростає при цьому і його магнітне поле, яке перешкоджає по­дальшому стисненню магнітосфери; більше того, вона розширюється.

При стисненні магнітосфери напруженість магнітного поля збільшу­ється, при розширенні, навпаки, зменшується. Так виникає окремий сплеск геомагнітного збурення тривалістю близько години. Потужні сонячні збурення обумовлюють тривале підсилення сонячного вітру. В магнітосферу надходить один імпульс за іншим. Виникає послідовна серія збурень геомагнітного поля, коли його напруженість швидко і різко змінюється - настає магнітна буря.

Під час магнітних бур збурення геомагнітного поля можуть досяга­ти такої сили, що в земній корі, у металевих предметах, у провідниках тощо індукуються досить сильні хаотичні електричні струми. Вони здатні спричиняти навіть аварії в телеграфно-телефонному зв'язку і ви­водити з ладу електричні прилади.

Так, під час сильної магнітної бурі 11 лютого 1958 p. у Швеції був за­реєстрований вихід з ладу електричної лінії, на кабелях горіла ізоляція, горіли запобіжники і трансформатори. А електричні збурення в земній корі можуть спровокувати землетруси в сейсмічно активних районах.

7. Вплив активності Сонця на погоду. Активність Сонця впливає на погоду. Цей зв'язок можна прослідкувати таким чином. Встановлено, що крім екваторіального кільцевого струму, в районах геомагнітних полюсів на віддалі 20 вночі та 10 удень на висоті близько 100 км приблизно вздовж магнітних паралелей також тече електричний струм. Після надходження від Сонця посиленого потоку заряджених частинок деяка їхня кількість за­тримується у високих широтах і підсилює цю течію. Збільшення струму призводить до додаткового розігріву атмосфери. Від місця розігріву вниз до тропосфери проникає хвилеподібний імпульс, який далі вздовж поверхні Землі поширюється впродовж кількох годин до низьких широт. Ці хвилі є тим енергетичним мостом між іоносферою і тропосферою, який передає енергію корпускулярних сонячних потоків погодному шару повітря. Вони підсилюють меридіональну циркуляцію повітря і зменшують зональну. Там, де тиск був низьким, він стає ще нижчим, а де був високим - ще ви­щим. За таких умов у тропічній зоні народжуються тайфуни, а у місцях з різко вираженим континентальним кліматом - засухи.

8. Сонячна активність і коливання клімату Землі. У ритмі з циклами сонячної активності настають певні коливання клімату Землі. У тисячолітньому циклі істотно коливається рівень води в озерах і морях, що видно на наступному прикладі.

У V ст. н. е. на березі Каспійського моря були збудовані порт Дер­бент і фортеця. Тепер залишки її стін перебувають на глибині близько 5 м, а в XI-XIV ст. ця глибина сягала 8 м.

Цікава також історія колонізації Ісландії. У 860 р. клімат цього ос­трова був значно м'якшим, ніж тепер. Родючі землі й багаті на рос­линність пасовиська були і в Гренландії, де в IX ст. існували два посе­лення із числом мешканців близько 5 000. Але з XIV ст. у північній півкулі, зокрема в Європі, різко похолодало, кількість опадів зросла. Заледеніння Арктики досягло значних розмірів, Гренландія була бло­кована льодом, і на 200 років зв'язок з нею перервався. А коли до неї пробилися через криги, там не було знайдено жодного мешканця.

9. Сонячна активність і біосфера Землі. Впливаючи на погоду і клімат, сонячна активність не може не впливати на рослинний світ. Бу­ло зібрано багато зрізів дерев з чітко вираженими річними кільцями. Се­ред них були зрізи секвойї віком 3 200 років і дев'ятнадцяти 500-річних дерев. У всіх дерев визначали товщину річних кілець з точністю до 0,01 мм. Виявилося, що в роки максимумів сонячної активності приріст дерев був більшим, ніж у роки мінімумів. А те, що врожайність сільсько­господарських культур і відповідно ціни на них співвідносяться з кількістю сонячних плям, стало вже класичним прикладом.

До сонячної активності небайдужий і тваринний світ. Тісно пов'яза­ні з 11-річним циклом періоди підвищеного розмноження каракуртів, бліх, пустельної саранчі тощо. Останню в періоди між піками сонячної активності взагалі не можна виявити.

До тваринного світу належать бактерії та віруси, що спричиняють різноманітні захворювання у людей і тварин. Через зміну їхньої чи­сельності та поведінки сонячна активність впливає на поширення епідемій і пандемій (розповсюдження хвороби на цілі країни та мате­рики), а також на поширення епізоотій (масових захворювань тварин). Як показав О. Чижевський, у роки високої сонячної активності вини­кають пандемії холери, грипу, дизентерії, дифтерії тощо.

10. Вплив сонячної активності на людину. Численні дослідження показали, що найчутливішими до змін напруженості гео­магнітного поля, обумовлених сонячною активністю, є нервова і серце­во-судинна системи людини.

Вплив виявляється по-різному: через зміну електричних властивос­тей тканин людського організму; через вільні радикали у клітинах; через індукційні струми, що виникають в організмі під впливом геомагнітних полів; через зміну проникності клітинних мембран тощо. Як наслідок, у людей з хворобами серцево-судинної системи під час геомагнітних бур погіршується стан, збільшується число інфарктів та інсультів.

У здорових людей змінюється сприйняття часу, сповільнюється рухова реакція, різко знижується короткочасна пам'ять, об'єм та інтенсивність уваги. Навіть у спеціально тренованих людей - спортсменів вищого класу та льотчиків - зафіксовано підвищену кількість помилок при виконанні кон­трольних завдань. Різкі й часті збільшення збуреності геомагнітного поля, впливаючи на візерунок біопотенціалів мозку, погіршують сон.

Все це відбивається на виконанні робіт, які вимагають точності та уваги, спричиняє збільшення травматизму на виробництві та кількості автотранспортних пригод. А люди з порушеннями функцій головного мозку в такі дні часто потрапляють на лікарняне ліжко.

Сонячна активність впливає на систему крові людини. Під час гео­магнітних бур швидкість згортання крові зменшується на 8%. А кількість білих кров'яних тілець - лейкоцитів, від яких, як відомо, залежить опір­ність організму різним інфекційним захворюванням, у роки активного Сон­ця знижується в 1,5-1,7 раза. Так що поширеність епідемій у цей час може залежати не лише від посилення діяльності патогенних мікроорганізмів.

Отже, можна з упевненістю сказати, що ізоляція біосфери від дії космічних чинників відносна. Біосфера дуже чуйно реагує на зміну па­раметрів зовнішнього середовища.

У зв'язку з цим дуже важливо вести регулярні спостереження за Сонцем і вміти аналізувати різні явища на ньому. Саме цим і займа­ються багато обсерваторій світу.

1. Що спричиняє появу плям на поверхні Сонця?

2. Що таке число Вольфа? 3. Що таке протуберанці?

4. Звідки береться енергія сонячних спалахів?

5. Що відомо про вплив окремих проявів сонячної активності на організм людини?

Вивчивши тему IV «СОНЦЕ - НАЙБЛИЖЧА ЗОРЯ»

необхідно знати:

* Сонце - найближча до нас зоря, джерело життя на Землі. * Сонце як газова куля не має твердої поверхні.

* Сонце обертається навколо своєї осі не як тверде тіло.

* Сонце, як і інші зорі, існує завдяки протидії двох сил -гравітації та газового тиску.

* Джерелом енергії Сонця є термоядерні реакції в його ядрі.

* Активність Сонця проявляється, зокрема, у кількості плям і спалахів на ньому.

* Існує тісний зв'язок між сонячною активністю і біосферою Землі.

ЗОРІ. ЕВОЛЮЦІЯ ЗІР

ЗОРІ. ЕВОЛЮЦІЯ ЗІР

Уявлення, за яким зорі - це далекі сонця, зародилося вже у давній Греції. Однак, як здавалось, природа і цих далеких світил, і близького Сон­ця назавжди залишиться нез'ясованою. Так і повчав своїх учнів філософ Сократ (469-399 pp. до н. е.): «Усе це назавжди залишиться таємницею для смертного, і певно, самим богам сумно бачити намагання людини роз­гадати те, що вони назавжди приховали від неї...» А тому «все що вище від нас, те нас не стосується».

Через 2000 років те саме твердив французький філософ О. Конт (1798-1857): «Ми нічого не можемо дізнатися про зорі, крім того, що вони існують». Тому заняття астрономією - «це марна трата часу, яка не може дати ні корисних, ні цікавих результатів».

Проте за останні сто років астрономам, всупереч песимістичним про­гнозам Конта, вдалося з'ясувати основні питання, що стосуються природи зір і фізики процесів, які відбуваються в їхніх надрах.