Реферат: Солнечные пятна, динамика и механизм их образования, способы их учета в экологии и астрофизике

Министерствообразования Российской Федерации

Санкт-Петербургский

государственныйэлектротехнический университет

“ЛЭТИ”

рефератна тему

“

Солнечные пятна, динамика и механизмих образования, способы их учета в экологии и астрофизике.”

Работувыполнил

студентгруппы 0221

ГоликовА.Н.

Преподаватель

:

БойцовА.А.

Санкт-Петербург

2002

Оглавление:

TOC o «1-3» h z 1.Введение. PAGEREF _Toc2781587 h

3

2. Общиесведения о солнце. PAGEREF _Toc2781588 h

2.1Вид Солнца в телескоп. PAGEREF _Toc2781589 h

2.2Вращение Солнца PAGEREF _Toc2781590 h

4

2.3Характеристики Солнца PAGEREF _Toc2781591 h

2.4СтроениеСолнца

PAGEREF _Toc2781592 h 4

3.Солнечные пятна. PAGEREF _Toc2781593 h

6

3.1Наблюдения. PAGEREF _Toc2781594 h

3.2Механизмобразования.

PAGEREF _Toc2781595 h 8

3.3Воздействие на биосферу PAGEREF _Toc2781596 h

9

3.4Способы учета в экологии и астрофизике. PAGEREF _Toc2781597 h

11

4.Заключение. PAGEREF _Toc2781598 h

12

5.Литература. PAGEREF _Toc2781599 h

13
1. Введение.

Солнцеиграет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планетыобязан Солнцу своим существованием. Солнце — не только источник света и тепла,но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля,воды, ветра).

Отом, что на Солнце бывают пятна, люди узнали уже очень давно. В древних русскихи китайских летописях, а также в хрониках других народов не редко встречалисьупоминания о наблюдениях пятен на Солнце. В русских летописях отмечалось, чтопятна были видны «Аки гвозди». Записи помогли подтвердитьустановленную уже позже (в 1841 году) закономерность периодического увеличениячисла солнечных пятен. Чтобы заметить такой объект простым глазом (присоблюдении, конечно, мер предосторожности — сквозь густо закопченное стекло илизасвеченную негативную фотопленку), необходимо, чтобы его размер на Солнце былне менее 50 — 100 тысяч километров, что в десятки раз превышает радиус Земли.

[2]

Чтомы знаем о Солнце и периодически возникающих на нем явлениях, солнечных пятнах?Кажется не мало, но по-прежнему нет точных ответов на следующие вопросы:

?

Какова причина и способпериодического возникновения солнечных пятен?

?

Что является спусковым механизмом ихобразования?

?

Как и посредством чего пятна влияютна земную жизнь?

?

Что является источником всехпериодических процессов проходящих на Солнце?

?

Заключен ли он вне Солнца или в немсамом?

Наданный момент нет даже единой гипотезы, которая смогла бы пролить свет натемный лик солнечных пятен. Здесь можно лишь описать загадку, как онапредставляется сегодня.

[2]

2. Общие сведенияо солнце.2.1 Вид Солнца в телескоп.

НаблюденияСолнца требуют большой осторожности. Нельзя смотреть на Солнце, не защитивглаза очень плотным (тёмным) светофильтром! Но даже со светофильтром не рекомендуетсясмотреть на Солнце в школьный телескоп. Лучше установить на окулярном концетелескопа экран с листом белой бумаги и рассматривать изображение Солнца наэкране. Это позволит увидеть на Солнце тёмные пятна (Солнечные пятна) и светлыеучастки (факелы), которые заметнее вокруг пятен вблизи края Солнечного диска.На современных обсерваториях для наблюдения Солнца применяют телескопыспециальных конструкций – солнечные телескопы. Таким телескопам оснащена,например, Крымская Астрофизическая Обсерватория. Посредством именно такихтелескопов и было сделано большиство наблюдений. [1]

2.2 Вращение Солнца

Еслисравнить несколько последовательных фотографий Солнца, то можно заметить, какменяется положение всех пятен на диске. Это происходит из-за вращения Солнца.Солнце вращается не как твёрдое тело. Пятна, находящиеся в близи экватораСолнца, опережают пятна, расположенные в средних широтах. Следовательно,скорости вращения разных слоёв Солнца различны. Экваториальные области делаютодин оборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсовСолнца – примерно за 30 суток. Линейная скорость вращения на экваторе Солнцасоставляет 2 км./с.Наблюдения показывают, что все пятна перемещаются от Восточного края кЗападному. Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в направлениидвижения планет вокруг него. [1]

2.3 Характеристики Солнца

·

Масса MS~2*1023кг,

·

RS~629 тыс км,

·

V= 1,41.1027 м3, что почти в 1300тыс. раз превосходит объем Земли,

·

средняя плотность 1,41*103 кг/м,

·

светимость LS=3,86*1023 кВт,

·

эффективная температура поверхности(фотосфера) 5780 К,

·

период вращения (синодический)изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут у полюсов,

·

ускорение свободного падения 274 м/с2.[1]

2.4 Строение Солнца

Химическийсостав был определен из анализа солнечного спектра. Оказалось, что на Солнцебольше всего водорода, а затем гелия. Другие химических элементов (кислород,кальций, железо, магний, натрий и др.) составляют очень малую долю по сравнениюс водородом. Никаких химических элементов, помимо тех, которые имеются на Землене обнаружено. Вследствие ядерной реакции превнащения водорода в гелийвыделяется теплота.

[1]

Подтяжестью внешних слоев плотность Солнца увеличивается к центру вместе с ростомдавления и температуры. (см. рис.1)Температура ядра достигает 15 млн.кельвинов. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца, однако вего объеме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически всяэнергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Рис.1

Строение солнца.

Череззону лучистой передачи (лучистый перенос) и конвективную зону (конвекция) идет передача энергии.(Теплопроводность не играет большой роли в энергетических процессах на Солнце извездах)

АтмосфераСолнца начинается на 200-300 тыс. км. глубже видимого края солнечного диска называют фотосферой. Поскольку их толщина составляет не более однойтрехтысячной доли солнечного радиуса, фотосферу иногда условно называютповерхностью Солнца.

Хромосфера

весьма неоднородна и состоит в основном из продолговатых вытянутых язычков (спикул), придающих ей вид горящей травы.Температура этих хромосферных струй в два-три раза выше, чем в фотосфере, аплотность в сотни тысяч раз меньше. Общая протяженность хромосферы 10-15 тыс.километров.

Крона —

самая внешняячасть атмосферы Солнца. Вотличие от фотосферы и хромосферы она обладает огромной протяженностью: онапростирается на миллионы километров, что соответствует нескольким солнечнымрадиусам, а ее слабое продолжение уходит еще дальше. Главным образом корона состоит из частичекэлектричества – электронов, выделяющихся из нижележащих слоев. Все они быстродвижутся в разных направлениях, но преимущественно в сторону от Солнца.Скорость их так же велика, как у газа при температуре до миллиона градусов.

Фактическимы живем окруженные солнечной короной, хотя и защищенные от ее проникающейрадиации надежным барьером в виде земного магнитного поля. Через коронусолнечная активность влияет на многие процессы, происходящие на Земле.

3. Солнечные пятна.3.1 Наблюдения.

Пятнапрактически не образуются на полюсах и на экваторе Солнца. Две узкие полосы впределах от 25 — 30 и до 8 — 12 градусов северной и южной широты — вот местанаиболее интенсивного образования пятен. Причем, пики их образованияповторяются с периодичностью от 7 до 17 лет. Этот цикл, составляющий в среднем12 лет, четко прослеживается в широтности образования пятен. Когда исчезаютпоследние пятна на нижних широтах (8 — 12 градусов), начинают образовыватьсяпятна на верхних широтах (25 — 30 градусов). Новые пятна станут образовыватьсяуже ниже этого уровня, то есть они будут как бы сползать к нижним широтам. Кконцу цикла область образования пятен вновь окажется в пределах от 8 до 12градусов северной и южной широты. Начало цикла пятнообразования и минимумсолнечной активности совпадают.

Пятна,как правило, образуются группами или хотя бы парами. Пара пятен на одной широтенаходится в любопытной взаимосвязи. Прежде чем в фотосфере (видимом слоеСолнца) образуется пятно, на месте его возникновения регистрируется оченьмощное магнитное поле. Последнее может быть только замкнутым, оно то исвязывает пару пятен. Обычно, силовые линии магнитного поля направлены изсеверного полюса объекта (будь то планета или Солнце) к южному, но здесь все нетак просто. Направления силовых линий магнитных полей обратны для пар пятенсеверного и южного полушарий. Более того, магнитная полярность пятен, меняетсяна противоположную после каждого 12-летнего цикла, что позволяет говорить не о11-летнем, а о 22-х летнем солнечном цикле пятнообразования. Магнитные поля пятенинтенсивней магнитного поля Солнца в целом и к тому же они перпендикулярны ему.Все сказанное хорошо видно на рис. 2.

[1]

Рис. 2

Изменение среднегодовых чисел солнечных пятен R и приближенных средних широт солнечных пятен (закон Шперера) за 1933 — 1953 гг.

Буквами в кружках обозначены полярности пар солнечных пятен (закон полярности солнечных пятен.)

Солнце,как известно, вращается вокруг своей оси с периодичностью примерно 27 суток,из-за чего пара пятен наблюдается с некоторым периодом исчезая на западном краюСолнца и появляясь вновь на восточном менее чем через 2 недели. Первое в этомдвижении пятно является головным. Установлено, что в паре пятен оно возникаетпервым и исчезает последним.

Солнечноепятно может существовать от нескольких часов до нескольких месяцев. Размерпятен также широко варьируется от «пор» — зародышей пятен, догигантских площадей в которые можно уложить по 100 земных глобусов. Появляясьиз пор, группа пятен проходит стадию роста, в ходе которой они увеличиваются ирасходятся, расползаются в разные стороны. Затем следует более продолжительнаяпо времени стадия рассасывания пятен. Последним исчезает головное, по ходувращения Солнца, пятно. После исчезновения пятна, мощное магнитное поле на егоместе сохраняется еще в течении некоторого времени.

Для характеристики активности Солнца используют числаВольфа, учитывающие количество одиночных пятен и групп пятен на Солнце.

[5]

Самопятно по форме является воронкой на видимой поверхности Солнца (эффектвозникает из-за прозрачности атмосферы в этом месте). Их глубину определяют в1000 — 1500 км. Температура солнечного вещества в районе центра пятна наиболеенизкая в сравнении с общей температурой поверхности — 5800 К., на 1000 — 1500К. Поэтому центр пятна наблюдается как более темное образование, чем его края.В пятне различают тень — его центр, и полутень, которая больше в радиусе в 2раза и более (она светлее, см. рис.3). Края пятна окружены светлымиволокнистыми образованиями — фотосферными факелами. Температура в них выше (на2000 К.) чем в окружающем веществе, поэтому они выделяются по яркости свечения.Факелы продолжаются вверх через фотосферу в хромосферу, где образуют«факельные площадки», которые расширяются с ростом высоты. Вфотосфере поперечник факельной площадки может составлять 700 км, а уже награнице хромосферы и короны — 15000 км. Факельные площадки появляются, растут ирассасываются согласно с ритмом солнечных пятен, но они могут существовать ибез них. Сами по себе факелы живут дольше пятен — до 3-х, 4-х месяцев.Предполагается, что причиной их образования служат менее мощные, чем у пятнамагнитные поля.

рис.3. Солнечное пятно (слева) и эффектный снимок поверхности Солнца (справа).[3]

3.2 Механизм образования.

Солнце представляет собой огромный бурлящий котелплазмы, причем внутри оно горячее, а снаружи – холоднее. Из-за этого перепадатемператур возникают конвекционные потоки: остывшие массы идут вглубь, а на ихместо поднимаются более горячие. Этому процессу мешает сильное магнитное полеСолнца. Оказывается, что магнитные вихри могут локально приостановитьконвекцию, не дать остывшим массам опуститься.

Врезультате эта область на солнечной поверхности будет холоднее окружающих – ипоэтому будет выглядеть темнее. Это и есть темное пятно. [5]

Конвективныепроцессы продолжают идти на глубине, однако более горячий газ не можетпрорваться на поверхность сквозь более холодные области, и вынужден их огибать.

[6]

Солнечноемагнитное поле имеет очень сложную структуру и непрерывно меняется. Совместныедействия циркуляции солнечной плазмы в конвективной зоне и дифференциальноговращения Солнца постоянно возбуждает процесс усиления слабых магнитных полей ивозникновения новых. Видимо это обстоятельство и является причинойвозникновения на Солнце пятен. Пятна то появляются, то исчезают. Их количествои размеры меняются. Но, примерно, каждые 11 лет число пятен становитсянаибольшим. Тогда говорят, что Солнце активно. С таким же периодом (~ 11 лет)происходит и переполюсовка магнитного поля Солнца. Естественно предположить,что эти явления связанны между собой.

[1]

Развитиеактивной области начинается с усиления магнитного поля в фотосфере, чтоприводит к появлению более ярких участков — факелов (температура фотосферыСолнца в среднем 6000К, в области факелов примерно на 300К выше). Дальнейшееусиление магнитного поля приводит к появлению пятен.

[1]

Вначале 11-летнего цикла пятна в небольшом количестве начинают появляться насравнительно высоких широтах (35 — 40 градусов), а за тем постепенно зонапятнообразования спускается к экватору, до широты плюс 10 — минус 10 градусов,но на самом экваторе пятен, как правило, не бывает.

[1]

ГалилеоГалилей одним из первых заметил, что пятна наблюдаются не всюду на Солнце, а,главным образом, на средних широтах, в пределах так называемых«королевских зон».

Сначалаобычно появляются одиночные пятна, но затем из них возникает целая группа, вкоторой выделят два больших пятна — одно — на западном, другое — на восточномкраю группы. В начале нашего века выяснилось, что полярности восточных изападных пятен всегда противоположны. Они образуют как бы два полюса одногомагнита, а потому такую группу называют биполярной. Типичное солнечное пятноимеет размеры несколько десятков тысяч километров.

[1]

Галилей,зарисовывая пятна, отмечал вокруг некоторых из них серую каемку.

Действительно,пятно состоит из центральной, более темной части — тени и более светлой области- полутени.

[1]

Солнечныепятна иногда бывают видны на его дискедаже невооруженным глазом. Кажущаяся чернота этих образований вызвана тем, чтоих температура примерно на 1500 градусов ниже температуры окружающей ихфотосферы (и соответственно непрерывное излучение от них гораздо меньше).Одиночное развитое пятно состоит из темного

овала — так называемой тени пятна, окруженного более светлой волокнистой полутенью. Неразвитые мелкие пятна безполутени называют порами. Зачастуюпятна и поры образуют сложные группы.[1]

Типичная группа пятен изначально возникает ввиде одной или нескольких пор в области невозмущенной фотосферы. Большинствотаких групп обычно исчезают через 1-2 суток. Но некоторые последовательнорастут и развиваются, образовывая достаточно сложные структуры. Солнечные пятнамогут быть больше в диаметре, чем Земля. Они часто объединяются в группы. Ониформируются за несколько дней и обычноисчезают за неделю. Некоторые большие пятна, хотя, могут сохраняться в течениемесяца. Большие группы солнечных пятен более активны, чем маленькие группы илиотдельные пятна.

[1]

Наиболеевероятной гипотезой периодического повторения солнечной активности считаютвозмущения от планет гигантов, которое смещает центр тяжести Солнечной системы.Но это далеко не единственная гипотеза. Наряду с 12-летним циклом солнечнойактивности выделяют еще вековой цикл его нарастания и убывания. По разнымданным он может варьироваться. Есть данные в пользу 60-летнего и 86-летнегоцикла.

[2]

3.3 Воздействие на биосферу

Вактивной области Солнца наблюдаются «солнечные вспышки» — мощныеядерные взрывы — непременный атрибут повышенной солнечной активности. Онидлятся всего несколько минут (а то и секунд), но производят весьма сильныйэффект. В межпланетное пространство выбрасывается огромное число заряженныхчастиц или ионов, которые попадая в атмосферу Земли вызывают усиление северногосияния, магнитные бури и другие, более продолжительные эффекты. В моментвспышки происходит возрастание солнечного излучения почти во всех диапазонах,от рентгеновского до километровых радиоволн. А. Л. Чижевский был одним изпервых, кто усмотрел в ионизированных солнечных частицах реальный механизмвоздействия на биосферу Земли.

Засвои исследования воздействия ионов на все живое он получил титул отцакосмобиологии, как основатель науки изучающей реальные механизмы воздействиякосмических излучений на живые организмы, человека и общество.

Хотяеще до него Р. Вольф установил, что, например, существует взаимосвязь междусвечением атмосферы в высоких широтах и вспышками на Солнце. До и после Вольфабыли найдены и другие взаимосвязи. 1844, Гаутьер — существует взаимосвязь междутемпературой воздуха у земной поверхности и числом пятен на Солнце. 1858, Малпе- связь пятен с землетрясениями. 1872, Мелдрун — частота бурь, ураганов исмерчей, а также количество осадков пропорциональны числу солнечных пятен.1887, Зенгер — частота гроз и число пятен. Другие статистические исследованияустановили связь числа пятен и количества добываемого вина, толщины годовыхколец у деревьев, величиной улова рыбы, размножаемостью и миграцией насекомых,количеством катастроф и преждевременных смертей. (см рис. 4, 5 и 6)

[2]

Рис 4. Изменение солнечной активностиначиная с 1740 г (в числах Вольфа).[4]

Рис 5. Среднее значение солнечной активности за последние 2000 лет.Удивительно, как точно график соответствует напряженности исторической жизни. Закат античного мира к 600-700 гг. н. э. и становление новых народов европы, затем «темные века» средневековья и эпоха Возрождения. [4]

Рис6. Статистика чисел Вольфа, магнитных бурь, урожайности и эпидемий по годам.

3.4 Способы учетав экологии и астрофизике.

Поворачиваяськ Солнцу то одним, то другим своим полушарием, Земля получает энергию. Этотпоток можно представить в виде бегущей волны: там, где падает свет — еегребень, где темно — провал. Иными словами, энергия то прибывает, то убывает.Об этом в своем знаменитом естественном законе говорил еще Михаил Ломоносов.

[1]

Теорияо волнообразном характере поступления энергии на Землю побудила основоположникагелиобиологии Александра Чижевского обратить внимание на связь междуувеличением солнечной активности и земными катаклизмами. Первое наблюдение,сделанное ученым, датируется июнем 1915 года. На Севере блистали полярныесияния, наблюдавшиеся как в России, так и в Северной Америке, а «магнитныебури непрерывно нарушали движение телеграмм». Как раз в этот период ученыйобращает внимание на то, что повышенная солнечная активность совпадает скровопролитием на Земле. И действительно, сразу после появления больших пятенна Солнце на многих фронтах Первой мировой усилились военные действия.

[1]

Теперьастрономы говорят, что наше светило становится все более ярким и жарким. Этосвязано с тем, за последние 90 лет активность его магнитного поля увеличиласьболее чем вдвое, причем наибольший рост произошел за последние 30 лет. ВЧикаго, на ежегодной конференции Американского астрономического общества,прозвучало предупреждение ученых о грозящих человечеству неприятностях. Как разв тот момент, когда компьютеры по всей планете будут приспосабливаться кусловиям работы в 2000 году, наше светило вступит в наиболее бурную фазу своей11-летней циклической.Теперь ученые смогут безошибочно предсказывать солнечныевспышки, что даст возможность заблаговременно подготовиться к возможным сбоям вработе радио- и электросетей. Сейчас большинство солнечных обсерваторийподтвердило «штормовое предупреждение» на следующий год, т.к. пиксолнечной активности наблюдается каждые 11 лет, а предыдущая буря наблюдалась в1989 году.

[1]

Недавнонесколько космических спутников зафиксировали выброс солнечных протуберанцев,характеризующийся необычно высоким уровнем рентгеновского излучения. Такиеявления представляют серьезную угрозу для Земли и ее жителей. Вспышка такоймощности потенциально способна дестабилизировать работу энергетических сетей. Ксчастью, поток энергии не затронул Землю и никаких ожидаемых неприятностей неслучилось. Но само по себе событие является провозвестником так называемого«солнечного максимума», сопровождающегося выбросом гораздо большегоколичества энергии, способного вывести из строя коммуникации связи и силовыелинии, трансформаторы, под угрозой будут находиться космонавты и космическиеспутники, находящиеся вне магнитного поля Земли и не защищенные атмосферойпланеты. На сегодняшний день спутников NASA на орбите больше, чем когда-либопрежде. Существует угроза и для самолетов, выражающаяся в возможностипрекращения радиосвязи, глушении радиосигналов.

[1]

АлександрЧижевский еще в 20-х гг. обнаружил, что солнечная активность влияе

еще рефераты

Еще работы по астрономии

Реферат по астрономии

Солнце

29 Августа 2013

Реферат по астрономии

Солнце и его строение

8 Июня 2015

Реферат по астрономии

Строение и эволюция вселенной

29 Августа 2013

Реферат по астрономии

Что такое звёзды

8 Июня 2015