Проблема солнце земля астрономия

Проблема солнце земля астрономия

§ 67. Проблема Солнце — Земля

Разносторонние исследования Солнца имеют огромное практическое значение. В самом деле, достаточно вспомнить, что получаемая от Солнца лучистая энергия — основа всех жизненных процессов, протекающих на Земле. Более того, любая энергетическая база имеет в своем начале энергию, поступающую от Солнца. Энергия любого топлива — дров, каменного угля, нефти — это преобразованная солнечная энергия, пришедшая к Земле в прошлые времена. Без этой энергии не было бы жизни на Земле.

Однако это еще не все. Установлено, что ряд процессов, происходящих на Солнце, вызывает явления, разыгрывающиеся в окрестностях Земли и ее атмосфере. Выяснение этих взаимодействий, их изучение и прогнозирование и составляют сущность проблемы «Солнце — Земля».

Уже давно было замечено, что прохождение вблизи центрального меридиана больших групп солнечных пятен сопровождается на Земле возникновением интенсивных полярных сияний, магнитных бурь и нарушением нормального состояния ионосферы. В том, что такая связь реально существует, можно убедиться, составив графики изменения частоты полярных сияний, магнитных бурь и «чисел Вольфа», которые, как уже было сказано, характеризуют солнечную активность. Это совпадение графиков показано на рис. 135. Однако от сопоставления до выяснения причин такой связи понадобилось пройти длинный путь разносторонних исследований и, в частности, исследований, предпринятых вне Земли, в космосе, при помощи искусственных спутников Земли и межпланетных кораблей.

Солнечная активность — это большая совокупность явлений, и солнечные пятна — это только одно из ее проявлений. В частности, одно из явлений, играющее особо важную роль в проблеме «Солнце — Земля»,- внезапно появляющиеся в окрестности солнечных пятен вспышки.

Иногда, и при том неожиданно, возникает более или менее протяженная сильно перегретая область, существующая непродолжительно, являющаяся источником очень быстрых корпускул. Появление вспышки заметить при помощи обычных наблюдений на экране нельзя. Ее яркость в видимой части спектра только немного превосходит яркость окружающей фотосферы. Вспышка хорошо видна при помощи спектральных приборов, позволяющих наблюдать солнечный диск в избранных, почти монохроматических лучах. Она хорошо видна в лучах водородной линии На, расположенной в красной части солнечного спектра.

Появление вспышки сопровождается рядом явлений не только в ближайших окрестностях Солнца. Потоки корпускул, пролетев через солнечную корону и вызвав в ней сильнейшие возмущения, устремляются в околосолнечное пространство. Корпускулярные потоки, испускаемые вспышками, разнообразны по своему составу. Тут есть и протоны, и мягкие космические лучи. О возникновении вспышки мы узнаём по наблюдениям излучения линии На (или ультрафиолетового излучения, которое в это время резко усиливается) через 8,3 минуты, необходимых свету для преодоления отделяющего Солнце от Земли пространства. Вскоре после этого Земли достигает поток солнечных космических лучей. Протоны и электроны, движущиеся медленнее, приходят к Земле с запозданием, измеряющимся часами. Таким образом, Земля подвергается со стороны Солнца корпускулярной «бомбардировке».

В ближайших окрестностях Земли корпускулярные потоки, состоящие из заряженных частиц, сортируются земным магнитным полем. Наиболее быстрые, космические лучи, «запираются» в магнитных ловушках, подробно описанных в § 38. Магнитное поле оказывает также сильное действие и на потоки протонов. Некоторые из них, движущиеся под малыми углами к магнитным силовым линиям, проникают в верхние слои земной атмосферы, и тогда в них возникает исключительно красивое явление, украшающее небо Арктики и Антарктики — полярное сияние. Соударяясь с атомами, входящими в состав верхних слоев земной атмосферы, на высотах, больших 90 — 100 км, корпускулы заставляют эти атомы светиться.

Рис. 135. Сравнение солнечной активности с магнетизмом Земли и числом полярных сияний

Как известно, земное магнитное поле складывается из двух составляющих. Основное поле вызвано движением зарядов в земных недрах. Дополнительное поле вызвано движением заряженных частиц в земной атмосфере. При проникновении из мирового пространства потоков заряженных частиц вторая составляющая земного магнитного поля испытывает сильнейшие возмущения. Это проявляется в виде магнитных бурь. Во время бури стрелка компаса отклоняется от нормального положения и перестает указывать направление на магнитный полюс Земли. При начале бури стрелка сильно отклоняется в сторону, а затем, на протяжении более или менее продолжительного промежутка времени, постепенно возвращается в нормальное положение, иногда не плавно, а волнообразно.

Потоки частиц, проникающие в верхние слои земной атмосферы вблизи магнитных полюсов, оказывают сильное воздействие на всю ионосферу, чем вызывают значительные нарушения в распространении радиоволн и помехи для радиосвязи.

Потоки частиц вносят дополнительный вклад в магнитное поле Земли, и в это время его свойства изменяются. Создается впечатление, что оно как бы «сдувается» в сторону, противоположную Солнцу. Поэтому влияние солнечных корпускулярных потоков получило название солнечного ветра.

Изучение солнечного ветра представляет огромную теоретическую и практическую важность. Поэтому на многих космических аппаратах установлены специальные приборы, позволяющие детально исследовать идущие от Солнца корпускулярные потоки. Одних земных наблюдений для их изучения оказалось недостаточно.

Источник

Проблема солнце земля астрономия

§ 21. СОЛНЦЕ И ЖИЗНЬ ЗЕМЛИ

1. Перспективы использования солнечной энергии. Из всей энергии, излучаемой Солнцем в межпланетное про­странство, примерно одна двухмиллиардная часть достигает границы земной атмосферы. Около трети энергии солнечного излучения, падающего на Землю, отражается ею и рассеива­ется в межпланетном пространстве. Много солнечной энер­гии идет на нагревание земной атмосферы, океанов и суши.

В настоящее время в народном хозяйстве достаточно ча­сто используется солнечная энергия — гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые туго­плавкие металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т. д. Практическое применение находят полупроводниковые солнечные батареи, позволяющие непо­средственно превращать солнечную энергию в электрическую. Наряду с химическими источниками тока солнечные батареи используются, например, в качестве источников электропита­ния на искусственных спутниках Земли и космических комп­лексах. Все это — лишь первые успехи гелиотехники, исполь­зующей самую экологически чистую энергию.

2. Коротковолновое излучение Солнца. Ультрафиолето­вое и рентгеновское излучения исходят в основном от верх­них слоев хромосферы и короны. Это установили, запуская ракеты с приборами во время солнечных затмений. Очень горячая солнечная атмосфера всегда испускает невидимое коротковолновое излучение, но особенно мощным оно бы­вает в годы максимума солнечной активности. В это время ультрафиолетовое излучение возрастает примерно в два раза, а рентгеновское — в десятки и сотни раз по сравнению с излучением в годы минимума. Интенсивность коротковолно­вого излучения изменяется изо дня в день, резко возрастая, когда на Солнце происходят вспышки.

Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения частично ионизуют слои земной атмосферы, образуя на высотах 200 — 500 км от поверхности Земли ионосферу . Ионосфера играет важную роль в осуществлении дальней радиосвязи: радиоволны, идущие от радиопередатчика, прежде чем до­стичь антенны приемника, многократно отражаются от ио­носферы и поверхности Земли. Состояние ионосферы меня­ется в зависимости от условий освещения ее Солнцем и от происходящих на нем явлений. Поэтому для обеспечения устойчивой радиосвязи приходится учитывать время суток, время года и состояние солнечной активности. После наибо­лее мощных вспышек на Солнце число ионизованных ато­мов в ионосфере возрастает, и радиоволны частично или полностью поглощаются ею. Это приводит к ухудшению и даже к временному прекращению радиосвязи.

Особое внимание ученые уделяют исследованию озонового слоя в земной атмосфере. Озон образуется в результате фотохимических реакций (поглощение света молекулами кис­лорода) в стратосфере, и там сосредоточена его основная масса. Всего в земной атмосфере примерно 3 • 10 9 т озона. Это очень мало: толщина слоя чистого озона у поверхности Земли не превысила бы и 3 мм ! Но роль озонового слоя, простирающегося на высоте нескольких десятков километров над поверхностью Земли, исключительно велика, потому что он защищает все живое от воздействия опасного коротковол­нового (и прежде всего ультрафиолетового) излучения Солнца. Содержание озона непостоянно на разных широтах и в разные времена года. Оно может уменьшаться (иногда очень значительно) в результате различных процессов. Этому могут способствовать, например, выбросы в атмосферу боль­шого количества разрушающих озон хлорсодержащих веществ промышленного происхождения или аэрозольные выбросы, а также выбросы, сопровождающие извержения вулканов. Области резкого снижения уровня озона («озоновые дыры») обнаруживались над разными регионами нашей планеты, причем не только над Антарктидой и рядом других террито­рий Южного полушария Земли, но и над Северным. В 1992 г . стали появляться тревожные сообщения о временном истощении озонового слоя над севером европейской части России и уменьшении содержания озона над Москвой и Санкт-Петербургом. Ученые, осознавая глобальный характер проблемы, организуют в масштабах всей планеты экологиче­ские исследования, включающие прежде всего глобальную систему, непрерывного наблюдения за состоянием озонового слоя. Разработаны и подписаны международные соглашения по охране озонового слоя и ограничению производства озоноразрушающих веществ.

3*. Радиоизлучение Солнца. Систематическое исследова­ние радиоизлучения Солнца началось только после второй мировой войны, когда обнаружилось, что Солнце — мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучают хромосфера (сан­тиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Это радиоизлучение и достигает Земли. Радиоизлу­чение Солнца имеет две составляющие — постоянную, почти не меняющуюся по интенсивности, и переменную (всплески, «шумовые бури»).

Радиоизлучение спокойного Солнца объясняется тем, что горячая солнечная плазма всегда излучает радиоволны на­ряду с электромагнитными колебаниями других длин волн (тепловое радиоизлучение). Во время больших вспышек ра­диоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение, порожденное быстропротекающими не­стационарными процессами, имеет нетепловую природу.

4. Корпускулярное излучение Солнца. Ряд геофизиче­ских явлений (магнитные бури, т. е. кратковременные изме­нения магнитного поля Земли, полярные сияния и др.) тоже связан с солнечной активностью. Но эти явления происхо­дят через сутки после вспышек на Солнце. Вызываются они не электромагнитным излучением, доходящим до Земли че­рез 8,3 мин, а корпускулами (протонами и электронами, об­разующими разреженную плазму), которые с опозданием (на 1—2 сут) проникают в околоземное пространство, поскольку движутся со скоростями 400 — 1000 км/с.

Корпускулы испускаются Солнцем и тогда, когда на нем нет вспышек и пятен. Солнечная корона — источник посто­янного истечения плазмы (солнечного ветра), которое проис­ходит во всех направлениях. Солнечный ветер, создаваемый непрерывно расширяющейся короной, охватывает движу­щиеся вблизи Солнца планеты и кометы. Вспышки сопро­вождаются «порывами» солнечного ветра. Эксперименты на межпланетных станциях и искусственных спутниках Земли позволили непосредственно обнаружить солнечный ветер в межпланетном пространстве. Во время вспышек и при спо­койном истечении солнечного ветра в межпланетное про­странство проникают не только корпускулы, но и связанное с движущейся плазмой магнитное поле.

5. Проблема «Солнце — Земля». Эта проблема, связыва­ющая солнечную активность с ее воздействием на Землю, находится на стыке нескольких наук — астрономии, геофи­зики, биологии и медицины.

Некоторые части этой комплексной проблемы исследуют уже несколько десятилетий, например ионосферные проявле­ния солнечной активности. Здесь удалось не только нако­пить множество фактов, но и обнаружить закономерности, имеющие определенное значение для осуществления беспере­бойной радиосвязи (выбор рабочих частот радиосвязи, про­гнозы условий радиосвязи и др.).

Давно известно, что колебания магнитной стрелки во время магнитной бури особенно заметны в дневное время и имеют наибольшую амплитуду, иногда достигающую не­скольких градусов, в периоды максимума солнечной актив­ности.

Хорошо известно и то, что магнитные бури обычно со­провождаются свечением верхних разреженных слоев атмо­сферы (до нескольких сотен километров), которое вызвано действием протонов и электронов, проникающих в атмо­сферу из космоса. Это полярные сияния — одно из красивей­ших явлений природы. Необычайная игра красок, внезапная смена спокойного свечения стремительным перемещением дуг, полос и лучей, образующих то гигантские шатры, то величественные занавесы, издавна привлекала к себе людей.

В полярных сияниях преобладают два цвета — зеленый и красный. Окраска полярных сияний обусловлена излучением атомов кислорода (наиболее интенсивными в спектрах по­лярных сияний являются зеленая и красная линии).

Полярные сияния, как правило, наблюдаются в высоких широтах земного шара. Это объясняется тем, что заряжен­ные частицы, двигаясь вдоль линий индукций магнитного поля Земли, именно в полярных областях могут проникнуть в атмосферу. Но иногда в годы максимумов солнечной ак­тивности полярные сияния можно наблюдать и в средних широтах.

Существует связь между явлениями на Солнце и процес­сами в нижних слоях земной атмосферы. Солнечное излуче­ние воздействует на нижний слой атмосферы — тропосферу, а следовательно, и на погоду через процессы в верхних слоях атмосферы Земли. Выяснение механизма этого слож­ного воздействия необходимо для метеорологии. Важное зна­чение имеет исследование влияния солнечной активности на биосферу Земли, в частности на состояние здоровья людей.

Чтобы всесторонне исследовать явления, происходящие на Солнце, проводятся систематические наблюдения Солнца (служба Солнца) на многочисленных обсерваториях всего мира. Одна из основных задач службы Солнца — предсказа­ние (прогноз) солнечных вспышек. Прогнозы вспышек по­зволяют своевременно предотвращать нарушения радиосвязи, а также принимать меры, необходимые для обеспечения без­опасности пребывания человека в космическом пространстве.

Изучение воздействия Солнца на Землю требует объеди­нения усилий ученых многих стран. В историю науки, на­пример, уже вошли «Международный геофизический год» — МГГ (1957—1958 гг.), проводившийся во время мощного максимума солнечной активности, и «Международный год спокойного Солнца» — МГСС (1964—1965 гг.), который был приурочен к минимуму солнечной активности. Комплексные исследования Солнца продолжаются и в настоящее время. Наблюдения, в которых принимают участие десятки стран, проводятся на всех континентах Земли. Данные о процес­сах, происходящих на Солнце и Земле, получают с помо­щью аппаратуры, установленной на искусственных спутни­ках Земли и космических ракетах, на горных вершинах и в глубинах океанов. Разрабатываются новые космические про­екты, имеющие целью исследование Солнца.

Источник