Солнце, его физические характеристики и воздействие на магнитосферу Земли

Солнце, его физические характеристики и воздействие на магнитосферу Земли

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет физический

Реферат

по предмету «Концепции современного естествознания»

Екатеринбург 2009

Содержание

Введение

1. Солнце

1.1 Солнце как звезда

1.2 Общая структура Солнца

2. Внутреннее строение Солнца

3. Термоядерные реакции на Солнце

4. Фотосфера Солнца

5. Хромосфера Солнца

6. Солнечная корона

7. Вспышки, протуберанцы и корональные арки

8. Солнечные пятна

9. Солнечный ветер

10. Магнитное поле

10.1 Экспериментальные методы.

10.2. Вариации галактических космических лучей

10.3 Структура магнитосферы

10.4 Динамика магнитосферы

10.5 Магнитосферная суббуря

10.6 Полярные сияния

Заключение

Введение

На страницах научной литературы в последнее время часто встречается термин солнечно-земная физика, смысл которого каждый специалист понимает по-своему. Систематически используют этот термин специалисты, занимающиеся физикой Солнца, геомагнитного поля, верхней атмосферы. Все больший интерес к солнечно-земной физике проявляютметеорологи и климатологи, биологи и медики, гидрологи и океанологи, ботаники и зоологи. Нет единого мнения, является ли указанное научное направление возникшим недавно или исследования здесь продолжаются уже столетия. Ниже предложено определение солнечно-земной физики как совокупности наук и перечислены входящие в нее направления. Приведен некоторый перечень достижений: гипотез, разработок и открытий, которые отмечают известные вехи в истории этой совокупности наук и дают определенное представление о круге рассматриваемых ею проблем и задач. Описаны отличительные особенности солнечно-земной физики. Определение Солнечно-земная физика (в дальнейшем СЗФ) - это совокупность наук, изучающих явления и процессы, происходящие на Солнце, и воздействие Солнца на околоземное космическое пространство и планету Земля. Солнце является основным источником гравитационной энергии всолнечнойсистеме и основным источником энергии, поступающей на Землю в волновом и корпускулярном излучении. Все изменения в физическом режиме Солнца находят отражение в состоянии околоземного космического пространства и планеты Земля. СЗФ изучает законы и закономерности физики Солнца и проявлений воздействия Солнца на околоземное пространство и планету Земля с целью раскрытия сущности этих явлений, понимания фундаментальных основ мироздания и обеспечения инженерной деятельности на планете и в ближнем космическом пространстве. Круг явлений и процессов, разыгрывающихся в околоземном пространстве, на планете и в ее оболочках под воздействием Солнца, очень велик и разнообразен. Поэтому к числу научных дисциплин, составляющих упомянутую совокупность, относятся теоретическая физика, физика плазмы, космическая физика, физика верхней атмосферы, геомагнетизм, метеорология, климатология, геотектоника и др. Истечение корональной плазмы (солнечный ветер) играет определяющую роль в состоянии околоземного космического пространства и магнитосферы. Процессы, происходящие в этих областях, выдвигают много проблем, общих для физики Солнца, физики магнитосферы, физики плазмы и астрофизики. Весьма многообразно воздействие солнечного электромагнитного и корпускулярного излучения на атмосферу Земли. Излучение в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах определяет состояние верхних слоев атмосферы: частично мезосферы на высотах более 65 км и термосферы (высоты 90-400 км). Вопросы и проблемы, возникающие при изучении этих областей пространства, относятся к физике плазмы, физике верхней атмосферы, радиофизике и климатологии. В оптическом и, частично, инфракрасном диапазонах сосредоточена основная часть спектральной плотности излучения. Эта часть солнечной радиации трансформируется при энергообмене в средней и нижней атмосфере. Энергообмен является важнейшим фактором для общего течения процессов в нижней и средней атмосфере, а значит и для множества частных гидрометеорологических явлений. Известная связь гидрометеорологического режима с общей циркуляцией атмосферы и связь общей циркуляции атмосферы с солнечной деятельностью приводят к широкому распространению физико-географических проявлений солнечной активности. Имеют место систематические экзогенные явления. Появляющиеся здесь многочисленные задачи и проблемы решаются в рамках метеорологии, климатологии, гидрологии и физической географии. Обстоятельное изложение затронутых выше вопросов можно найти в многочисленных обзорах и монографиях, таких как. Есть аргументированные указания, что солнечная активность может проявляться как геологический фактор. Эти проявления могут объясняться крупными вариациями экзогенных явлений, определяемых, в частности, метеорологическими процессами и палеоклиматическими колебаниями (таяние или образование ледников). Это утверждение, описание подтверждающих его фактов и анализ соответствующих публикаций приведены в. СЗФ является одной из древнейших совокупностей наук. Как только человек осознал себя существом разумным, у него немедленно появилась масса вопросов относительно окружающей среды, относительно окружающего мира. Что это за мир, где мы существуем, как он устроен, какие причинно-следственные связи имеют место и как именно они действуют - какие законы управляют окружающей средой, как правильно описать состояние этой среды и как прогнозировать ее поведение? СЗФ и астрономия - сестры-близнецы, но задачи у этих наук разные, и развивалась каждая из них своим путем. Вся история СЗФ это непрерывное взаимно догоняющее и взаимно стимулирующее развитие фундаментальных и прикладных исследований.

Задачи

В настоящее время научное сообщество располагает глобальной сетью гидрометеорологических, магнитных, ионосферных, солнечных, сейсмических и других станций, обсерваторий и экспедиций, выполняющих непрерывные наблюдения за состоянием электромагнитного поля Земли, состоянием атмосферы на различных высотных уровнях, солнечной активностью, сейсмической активностью и многими другими процессами и объектами СЗФ. Упорядочение работы всех станций и обсерваторий в части программ наблюдений, первичной обработки получаемого материала, хранения и использования этих экспериментальных материалов было выполнено в ходе реализации ряда международных научных проектов, начиная с Международного Геофизического Года. Организованные в 1956-57гг. Международные Центры Данных имеют в настоящее время большие массивы материалов наблюдений и выполняют обмен этими материалами между организациями-участниками наблюдательных программ. В последнее время такой обмен успешно выполняется в телекоммуникационной сети Интернет. Получаемые экспериментальные материалы используются различными научными учреждениями для выполнения фундаментальных исследований и специальными организациями - прогностическими центрами - для нужд народного хозяйства. Гидрометеорологическими прогнозами различной срочности обеспечиваются городские и сельские регионы, прогнозами условий коротковолновой связи, условий работы бортовых и наземных технологических систем, ситуаций, представляющих угрозу для человеческой жизни или здоровья, обеспечиваются соответствующие организации и службы. В РФ обеспечение нужд народного хозяйства выполняет федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Исследования по СЗФ проводятся в настоящее время во многих научных учреждениях разных стран. Известное место в этих работах занимает Институт солнечно-земной физики Сибирского Отделения РАН. Созданный на базе старейшей магнитно-метеорологической обсерватории России ИСЗФ СО РАН имеет теперь мощную экспериментальную базу и выполняет обширную программу наблюдений и исследований по всем дисциплинам СЗФ. Изучен большой круг явлений и процессов на Солнце, в ближнем космическом пространстве и атмосфере Земли. Предложены теоретические объяснения и физические механизмы этих явлений, разработан ряд последовательно усложняющихся по объему учитываемых параметров и процессов моделей глобального распределения параметров системы Солнце-магнитосфера-ионосфера-атмосфера. Получены убедительные доказательства определяющего влияния солнечных процессов на состояние околоземного пространства, магнитосферно-ионосферного взаимодействия и метеорологических эффектов в ионосферных процессах. Созданы предпосылки разработки единой модели физической системы Солнце-Земля. Внесен значительный вклад в развитие и становление СЗФ. Основной, фундаментальной задачей СЗФ является исследование на основе многолетних однородных наблюдений, явлений и процессов на поверхности Солнца, распространение потока солнечного излучения в спокойных и возмущенных условиях в пространстве на участке от Солнца до Земли и воздействие этого излучения на магнитосферу, атмосферу и гидросферу; изучение магнитосферно-ионосферных взаимодействий, изучение формирования и протекания процессов в атмосфере на всех высотных уровнях в планетарном масштабе, взаимодействия атмосферы и гидросферы, изучение климатообразующих факторов и процессов, формирующих погоду, исследование антропогенных влияний на окружающую среду и разработка соответствующих теоретических вопросов. Это необходимо для обеспечения четкой и точной информацией об околоземном пространстве всех видов деятельности человека в этой среде. Успехи и достижения в перечисленных областях СЗФ расширят наши представления о строении и эволюции Вселенной и окружающей среды, углубят и уточнят понимание единства физического мира, откроют новые ресурсы, сделают понятными процессы формирования погоды, климата и состояния ближнего космического пространства и будут способствовать развитию смежных научных дисциплин.

1. Солнце

Солнце - центральное тело нашей планетной системы, возникло около 4.7 млрд. лет тому назад вместе с другими планетами.

1.1 Солнце как звезда

Солнце - ближайшая к Земле звезда, является рядовой звездой нашей Галактики. Это карлик главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела. Принадлежит к спектральному классу G2V.

Ее физические характеристики:

· Масса 1.989 1030 кг

· Радиус 696 тыс. км

· Температура поверхности 5780 K;

· Видимый радиус 31'

· Угловой масштаб 725км на 1"

· Средняя плотность 1.41 кг/м3

· Светимость 3.85 1026 Вт

· Эффективная температура 5779 К

· Период вращения (синодический) - от 27 сут. на экваторе до 32 сут. у полюсов

· Ускорение свободного падения в фотосфере 274 м/с2.

· Параболическая скорость убегания 617.7км/с

· Среднее расстояние от Земли (астрономическая еденица -а.е.) примерно 149.6 млн. км.

Солнечная постоянная - определяется как полное количество лучистой солнечной энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению на Солнце и расположенную за пределами земной атмосферы

Умножая эту величину на площадь сферы с радиусом в 1 а. е., получим полное количество энергии, излучаемой Солнцем по всем направлениям в единицу времени, т.е. его болометрическую светимость. Она равна 3,84* 1026 Дж/с, (3.8**1033 эрг/с), или 3,8**1026 Вт. Единичная площадка в фотосфере Солнца размером в 1 м2 излучает 63.1 МВт.

1.2 Общая структура Солнца

· энерговыделяющее ядро (от центра до расстояния в четверть радиуса)

· область лучистой теплопроводности (от 1/4 до 2/3 радиуса)

· конвективная зона (последняя треть радиуса)

Выше конвективной зоны начинаются непосредственно наблюдаемые внешние слои атмосферы Солнца.

Вращение Солнца происходит вокруг некоторой оси, перпендикулярной плоскости солнечного экватора.

Солнечный экватор образует с плоскостью эклиптики угол в 7o15' и от него отсчитываются гелиографические широты на Солнце. На экваторе линейная скорость вращения Солнца составляет около 2 км/c.

Вращение Солнца обладает важной особенностью: его угловая скорость , определяемая по перемещениям пятен, убывает по мере удаления от экватора в среднем по закону

щ=14.4o-2.7sin2ц,

где ц - гелиографическая широта, а щ - угол поворота за сутки. Соответствующий сидерический период (относительно неподвижных звезд) составляет около 25 дней на экваторе и достигает 30 дней вблизи полюсов. Земля движется вокруг Солнца в ту же сторону, и период вращения Солнца относительно земного наблюдателя (синодический период) составляет почти 27 дней на экваторе и 32 дня у полюсов.

Ось вращения Солнца наклонена к плоскости эклиптики, угол между плоскостью солнечного экватора и плоскостью эклиптики 7o 15' , а долгота восходящего узла экватора Щ = 73,667 + (t-1850)·0,01396°, где t-дата, выраженная в годах. Земля пересекает плоскость солнечного экватора дважды в год: в начале июня и в конце декабря.

В течение первого полупериода она находится в южном полушарии по отношению к плоскости солнечного экватора, в течение второго - в северном. Средняя скорость вращения Земли вокруг Солнца V = 30 км/с.

2. Внутреннее строение Солнца

Солнце - раскаленный газовый шар, температура в центре которого очень высока, настолько, что там могут происходить ядерные реакции. В центре Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 200 миллиардов раз выше, чем у поверхности Земли. Солнце - сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Плотность и давление быстро нарастают вглубь; рост давления объясняется весом всех вышележащих слоев. В каждой внутренней точке Солнца выполняется условие гидростатического равновесия. Давление на любом расстоянии от центра уравновешивается гравитационным притяжением. Радиус Солнца приблизительно равен 696 000 км. В центральной области с радиусом примерно в треть солнечного ядра происходят ядерные реакции. Затем через зону лучистого переноса энергия излучением переносится из внутренних областей Солнца к поверхности. И фотоны, и нейтрино рождаются в зоне ядерных реакций в центре Солнца. Но если нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом и мгновенно свободно покидают Солнце, то фотоны многократно поглощаются и рассеиваются до тех пор, пока не достигнут внешних, более прозрачных слоев атмосферы Солнца, которую называют фотосферой. Пока температура высока - больше 2 миллионов градусов, - энергия переносится лучистой теплопроводностью, то есть фотонами. Зона непрозрачности, обусловленная рассеянием фотонов на электронах, простирается примерно до расстояния 2/3R радиуса Солнца. При понижении температуры непрозрачность сильно возрастает, и диффузия фотонов длится около миллиона лет. Примерно с расстоянии 2/3R находится конвективная зона. В этих слоях непрозрачность вещества становится настолько большой, что возникают крупномасштабные конвективные движения. Здесь начинается конвекция, то есть перемешивание горячих и холодных слоев вещества. Время подъема конвективной ячейки сравнительно невелико - несколько десятков лет. В солнечной атмосфере распространяются акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. В верхних слоях солнечной атмосферы волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают солнечному веществу часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоев атмосферы - хромосферы и короны. В результате верхние слои фотосферы с температурой около 4500 K оказываются самыми «холодными» на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быстро растет. Всякая солнечная атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько тысяч километров. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 минут. Внутренние части Солнца вращаются быстрее; особенно быстро вращается ядро. Именно особенности такого вращения могут приводить к возникновению магнитного поля Солнца.

3. Термоядерные реакции на Солнце

В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году. Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % - это водород, 25 % - гелий и менее 1 % - все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых» элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет. Основной источник энергии - протон-протонный цикл - очень медленная реакция (характерное время 7,9*109 лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

4. Фотосфера Солнца

Наблюдаемое излучение Солнца возникает в его тонком внешнем слое, который называется фотосферой. Толщина этого слоя 0,001R = 700 км. В фотосфере образуется видимое излучение Солнца, имеющее непрерывный спектр. «Видимая» поверхность Солнца определяется той глубиной в атмосфере, ниже которой она практически непрозрачна. Солнце - газовый шар, не имеющий четких границ. Однако мы видим его резко очерченным потому, что практически все излучение Солнца исходит из фотосферы. Видимый нами свет излучается отрицательными ионами водорода. Они же его и поглощают, поэтому с глубиной фотосфера быстро теряет прозрачность. На поверхности Солнца можно разглядеть много деталей. Вся фотосфера Солнца состоит из светлых зернышек, пузырьков. Эти зернышки называются гранулами. Размеры гранул невелики, 1000-2000 км (около 1" дуги), расстояние между ними - 300-600 км. На Солнце наблюдается одновременно около миллиона гранул. Каждая гранула существует несколько минут. Гранулы окружены темными промежутками, как бы сотами. В гранулах вещество поднимается, а вокруг них - опускается. Грануляция - проявление конвекции в более глубоких слоях Солнца. Гранулы создают общий фон, на котором можно наблюдать несравненно более масштабные образования, такие, как протуберанцы, факелы, солнечные пятна и др.

5. Хромосфера Солнца

Хромосфера Солнца видна только в моменты полных солнечных затмений. Луна полностью закрывает фотосферу, и хромосфера вспыхивает, как небольшое кольцо ярко-красного цвета, окруженное жемчужно-белой короной. Размеры хромосферы 10-15 тысяч километров, а плотность вещества в сотни тысяч раз меньше, чем в фотосфере. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов. Рост температуры объясняется воздействием магнитных полей и волн, проникающих в хромосферу из зоны конвективных движений. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени - хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Температура этих струй выше, чем температура фотосферы. Во время полного солнечного затмения можно получить спектр хромосферы, который называется спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода бальмеровской серии, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения.

6. Солнечная корона

Самая внешняя, самая разреженная и самая горячая часть солнечной атмосферы - корона. Она прослеживается от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Несмотря на сильное гравитационное поле Солнца, это возможно благодаря огромным скоростям движения частиц, составляющих корону. Корона имеет температуру около миллиона градусов и состоит из высокоионизированного газа. Возможно, причиной такой высокой температуры являются поверхностные выбросы солнечного вещества в виде петель и арок. Миллионы колоссальных фонтанов переносят в корону вещество, нагретое в глубинных слоях Солнца. Яркость короны в миллионы раз меньше, чем фотосферы, поэтому корону можно видеть только во время полного солнечного затмения, либо с помощью коронографа. Наиболее яркую ее часть принято называть внутренней короной. Она удалена от поверхности Солнца на расстояние не более одного радиуса. Внешняя корона Солнца имеет протяженные границы. Важной особенностью короны является ее лучистая структура. Корональные лучи имеют самую разнообразную форму. С одиннадцатилетним циклом Солнца меняется общий вид солнечной короны. В эпоху минимума корона имеет округлую форму, она как бы «причесана». В эпоху максимума корональные лучи раскинуты во все стороны.

7. Вспышки, протуберанцы и корональные арки

Часто, особенно когда на Солнце имеются большие группы пятен, в хромосфере возникают вспышки. Причины вспышек пока еще плохо изучены; по-видимому, они вызываются резким изменением магнитного поля в хромосфере. Энергия вспышки выделяется в вершине корональной петли, затем распространяется в сторону фотосферы, вызывая нагрев и испарение более холодных слоев. При этом излучение резко возрастает не только в видимой области спектра, но и в ультрафиолете, и в рентгеновской области спектра, увеличивается поток космических лучей. Вспышки вызывают изменения в магнитном поле Земли и могут даже повредить системы электроснабжения. Другим проявлением солнечной активности является появление плазменных образований в магнитном поле солнечной атмосферы - волокон. Если эти волокна видны на краю Солнца, то они наблюдаются как протуберанцы. Протуберанцами называются огромные образования в короне Солнца. Плотность и температура протуберанцев такая же, как и вещества хромосферы, но на фоне горячей короны протуберанцы - холодные и плотные образования. Температура протуберанцев около 20 000 К. Некоторые из них существуют в короне несколько месяцев, другие, появляющиеся рядом с пятнами, быстро движутся со скоростями около 100 км/с и существуют несколько недель. Отдельные протуберанцы движутся с еще большими скоростями и внезапно взрываются; они называются эруптивными.

8. Солнечные пятна

Пятна на Солнце - очевидный признак его активности. Это более холодные области фотосферы. Температура пятен около 3500 К, поэтому на ярком фоне фотосферы (с температурой около 6000 К) они кажутся темнее. Солнечные пятна имеют внутреннюю структуру: более темную центральную часть - ядро - и окружающую ее полутень. Солнечные пятна часто образуют группы, которые могут занимать значительную площадь на солнечном диске. Установлено, что пятна - места выхода в атмосферу сильных магнитных полей. Поля уменьшают поток энергии, исходящий из ядра, поэтому в месте их выхода на поверхность температура падает. Пятна обычно возникают группами. Пятна на Солнце часто бывают окружены светлыми зонами, называемыми факелами. Они горячее атмосферы примерно на 2000 К и имеют ячеистую структуру (величина каждой ячейки - около 30 тысяч километров). Часто встречаются факельные поля, внутри которых пятен нет. Факелы образуются в результате конвекции из глубоких слоев Солнца. Они существуют недели и месяцы. В некоторых факельных полях между гранулами появляется черная точка, она начинает быстро расти и на следующий день превращается в пятно с резкой границей. Через 3-4 дня вокруг пятна образуется полутень. К десятому дню площадь пятна достигает максимума, после этого оно начинает уменьшаться и, наконец, исчезает. В группе пятен сначала исчезают самые мелкие пятна. Недалеко от пятен протягиваются темные нити длиной вплоть до сотен тысяч километров. Они представляют собой зоны нулевого магнитного поля и отделяют регионы с противоположной полярностью. В период минимума солнечной активности пятна появляются в средних широтах, в периоды максимума - около экватора. Около полюсов пятна практически не наблюдаются. Цикл активности солнечных пятен имеет прямое отношение к земному климату.

Страницы: 1, 2