3.Строение атмосферы Солнца.
В то время как о глубинном строении Солнца экспериментальных данных нет (теория свидетельствует о том, что недра Солнца разогреты до 15 млн. градусов и при атмосферном давлении сотни миллиардов атмосфер имеют плотность около 150 т/кубм), атмосфера Солнца изучена сравнительно хорошо. Она состоит из ФОТОСФЕРЫ, ХРОМОСФЕРЫ и КОРОНЫ.
Фотосфера- внутренняя часть атмосферы Солнца излучает электромагнитные волны видимого диапазона частот. Толщина фотосферы около 300 км. Температура газа в фотосфере уменьшается по мере увеличения расстояния соответствующего слоя от центра Солнца.
Фотосфера имеет ячеистую структуру. Отдельные ячейки фотосферы- гранулы имеют диаметр от 500 до 1500 км. Гранулы живут по нескольку минут. После этого на их месте зарождаются другие (картина напоминает поверхность кипящей жидкости). Образование гранул объясняется процессами конвекции- подъемом из недр Солнца более теплых масс водорода и опусканием более холодных.
Отдельные гранулы сливаясь образуют т.н. пятна, достигающие в диаметре тысяч- десятков тысяч километров. Типичное солнечное пятно состоит из темной центральной части – тени и волокнистой полутени. Важнейшая особенность пятен – наличие в них сильнейших магнитных полей, достигающих в области тени напряженности нескольких тысяч эрстед. Температура солнечной плазмы в пятнах несколько меньше, чем за их пределами. Поэтому пятна формируют преимущественно инфракрасную составляющую солнечной радиации.
В среднем магнитное поле на поверхности Солнца –1-2 эрстеда, т.е. примерно в 2-4 раза выше земного. В целом пятно представляет собой выходящую в фотосферу трубку силовых линий магнитного поля. Верхняя часть трубки расширяется и силовые линии в ней расходятся как колосья в снопе. Вокруг тени магнитные силовые линии направлены практически горизонтально. В тени температура понижена до 4500 град. В пределах яркой части фотосферы происходит подъем горячего (около 6000 град) вещества из недр Солнца, а в тени пятен- его опускание.
Пятна как правило группируются по нескольку штук. В каждой группе имеются два главных (самых крупных). Магнитное поле в этих больших пятнах противоположно по знаку. Силовые линии выходят из одного пятна и замыкаются в другом. С противоположной стороны замыкание происходит во внутренней области Солнца.
Пятна могут заполнять значительную часть видимого диска Солнца. Они живут дни-месяцы и могут уходить на невидимую часть Солнца. По перемещению пятен астрономы установили, что на экваторе Солнце совершает оборот за 25 суток, а на полюсе- за 30 суток. Количество пятен на Солнце год от года изменяется с периодом 11 и 22 года. При максимальном количеств пятен –пик максимума солнечной активности, при минимальном – минимум. С периодом 11 лет происходит инверсия магнитного поля Солнца. Полный период изменения его направленности происходит за 22 года.
Солнечная активность характеризуется значениями различных индексов. К ним относятся: число Вольфа, индекс суммарной площади пятен, вспышечный индекс, индекс радиоизлучения с длиной волны 10.7 см, коронарный индекс и др.
Ранее других был предложен индекс - число Вольфа, пропорциональное количеству пятен, видимых на Солнце и удесятиренному числу групп , которые они образуют.
Солнечная активность влияет на характеристики многих процессы на Земле, в том числе:
1.Состояния магнитосферы Земли (Магнитные бури) (Lamont, 1850;
Sabin, Gautur, Wolf, 1852).
2. Полярных сияний (Fritz, 1863; loomis).
3. Перистых облаков (Klein, А. Моисеев).
4. Гало и венцов вокруг Солнца и Луны (Messerschmidt, Моисеев, 1917).
5. Ультрафиолетовой радиации (Dobson, 1924; Petit).
6. Образование космогенных радионуклидов (Bongards, 1923).
7. Ионизации верхних слоев атмосферы (Shuster, Р1еагd, Austin, 1927).
8. Напряженности атмосферного электричества (Wislicinus, 1872;
Сhгее, Ваuег).
9. Грозовой деятельности (Lenger, 1887; Нess, Д. Святский,
А. Моисеев, 1920).
10. Образованя озона (Моffrat, 1876; Dobson, Наrrison, Lowrens).
11. Тепловой радиации (инсоляции) (Савельев, 18^1,1905—1920).
12. Температуры воздуха у поверхности Земли и воды морей (Gautier,
1844; и др.),
13. Давление воздуха (Вroun, Федоров и др.).
14. Частота бурь, ураганов, смерчей (Meldrun, 1872; Rосу, Reich,Walker).
15. Количества осадков (Meldrun, Lockyer, Symons, Hill, Шостакович
и др.), частота градобитий (Fritz) и число полярных айсбергов.
16. Высота уровня озер (Моrеuх, Wа11еn, Визе, Святский, Шостакович
и многие другие).
17. Иловых отложений озер (В. Шостакович, 1934).
18. Колебаний климата (Нин1ш§1оп, Агс1;о\У8Ьу). Возмущения
климата (М. Боголепов).
29. Землетрясения (Ма11еt, 1858; Kluge, Dе-Маrсhi, Меmеrу,
Оddоnе, Маrсhаnd, Боголепов, Шостакович).
30. Величина урожая кормовых злаков (Sir, W. Неrchel, 1801; С1агсе,
Danson, Fritz, Show, Hunter, М. Семенов, Б. Ястремский).
31. Количество и качество добываемого вина (Sartorius, Н. Fritz, 1878;
Меmеry,).
32. Рост древесины (толщина годичных колец) (Nansen, Douglass).
33. Время зацветания растений (Маrchand, Flammarion, Nansen).
34. Пышность цветения растений (Ве1оt, 1927).
35. Эпифитии (А. Чижевский, 1927).
36. Размножаемость и миграции насекомых (Ф. Кеппен, 1870; Fritz,
Hahn, Giard).
37. Размножаемость, миграции рыб (Nаnsеп, Шостакович). Количество
икры в печени некоторых рыб.
38. Время «осеннего прилета (миграции) птиц (Магchand, Flammarion,
Moreuх, Шостакович).
39. Размножаемость и миграции животных (грызунов, пушных)
(Н. Туркин, 1900; Simrotti, 1907).
40. Продолжительность стойлового содержания скота
(Б. Ястрсмский, 1926).
41. Эпизотии, падеж скота (А. Чижевский, 1927).
42. Качестно кальция в крови (Н. et R. Вакwin).
43. Частота поражений человека ударами молнии и частота пожаров
от молнии (Воndin, О. Steffens, 1904).
44. Колебании веса младенцев (Жуков, 1928).
45. Психопатические эпидемии. Массовые истерии, галлюцинации,
меряченье и т. д. (А. Чижевский, 1915— 1928).
46. Частота эффективных преступлений (А. Чижевский, 1927, 1928).
47. Частота несчастных случаев (А. Чижевский, 1928, 1934).
48. Модификация нервной возбудимости нервно-психического тонуса
(А. Чижевский, 1915—1928).
49. Частота внезапных смертей (Кindlimann, 1910; Чижевский, 1918).
50. Частота обострений (ухудшений) в течении болезней (Sardou,
Faurе, Vallot, 1922).
51. Частота эпилептических припадков (Ammonn, Моrrеll 1928).
52. Колебания общей смертности (вековой ход — Покровский, 1928;
годовой ход—Чижевский, 1929).
53. Рождаемость (вековой ход — Покровский, 1928).
54. Брачность (вековой ход — Покровский, 1928).
55. Эпидемии и пандемии (Чижевский, 1922—1935;
Вudai, 1931; Vles, 1933).
М.А.Боголепов [31] в 1907 г. выдвинул гипотезу о наличии влияния на нашу планету изменений солнечной активности и других проявлений «электромагнитной жизни вселенной», которое могло приводить к тому, что многие процессы, происходящие в биосфере должны были иметь циклический характер. Тем самым делалась попытка объяснения механизма, под влиянием которого перемены климата являются циклическим процессом.
Предположение о том, что они носят подобный характер , впервые выдвинули в конце XIX века Э.А.Брюкнер [3] и А.И.Воейков [4]. Они предположили, что в изменениях климата происходит циклическое чередование прохладно-влажных и тепло-сухих эпох с периодом, составляющим 35-45 лет.
Подтвердил адекватность данной гипотезы и развил на ее основе теорию внутривековой и многовековой изменчивости климата и общей увлажненности материков Северного полушария А.В.Шнитников [5-7]. Он доказал, что этот процесс представляет собой сложное колебание, являющееся суперпозицией квазигармонических составляющих с периодами 7-11, 20-47, 60-90 и 1500-2100 лет. [6, 8].
На протяжении голоцена, макроциклов изменения температур и увлажненности материков Северного полушария, с периодами 1500-2100 лет, было выявлено шесть. В каждом из этих макроциклов выделялись эпохи прохладно-влажная, продолжительностью 300-500 лет, тепло-сухая ( 600-800 лет), а также переходная (700-800 лет). На каждый из макроциклов изменений климата были наложены циклы с меньшими периодами[6].
Потепление климата, начавшееся в середине XIX века и продолжающееся ныне, с позиций данной теории представляет собой начало очередной тепло-сухой эпохи (которая будет длиться как минимум до середины ХХV века).
Подтвердили выводы теории А. В. Шнитникова: Э. Ле Руа Ладюри [14], доказавший существование в изменениях климата Западной Европы, в XIV-XVI веках «малого ледникового периода» (прохладно-влажной эпохи) и внутривековых колебаний; Е. П. Борисенков и В. М. Пасецкий [15], пришедшие к аналогичным выводам для России; а также Н. В. Кинд [16], обобщивший палеоэкологическую и палеоклиматическую информацию за последние 10 тысяч. лет, полученную с использованием радиоизотопных методов.
Полициклический характер изменений характеристик состояния атмосферы и биоценозов в позднем голоцене, происходивших с периодичностью в 2-4, 7-11, 35-45 и 55-90 лет, подтвержден также в трудах современных ученых Украины [17] и зарубежных исследователей [18-23].
Установлено, что прохладно-влажные фазы макроциклов изменений климата развиваются в периоды, когда в соответствующем полушарии активизируется циклоническая деятельность, а также увеличивается меридиональный градиент среднегодовых температур в приземном слое атмосферы[24]. По мнению [25, 26], причиной этих явлений служит усиление зональных составляющих циркуляции атмосферы и ослабление межширотного обмена воздушных масс.
Дальнейшие исследования [27, 28] позволили выявить такие же периодичности в изменениях речного стока, уровней бессточных водоемов аридных и субаридных районов [11, 20, 29] , Черного моря [30], а также в изменениях численности и границ ареалов многих популяций насекомых, растений и животных [19, 20, 23]. Все это позволяет рассматривать их, как проявление единых закономерностей развития различных компонентов ландшафтной оболочки, атмосферы, гидросферы и недр нашей планеты.
Существенный вклад в развитие данной концепции внес А.Л.Чижевский[32], обобщивший предыдущие исследования особенностей влияния вариаций солнечной активности на многие процессы в живой и неживой природе нашей планеты, и предложивший рассматривать их как «единые гелиоклиматичекие ритмы».
Первопричиной большинства климатических изменений считали изменения солнечной активности К. К. Марков [33, 34], Виллет [35], Предтеченский [36. 37], Шнитников [38], Эйгенсон [39] и др..
В пользу того, что влияние солнечной активности на динамику многих процессов в климатической системе является значимым, свидетельствуют также работы А. И. Воейкова [52], И. Д. Лукашевича [53] и ряда современных авторов [40-44].
Установлено, что при повышении солнечной активности несколько увеличивается светимость Солнца, в основном за счет возрастания мощности коротковолновых составляющих солнечной радиации, влияющих на содержание в земной атмосфере О3, N2O [47-49]. Возрастает также плотность достигающего орбиты Земли потока солнечного ветра, частицы которого непосредственно входят в ее атмосферу над приполярными регионами и ионизируют здесь молекулы азота и кислорода. В результате этого при повышении солнечной активности происходит некоторое потепление глобального климата.
Анализ результатов наблюдений солнечной активности за весь период их проведения позволил установить [50], что наряду с одиннадцатилетним циклом, в ее изменениях присутствуют и более длиннопериодные составляющие, в принципе способные порождать соответствующие циклы изменений климата. Вместе с тем анализ спектров изменчивости состояний атмосферы и Мирового океана показал, что их составляющие с периодами, соответствующими циклам солнечной активности являются далеко не самыми мощными. Их на много превосходит мощность колебаний, обусловленных различными взаимодействиями океана и атмосферы. Причина существования наиболее мощной их гармоники с периодом 55-90 лет до сих пор достоверно не установлена.
Движения газа в гранулах порождают акустические волны, распространяющиеся в верхние слои атмосферы Солнца.
Хромосферой называется слой солнечной атмосферы, где температура плазмы достигает минимума (до 4500 град). Он расположен над фотосферой .
В хромосфере минимальна скорость звука. Здесь расположен солнечный атмосферный акустический канал по которому звук распространяется с малыми потерями энергии.
На краю хромосферы в период полных солнечных затмений видны язычки пламени- т.н. хромосферные спикулы. Спикулы- вертикально вытянутые образования состоящие из более плотного газа.
Хромосфера имеет толщину –несколько сот км , но в отличие от фотосферы имеет более неправильную , неоднородную структуру. Здесь выделяют два типа неоднородностей- яркие и темные, по размерам превышающие гранулы. Эти неоднородности образуют нестационарную хромосферную сетку. Они являются следствием конвективного движения газа в фотосфере, но имеют большие масштабы. Температура газа в хромосфере быстро наростает с увеличением высоты- от абсолютного минимума – до десятков тысяч градусов.
Наиболее замечательным явлением, охватывающим все слои атмосферы Солнца и зарождающегося в хромосфере являются солнечные вспышки. Это взрывы, сосредоточенные в сравнительно небольших областях хромосферы и короны. Причина взрыва не вполне ясна, предположительно она вызвана резким сжатием плазмы под воздействием магнитного поля Солнца. Вспышка продолжается около часа. Во время вспышек энергия радиоизлучения возрастает в миллионы раз по сравнению с излучением спокойного Солнца. Это объясняется тем, что источник радиоизлучения- потоки заряженных частиц, в это время многократно усиливаются. Вся поверхность фотосферы непррывно излучает солнечный ветер, порождая постоянную составляющую радиоизлучения.
Вспышка приводит к образованию портуберанца -длинного плазменного жгута или ленты, протяженностью десятки- тысячи километров. Это наиболее грандиозное явление в атмосфере Солнца.
Портуберанцы- гиперзвуковые вертикальные выбросы сравнительно плотной солнечной плазмы , простирающиеся на удаления миллионы километров и значительно влияющие на плазмосферу Земли. Они имеют форму арок, опирающихся на хромосферу и содержащих холодную (по сравнению с плазмой короны) и плотную плазму. Известны различные типы портуберанцев. Некоторы из них образуются во время вспышек на Солнце и являются их завершением.
Корона- внешняя часть солнечной атмосферы, излучающая ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Корона имеет лучистую структуру и простирается на расстояние нескольких радиусов Солнца. Лучи короны могут быть различной длины, в том числе превышая несколько диаметров Солнца.
Плотность вещества короны тем меньше, а его температура тем больше, чем больше расстояние до Солнца .
Корона видна только в период полного солнечного затмения. Она имеет неправильную форму и “лохматая” . Конфигурация короны изменяется с течением времени.
Корона нагрета до температуры 1-2 миллиона градусов. Она непрерывно излучает и ускоряет частицы солнечного ветра. На удалении 25млн км скорость солнечного ветра достигает максимума- 400 км/с и далее не меняется.
Вся солнечная атмосфера непрерывно колеблется. В ней распространяются волны с горизонтальной и вертикальной поляризацией длиной в несколько тысяч километров. Колебания носят резонансеый характер и происходят с периодом около 5 минут.