Циклические явления на Солнце

СОДЕРЖАНИЕ

Пять лет наблюдения за Солнцем

Период высокочастотных «судорог» на Солнце

Период флуктуация радиальной скорости солнечного диска

Цикл вариации атомов аргон-37 солнечного происхождения

Короткопериодический цикл солнечных пятен

Цикл солнечных пятен (солнечной активности)

Внутривековой цикл изменения ультрафиолетового излучения Солнца

Магнитный цикл солнечной активности (цикл Хейла)

Вековой цикл солнечной активности

Многовековой цикл солнечной активности

Тысячелетний цикл солнечной активности

Цикл флуктуации солнечной радиации

Цикл понижения нейтринной светимости Солнца

Пять лет наблюдения за Солнцем

11 февраля 2015 года исполнилось 5 лет пребывания в космосе Обсерватория солнечной динамики, Solar Dynamics Observatory (SDO), которая проводит чрезвычайно детальное круглосуточное изучение процессов на Солнце. На борту SDO находится аппаратура, способная получать 12 различных видов изображений Солнца – на различных длинах волн. Это позволяет наблюдать потоки в солнечной короне, а также взаимодействие короны с ядром, которое в 1000 раз горячее, чем поверхность Солнца. Снимки делаются ежесекундно и передаются на Землю каждые 12 секунд, что составляет около 3 терабайт данных в сутки. Данное видео, созданное NASA, показывает все самое интересное, что произошло в короне Солнца за 5 лет.

Данное видео наглядно показывает разнообразные циклические процессы, протекающие на Солнце. Наше светило живет, «дышит», движется в пространстве и дает жизнь всему живому на Земле

Ученые изучают сделанные аппаратом изображения, чтобы лучше понять причины, вызывающие постоянное изменение магнитных полей, вспышки и выбросы. Ведь в конечном итоге любые изменения на Солнце оказывают влияние на жизнь людей. Вспышки и другие виды солнечной активности сопровождаются выбросами корональной массы, что вызывает электромагнитные бури и нарушения в работе техники в околоземном пространстве, а также влияет на самочувствие и поведение людей на Земле.

Период высокочастотных «судорог» на Солнце

При наблюдениях солнечного диска было установлено, что приблизительно через одни и те же промежутки времени происходят высокочастотные сотрясения всего солнечного диска. Они распространяются вдоль солнечной поверхности в виде стоячих волн, захваченных в фотосфере и хромосфере областью минимальной температуры.

Количественные характеристики

Период, минут5
Частота «судорог», Мгц2,5-4,0

Механизм возникновения циклического явления

Основной причиной возникновения этих колебаний являются как распространяющиеся вверх низкочастотные звуковые волны, возникающие в конвективной зоне, так и гравитационные волны, возбуждаемые турбулентностью в фотосфере Солнца.

Период флуктуация радиальной скорости солнечного диска

Открыт в Крымской астрофизической обсерватории в 1974 г. группой ученых во главе с академиком А.Б. Северным на основе анализа результатов наблюдений за относительными доплеровскими сдвигами спектральных линий двух зон солнечного диска. Спектральный анализ этих наблюдений показал, что существуют стабильные колебания разности амплитуды лучевой скорости (центр-лимб), говорящие о крупномасштабных радиальных пульсациях фотосферы Солнца с тем же периодом.

Количественные характеристики

Период, минут160,01
Нулевая фаза периода соответствует моменту1.01.1974 г.,
00 ч. 00 мин
Амплитуда флуктуаций изменяется периодически в пределах 0,0; 0,4 м/с с периодами, суток:
период обращения Солнца вокруг своей оси, которому соответствует максимум спектральной мощности27,04
период обращения Солнца вокруг своей оси, которому соответствует локальный пик спектральной мощности (по этому периоду в настоящее время имеются разногласия)22,6

Причина возбуждения колебания

Предполагается, что эти колебания являются результатом приливного взаимодействия Солнца и звезды в далеком прошлом, то есть являются реликтовыми.

Группа европейских ученых (Айзек, Виньями, Делами и Поль) предполагают, что эти колебания возбуждаются гравитационными волнами с периодом 160,0 мин., излучаемыми объектом Геминга (2С 195+0,4), который представляет собой двойную систему.

Цикл вариации атомов аргон-37 солнечного происхождения

Анализ данных результатов наблюдений за вариацией атомов аргон-37 солнечного происхождения за промежуток времени с апреля 1970 г. по декабрь 1980 г. позволил установить, что эти вариации представляют собой сумму двух амплитудно-модулированных квазигармонических колебаний.

Количественные характеристики

Периоды квазигармонических колебаний:
Номер колебанияПериод, месяц
120
236
Амплитуды и периоды их модуляции:
Номер колебанияАмплитуда, ат/суткиПериод, месяц
10,14080
20,17094

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что этот цикл может быть связан с каким-то циклическим явлением, происходящим в корональных дырах на Солнце.


К содержанию

Короткопериодический цикл солнечных пятен

Спектральный анализ среднегодовых значений чисел Вольфа за период 700-1660 гг., выполненный различными исследователями, явно указал на существование короткопериодического цикла во временном ходе солнечных пятен. Этому циклу уделено мало внимания в научной литературе, однако в будущем он может играть важное значение для прогноза различных метеорологических явлений на Земле.

Количественные характеристики

Период – 5,3-5,7 лет (в среднем 5,5 лет)

Механизм возникновения циклического явления

Физический смысл этого цикла пока не выяснен, хотя считается, что он может быть гармоникой 11-летнего цикла солнечных пятен.

Порождаемые циклические явления

Предполагается, что этим циклом могут быть объяснены некоторые циклические явления на Земле, имеющие период, близкий к пяти годам, хотя проявление в большой степени зависит от состояния атмосферы. Такие явления происходят, когда частота собственных колебания атмосферы близка частоте короткопериодического цикла солнечных пятен.

Цикл солнечных пятен (солнечной активности)

Циклическое развитие солнечных: пятен было обнаружено в 1843г. астрономом-любителем Швабе. Солнечное пятно представляет собой сравнительно темную, резко ограниченную область на диске Солнца, в центре которой находится область тени с температурой примерно на 2000 K меньше эффективной температуры фотосферы. Средний диаметр пятна – 37 000 км, максимальный – 245 000 км.

Большинство солнечных пятен образуют группы из двух и более пятен. Магнитные поля пятен значительно выше магнитного поЛЯ солнечного диска в целом. Р. Вольф предложил в качестве меры числа пятен на солнечном диске использовать величину, названную в дальнейшем числом Вольфа:

W = k (10g + f),

где g – число групп пятен, f – полное число солнечных пятен на диске, k – множитель, нормирующий отсчеты разных обсерваторий.

Солнечные пятна наблюдаются лишь в определенных широтных зонах, называемых «королевскими» широтами, от 5° до 52°в каждом полушарии; подавляющее большинство пятен находятся в зоне от 8° до 30° широты. В начале каждого цикла, после минимума W, пятна появляются в высоких гелиоцентрических широтах (в среднем 30°). В течение цикла пятна спускаются до 8-15°. Анализ среднегодовых значений чисел Вольфа показал, что цикл, открытый Швабе, представляет собой триплет колебаний.

Количественные характеристики

Периоды триплета: 8,1; 9,7; 11,2 года
Максимальное значение числа Вольфа190 (1956 г.)
Средняя продолжительность роста числа пятен4,2 года
Средняя продолжительность спада числа пятен7,0 лет

Относительная интенсивность циклов изменяется с периодом 80-90 лет, однако в предыдущие эпохи существовали промежутки времени, когда образование солнечных пятен почти не наблюдалось, например, маундеровский минимум 1645-1715 гг.

Эпоха начала очередного цикла – 1986 г., максимум – 1992 г., окончание – 1996 г.

Механизм возникновения циклического явления

В 1935 году М. Вальдемайер высказал предположение о том, что последовательность циклов никоим образом не связана между собой, и каждый цикл является последствием взрывов внутри Солнца, которые происходят случайным образом.

Другое предположение связано с воздействием планет на Солнце, которое предполагает, что определенное расположение групп планет соответствует максимуму числа солнечных пятен, причем чем теснее группы, тем большая интенсивность этого максимума. Эта гипотеза, однако, не может объяснить маундеровского минимума.

Порождаемые циклические явления

Предполагается, что между числом солнечных пятен и интенсивностью ультрафиолетового и радиоизлучения Солнца существует достаточно сильная связь. Частота появления малых вспышек на Солнце положительно коррелирована с циклом солнечных пятен, хотя большие вспышки могут происходить в любое время и никакой корреляции их с циклом солнечных пятен пока не выявлено.

Обнаружена связь между числом солнечных пятен и частотой выбросов Солнцем высокоэнергичных 10-200 Мэв релятивистских протонов и электронов. Кроме того прослеживается связь между климатическими, биологическими, геологическими и физическими явлениями на Земле и циклом солнечных пятен. Эта связь иногда теряется, что говорит о сложном механизме взаимодействия «солнечная активность – Земля».

Внутривековой цикл изменения ультрафиолетового излучения Солнца

Ультрафиолетовое излучение Солнца – коротковолновое электромагнитное излучение в диапазонах волн 400–10 нм, на долю которого приходится около 9% всей энергии излучения Солнца. Изучение вариации ультрафиолетовое излучение Солнца с длинами волны короче 242 нм, измеренных с помощью аппаратуры, установленной на ракетах и спутниках, показало, что для них свойственно циклическое изменение во времени.

Количественные характеристики

Фазы внутривекового цикла изменения ультрафиолетового излучения Солнца и 11-летнего цикла солнечной активности совпадают.

Период11 лет
Относительная изменчивость интенсивности
ультрафиолетового излучения при переходе от минимума к максимуму:
Длина волны, нмОтносительная изменчивость, %
0,2-1,2500
28,41000
33,5800
62,5300

Механизм возникновения циклического явления

Интенсивность излучения ультрафиолетовой радиации сильно коррелирует с образованием активных областей на Солнце, которым свойственна, в свою очередь, цикличность с периодом близким к 11 годам.

Порождаемые циклические явления

Циклическое изменение ультрафиолетового излучения Солнца порождает цикличность в образовании атмосферного озона (длина волн 229-310 нм) и степени ионизации слоев E и D (выше 60 км) ионосферы (длины волн короче 220 нм).


К содержанию

Магнитный цикл солнечной активности (цикл Хейла)

Считается, что общее магнитное поле Солнца существует в его внешних оболочках и представляет собой сложную суперпозицию систем мелкомасштабных и крупномасштабных полей. Крупномасштабные магнитные поля на Солнце могут быть представлены как комбинации:

  • слабых протяженных униполярных магнитных областей, поля которых имеют северную или южную полярность;
  • биполярных магнитных областей – компактных интенсивных полей противоположной полярности;
  • мультиполярных областей, состоящих из нескольких смежных биполярных магнитных областей.

Подавляющее большинство магнитных областей на Солнце представлены биполярными магнитными областями. Солнечные пятна образуются в этих областях, при этом в каждой биполярной магнитной области имеется переднее (в смысле направления вращения Солнца) и одно или несколько задних пятен.

Магнитные полярности переднего и задних магнитных пятен всегда различны. Кроме того, на Солнце существует полярное магнитное поле, выявляемое на широтах выше 60°. Южное полярное магнитное поле Солнца всегда имеет знак, противоположный знаку северного полярного магнитного поля.

Хейл обнаружил, что все передние солнечные пятна одного полушария и все задние пятна другого полушария имеют одинаковую полярность на протяжении 11-летнего цикла солнечной активности. А в следующем цикле полярности всех таких пятен меняются на обратные.

Аналогичное явление наблюдается и для полярного магнитного поля Солнца: в пределах одного цикла солнечной активности полярности южного и северного поля остаются неизменными, а в следующем цикле происходит смена их полярности.

Количественные характеристики

Период – 22-23 года.

Смена знака полярностей передних и задних солнечных пятен, а также полярных магнитных полей происходит во время максимума солнечной активности или непосредственно после него.

Порождаемые циклические явления

Предполагается, что цикл Хейла порождает 22-летний цикл геомагнитной активности, циклическую вариацию амплитуды суточного хода космических лучей, а также различные циклические явления в погодных условиях.

Вековой цикл солнечной активности

Продолжительность и интенсивность 11-летних циклов солнечной активности подвержена ритмическим изменениям со средней продолжительностью близкой к столетию. Основной особенностью этого цикла является увеличение ветви его роста при увеличении его интенсивности. Вековой ритм солнечной активности имеет характер свободных псевдогармонических колебаний.

Количественные характеристики

Период, лет (в среднем) 30-120 (79)
Амплитуде колебания свойственно многовековое возрастание:
Минимум векового цикла1373 год н.э.
Максимальная амплитуда95 чисел Вольфа
Эпоха максимальной амплитуды1956 г.
Изменение среднегодовых значений чисел Вольфа
в минимумах 11-летних циклов под влиянием векового цикла
от 0 до 13
Изменение среднегодовых значений чисел Вольфа
в максимумах 11-летних циклов под влиянием векового цикла
от 46 до 190

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что этот цикл порождается периодическим нахождением планет Солнечной системы в определенных конфигурациях. Известно предположение о том, что эти колебания связаны с циклическими изменениями глубины конвективной зоны Солнца.

Предполагается, что важное значение для формирования векового цикла солнечной активности имеет асимметрия солнечной активности в северном и южном полушариях Солнца, обнаруженная в 1941 г. Вальдемайером.

Многовековой цикл солнечной активности

Изучение отношений длины ветви роста к длине ветви спада 11-летних циклов солнечной активности за период с 1615 по 1937 гг., а также косвенные дендрологические данные (изучение толщины годовых колец деревьев), говорят о возможности существования многовекового цикла солнечной активности.

Количественные характеристики

Период – 600 лет.

Эпоха минимума солнечной активности – 1645-1715 гг. н.э. (минимум Маундера).

Порождаемые циклические явления

Предполагается, что этот цикл порождает цикл неравномерности прироста годичных колец деревьев.


К содержанию

Тысячелетний цикл солнечной активности

Анализ косвенных показателей о характере солнечной активности за прошедшие 6000 лет, в частности дендрологических данных, позволил сделать предположение о существовании многовекового цикла солнечной активности.

Количественные характеристики

Период – 18 950 лет.

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что этот цикл возникает в результате приливного воздействия Земли и Луны на Солнце, при этом максимум воздействия приходится на те моменты времени, когда Солнце, Земля (в перигелии) и Луна (в полнолунии) находятся в плоскости солнечного экватора на одной линии.

Цикл флуктуации солнечной радиации

Солнечная радиация – электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца, достигающее поверхности Земли. В 30-х годах XX столетия сербский физик М. Миланкович опубликовал теоретическую работу, в которой была представлена кривая солнечной радиации за интервал времени, протяженностью 600 тыс. лет. На этой кривой хорошо заметна цикличность в флуктуациях солнечной радиации.

Количественные характеристики

Период – 21 тыс. лет.

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что эти колебания связаны с солнечным циклом предварения равноденствия.

Порождаемые циклические явления

Возможно, что отражением этих циклов в геологической истории является чередование ледниковых и межледниковых эпох и связанных с ними климатических волн с периодом 21 тыс. лет.

Цикл понижения нейтринной светимости Солнца

Нейтрино – элементарные частицы, не имеющие массы покоя (то есть массы частицы в системе отсчета, по отношению к которой частица покоится), не обладающие спином – собственным моментом количества движения, имеющем квантовую природу. Все процессы с участием нейтрино относятся к слабым взаимодействиям, а поэтому вещество звезд и планет для них практически прозрачно. Нейтрино рождаются в недрах звезд в результате термоядерных реакций и уносит с собой значительную часть выделившейся энергии.

Согласно общепринятой теории эволюции звезд, нейтринная светимость Солнца должна испытывать существенные вариации для временных масштабов порядка 100 млн. – 1 млрд. лет. В 1972 г. американский астрофизик У. Фаулер предложил гипотезу, согласно которой приблизительно через равные промежутки времени нейтринная светимость Солнца понижается ниже нормы, а затем через некоторое время принимает свое нормальное значение.

Количественные характеристики

Период100 млн. лет
Продолжительность интервала
пониженной нейтринной светимости Солнца
10 млн. лет
Эпоха начала
пониженной нейтринной светимости
5 млн. лет. назад
Относительная амплитуда
вариации нейтринной светимости
5-10%

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что это явление связано с периодическим понижением температуры солнечного ядра в результате попадания легкого изотопа гелия He в зону протекания термоядерных реакций, происходящего из-за «быстрого» перемешивания солнечных недр.


К содержанию