Атмосфера Солнца и солнечная активность. Урок 12

Образует видимый диск Солнца.
Видны солнечные пятна
Фотосфера
Толщина: ~ 300 ÷ 500 км. Плотность: 10−8 ÷ 10−9 г/см3
Давление: ~ 0,1 атм.

Гранулы
Размер: около 300 – 1500 км.
Среднее время жизни: 8 мин.
Общее количество ≈ 2⋅106
Образованы тепловой конвекцией, т.е. всплыванием горячих газовых потоков изнутри Солнца со скоростью ~1 км/с.
Формируют характерную зернистую структуру спокойной солнечной фотосферы.

Пятна и факелы

Вращение Солнца
Обнаружено при наблюдении за солнечными пятнами.
Сидерический период собственного вращения ≈ 25 суток
Синодический период собственного вращения ≈ 27 суток
Дифференциальный характер вращения – низкие широты имеют большую угловую скорость по сравнению с высокими.

Солнечные пятна
Темные локальные области фотосферы.
Время жизни пятна составляет обычно от нескольких дней до нескольких месяцев.
Размеры – от 1000 до десятков тысяч км.
Наблюдаются группы пятен, которые занимают площадь ~ 109 км2 и более. В таких группах пятен могло бы поместиться более 100 Земных шаров.

Пятна – области фотосферы с пониженной температурой Т ≈ 4500 К.
Имеют сложную структуру (тень, полутень, волокна, зерна…).

Чаще всего, пятна образуются парами с противоположными направлениями поля.
Более западное пятно называется головным (ведущим), более восточное – хвостовым. Ведущее пятно расположено ближе к экватору. Сначала пятна растут и дробятся.
Через несколько суток общая площадь достигает максимума.
Затем происходит уменьшение размеров пятен и их распад.

Пониженная температура внутри пятен объясняется торможением конвекции сильным магнитным полем.
Индукция магнитного поля от 100 до 400 Гс,
(обнаружено по эффекту Зеемана).
Линии индукции поля ⊥ поверхности Солнца
в тени пятна и ⏐⏐ в области полутени.
Для создания магнитного потока среднего пятна требуется электрический ток силой ~ 1012 А.

Пятна, как правило, возникают вблизи экватора на широтах 5°– 40°.

Факелы
Объекты фотосферы повышенной яркости, окружающие солнечные пятна.

Размер ~ сотни километров, образуют цепочки и ажурную сетку. Площадь факельных площадок в несколько раз превышает площадь соответствующей группы пятен.
Образованы потоками горячей плазмы, выходящей из глубины Солнца.
Температура факелов выше окружающей среды на ~1000 K.
Обладают сложной структурой, форма которой определяется конфигурацией магнитного поля.
Среднее время существования ~ 2 недели, но может достигать трёх месяцев.

Хромосфера
Толщина ~ 17 000 км .
Слой, разделяющий фотосферу и хромосферу, имеет минимум температуры ≈ 4170 K.
Плотность убывает при удалении от фотосферы до ~10–15 г/см3 (до 109 атом/см3).
Верхняя хромосфера весьма неоднородна.
Температура хромосферы при увеличении высоты возрастает от до нескольких десятков тысяч кельвин.

Видна яркая хромосфера
Полное солнечное затмение

Спектр Солнца
Спектр хромосферы содержит огромное количество эмиссионных линий.

Линии Фраунгофера
На непрерывный спектр фотосферы накладываются дискретные спектральные линии поглощения атомов и ионов, находящихся в нижней части хромосферы.

Спектр Солнца в сравнениями со спектрами излучения натрия и водорода.
Спектральные линии поглощения позволяют идентифицировать химические элементы, входящие в состав Солнца.

Наблюдая Солнце в отдельных спектральных линиях, можно увидеть структуру солнечной атмосферы на разных высотах

Флоккулы
Над факелами в хромосфере формируются флоккулы.
Флоккулы в УФ-диапазоне

Спикулы
Диаметр: 500 – 1500 км.
Высота: 5000 – 10 000 км.
Температура: 10 – 20 тысяч K
Время жизни: ~ 5 – 10 мин.
Масса ~ 106 тонн.
Общее количество ≈ 106.
Являются потоками плазмы, выброшенной из фотосферы со скоростью 20 – 50 км/c (до 150 км/c).

Корона
Внешняя оболочка Солнца.
Имеет малую плотность и слабую интенсивность излучения, сравнительно с фотосферой и хромосферой.
Диапазон излучения – от метрового радиодиапазона до рентгеновского.
Эффективная температура короны возрастает с высотой до 1 ÷ 2 млн. кельвин.
Сильная неоднородность плотности и яркости излучения.
Внутренняя корона – область внутри радиуса 2 R☼ .
Дальняя граница короны достигает орбиты Земли. Плотность на таком расстоянии ~ сотен частиц в см3.

Фотграфия солнечной короны, полученная во время полного солнечного затмения

Фото солнечной короны, сделанное с помощью коронографа

Ударные волны в хромосфере и короне
Выбросы плазмы изнутри Солнца формируют в хромосфере ударные волны.
Ударные волны передают свою энергию ионизированному газу, что приводит к росту его температуры.
Верхняя хромосфера и корона полностью ионизированы.

Солнечная активность
это явления, которые происходят в локальных областях в поверхностных слоях Солнца и отличаются огромным выходом энергии.
Активные области имеют размеры не менее десятков тысяч километров и ограниченное время существования.
Активные области захватывают фотосферу, хромосферу и корону.
Явления в активных областях сопровождаются мощным излучением в диапазоне от сотен километров до сотых долей ангстрем, а также выбросом гигантских потоков плазмы.

Солнечная активность меняется периодически.
Наиболее изученная форма периодичности солнечной активности – ежегодное изменение количества наблюдаемых солнечных пятен, которое описывается числом Вольфа
nS – количество солнечных пятен,
nG – количество групп пятен
W = nS + 10 nG

Ежегодные значения числа Вольфа

Вид внутренней солнечной короны в различные фазы солнечной активности

Протуберанцы
Гигантские выбросы плазмы над диском фотосферы.
Справа внизу для сравнения – Земной шар

Солнце в ультрафиолетовом диапазоне
Светлые пятна – области повышенной мощности излучения.
Внизу слева – гигантский протуберанец.

Протуберанцы поражают размерами и разнообразием форм (дерево, дуга, живая изгородь, холм, фонтан, колпачок, торнадо, петля, ствол дерева и т.д.).

Спокойные протуберанцы
Выглядят как листы, расположенные перпендикулярно поверхности фотосферы, как система арок или «деревьев».
В среднем они имеют длину 60 000 – 600 000 км, высоту 15 000 – 100 000 км, толщину 4000 – 15000 км.
Спокойные протуберанцы обладают магнитным полем ~ 40 гс.
Имеют неоднородную структуру с множеством волокон диаметром ~1000 км, где плазма находится в быстром движении.
Время жизни несколько месяцев (иногда больше года).
Спокойные протуберанцы исчезают, постепенно рассасываясь или стекая в хромосферу.

Активные протуберанцы
Существуют не более нескольких часов и обладают магнитным полем ~100 гс.
Типичная форма: петля.
Характерно движение переплетающихся струй и узелков с ускорением в некоторых областях до скорости плазмы 10 – 100 км/час.
Движение плазмы происходит вдоль линий магнитного поля.

Эруптивные протуберанцы
Характерны беспорядочными движениями и неустойчивостью.
Время жизни – несколько минут.
Скорость плазмы в составляет 100 – 300 км/сек.
Поднимаются на высоту 100 000 – 500 000 км, иногда до 1,5 млн. км.
Иногда скорость выброса плазмы превышает параболическую и солнечное вещество удаляется в пространство.

Солнечные вспышки

Солнечная вспышка начинается с быстрого возрастания температуры нижней короны до 40 млн.кельвин.
ЭМ-излучение в широком диапазоне.
Коротковолновая граница: от 1 Å до 0,02 Å. Длинноволновая граница – несколько километров.
Во внешнюю корону выбрасывается плазма со скоростью до 400 км/с.
Площадь вспышки ~108 ÷ 1010 км2.
Времена развития от десятка минут до трех часов.
Общая энергия 1022 ÷ 1025 Дж.

Солнце в УФ-диапазоне.
Красный цвет – 60000 К,
зеленый – 106 К.

Солнечный ветер
Поток водородно-гелиевой плазмы, истекающий из солнечной короны в окружающее пространство со скоростью 300—1200 км/с.
Около миллиона тонн вещества в секунду.
Причины: большие градиенты температуры и плотности вещества короны.
Распространение ударных волн приводит к ускорению частиц плазмы.
Средняя плотность солнечного ветра на расстоянии 1 а.е. ~108 част/см2/сек.
Во время высокой активности Солнца плотность потока возрастает солнечного ветра на 2 порядка.

Схема взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли

Электронная составляющая солнечного ветра, взаимодействуя с магнитосферой Земли, вызывает полярные сияния.
Электроны возбуждают атомы азота и кислорода.
Снятие возбуждение происходит путем испускания оптических фотонов

Полярное сияние на Аляске
Полярное сияние. Вид со спутника Земли

Солнце – источник жизни на Земле
Солнце нагревает Земной шар до температуры, благоприятной для жизни растений, животных и людей.
Процесс фотосинтеза является основой растительного мира, который обеспечивает существование животного мира, в т.ч. человечества.
Остатки растений образовали каменный уголь, нефть и природный газ, став основой современной энергетики.
Ветер (источник ветроэнергетики) возникает из-за неравномерного нагрева земной атмосферы излучением Солнца.
…………………………………………………………….

Минздрав предупреждает:
Повышенная солнечная активность опасна для человеческого здоровья