Что такое солнечные пятна? Что известно науке о пятнах на Солнце. Солнечные пятна

С солнечными пятнами связано несколько занимательных и довольно поучительных историй, первые из которых дошли до нас еще из глубокой древности.

Древнегреческие астрономы считали Солнце безупречным идеальным огненным шаром, не имеющим никаких изъянов. Такая точка зрения господствовала вплоть до XVII века, во всяком случае – в Европе. А далеко на востоке китайцы, ничего не зная о представлениях эллинов, еще в I веке до нашей эры описали в своих летописях «птиц», летающих перед Солнцем. Европейцы же о солнечных пятнах предпочитали вообще не думать, поскольку полагали, что если религия и философия объявляют Солнце совершенным, то «пятна» эти могут быть либо парами, проходящими между Землей и Солнцем, либо планетами.

В царствование Карла Великого (VIII в.) население Франции в течение восьми дней видело на Солнце большое черное пятно. Ученые того времени заявили, что это планета Меркурий. Их догадка была не такой уж глупой, поскольку Меркурий и в самом деле иногда проходит по диску Солнца, правда, он пересекает его всего за несколько часов.

С изобретением телескопа солнечные пятна поместили на поверхность Солнца, то есть туда, где они действительно находятся. Первое сообщение о результатах их наблюдений опубликовал в 1611 году немецкий астроном Иоганн Фабрициус. Примерно в то же самое время Солнце наблюдал в телескоп профессор математики (а по совместительству – иезуит) Кристоф Шейнер, который ввиду своей принадлежности ко всесильному Ордену преодолеть стену аристотелевского диктата о незапятнанности Солнца так и не смог. Получив от своего церковного начальства заверения в том, что ошибается либо его телескоп, либо его зрение, ученый, дабы не навлечь на свою голову обвинений в страшной ереси, предпочел отступить и послушно «забыл» о проведенных им исследованиях.

Менее сговорчивым оказался Галилео Галилей.

В 1612 году, комментируя наблюдения Фабрициуса в своих письмах, он подробно описал неправильную форму солнечных пятен, их возникновение, распад, перемещение по диску Солнца и, что самое главное, – подчеркнул, что пятна представляют собой явления, происходящие на поверхности Солнца, но никак не тела, обращающиеся вокруг оного.

После авторитетного заявления Галилея ученые принялись за усиленное изучение непонятной «оспы», портящей лик нашего светила. В 1613 году Иоганн Кеплер высказал предположение, что «изменчивость пятен указывает на их облачную природу, но... земные аналогии здесь мало могут помочь». В XVIII веке солнечные пятна считали темными вершинами, проглядывающими сквозь фотосферу Солнца во время «отливов» светящегося вещества. Затем появилась мысль, что солнечные пятна являются отверстиями в фотосфере. Эта догадка близка к современным представлениям, но сейчас известно, что солнечные пятна – это не дыры в фотосфере, а более холодные, хотя и достаточно яркие ее участки; они кажутся темными лишь по сравнению с окружающей чрезвычайно яркой поверхностью.

Что же касается периодичности появления солнечных пятен, то люди ставили в прямую зависимость от них бесчисленные проявления земной жизни, в первую очередь – погоду, а также голод, мор, болезни, войны, то есть, по сути дела, в этом явлении отыскивался удобный «козел отпущения», ответственный за всяческие несчастья. Так, засуху в Италии 1632 года связывали с отсутствием пятен на Солнце. В те же годы, когда лик Солнца бывал ими усеян, урожаи славились своей обильностью, цены на пшеницу понижались, а деревья росли быстрее.

В 1870 году профессор Иельского университета Элиас Лумис установил связь Магнитных бурь и числа наблюдаемых полярных сияний с периодичностью солнечных пятен, что в то время объяснить никто не мог. Долгие годы ученые оставались в полном неведении относительно того, как может Солнце, отстоящее от Земли на расстояние 150 млн. км, «трясти» ее магнитное поле и зажигать полярные сияния... Американский космолог Джордж Гамов в своей книге «Звезда, названная Солнцем» немного иронически замечает, что «число рысьих шкурок, приобретаемых Компанией Гудзонова залива, возрастает, когда на Солнце много пятен. Возможно, это происходит потому, что в такие периоды полярные сияния бывают ярче и предоставляют больше возможностей для благоприятной охоты во время долгих полярных ночей». Еще более поразительным и странным представлялось совпадение максимума солнечных пятен с французской и русской революциями, обеими мировыми войнами и корейским конфликтом.

Безусловно, между солнечными и земными явлениями существует много тонких связей. Если Солнце в состоянии стимулировать рост деревьев, то нельзя исключать вероятность того, что, как говорил Шекспир, «в деятельности людей существуют приливы» – приливы с периодичностью в 11 лет...

Выявил и убедительно обосновал наличие 11-ти и 22-летних солнечных циклов профессор А. Чижевский, опередив свое время на 50 лет и попав за это в ГУЛАГ. Он определил связь возникновения на Земле различных социальных и биологических катастроф со «скользящим» 11-летним циклом солнечной активности, который значительно усиливается через каждые 22 года. Однако стройной теории, объясняющей такую взаимозависимость, на сегодняшний день не существует. Правда, есть гипотезы. В частности, гипотеза Роберта Брейсуэла из Калифорнийского университета, который много лет изучает циклы солнечных пятен. Более или менее надежные данные о солнечных пятнах имеются приблизительно с 1800 года. На основе этих данных можно сделать вывод, что активность Солнца, измеренная «числом пятен», различна в различных циклах, то есть максимум одного 11-летнего цикла отличается от максимума следующего или предыдущего. Брейсуэл и ряд других ученых полагают, что в жизни Солнца есть и другие, более продолжительные циклы.

Так что же представляют собой солнечные пятна, которые не без основания считаются самым заметным проявлением активности? Оказывается, это промежутки между гранулами, составляющими фотосферу Солнца, только непомерно разросшиеся. По контрасту с очень яркой фотосферой пятна кажутся темными, хотя тоже светятся, то есть излучают энергию. Температура средней части пятна (самой темной и самой «холодной») около 4500°.

Солнечные пятна возникают в виде маленьких темных пор, имеющих в поперечнике около двух тысяч километров. За несколько дней пятно увеличивается в размерах и через две недели достигает своего максимального развития. Обычное солнечное пятно имеет в поперечнике 50 тыс. км, что в 4 раза больше диаметра Земли! Большое пятно может достигнуть значительно больших размеров – до 130 тысяч километров. Большие пятна «живут» около трех месяцев, рядовые – несколько дней. Каждое пятно имеет темную центральную область, называемую тенью, которая окружена сероватым облаком – полутенью – как бы волокнистого строения со следами завихрения вокруг центра пятна.

Важнейшая особенность пятен – наличие в них сильных магнитных полей, достигающий в области тени наибольшей напряженности. В целом пятно представляет собой выходящую в фотосферу трубку силовых линий магнитного поля, целиком заполняющих одну из нескольких ячеек хромосферной сетки. Верхняя часть трубки расширяется, и силовые линии в ней расходятся, как колосья в снопе.

Большей частью пятна появляются группами, изменяются, распадаются на отдельные части, исчезают. В основном пятна появляются вблизи экватора Солнца. Движение пятен на Солнце происходит с разной скоростью: чем дальше от экватора, тем скорость движения пятна меньше. Это говорит о том, что Солнце вращается не как твердое, а как газообразное тело. (Области вблизи солнечного экватора совершают полный оборот вокруг своей оси за 27 земных суток; около полярной зоны – за 34.)

Самое большое солнечное пятно

В 1947 г. наблюдалось солнечное пятно, имевшее площадь 18 млрд. км 2 .

На этой фотографии Солнца вы увидите пятна. Эти темные точки на поверхности, видимы с Земли даже без телескопа. Галилей был первым, кто увидел их в телескоп, но до недавнего времени, астрономы не могли объяснить то, что их вызывает.

Почему они темные?

Несмотря на то, что пятна темнее, чем окружающие вещество Солнца, они, на самом деле, невероятно горячи. Они могут иметь температуру более 3500 градусов по Кельвину, и тем не менее, не настолько яркие, чем поверхность, которая нагрета до 5800 Кельвинов. Из-за разности температур, оно выглядит темным, в сравнении с остальной поверхностью Солнца. Оно может быть настолько большим, что Земля может поместиться в некоторых из них. Солнце, в основном, состоит из плазмы.

Движение плазмы внутри Солнца создает мощное магнитное поле похожее на магнитосферу Земли.

Но магнитное поле Солнца постоянно меняется. Физики считают, что силовые линии магнитного поля скручены и выходят за пределы Солнца. Они образуются в точках, где магнитное поле пронизывает фотосферу. Хотя, они выглядят темными, на самом деле, они всего лишь на несколько тысяч градусов холоднее, чем окружающая фотосфера.

Солнечные пятна сегодня со спутника SDO онлайн

Карта нашей звезды в рентгеновском диапазоне представлена ниже, фотография обновляется ежедневно. Цифрами обозначенны группы пятен

Астрономы отслеживая пятна за период более чем 100 лет, узнали, что их число на поверхности повышается и снижается в 11-летнем цикле.

Солнечные пятна наблюдаются как области пониженной светимости на поверхности Солнца. Температура плазмы в центре солнечного пятна понижена до примерно 3700 K по сравнению с температурой 5700 K в окружающей фотосфере Солнца . Хотя отдельные солнечные пятна живут обычно не более нескольких дней, самые большие из них могут существовать на поверхности Солнца в течение нескольких недель. Солнечные пятна являются областями очень сильного магнитного поля , величина которого превышает величину магнитного поля Земли в тысячи раз. Чаще всего пятна формируются в виде двух близко расположенных групп, магнитное поле которых имеет разную полярность. Поле одной группы имеет положительную (или северную) полярность, а поле другой группы - отрицательную (или южную). Это поле наиболее сильное в самой темной части солнечного пятна - его тени. Линии поля здесь уходят в поверхность Солнца почти вертикально. В более светлой части пятна (его полутени) поле имеет меньшую величину, и его линии расположены более горизонтально. Солнечные пятна представляют огромный интерес для исследования, поскольку являются областями самых мощных солнечных вспышек , оказывающих наиболее сильное влияние на Землю.

Факелы

Гранулы - это малые (размером около 1000 км) элементы, похожие на ячейки неправильной формы, которые как сетка покрывают всю фотосферу Солнца , за исключением солнечных пятен . Эти поверхностные элементы являются верхней частью уходящих вглубь Солнца конвективных ячеек. В центре этих ячеек горячее вещество поднимается из внутренних слоев Солнца , затем растекается горизонтально по поверхности, охлаждается и опускается вниз на темных внешних границах ячейки. Отдельные гранулы живут совсем недолго, всего около 20 минут. В результате сетка грануляции постоянно меняет свой вид. Это изменение хорошо видно в фильме (470 kB MPEG) , полученом на Вакуумном Солнечном Телескопе в Швеции (Swedish Vacuum Solar Telescope). Потоки внутри гранул могут достигать сверхзвуковых скоростей более 7 км в секунду и производить звуковые "удары", которые приводят к формированию волн на поверхности Солнца .

Супергранулы

Супергранулы имеют конвективную природу, схожую с природой обычных гранул, но обладают заметно большими размерами (около 35,000 км). В отличие от гранул, которые видны на фотосфере обычным глазом, супергранулы чаще всего обнаруживают себя по эффекту Доплера, в соответствиии с которым излучение, поступающее от вещества, движущегося к нам, смещается по оси длин волн в голубую сторону, а излучение вещества, движущегося от нас, смещается в красную сторону. Супергранулы также покрывают всю поверхность Солнца и непрерывно эволюционируют. Отдельные супергранулы могут жить один или два дня и иметь среднюю скорость течения около 0.5 км в секунду. Конвективные потоки плазмы внутри супергранул сгребают линии магнитного поля к краям ячейки, где это поле формирует хромосферную сетку.

История изучения

Первые сообщения о пятнах на Солнце относятся к наблюдениям 800 года до н. э. в Китае .

Зарисовки пятен из хроники Иоанна Вустерского

Впервые пятна были зарисованы в 1128 году в хронике Иоанна Вустерского .

Первое известное упоминание солнечных пятен в древнерусской литературе содержится в Никоновской летописи , в записях, относящихся ко второй половине XIV века:

бысть знамение на небеси, солнце бысть, аки кровь, и по нем места черны

бысть знамение в солнце, места черны по солнцу, аки гвозди, и мгла велика была

Первые исследования фокусировались на природе пятен и их поведении. Несмотря на то, что физическая природа пятен оставалась неясной вплоть до XX века , наблюдения продолжались. К XIX веку уже имелся достаточно продолжительный ряд наблюдений пятен , чтобы заметить периодические вариации в активности Солнца. В 1845 году Д. Генри и С. Александер (англ. S. Alexander ) из Принстонского университета провели наблюдения Солнце с помощью специального термометра (en:thermopile) и определили, что интенсивность излучения пятен, по сравнению с окружающими областями Солнца, понижена.

Возникновение

Возникновение солнечного пятна: магнитные линии проникают сквозь поверхность Солнца

Пятна возникают в результате возмущений отдельных участков магнитного поля Солнца. В начале этого процесса трубки магнитного поля «прорываются» сквозь фотосферу в область короны, и сильное поле подавляет конвективное движение плазмы в гранулах , препятствуя в этих местах переносу энергии из внутренних областей наружу. Сначала в этом месте возникает факел , чуть позже и западнее - маленькая точка, называемая по́ра , размером несколько тысяч километров. В течение нескольких часов величина магнитной индукции растет (при начальных значениях 0,1 тесла), размер и количество пор увеличивается. Они сливаются друг с другом и формируют одно или несколько пятен. В период наибольшей активности пятен величина магнитной индукции может достигать 0,4 тесла.

Срок существования пятен достигает нескольких месяцев, то есть отдельные группы пятен могут наблюдаться в течение нескольких оборотов Солнца. Именно этот факт (движение наблюдаемых пятен по солнечному диску) послужил основой для доказательства вращения Солнца и позволил провести первые измерения периода обращения Солнца вокруг своей оси.

Пятна обычно образуются группами, однако иногда возникает одиночное пятно, живущее всего несколько дней, или биполярная группа: два пятна разной магнитной полярности, соединённые линиями магнитного поля. Западное пятно в такой биполярной группе называется «ведущим», «головным» или «P-пятном» (от англ. preceding ), восточное - «ведомым», «хвостовым» или «F-пятном» (от англ. following ).

Только половина пятен живёт больше двух дней, и всего десятая часть - более 11 дней.

В начале 11-летнего цикла солнечной активности пятна на Солнце появляются на высоких гелиографических широтах (порядка ±25-30°), а с ходом цикла пятна мигрируют к солнечному экватору, в конце цикла достигая широт ±5-10°. Эта закономерность носит название «закон Шпёрера ».

Группы пятен ориентируются приблизительно параллельно солнечному экватору, однако отмечается некоторый наклон оси группы относительно экватора, который имеет тенденцию к увеличению для групп, расположенных дальше от экватора (т. н. «закон Джоя »).

Свойства

Средняя температура поверхности Солнца около 6000 К (эффективная температура - 5770 К, температура излучения - 6050 К). Центральная, самая темная, область пятен имеет температуру всего около 4000 К, наружные области пятен, граничащие с нормальной поверхностью, - от 5000 до 5500 К. Несмотря на то, что температура пятен ниже, их вещество все равно излучает свет, пусть и в меньшей степени, чем остальная поверхность. Именно из-за этой разницы температур при наблюдении и возникает ощущение, что пятна темные, почти черные, хотя на самом деле они тоже светятся, однако их свечение теряется на фоне более яркого солнечного диска.

Центральная тёмная часть пятна носит название тени. Обычно её диаметр составляет около 0,4 диаметра пятна. В тени напряжённость магнитного поля и температура довольно однородны, а интенсивность свечения в видимом свете составляет 5-15 % от фотосферной величины. Тень окружена полутенью, состоящей из светлых и тёмных радиальных волокон с интенсивностью свечения от 60 до 95 % от фотосферного.

Поверхность Солнца в области, где располагается пятно, расположена примерно на 500-700 км ниже, чем поверхность окружающей фотосферы. Это явление носит название «вильсоновской депресии ».

Пятна - области наибольшей активности на Солнце. В случае, если пятен много, то существует высокая вероятность того, что произойдет пересоединение магнитных линий - линии, проходящие внутри одной группы пятен, рекомбинируют с линиями из другой группы пятен, имеющими противоположную полярность. Видимым результатом этого процесса является солнечная вспышка . Всплеск излучения, достигая Земли, вызывает сильные возмущения её магнитного поля, нарушает работу спутников и даже оказывает влияние на расположенные на планете объекты. Из-за нарушений магнитного поля Земли увеличивается вероятность возникновения северных сияний в низких географических широтах. Ионосфера Земли также подвержена флуктуациям солнечной активности, что проявляется в изменении распространения коротких радиоволн.

Классификация

Пятна классифицируют в зависимости от срока жизни, размера, расположения.

Стадии развития

Локальное усиление магнитного поля, как было сказано выше, тормозит движение плазмы в конвекционных ячейках, тем самым замедляя вынос тепла на поверхность Солнца. Охлаждение затронутых этим процессом гранул (примерно на 1000 °C) приводит к их потемнению и формированию единичного пятна. Некоторые из них исчезают через несколько дней. Другие развиваются в биполярные группы из двух пятен, магнитные линии в которых имеют противоположную полярность. Из них могут сформироваться группы из множества пятен, которые в случае дальнейшего увеличения области полутени объединяют до сотни пятен, достигая размеров в сотни тысяч километров. После этого происходит медленное (в течение нескольких недель или месяцев) снижение активности пятен и уменьшение их размеров до маленьких двойных или одинарных точек.

Самые крупные группы пятен всегда имеют связанную группу в другом полушарии (северном или южном). Магнитные линии в таких случаях выходят из пятен в одном полушарии и входят в пятна в другом.

Размеры групп пятен

Размеры группы пятен принято характеризовать её геометрической протяжённостью, а также количеством входящих в неё пятен и их полной площадью.

В группе может насчитываться от одного до полутора сотен и более пятен. Площади групп, которые удобно измерять в миллионных долях площади солнечной полусферы (м.с.п.), варьируются от нескольких м.с.п. до нескольких тысяч м.с.п.

Максимальную площадь за весь период непрерывных наблюдений групп пятен (с 1874 по 2012 годы) имела группа № 1488603 (по Гринвичскому каталогу), появившаяся на диске Солнца 30 марта 1947 года, в максимуме 18-го 11-летнего цикла солнечной активности . К 8 апреля её полная площадь достигла 6132 м.с.п. (1,87·10 10 км², что более чем в 36 раз превышает площадь земного шара). На фазе своего максимального развития эта группа состояла из более чем 170 отдельных солнечных пятен.

Цикличность

Солнечный цикл связан с частотой появления пятен, их активностью и сроком жизни. Один цикл охватывает примерно 11 лет. В периоды минимума активности пятен на Солнце очень мало или нет вообще, в то время как в период максимума их может наблюдаться несколько сотен. В конце каждого цикла полярность солнечного магнитного поля меняется на противоположную, поэтому правильнее говорить о 22-летнем солнечном цикле.

Длительность цикла

Хотя в среднем цикл солнечной активности длится около 11 лет, бывают циклы длиной от 9 до 14 лет. Средние значения также меняются на протяжении столетий. Так, в XX веке средняя длина цикла составила 10,2 года.

Форма цикла непостоянна. Швейцарский астроном Макс Вальдмайер утверждал, что переход от минимума к максимуму солнечной активности происходит тем быстрее, чем больше максимальное количество солнечных пятен, зарегистрированное в этом цикле (т. н. «правило Вальдмайера»).

Начало и конец цикла

В прошлом началом цикла считался момент, когда солнечная активность пребывала в точке своего минимума. Благодаря современным методам измерений стало возможно определять изменение полярности солнечного магнитного поля, поэтому сейчас за начало цикла принимают момент изменения полярности пятен.

Нумерация циклов была предложена Р. Вольфом . Первый цикл, согласно этой нумерации, начался в 1749 году. В 2009 году начался 24 солнечный цикл.

• Данные последней строки - прогноз

Существует периодичность изменения максимального количества солнечных пятен с характерным периодом около 100 лет («вековой цикл»). Последние минимумы этого цикла приходились примерно на 1800-1840 и 1890-1920 годы. Есть предположение о существовании циклов ещё большей длительности.

См. также

Примечания

Ссылки

• Объединенная база данных магнитных полей солнечных пятен - включает изображения солнечных пятен периода 1957-1997 годов
• Изображения солнечных пятен обсерватории Локарно-Монти - охватывает период 1981-2011 годов
• Физика космоса. Маленькая энциклопедия М.: Советская Энциклопедия, 1986

Анимации-схемы процесса зарождения солнечных пятен

• how are sunspots formed? (Как солнечные пятна формируются?)

Солнце
Структура	Ядро · Зона лучистого переноса · Конвективная зона
Атмосфера	Фотосфера · Хромосфера · Солнечная корона
Расширенная структура	Гелиосфера (Гелиосферный токовый слой · Граница ударной волны) · Гелиосферная мантия · Гелиопауза · Головная ударная волна
Относящиеся к Солнцу феномены	Солнечное затмение · Солнечная активность (Солнечные пятна · Солнечные вспышки · Корональные выбросы массы) · Солнечная радиация (Вариации солнечного излучения) · Корональные дыры · Корональные петли · Факелы · Гранулы · Флоккулы · Протуберанцы и волокна · Спикулы · Супергрануляция · Солнечный ветер · Волна Мортона
Связанные темы	Солнечная система · Солнечное динамо · Звёздная эволюция

В последние годы ученые заметили, что Магнитное поле Земли ослабевает . Оно ослабевало последние 2000 лет, но в последние 500 лет этот процесс происходит неслыханными темпами.

Солнечное поле, напротив, сильно усилилось за последние 100 лет. С 1901 года солнечное поле усилилось на 230 %. Пока, ученые не совсем понимают, какие последствия это повлечет для землян.

Усиление Солнечного поля :

Согласно данным Наса, следующий, 24-й Солнечный цикл уже начался. В начале 2008 года была зафиксирована вспышка на Солнце, свидетельствующая об этом. Как предполагается, своего пика этот цикл достигнет к 2012 году .

Что же такое, эти темные пятна на солнце ? Попробуем разобраться.

Когда то, темные пятна на солнце считались мистическим явлением. Так считали до тех пор, пока не была установлена связь между пятнами на солнце и количеством тепла, выделяемого солнцем. Бурлящий на солнце газ создает мощнейшее магнитное поле, которое в некоторых местах разрывается, создавая что-то наподобие дыры или темного пятна, тем самым высвобождая часть своей энергии в космическое пространство.

Темные пятна рождаются внутри светила. У Солнца , как и у Земли, есть экватор. На солнечном экваторе скорость вращения энергии больше чем на солнечных полюсах. Таким образом, происходит постоянное перемешивание и взбалтывание солнечной энергии и в местах ее высвобождения, на поверхности Солнца, появляются темные пятна. Тепло от короны распространяется в космос.

День за днем солнце нам кажется одинаковыми. Однако, это не так. Солнце постоянно изменяется. длятся, в среднем, по 11 лет. «Солнечный минимум » – это цикл, с практически полным отсутствием пятен. Минимумы оказывает успокаивающее влияние на Землю, с ними связывают периоды похолодания на земле. «Солнечные максимумы » – это цикл, в период которого образуется множество пятен и коронарных выбросов .

Когда солнце очень активно, образуется много темных пятен и энергетические выбросы Солнца вызывают возмущение магнитного поля Земли, в связи с чем и было введено понятие «солнечный шторм », а в рамках долговременного процесса, объединить понятием «космическая погода».

Солнечный шторм

В период солнечного максимума коронарная активность наблюдается даже на полюсах Солнца . Вспышка на Солнце эквивалентна миллиардам мегатонн динамита. Концентрированные выбросы выделяют огромное количество энергии, которая достигает Земли примерно за 15 минут. Солнечные выбросы оказывают влияние не только на магнитное поле Земли, но и на космонавтов, на орбитальные спутники, на Земные электростанции, на самочувствие людей, а иногда вызывают повышение радиационного уровня. В 1959 году один наблюдатель увидел вспышку невооруженным глазом. Если сегодня случится подобная вспышка, то около 130 миллионов людей останутся без электричества, как минимум, на месяц. Все важнее понимать и прогнозировать солнечную погоду. Для этого в космическое пространство запущены спутники, с помощью которых можно наблюдать за пятнами на солнце еще до того, как оно повернется к Земле ударной стороной. Солнечная энергия дает жизнь всему, что существует на Земле. Солнце защищает нас от космического воздействия. Но защищая нас, иногда, оно может и навредить. Жизнь на Земле существует в результате очень тонкого баланса.