Природа звезд

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО

Уральский государственный  экономический университет

Институт непрерывного образования

Факультет сокращенной  подготовки

 

Кафедра Управление качеством в производственно-технологических системах

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

По  дисциплине: Концепции современного естествознания

       На тему «34. Природа звезд»

 

 

Студента 1 курса гр. УК-12 КЧ Крылова Евгения  Владимировича Преподаватель: Упоров  С.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2013 г.

Содержание

 

 

 

Введение

Интерес ученых к проблеме солнечно – земных связей вызван несколькими  причинами. Прежде всего по мере выяснения  физических сторон влияния Солнца на Землю выявилось громадное прикладное значение этой проблемы для радиосвязи, магнитной навигации, безопасности космических полетов, прогнозирования погоды и так далее.

Природа Солнца и его значение для  нашей жизни – неисчерпаемая  тема. О его воздействии на Землю  люди догадывались еще в глубокой древности, в результате чего рождались легенды и мифы, в которых Солнце играло главную роль. Оно обожествлялось во многих религиях. Исследование Солнца – особый раздел астрофизики со своей инструментальной базой, со своими методами. Роль получаемых результатов исключительна, как для астрофизики (понимание природы единственной звезды, находящейся так близко), так и для геофизики (основа огромного числа космических воздействий). Постоянный интерес к Солнцу проявляют астрономы, врачи, метеорологи, связисты, навигаторы и другие специалисты, профессиональная деятельность которых сильно зависит от степени активности нашего дневного светила, на котором "также бывают пятна".

Первое описание пятен в русских  летописях датируется 1371 и 1385 годами, когда наблюдатели заметили их сквозь дым лесных пожаров. История борьбы взглядов на природу процессов на Солнце связана с кажущимися нам сейчас почти невероятными драматическими коллизиями. Нас же интересует вопрос о том, какое влияние оказывает деятельность Солнца на наше здоровье, каким образом солнечные бури, пятна и вспышки влияют на наше самочувствие.

 

 

1. Наша звезда – Солнце

1.1. Характеристика Солнца

Из всего окружающего  нас несметного множества звезд  несопоставимо важнейшую роль в  нашей жизни играет Солнце. Эта  ближайшая к нам звезда обеспечивает нашу планету подавляющей частью энергии, которой мы располагаем на Земле. Благодаря солнцу и земной атмосфере на поверхности земли температура и другие условия такие, какие они есть,  а не космический холод, что делает нашу планету комфортной для обитающих на ней живых существ. Даже относительно мизерные изменения потока энергии, передаваемой Солнцем Земле, которые происходят при солнечных вспышках, существенно сказываются на земных условиях. С другой стороны, Солнце по своим свойствам является типичной для своего класса звездой, и постигая процессы, происходящие на Солнце, мы лучше понимаем и то, что творится на очень далеких от нас звездах.

Астрономическими методами было измерено, что орбита Земли  удалена от Солнца в среднем на r=150 миллионов километров. Эта орбита имеет формулу эллипса, так что в разные моменты времени расстояние от Земли до Солнца несколько изменяется; меняется и скорость движения Земли по ее орбите. Как известно, период обращения Земли вокруг Солнца равно одномуг., точнее, 365,2522 суток. Ближе всего к Солнцу Земля подходит в январе, и в этот же период скорость движения Земли по ее орбите максимальна, хотя вариации скорости (в среднем 35 км/с) и расстояния между Землей и Солнцем очень невелики (1,7%). Угловой размер Солнца, видимый с Земли, составляет в среднем a=32,05 угловых минут. Радиус Солнца составляет 697 тысяч километров. Масса Солнца 2*10³⁰ кг. Средняя плотность Солнца составляет 1,41*10³ кг/м³, т.е. в 1,41 раза больше плотности воды. Однако распределение плотности по глубине Солнца неоднородно, и величина средней плотности не очень показательна. С другой стороны, вспомнив, до каких чудовищных величин возрастает давление на больших глубинах земных океанов, мы качественно поймем, что происходит с давлением и плотностью по мере приближения к центру Солнца (плотность солнечного вещества – газа – прямо зависит от давления, в то время как вода практически несжимаема)¹.

Казалось бы, странно  рассуждать о распределении плотности  по глубине небесного тела, удаленного от нас на полторы сотни миллионов километров. Но один из парадоксов естественнонаучных исследований состоит в том, что о внутреннем строении Солнца мы имеем, по-видимому, гораздо лучшее представление, чем о внутреннем строении Земли. Кстати, химический элемент гелий был вначале открыт на Солнце, а уже потом обнаружен на Земле. Состоит солнце примерно  на ¾ из водорода, на ¼ из гелия, с небольшой добавкой (примерно 2%) более тяжелых элементов.

 

2.2. Важнейшие проявления и индексы  солнечной активности

Одной из самых замечательных особенностей Солнца являются почти периодические, регулярные изменения различных проявлений солнечной активности, то есть всей совокупности наблюдаемых изменяющихся (быстро или медленно) явлений на Солнце. Это и солнечные пятна – области с сильным магнитным полем и вследствие этого с пониженной температурой, и солнечные вспышки – наиболее мощные и быстроразвивающиеся взрывные процессы, затрагивающие всю солнечную атмосферу над активной областью, и солнечные волокна – плазменные образования в магнитном поле солнечной атмосферы, имеющие вид вытянутых (до сотен тысяч километров) волоконообразных структур. Когда волокна выходят на видимый край (лимб) Солнца, можно видеть наиболее грандиозные по масштабам активные и спокойные образования – протуберанцы, отличающиеся богатым разнообразием форм и сложной структурой. Нужно еще отметить корональные дыры – области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем. Это своеобразные окна, из которых выбрасывается высокоскоростной поток солнечных заряженных частиц.

Солнечные пятна –  наиболее известные явления на Солнце. Впервые в телескоп их наблюдал Г. Галилей в 1610 г. Мы не знаем, когда  и как он научился ослаблять яркий  солнечный свет, но прекрасные гравюры, изображающие солнечные пятна и опубликованные в 1613г. в его знаменитых письмах о солнечных пятнах, явились первыми систематическими рядами наблюдений².

С этого времени регистрация  пятен то проводилась, то прекращалась, то возобновлялась вновь. В конце  ХIX столетия два наблюдателя – Г. Шперер в Германии и Е. Маундер в Англии указали на тот факт, что в течение 70-летнего периода вплоть до 1716г. пятен на солнечном диске, по-видимому, было очень мало. Уже в наше время Д. Эдди, заново проанализировав все данные, пришел к выводу, что действительно в этот период был спад солнечной активности, названный Маундеровским минимумом.

К 1843г. после 20-летних наблюдений любитель астрономии Г. Швабе из Германии собрал достаточно много данных для  того, чтобы показать, что число  пятен на диске Солнца циклически меняется, достигая минимума примерно через каждые одиннадцать лет. Р. Вольф из Цюриха собрал все какие только мог данные о пятнах, систематизировал их, организовал регулярные наблюдения и предложил оценивать степень активности Солнца специальным индексом, определяющим меру "запятненности" Солнца, учитывающим как число пятен, наблюдавшихся в данный день, так и число групп солнечных пятен на диске Солнца. Этот индекс относительного числа пятен, впоследствии названный "числами Вольфа", начинает свой ряд с 1749 года. Кривая среднегодовых чисел Вольфа совершенно отчетливо показывает периодические изменения числа солнечных пятен.

Индекс "числа Вольфа" хорошо выдержал испытание временем, но на современном этапе необходимо измерять солнечную активность количественными методами. Современные солнечные обсерватории ведут регулярные патрульные наблюдения за Солнцем, используя в качестве меры активности оценку площадей солнечных пятен в миллионных долях площади видимой солнечной полусферы (м.д.п.). Этот индекс в какой-то мере отражает величину магнитного потока, сосредоточенного в пятнах, через поверхность Солнца.

Группы солнечных пятен  со всеми сопутствующими явлениями  являются частями активных областей. Развитая активная область включает в себя факельную площадку с группой солнечных пятен по обе стороны линии раздела полярности магнитного поля, на которой часто располагается волокно. Всему этому сопутствует развитие корональной конденсации, плотность вещества в которой по крайней мере в несколько раз выше плотности окружающей среды. Все эти явления объединены интенсивным магнитным полем, достигающим величины нескольких тысяч гаусс на уровне фотосферы.

Наиболее четко границы  активной области определяются по хромосферной линии ионизованного кальция. Поэтому был введен ежедневный кальциевый индекс, который учитывает площади и мощности всех активных областей.

Самое сильное проявление солнечной активности, влияющее на Землю, – солнечные вспышки. Они  развиваются в активных областях со сложным строением магнитного поля и затрагивают всю толщу солнечной атмосферы. Энергия большой солнечной вспышки достигает огромной величины, сравнимой с количеством солнечной энергии, получаемой нашей планетой в течение целого года. Это приблизительно в 100 раз больше всей тепловой энергии, которую можно было бы получить при сжигании всех разведанных запасов нефти, газа и угля. В то же время это энергия, испускаемая всем Солнцем за одну двадцатую долю секунды, с мощностью, не превышающей сотых долей процента от мощности полного излучения нашей звезды. Во вспышечно-активных областях основная последовательность вспышек большой и средней мощности происходит за ограниченный интервал времени (40-60 часов), в то время как малые вспышки и уярчения наблюдаются практически постоянно. Это приводит к подъему общего фона электромагнитного излучения Солнца. Поэтому для оценки солнечной активности, связанной со вспышками, стали применять специальные индексы, напрямую связанные с реальными потоками электромагнитного излучения. По величине потока радиоизлучения на волне 10.7 см (частота 2800 МГц) в 1963 г. введен индекс F10.7. Он измеряется в солнечных единицах потока (с.е.п.), причем 1 с.е.п. = 10-22 Вт/(м2·Гц). Индекс F10.7 хорошо соответствует изменениям суммарной площади солнечных пятен и количеству вспышек во всех активных областях. Для статистических исследований в основном используются среднемесячные значения.

С развитием спутниковых  исследований Солнца появилась возможность  прямых измерений потока рентгеновского излучения в отдельных диапазонах.

 

2. Влияние Солнца  на климат и погоду

2.1. Воздействие солнечной активности  на Землю

Система прямых или опосредованных физических связей между гелио- и  геофизическими процессами. Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещённости и среднюю температуру её поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию ультрафиолетового и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей.

Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в магнитосфере, ионосфере, нейтральной атмосфере, биосфере, гидросфере и, возможно, литосфере Земли. Изучение этих явлений и составляет суть проблемы Солнечно-Земных связей.

Строго говоря, Земля  оказывает некоторое обратное (по крайней мере, гравитационное) воздействие  на Солнце, однако оно ничтожно мало, так что обычно рассматривают  только воздействие солнечной активности на Землю.

Это воздействие сводится либо к переносу от Солнца к Земле  энергии, выделяющейся в нестационарных процессах на Солнце (энергетический аспект Солнечно-Земные связи), либо к  перераспределению уже накопленной  энергии в магнитосфере, ионосфере  и нейтральной атмосфере Земли (информационный аспект). Перераспределение энергии может происходить либо плавно (ритмические колебания геофизических параметров), либо скачкообразно (триггерный механизм)³.

Представления о Солнечно-Земных связях складывались постепенно, на основе отдельных догадок и открытий. Так, в конце XIX в. К.О.Биркелан (Биркеланд; Норвегия) впервые высказал предположение, что Солнце кроме волнового излучения испускает также и частицы. В 1915 г. А.Л.Чижевский обратил внимание на циклическую связь между развитием некоторых эпидемий и пятнообразовательной деятельностью Солнца. Синхронность многих гелио- и геофизических явлений (а также форма кометных хвостов) наводила на мысль, что в межпланетном пространстве имеется агент, передающий солнечные возмущения к Земле. Этим агентом оказался солнечный ветер, существование которого экспериментально было доказано в начале 1960-х гг. путём прямых измерений с помощью автоматических межпланетных станций. Открытие солнечного ветра вместе с накопленными данными о других проявлениях солнечной активности послужило основой для исследования физики Солнечно-Земных связей.

Последовательность событий  в системе Солнце-Земля можно  проследить, наблюдая цепочку явлений, сопровождающих мощную вспышку на Солнце – высшее проявление солнечной активности. Последствия вспышки начинают сказываться в околоземном пространстве почти одновременно с событиями на Солнце (время распространения электромагнитных волн от Солнца до Земли – чуть больше 8 минут). В частности, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение вызывает дополнительную ионизацию верхней атмосферы, что приводит к ухудшению или даже полному прекращению радиосвязи (эффект Деллинджера) на освещённой стороне Земли.

 

2.2. Солнечные  вспышки и магнитные бури

Обычно мощная вспышка  сопровождается испусканием большого количества ускоренных частиц – солнечных космических лучей (СКЛ). Самые энергичные из них начинают приходить к Земле спустя чуть более 10 мин после максимума вспышки. Повышенный поток СКЛ у Земли может наблюдаться несколько десятков часов. Вторжение СКЛ в ионосферу полярных широт вызывает дополнительную ионизацию и, соответственно, ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Имеются данные о том, что СКЛ в значительной мере способствуют опустошению озонного слоя Земли. Усиленные потоки СКЛ представляют собой также один из главных источников радиационной опасности для экипажей и оборудования космических кораблей.