Солнечная атмосфера

Многие характеристики Солнца с течением времени практически не изменяются. Но есть и множество изменяющихся явлений, которые характеризуют солнечную активность. Эти явления проходят в атмосфере.

Условно солнечную атмосферу можно разделить на три области:

- фотосфера;

- хромосфера;

- корона.

Фотосфера– самый глубокий слой атмосферы, толщина 200 – 300 км. Из него исходит почти вся энергия Солнца, наблюдаемая в видимой части спектра. Из – за ухода энергии в пространство температура фотосферы убывает при удалении от центра.

В фотосфере активными образованиями являются гранулы, солнечные пятна и фотосферные факелы. Гранулы размером до 700 км, со временем жизни ≈ 8 млн., разделены темными промежутками размером до 300 км. Яркость гранул и темных промежутков различается в пределах 10%.

Рисунок 59. Фотосфера с грануляцией и пятнами.

Рисунок 60. Большое солнечное пятно.

Рисунок 61. Фотография факела.

Гранулы непрерывно появляются и угасают.

Пятна и факелы появляются в зоне ≈ ±30º от экватора. Обычно факелы цепочкой окружают пятна ≈ 4500º. В области пятен достаточно сильное магнитное поле (2000 – 4500 Э или 0,2 – 0,45 Тл). Обычно пятна появляются группами, мерой пятнообразовательной деятельности являются числа Вольфа.

Рисунок 62. Изменение числа Вольфа со временем

W= 10g+f(3)

g – число группы пятен;

f – общее число видимых пятен.

Если пятен нет, то W=0, если пятно одно, то W=11, так как это пятно учитывается дважды. Число W изменяется с периодом ≈ 11 лет.

Теория пятен разрабатывается. Более низкая температура связывается с существованием сильного магнитного поля в области пятна. Оно тормозит движение плазмы поперек поля. Поле может препятствовать конвекции в слоях под фотосферой. В результате уменьшается приток тепла из внутренних слоев. Причиной может быть и затраты энергии на образование альвеновских волн, которые уносят эту энергию в хромосферу и корону.

Влиянием магнитного поля объясняют и увеличение яркости факелов. Слабое поле приводит к усилению конвекции.

Хромосфера – слой атмосферы, расположенный выше фотосферы.

Хромосферные активные образования:

- спикулы - светящиеся газовые столбы, диаметр ~1000 км, скорость подъема и опускания ≈ 20 км/с, а высота до 3000 км, время жизни несколько минут.

-флоккулы- яркие образования, пересеченные системой темных волокон –фибрилл.

- хромосферные вспышки – наиболее грандиозные проявления солнечной активности. Область вспышек до 10000км. За время одного часа может выделиться энергия до 10% общей светимости Солнца. В области вспышки генерируется поток частиц высоких энергий и электромагнитного излучения отгамма – лучей до радиоволн.

Рисунок 63. Большая хромосферная вспышка

Вспышка образуется над сложной группой пятен с сильными магнитными полями противоположной полярности.

В короне, в верхней части атмосферы, наблюдается протуберанцы – активные образования разнообразные по форме и характеру развития: являются также связанные с магнитными полями.

Рисунок 64. Изменения протуберанца.

Рисунок 65. Четыре стадии развития эруптивного

протуберанца наблюдавшиеся в течении часа.

Корона не находится в равновесном состоянии. Она непрерывно расширяется, создавая потоки ионизированной плазмы с вмороженным магнитным полем. Такие потоки назвали солнечным ветром. Скорость частиц солнечного ветра увеличивается при удалении от Солнца. У основания короны (20000 км. от поверхности Солнца) она составляет несколько сотен метров в секунду, а на расстоянии орбиты Земли достигает 2507000 и более. при температуре плазмы ≈ 10⁵К, и концентрации до 10 в 1 , магнитное поле 10^-5 – 10^-4 Э (≈10^-8 Тл). Естественно возникает вопрос о процессе переноса энергии, приводящей к увеличению скорости и кинетической энергии направленного движения частиц.

Все активные образования в солнечной атмосфере тесно связаны между собой. Появлению пятен предшествует появление факелов и флоккулов. Вспышки возникают во время наиболее быстрого роста группы пятен или их сильных изменений. В это же время возникают и протуберанцы, которые живут и после распада активной области. Таким образом можно говорить о центрах солнечной активности.

Радиоизлучения Солнца.Наблюдаются как непрерывное радиоизлучение так и радиовсплески различных типов. По теории Максвелла, излучать электромагнитные волны могут заряженные частицы, скорость которых изменяется по модулю и направлению. На Солнце – эти частицы ионизированной плазмы.

Радиоизлучения Солнца содержит тепловую и нетепловую составляющие.Тепловая - следствие изменения скорости при столкновениях, нетепловая – магнитотормозное излучение – следствие вращения заряженных частиц в магнитных полях. Излучение радиоизлучения различного типа и в различных диапазонах позволяет получать информацию о состоянии и процессах в различных слоях солнечной атмосферы.

5. Влияние солнечной активности на географические и биологические процессы на Земле.

К Земле от Солнца приходят корпускулярные потоки солнечного ветра, несущие вмороженные магнитные поля, электромагнитное излучение различных диапазонов, от коротковолнового до радиоволн. Они влияют на физико – химические процессы в верхних слоях атмосферы, на состояние магнитного поля Земли. Периодические и непериодические измерения солнечной активности вызывают изменения в околоземном пространстве, что влияет на физические процессы и биосферы.

Некоторые примеры:

ü Видимые и инфракрасные лучи являются основными поставщиками тепла на Земле. Солнечная энергия используется и в народно – хозяйственных целях (солнечные электростанции)

ü Потоки заряженных частиц ускоренные во вспышках, влияют на геомагнитное поле, вызывая магнитные бури.

ü Заряженные частицы проникают в верхние слои атмосферы, вызывая полярные сияния.

ü Коротковолновое излучение Солнце создает ионизацию верхних слоев атмосферы Земли. От уровня солнечной активности зависит состояние ионосферы и, следовательно, распространение радиоволн. Во время вспышек наблюдаются нарушения радиосвязи, особенно на длинных волнах от 15 м до 60 м.

ü Активные процессы на Солнце, влияя на атмосферу и магнитное поле Земли, воздействует на сложные процессы органического мира животного и растительного.

- толщина годичных колец деревьев повторяется с периодом солнечной активности. В максимум солнечной активности более широкие кольца, то есть более благоприятные условия роста.

- вспышки чумы, холеры, скарлатины, дифтерита происходят преимущественно в годы максимума солнечной активности;

- в максимуме солнечной активности изменяется состав крови, понижаются защитные свойства организма.

Созданная служба Солнца систематически отслеживают состояние Солнца и информируют о нем, через публикации, радио, телевидение.

2.10.2. Лекция №18 Большие планеты Солнечной системы

Рисунок 66. Схематическое изображение Солнечной системы

Рисунок 67. Сравнительные размеры больших планет

По физическим характеристикам планеты делятся на 2 группы

1. планеты типа Земли (Меркурий, Венера, Земля, Марс);

2. планеты – гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

О Плутоне известно мало, считается, что он ближе к первой группе.

Спутники есть у Земли, Марса, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона.

Луна – спутник Земли, но по массе не очень сильно отличается от Земли. Поэтому есть основание систему Земля – Луна считать двойной планетой. Такой же является система Плутон – Харон.

Таблица 10. Некоторые характеристики планет Солнечной системы

Таблица 11. Физические характеристики планет

Основные различия:

- планеты – гиганты значительно большепо размерам и массе;

- планеты – гиганты значительно меньше по плотности;

- планеты – гиганты имеют многочисленные семейства спутников;

- Юпитер, Сатурн, Уран обладают кольцами;

- тепловой поток из недр Юпитера и Сатурна примерно равен потоку, излучаемому от Солнца;

- тепловой поток из недр Земли пренебрежимо мал по сравнению с притоком энергии от Солнца. Так же, по – видимому, у планет всей земной группы;

- у планет земной группы твердая поверхность, у планет гигантов такой поверхности нет;

- у планет – гигантов быстрое осевое вращение;

- у планет – гигантов протяженные гелиево – водородные атмосферы с небольшим содержанием аммиака (NH₃) и метана (CH₄).

- около 98% массы планет приходится на долю планет – гигантов.

Физические характеристики планет земной группы изучены радарными технико – космическими средствами.

Планеты – гиганты изучены хуже, чем планеты земной группы по причинам:

- меньше аналогии с теми явлениями, которые наблюдаются на Земле;

- расстояния до планет – гигантов значительно больше.

Таблица 12. Химический состав некоторых планет

Обратить внимание на содержанием кислорода и водорода в атмосферах Земли и Юпитера и среднюю молярную массу атмосфер.

Земля.

Земля – третья от Солнца планета.

Форма – сфероид.

Экваториальный радиус R₀= 6378 км.

Средний R_с= 6371 км.

Масса ≈ 5,98*10²⁴ кг.

Масса определена по гравитационной постоянной G=6,674*10^{-11 м3} кг^-1с^-2 и ускорению g силы тяжести на земной поверхности.

Из опыта с математическим маятником на экваторе:

⇒ g = 9,780 .(4)

Т_м- период колебаний из эксперимента.

Гравитационные ускорения

g₀ = g + g_ц (5)

g_ц – центробежное ускорение, следствие вращения Земли.

На экваторе:

g_ц = (6)

g_ц =

Т_з – период вращения Земли. Т_з = 23^ч56^м04^с = 86164 с.

Тогда g₀ = 9,78 + 0,034 = 9,814

Из закона Всемирного тяготения

g₀ = (7)

= 5.98 * 10²⁴ кг.

На произвольной широте ускорение силы тяжести

g_φ = g + (g₉₀ - g) sin²φ (8)

g = 9.780 – на экваторе, g₉₀ = 9,833 на полюсе.

Гравитационные аномалии – отклонение ускорения силы тяжести от g_ц вследствие неоднородности.

В земном шаре выделяют три оболочки: атмосфера, гидросфера, литосфера. Соответственно 3 агрегатных состояния: газообразное, жидкое, твердое. Атмосферой обладают большинство планет солнечной системы, твердая оболочка – у планет земной группы, спутников планет и астероидов. Гидросфера Земли – уникальное явление в солнечной системе. Для существования воды в жидком виде необходимы определенные температуры и давления.

Вода – распространенное химическое соединение во Вселенной, в основном в твердой фазе.

Атмосферапо химическому составу приблизительно: 78% - азот, 21% - кислород, 0,9% - аргон, 0,03% -углекислый газ. В очень малом количестве неон, гелий, водород, метан и др. газы. Содержание водяных паров от 0,2% в полярных зонах до 3% - в экваториальных, во многом зависит от температуры. С высотой относительное содержание газов изменяется. Выше 10 – 15 км.над земной поверхностью водяных паров почти нет.

Атмосфера делится на 4 основных слоя:

- тропосфера;

- стратосфера;

- мезосфере;

- термосфера (ионосфера).

Тонкий слой озона (О₃) находится в нижней части стратосферы.

На высоте 150 км давление ~ 10^-9Па. Здесь в основном гелий, водород, которые постепенно покидают атмосферу.

Литосферу изучает геология, сейсмология.

Рисунок 68. Схема внутреннего строения Земли.

Слои Земли: кора, мантия, ядро.

Толщина земной коры 6-70 км. Температура коры вглубь Земли возрастает (по данным бурения скважины на Кольском полуострове) за счет тепловых потоков из горячих недр земли. По всей глубине скважины обнаружены газы (гелий, водород, азот, метан и др. углеводороды) и протоки воды с высоким содержанием брома, йода и тяжелых металлов.

Мантиясостоит из базальтов и силикатов в расплавленном вязком состоянии. В мантии формируются очаги крупных землетрясений, вулканизма.

Географические полюса Земли блуждают на 0",4 в пределах квадрата со стороной около 24 м. Это блуждание изучает специальная международная служба движения полюсов (МСДП) в составе 5 станций (Япония, США(2), Италия, Узбекистан)

Магнитное поле Земли ~0,5 Э (5 мТл). Оно близко к магнитному полю диполя. Геомагнитные полюсы не совпадают с географическими. Геомагнитный экватор наклонен к географическому на угол 11º,5.

Магнитосфера препятствует прямолинейному распространению солнечного ветра. Солнечный ветер ограничивает магнитное поле Земли, образуя магнитосферу. Ее протяженность около 10 земных радиусов в сторону Солнца и ~12000 км – в противоположном направлении. Это хвост магнитосферы.

Рисунок 69. Магнитосфера и радиационный пояс Земли.

Происхождение магнитного поля планет объясняют динамо – механизмом. Из – за высокой температуры жидкое ядро имеет заметную проводимость. Если в ядре есть хотя бы слабое магнитное поле, то гидродинамическое движение при пересечении магнитного поля вызывает электрический ток, который создает магнитное поле. Усиление поля усилит ток. Процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло уравновесят приток энергии, поступающий за счет гидродинамических движений.

Для формирования сильного магнитного поля необходимы и другие факторы (примитивное взаимодействие с другими телами (Солнце в случае с Меркурием, Луна в случае Земли).

Полярные сияния: в высоких широтах силовые линии магнитного поля сгущены и почти перпендикулярны к земной поверхности. Частицы солнечного ветра двигаясь почти вдоль линий поля проникают в ионосферу, создавая ионизацию и свечение на высоте от 400 до 1000км.

Радиационные пояса Земли – области в магнитосфере, в которой частицы (протоны и электроны) солнечного ветра, захваченные магнитным полем, двигаются по спиральным траекториям. Это кольцо – утолщенное вокруг геомагнитного экватора Земли.

Эволюция Земли на более поздней стадии может быть восстановлена по свидетельствам, полученным при изучении горных пород коры.

Рисунок 70. Спиральные «часы», показывающие, как развертывалась эволюция Вселенной

3. Некоторые особенности планет.

Меркурий

Ближайшая к Солнцу и наименьшая из всех планет земной группы.

- обилие мелких и крупных кратеров, глубокие и широкие долины, борозды и разломы в коре. Дно некоторых кратеров залито затвердевшей лавой;

- солнечные сутки равны 176 земным суткам или двум меркурианским годам. От восхода до захода проходит один год. От захода до восхода – еще год;

- ось вращения почти перпендикулярна к плоскости своей орбиты;

- магнитное поле слабое, в 100 раз меньше земного.

Венера:

- плотная атмосфера с облаками, не дает возможности оптическим наблюдениям поверхности. Открыта 6 июня 1761 года М.В Ломоносовым при прохождении Венеры по диску Солнца;

- масса надежно определена по искривлению траектории американской космической станции «Маринер - 5» в октябре 1967 г. и по обращению двух советских искусственных спутников планет «Венера - 9» и «Венера - 10» в октябре 1975г;

- ось вращения незначительно отклонена от перпендикуляра к плоскости эклиптики. Вращается вокруг оси с востока на запад, то есть навстречу вращению Земли. Это обратноевращение. Период вращения считается отрицательным, а наклон оси считают не 3º, а 177º;

- во время нижнего соединения Венера повернута Земле всегда одним и тем же полушарием, так как синодический период обращения Венеры вокруг Солнца равен 584 суткам и заключает в себе 5 солнечных венерианских суток (5*117 = 585 суток);

- явление сумеречной дуги – смыкание рогов в фазе узкого серпа вследствие преломления света, проходящего сквозь атмосферу;

- по исследованиям на космических аппаратах в атмосфере около 97% углекислого газа, который создает сильный парниковый эффект и сильное нагревание поверхности;

- в атмосфере обнаружены воздушные течения, ветры;

- атмосфера отражает до 76% солнечного света;

- рельеф изучен посредством радиолокации с Земли и с ее искусственных спутников. Поверхность глаже, чем у Луны и Земли. Есть горные плато, хребты, кольцевые горы, кратеры, равнины;

- на планете есть вулканы, в том числе и действующие, выбрасывающие в атмосферу углекислый газ, серистые и хлористые соединения;

- обнаружен вблизи экватора гигантский разлом, глубиной до 2 км, шириной 150 км, длиной 1500 км, что свидетельствует о тектонических процессах в недрах планеты;

- водных бассейнов и магнитного поля нет.

Марс

- поверхность хорошо видна в телескоп;

- вращение в прямом направлении;

- наклон оси вращения близок к земному. Поэтому на Марсе такие же тепловые пояса и смена сезонов года. Но контрасты сезонов из – за большого удаления и отсутствия водных бассейнов иные: снежной зимы и жаркого лета не бывает;

- песчаные пустыни светло желтого и оранжевого оттенка, условно называются материками;

- темные области «моря», «оазисы», «озера»;

- полярные шапки, белые пятна полюсах, из затвердевшей углекислоты и водяного льда (инея). Летом наблюдается таяние шапок и изменение морей, оазисов, заливов, озер, приобретают синевато – зеленый оттенок – может быть растительность;

- влага в атмосфере в ничтожном количестве, но может поступать к растениям из почвы;

- наличие тонких темных линий, «каналов». Открыта в 1877 году Дж. Скиапарелли. При наблюдении в сильные телескопы видны, как отдельные пятна и отрезки линий;

- Марс интенсивно исследован с помощью космических аппаратов;

- в марте 1974г советский космический аппарат «Марс - 6» осуществил мягкую посадку на поверхность;

- кратеров мало, поверхность в основном равнинная, есть конусообразные вулканические горы с жерлами на вершинах и застывшими потоками лавы;

- имеются признаки прошлых оледенений;

- в грунте обилие окислов железа, придающих поверхности планеты красноватый оттенок;

-атмосфера сильно разрежена. 95% - углекислый газ. Кислорода – 2,5%, водяных паров - 0,1%;

- из-за резкого изменения температур в атмосфере наблюдается ветра и пыльные бури;

- возможно наличие грунтовых вод;

- признаки жизнедеятельности микроорганизмов не обнаружены;

- магнитное поле в 500 раз слабее земного;

- спутники движутся в прямом направлении почти в плоскости экватора планеты.

Юпитер

- самая большая планета солнечной системы;

- вращение в прямом направлении очень быстрое, вызывает сильное сжатие;

- экваториальная зона вращается быстрее, что подтверждает газовую природу диска планеты;

- исследовался американскими автоматическими станциями, типа «Пионер», «Вояджер»;

- по наиболее вероятной модели по массе 72% - водород, 22%- гелий, 6% - тяжелые элементы в недрах планеты. На глубине 5 тыс. км без редких границ атмосфера переходит в смешанный газожидкий слой. Под ним жидкий водород и гелий. Из – за высокой температуры водород находится в металлическом состоянии., то есть является электропроводным.

Сверхплотное жидкое ядро из водорода и гелия с примесью силикатов, железа, никеля. Диаметр 8-9 тыс. км.

- жидкие недра и быстрое вращение создают магнитное поле в 50 раз сильнее земного;

- Следствие магнитного поля планеты и солнечного ветра – радиационные пояса;

- в Южном полушарии устойчивое красное пятно, которое обтекают атмосферные течения. Это устойчивый ураганный вихрь в атмосфере. С периодом вращения 6 суток;

- наличие колец;

- большое радиоизлучение.

Сатурн:

- похожа на Юпитер. Такой же природы как у Юпитера – магнитное поле;

- радиоизлучение небольшое, так радиационные пояса слабее, чем у Юпитера.

Рисунок 71. Радиационные пояса Сатурна

- ось магнитосферы совпадает с осью вращения;

- наличие кольца, состоящего из нескольких широких концентрических полос. Кольца не сплошные, состоят из множества твердых частиц различных размеров.

- из 17 спутников только один, Титан, виден в небольшие телескопы.