Юрий Мизун - Полярные сияния

• Название: Полярные сияния
• Автор: Юрий Мизун
• Издательство: Наука
• Жанр: Научпоп
• Год: 1983

В книге рассказано об одном из интереснейших явлений природы — полярных сияниях. Автор рассматривает причины их возникновения, связи с солнечной активностью, ближним и дальним космосом, влияние полярных сияний на жизнь и деятельность людей в высоких широтах. Использованы результаты исследований, проведенных в последнее время с помощью геофизических ракет и искусственных спутников Земли.

Для широкого круга читателей, интересующихся необычными явлениями природы.

---

Буквами в кружках обозначены полярности биполярных солнечных пятен (закон полярности солнечных пятен)

Представляет научный и практический интерес распределение солнечных пятен по широте. Установлено, что с изменением числа солнечных пятен в течение 11-летнего цикла солнечной активности постепенно изменяется и средняя широта, на которой появляются пятна (рис. 2). Видно, что в начале каждого цикла, когда число появляющихся пятен растет от минимума к максимуму, новые солнечные пятна расположены в поясе широт ±30°. Затем они возникают все ближе к солнечному экватору и в период максимума их средняя широта составляет ±16°, а при следующем максимуме даже ±8°. Вблизи минимума солнечной активности пятна старого и нового циклов наблюдаются одновременно: первого — на низких широтах, второго — в высоких. Это закон Шперера.

Долгоживущие пятна могут наблюдаться несколько раз, т. е. в течение нескольких периодов вращения Солнца. Пятно вблизи экватора возвращается к своей исходной точке в среднем через 25,0 дня, а на широте ±30° — через 26,2 дня. Это сидерический (истинный) период вращения. Но поскольку Земля должна «догонять» Солнце (Солнце вращается в том же направлении, в каком Земля обращается вокруг него), то для наблюдателя, находящегося на Земле, это время удлиняется. Оно равно 26,9 дня, если пятно находится на солнечном экваторе, и 28,3 дня — на широте ±30°. Это синодические периоды вращения. Период вращения изменяется с широтой по той причине, что Солнце — газообразное тело.

Как правило, группа солнечных пятен окружена факельными полями. В этих областях фотосфера несколько ярче, чем в остальных местах, видных в белом свете. Факелы состоят из ярких полосок, прожилок и неправильных лоскутков. В таких факельных полях появляются и активные протуберанцы, которые связаны с солнечными пятнами, а также вспышки и возбуждаемые области в короне. Факелы возникают незадолго до образования солнечного пятна и продолжают существовать и после исчезновения пятна. Время их жизни в три раза больше времени жизни пятна. Считается, что факелы — это те области, где турбулентность и конвекция поднимают нагретые газы более глубоких уровней вверх.

На шпротах выше ±40° солнечные пятна встречаются исключительно редко. Однако факелы наблюдаются даже на широтах 60—80°. Правда эти факелы несколько иного вида. Они малы, имеют вид ярких крапинок диаметром 5000—10 000 км, время их жизни непродолжительно. Эти факелы (полярные) чаще всего встречаются в периоды, близкие к минимуму солнечной активности.

Важной характеристикой солнечного пятна является его магнитное поле. Его наличие было подтверждено путем измерения эффекта Зеемана, по которому одиночные спектральные линии многих элементов расщепляются на две или более линии, когда излучаются в магнитном поле. Измерение эффекта Зеемана позволяет по расстоянию между компонентами определить величину напряженности поля. Кроме того, изменение магнитного поля на обратное меняет поляризацию излучаемой волны. Поэтому с помощью спектрографа можно различать северную и южную полярность магнитного поля. Величина магнитного поля в большом солнечном пятне составляет около 3000 Гс.

Для большинства больших солнечных пятен характерно биполярное магнитное поле, т. е. когда одно пятно пары имеет северную полярность, а другое — южную. Как правило, головное пятно в северном полушарии Солнца южной полярности, а хвостовое — северной. В южном полушарии — наоборот. В следующем солнечном цикле все обращается. Поэтому если требовать от всех основных параметров повторения из цикла в цикл, то следовало бы принять цикл равным не 11 лет, а 22 года; повторение направления магнитного поля солнечных пятен происходит только через 22 года.

Эффективная температура солнечного пятна составляет около 4500 К, тогда как соседняя фотосфера имеет 6000 К. Таким образом, в области солнечного пятна работает какой-то физический механизм, способный поддерживать на большой площади такой перепад температуры (более чем на 1000 К).

Глубина солнечного пятна порядка 10 000 км. В центре пятна конвективные потоки гораздо сильнее, поэтому газы растекаются радиально через вершину «кратера» солнечного пятна. Скорость этого растекания составляет порядка 2 км/с. Непосредственным следствием этого эффекта является охлаждение пятна. Вещество, поднимаемое вверх против силы тяготения, увеличивает свою потенциальную энергию, и этот прирост берется из запаса тепловой энергии.

Солнечные вспышки. В центрах активности время от времени происходят солнечные бури, когда за относительно короткое время преобразуется большое количество энергии. Во время солнечной бури наблюдается внезапное увеличение яркости излучения в линии Нα, которое называется солнечной вспышкой. При солнечной вспышке часть солнечной атмосферы площадью 25 млрд. км2 (площадь большого солнечного пятна) в десятки раз увеличивает свою яркость в свете водородной линии. Максимум свечения вспышки достигается через 5—10 мин после ее возникновения. Вспышки всегда образуются в областях ярких водородных флоккулов, которые связаны с солнечными пятнами. На удалениях больше 105 км от солнечного пятна вспышки наблюдаются редко.

Излучение вспышки происходит главным образом в отдельных спектральных линиях. Это — линии водорода Нα (6563 Å), Нβ (4861 Å) и другие линии серии Бальмера.

С линией Нα сравнимы по интенсивности линии Н+ (3968 Å) и К+ (3934 Å) однажды ионизованного кальция. Имеются также линии нейтрального гелия, ионизованного железа и ряда атомов других металлов, которые обнаружены в хромосфере. Но интенсивности этих излучений меньше.

Наблюдаются также интенсивные рентгеновское, ультрафиолетовое и радиоизлучение. В некоторых случаях увеличивается и яркость белого света над всей областью вспышки. До больших высот в корону выбрасываются облака плазмы, часть которых распространяется даже за пределы земной орбиты.

Полная мощность энергии, излучаемой в линии Нα, может достигать 1026 эрг/с в максимуме.

В зависимости от площади области, излучающей в линии Нα, различают пять классов вспышек. Они обозначаются: S (субвспышки), 1, 2, 3, 4. К этим цифрам присоединяются вспомогательные индексы f, n, b для указания слабой, нормальной и яркой вспышек соответственно. Во время Международного геофизического года (МГГ) (1957—1958 гг.), который был периодом исключительно высокой активности Солнца, произошло около 6656 вспышек.

Солнечные вспышки связаны с двумя типами рентгеновского излучения. Первый — это «мягкая» тепловая компонента, обусловленная атомными переходами. Генерируемое рентгеновское излучение в интервале длин волн от 1 до 100 Å (диапазон энергий от 124 эВ до 12,4 кэВ). Второй тип — «жесткое» рентгеновское излучение с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ и длиной волн 0,0124—1,24 Å. Это тормозное излучение, которое вызывается столкновениями нетепловых электронов с окружающими ядрами.

Всплески рентгеновского излучения производят увеличение ионизации в нижней ионосфере Земли (слой D), так называемые внезапные ионосферные возмущения (SID) и др. Возмущенные области излучают также радиоволны. Имеется пять типов таких волн (I—V). Это радиоизлучение генерируется заряженными частицами, которые ускоряются в области вспышки. В самой ранней стадии вспышки электроны становятся высокоэнергичными. Они движутся вверх вдоль магнитных силовых линий солнечного пятна и взаимодействуют с плазмой солнечной короны, заставляя ее колебаться и излучать на определенной частоте.

Колебания плазмы наблюдаются на Земле в виде коротких всплесков радиоизлучения типа III.

Релятивистские электроны движутся по спирали вокруг силовых линий солнечного пятна и излучают синхротронное излучение, которое наблюдается как всплески радиоизлучения типа V во время начальной фазы вспышки. Некоторые из этих электронов движутся вниз и сталкиваются с ядрами водорода, в результате чего возникают всплески тормозного рентгеновского излучения. Между радиоизлучением в сантиметровом диапазоне и вспышками рентгеновского излучения имеется тесная связь.

Наиболее интересным для проблемы солнечно-земной физики является радиоизлучение типа IV. Обычно оно продолжается в течение нескольких часов после прекращения оптической вспышки.

Кроме электромагнитного излучения, во время второй фазы хромосферной вспышки происходит выброс солнечных частиц, которые обладают энергиями от 1 кэВ до 15 ГэВ (для протонов). Это солнечные космические лучи с энергией от 100 кэВ до 100 МэВ и облака плазмы, в которых протоны имеют энергию порядка 0,5—1,5 кэВ.

Первые два типа частиц (протоны и небольшое количество тяжелых ядер) образуются в результате процессов ускорения во время самой ранней стадии вспышки. Эти частицы доходят до орбиты Земли, которая в результате окружается протонами высокой энергии. Эти высокоэнергичные заряженные частицы почти не влияют на межпланетное и геомагнитное поле: плотность энергии их слишком мала.