§ 23. Солнечная активность и ее земные проявления

Определения и обозначения

Солнечная активность — совокупность нестационарных явлений на Солнце, связанных прежде всего с изменениями его магнитного поля. К ней относятся появление пятен, вспышки и выбросы вещества. Уровень активности меняется со временем: число пятен возрастает и убывает, а характерный цикл длится около 11 лет.

Солнечное пятно — сравнительно тёмная область фотосферы, то есть видимой поверхности Солнца, с сильным магнитным полем. Её температура ниже, чем у окружающих участков, поэтому пятно излучает меньше света. Это определение помогает отличить пятно от тёмного объекта на переднем плане: пятно является частью Солнца.

Солнечная вспышка — быстрое выделение энергии в атмосфере Солнца, сопровождаемое усилением излучения и выбросом частиц. Вспышка может влиять на околоземное пространство и работу техники. Понятие нужно, чтобы не путать кратковременное событие в атмосфере Солнца с пятном на фотосфере.

Геомагнитная буря — возмущение магнитного поля Земли под воздействием потоков заряженных частиц и магнитных полей солнечного происхождения. Буря развивается у Земли, а не на Солнце. Это различие помогает отделять причину явления от его земного проявления.

Как это устроено

Солнечная активность связана с тем, что магнитное поле Солнца не остаётся неизменным. Движение вещества внутри Солнца и его вращение изменяют структуру поля, а в атмосфере возникают области усиленного магнитного воздействия. Поэтому число пятен и других проявлений не постоянно. Примерно через 11 лет число пятен проходит полный цикл роста и спада.

Солнечные пятна кажутся тёмными не потому, что они не излучают свет, а потому, что они холоднее окружающей фотосферы. Сильное магнитное поле затрудняет движение горячего вещества и подавляет перенос тепла к поверхности. Температура пятен из-за этого ниже, чем у соседних участков, и контраст делает их заметными. При этом они всё равно очень горячие.

Пятна, протуберанцы и вспышки связаны с магнитными полями и процессами в атмосфере Солнца. Протуберанцы — крупные образования из сравнительно плотного вещества, поднятого над поверхностью и удерживаемого магнитным полем. Когда магнитные структуры резко перестраиваются, может высвободиться накопленная энергия. Так возникает вспышка — быстрое усиление излучения и ускорение частиц.

Во время вспышек усиливается поток электромагнитного излучения, а при выбросах вещества в пространство направляются облака плазмы и заряженные частицы. Плазма — газ, состоящий из заряженных частиц. Часть излучения и частиц достигает околоземного пространства, хотя распространяется с разной скоростью. Поэтому разные последствия солнечного события возникают не одновременно.

Магнитосфера — область вокруг Земли, где движение заряженных частиц в основном определяется земным магнитным полем. Солнечные частицы и магнитные поля возмущают её, а частицы, проникающие к полюсам, сталкиваются с атомами и молекулами верхней атмосферы. Возбуждённые частицы атмосферы излучают свет, образуя полярные сияния. Изменения магнитосферы вызывают магнитные бури, а усиленное воздействие на верхние слои атмосферы может нарушать распространение радиоволн и радиосвязь.

Проявления солнечной активности и их воздействие на Землю

Таблица помогает проследить путь от явления на Солнце к возможному последствию на Земле. Не всякое проявление в первом столбце является причиной: полярное сияние, например, возникает уже в земной атмосфере. Сопоставляйте строки и помните, что воздействие зависит от силы и направления солнечного потока.

Разбор задач

Почему тёмные участки называют пятнами?

На фотографии видны тёмные участки на фоне яркой фотосферы. Нужно объяснить их вид и связь с солнечной активностью. Сравним свойства этих областей с окружающей поверхностью и учтём роль магнитного поля.

1. Пятно находится на фотосфере, но его температура ниже температуры соседних участков.
2. Более холодная область излучает меньше света, поэтому на ярком фоне кажется тёмной. Сильное магнитное поле затрудняет перенос тепла и связано с активными процессами на Солнце.

Ответ: участки выглядят тёмными из-за более низкой температуры, а их сильные магнитные поля делают их признаком солнечной активности. Пятна не являются холодными объектами.

Почему одновременно наблюдались сияния и возмущения магнитного поля?

После усиления солнечной активности в высоких широтах появились полярные сияния, а магнитометры зафиксировали возмущения. Требуется найти общую причину этих явлений. Для этого проследим путь воздействия от Солнца до Земли.

1. Активные процессы на Солнце могут сопровождаться выбросом вещества и потоками заряженных частиц. Они достигают околоземного пространства.
2. Частицы и магнитные поля взаимодействуют с магнитосферой Земли, изменяя её состояние. Проникающие к полюсам частицы сталкиваются с верхней атмосферой и вызывают свечение.

Ответ: оба явления связаны с воздействием солнечных потоков на Землю. Возмущение магнитного поля проявляется как магнитная буря, а свечение атмосферы — как полярное сияние.

Сколько идёт свет от Солнца до Земли?

Расстояние от Солнца до Земли равно 1,5 × 10⁸ км, скорость света — 3 × 10⁵ км/с. Найдём время, используя формулу движения t = s / v. Затем сравним распространение света с движением заряженных частиц.

1. Подставим данные: t = (1,5 × 10⁸ км) / (3 × 10⁵ км/с).
2. Разделим числа и учтём степени десяти: t = 0,5 × 10³ с = 500 с. Переведём результат в минуты: 500 с = 8 мин 20 с.
3. Свет приходит примерно за восемь минут, а частицы движутся медленнее скорости света. Поэтому их приход и связанные с ними эффекты происходят позже.

Ответ: излучение достигает Земли примерно за 500 с, или 8 мин 20 с. Заряженные частицы приходят не одновременно со светом, поскольку их скорость меньше.

Типичные ошибки

• Считать пятно холодным объектом — значит принять сравнительное понижение температуры за низкую температуру вообще. Это заблуждение возникает из-за тёмного вида пятна. Проверьте себя: сравнивайте его температуру с фотосферой, а не с земными объектами; пятно остаётся очень горячим.

• Путать пятно со вспышкой — значит смешивать область фотосферы и событие в атмосфере Солнца. Их изображения могут появляться рядом, поэтому связь ошибочно принимают за тождество. Проверьте, что вы описываете: участок поверхности или кратковременное выделение энергии.

• Объяснять полярные сияния только видимым светом Солнца — значит упускать роль заряженных частиц. Ошибка возникает из-за того, что сияние выглядит как световое явление. Чтобы проверить объяснение, проследите весь процесс: частицы взаимодействуют с верхней атмосферой и заставляют её излучать.

• Считать, что все последствия вспышки приходят одновременно, — значит не учитывать разные скорости распространения. Свет движется со скоростью света, а заряженные частицы медленнее. Проверьте себя, сравнив время прихода излучения и частиц: оно не будет одинаковым.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении Солнца и его атмосфере, а также об электромагнитном излучении. Представления о магнитном поле и заряженных частицах объясняют, как солнечные события воздействуют на магнитосферу Земли. Эти связи пригодятся при изучении полярных сияний, распространения радиоволн и космической погоды. Они также помогают оценивать влияние солнечных процессов на спутники и земную технику.

Что запомнить

• Солнечная активность связана с изменениями магнитного поля Солнца.
• Число солнечных пятен меняется циклически; характерный период цикла составляет около 11 лет.
• Пятна темнее окружающей фотосферы из-за более низкой температуры.
• Вспышки сопровождаются быстрым выделением энергии и усилением излучения.
• Солнечные частицы и выбросы вещества могут возмущать магнитосферу Земли.
• Полярные сияния и магнитные бури относятся к земным проявлениям солнечной активности.