Чем вызваны пятна на солнце. Солнечные пятна и факелы. Грануляция фотосферы

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.

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 .

Для понимания физической природы процессов, протекающих на Солнце, важно установить причины более низкой температуры пятен по сравнению с фотосферой, роль магнитных явлений в их развитии и существовании и механизм 11 (22)-летней цикличности солнечной активности.

Таблица 6. Модель солнечного пятна по Мишару (1953). В каждой двойной колонке первая относится к фотосфере, вторая к пятну. Давление выражено в дин/см2. Неуверенные значения поставлены в скобки. Аргументом выбрана оптическая глубина при .

Температура пятен, как сказано было ранее, значительно ниже температуры фотосферы, что подтверждается их относительной темнотой и гораздо более низкой степенью ионизации и возбуждения, как это следует из их спектров. Уменьшение числа электронов в пятнах вызывает уменьшение непрозрачности солнечного вещества (в первую очередь за счет сильного уменьшения числа ионов ). Таким образом, в пятнах мы «заглядываем» в большие геометрические глубины, чем в фотосфере. Однако эти глубины все равно крайне незначительны, как это видно из таблицы 6.

Таким образом, учитывая эффект Вильсона, видимое пятно можно уподобить мелкой тарелке. Проследить простирание пятна в глубину очень трудно, так как оно зависит от распределения магнитного поля с глубиной. Действительно, как видно из таблицы 6, давление на одном и том же уровне в пятне приблизительно на дин/см2 (около 0,2 атм) меньше, чем в соседней фотосфере. Равновесие может поддерживаться только при добавочном давлении, которое создается магнитным полем [см. § 2, формулу (2.26)]. Давление равно и эта величина будет равняться дин/см2, если . Как раз такое магнитное поле обычно для верхнего уровня пятен. Следующие численные характеристики типичны для среднего солнечного пятна:

Ввиду большого масштаба движений в солнечной фотосфере и под ней затухание магнитных полей на Солнце протекает исключительно медленно (нужны сотни лет). По этой причине активные области Солнца имеют длительное существование и магнитные поля то погружаются в глубь фотосферы, то всплывают на ее поверхность. Вблизи поверхности, где плотность вещества становится малой, условие равенства кинетической энергии и энергии магнитного поля нарушается в пользу последней, и конвекция оказывается сильно подавленной, между тем нормально конвекционные потоки несут с собой тепло. Кроме того, на субфотосфер ном уровне пятен конвективный приток тепла с периферии также запрещен, так как он протекает поперек магнитных силовых линий. Именно отсутствие конвекции является причиной низкой температуры пятен. Впрочем, это не единственная причина. Возможен также унос тепла из тени магнитогидродинамическими волнами.

Длительно существующие магнитные поля на Солнце связаны, по-видимому, с существованием больших циркуляционных движений в конвективной зоне Солнца до глубины в несколько десятков тысяч километров, возникающих вследствие неоднородности вращения Солнца. Циркуляция плазмы порождает магнитные вихри, и когда они выходят на поверхность, то появляются биполярные группы, простые или сложные, видимым выражением которых становятся пятна (рис. 40). Одновременно на Солнце имеется много таких вихрей на различных меридианах. Вероятно, в течение цикла они перемещаются к экватору, в то время как новые вихри зарождаются у полюсов и приходят на смену старым. Естественно, что направление вихрей различно в обоих полушариях. Скорость, с которой спускаются к экватору большие вихри, определяет продолжительность цикла солнечной активности.

22-летняя цикличность остается непонятной. Конечно, магнитные силовые линии выходят и далеко за поверхность Солнца, в хромосферу и корону, но они должны быть выносимы определенными массами вещества. Мы увидим дальше признаки вмешательства магнитных сил в хромосферные и корональные процессы.

Рис. 40. Магнитные области на Солнце (схема)

Небольшие магнитные поля, подобные тем, которые существуют на периферии пятен, вместо того, чтобы подавлять конвекцию, усиливают ее. Это происходит потому, что слабое поле, не будучи в состоянии помешать энергичной конвекции, подавляет сравнительно слабую турбулентность и тем самым уменьшает вязкость газа что ускоряет конвективные движения. Выходя в верхние слои фотосферы, избыточный за счет конвекции поток тепла нагревает газ, и потому вокруг пятен наблюдаются факелы, а над факелами - флоккулы, кальциевые и водородные. Граница кальциевых флоккул определяет в целом границу активной области, водородные же флоккулы теснятся ближе к пятну - туда, где магнитное поле несколько сильнее: 10-15 Э. Возможно, что петлеобразная форма «выпирающих» магнитных силовых линий (рис. 41) определяет продвижение газовых потоков (вдоль силовых линий), что согласуется с наблюдаемым при помощи лучевых скоростей явлением втекания вещества внутрь пятна на большой высоте.

Рис. 41. Выход магнитного поля на поверхность Солнца (схема)

Хотя в неактивных областях Солнца магнитное поле имеет напряженность 1-2 Э, в отдельных местах, небольших по размерам, оно может достигать 100 Э. В тех же местах в фотосфере наблюдаются тогда небольшие яркие узлы.

Более высокая, чем окружающая, температура вместе с магнитным полем порождает перевес давления над окружающим веществом, так что узел должен быстро рассеяться, а для длительного его существования необходим приток газов извне, который может осуществиться, если основание узла в фотосфере холоднее, а давление ниже, чем в окружающей среде.

Более детальную картину горизонтальных движений на разных уровнях солнечной атмосферы в связи с тонкой структурой магнитных полей дают модифицированные спектрогелиографические наблюдения по методу Лейтона. Метод этот состоит в том, что одновременно получают спектрогелиографические крупномасштабные изображения свободного от пятен участка Солнца в лучах коротко- и длинноволнового крыла той или иной спектральной линии. Как уже говорилось выше (с. 47), удаляясь от центра линии, мы наблюдаем все более глубокие слои атмосферы Солнца, между тем как правое и левое крылья линии соответствуют в одном случае преимущественно приближающимся, а в другом - удаляющимся газовым массам. Сопоставление обеих спектрогелиограмм выявляет на поверхности Солнца потоки, движущиеся к наблюдателю и от него. Оказалось, что они локализуются в пределах ячеек поперечником около 30 тыс. км, так что в каждой ячейке имеется систематическое движение газовых масс от центра к периферии. Эти ячейки получили название супергранул. Они гораздо более долговечны, чем обычные гранулы, - их средняя продолжительность жизни составляет 40 часов. Они имеют угловатую форму, похожую на многоугольники.

Супергрануляция отражает явление конвекции на Солнце в гораздо большем масштабе, чем грануляция, захватывая не только большие площади, но и большие глубины. По условиям наблюдений (в крыльях различных линий) удается проследить эту конвекцию лишь в верхних слоях солнечной фотосферы. Наблюдаемая на -спектрогелиограммах ячеистая сетка относится уже к верхней хромосфере и не совпадает с сеткой супергрануляции. Наоборот, явление гранул, наблюдаемое в интегральном свете, относится к несколько большим глубинам, чем наблюдаемые области супергрануляции. Но как по распределению скоростей в супергранулах, так и по изучению движения индивидуальных гранул все перемещения солнечной плазмы идут к границам супергранул, унося с собой и магнитное поле. Здесь, встречаясь с подобным же потоком соседней супергранулы, плазма уходит вглубь, чем и обеспечивается постоянная циркуляция ее. Магнитное поле при этом остается (так как движение плазмы происходит вдоль силовых линий), и здесь его напряженность достигает значений в несколько десятков и даже сотен эрстед, а в углах ячеек даже до 1,5-2 тыс. эрстед, как это видно из наблюдений эффекта Зеемана. Таким образом, у каждой супергранулы имеется ограничивающий и охраняющий ее магнитный барьер. Но кроме этого граница супергранулы обладает более высокой температурой, чем ее центр, примерно на 2-4 %, что следует из возрастания яркости тех спектральных линий, которые усиливаются в пятнах, т. е. линий низкого возбуждения. Возрастание яркости в линиях свидетельствует об уменьшении числа поглощающих атомов, которое в данном случае происходит из-за возрастания возбуждения или ионизации.

Допускается, что в глубине фотосферы супергранулы частично сливаются, так как, за исключением углов ячеек, стенки супергранул представляют довольно слабый магнитный барьер при возрастающей плотности газов.

Влияние супер грануляционной структуры больше простирается вверх. При наблюдениях вблизи солнечного края супергранулы совпадают с ячейками факелов. Здесь, в фотосфере, только в этом случае супергрануляция может быть видима. Наоборот, в хромосфере супергрануляция проявляет себя той сеткой флоккул, которая отчетливо выступает на спектрогелиограммах в лучах CaII К. Эта сетка хорошо видна и на заатмосферных фотографиях Солнца в лучах ультрафиолетовых линий, перечисленных на с. 72, излучающих над хромосферой в переходном слое, но исчезает в лучах корональных линий, как, например, линии . Надо думать, что так далеко простираются и магнитные поля супер гранул, их окаймляющие. Только на корональных высотах они приобретают упорядоченный вид: магнитные линии идут радиально, определяя каналы, по которым движутся теплопроводящие электроны. Их движение, таким образом, стеснено, теплопроводность переходного слоя уменьшается и толщина его становится больше, чем при отсутствии поля. Разумеется, все сказанное относится к спокойным хромосфере и короне.

Вещества и, как следствие, снижением потока переноса тепловой энергии в этих областях.

Количество пятен на Солнце (и связанное с ним число Вольфа) - один из главных показателей солнечной магнитной активности .

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 Солнца с помощью специального термометра (en:thermopile) и определили, что интенсивность излучения пятен, по сравнению с окружающими областями Солнца, понижена .

Возникновение

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

Фотосфера Солнца в области, где располагается пятно, расположена примерно на 500-700 км глубже, чем верхняя граница окружающей фотосферы . Это явление носит название «вильсоновской депрессии ».

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 фотосферу 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-й 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.

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