Астрономия для детей > Ответы на частые вопросы > Солнечная погода
Для детей будет интересно узнать о погоде на Солнце: солнечные пятна с фото, температура и размер, солнечный цикл, вспышки, звездный ветер, магнитные бури.
Для самых маленьких может быть новостью, что Солнце влияет на нас не только в плане света и тепла. Главная звезда расположена в 149 миллионах км от Земли и непрерывно одаривает нас потоком частиц (солнечный свет) и непредсказуемыми атаками вспышек и выбросом корональной массы. Есть также и солнечные пятна, которые не так видны. Родители или учителя в школе должны объяснить детям, что все эти события озаглавливаются одной большой категорией – «космическая погода».
Солнечные пятна
При исследовании солнечной поверхности были обнаружены некие темные регионы, которые отличаются масштабами и положением. Чаще всего они группируются в большие зоны и располагаются ниже или выше экваториальной линии. Появляются они при взаимодействии магнитного поля с плазмой поверхности.
Чтобы дать понятное объяснение для детей, необходимо отметить, что их «темнота» обусловлена более низкой температурой, которая снижает энергетический поток. Как же выглядит их процесс формирования?
Дети могли и не знать, что Солнце вращается в разном темпе, то есть экваториальный материал движется быстрее, чем на полюсах. Из-за этого деформируются линии магнитного поля. При сильной «скрученности» оно накапливает огромную силу и создает магнетические нити. Большая часть такого образования остается внутри звезды, но определенное количество все же вырывается в пределы видимого слоя, образовывая два пятна. Пара противоположна полярности, а нить играет роль магнита.
Сравнение размеров Земли и солнечного пятна среднего размера
При общей температуре в 3527 °C нагрев пятен будет меньшим на 1727°C. Но следует объяснить детям, что это не делает пятно менее ярким. Ведь, если бы оно находилось обособленным, то светилось в 10 раз сильнее полнолуния.
На огромном Солнце они кажутся крошечными (всего 4% видимого диска). Но при размере в 2500-50000 км они спокойно разрастаются до ширины Нептуна (наименьшая из газовых планет). Правда такие образования лишены постоянства и существуют от нескольких дней до недель.
Дети должны запомнить, что солнечные пятна не образуются в случайных точках. Чаще всего они занимают места в двух полосах средней широты по обе стороны от экваториальной линии. Проявляются примерно в 25-30 градусах к северу или югу от центра. Чем ближе Солнце к завершению цикла, тем ближе к экватору подходят пятна (5-10 градусов). Но их никогда не увидишь на широтах более 70 градусов.
Родители или в школе могут рассказать, что на один солнечный цикл уходит 11 лет. Все это время количество пятен растет и уменьшается. Важно понять, что циклы накладываются, поэтому пятна от предыдущего могут продолжать развиваться даже после появления новых. Именно поэтому исследователям также тяжело отслеживать эту цикличность.
В начале 2017 года солнечный цикл 24 приблизился к минимальной активности. Он начался в январе 2008 года и достиг максимума в 2013. НАСА утверждает, что это самый слабый максимум за 100 лет. Несмотря на это, в ноябре 2014 года можно было заметить одну из самых крупных областей пятен, которая по величине приблизилась к размеру Юпитера.
Ученые постоянно измеряют солнечную активность и выявляют новые пятна. Стоит отметить, что с момента отслеживания первым телескопом их количество оставалось примерно одинаковым. Начиная с 1849 года, ученые из обсерватории в Цюрихе каждый день занимались подсчетом. Сейчас эти обязанности выполняют Центр анализа данных о воздействии солнечной энергии (Бельгия) и Национальное управление океанических и атмосферных исследований (США).
Солнечные вспышки
Солнечные пятна активны, поэтому внутри них происходят взрывы из-за высокого уровня магнитного поля. Это и называют вспышками. Во время пересечения силовых линий воспроизводится энергия больше, чем при взрыве миллиона водородных бомб.
Наглядное сравнение размеров Земли и солнечной вспышки
Если температура в короне достигает всего несколько миллионов Кельвинов, то при вспышке температура газа поднимается до 10-20 миллионов Кельвинов, а иногда и все 100. Это приравнивается к взрыву миллиона 100-мегатонных водородных бомб.
Вспышки неотрывно следуют за 11-летним циклом. На максимуме они появляются каждый день по несколько раз, но существуют не дольше 10 минут. В 2014 году было замечено гигантское пятно, выпустившее несколько сильных вспышек.
Наиболее масштабные вспышки относят к Х-классу. Именно они серьезнее всего влияют на нашу планету. После их возникновения в верхних слоях земной атмосферы создаются продолжительны радиационные штормы, из-за которых происходят помехи в радиопередаче. Мелкие (М-класс) могут на короткий срок отключить радиосигналы в полярных областях или создать случайный радиационный шторм. Вспышки С-класса заметно не влияют.
Частички солнечных вспышек доходят к нам только через 8 минут после прорыва. Космонавты сильно рискуют, выходя в открытое пространство, так как могут попасть под этот «дождь». Но дети могут не переживать, так как земляне живут под защитой у атмосферы и магнитного поля. А вот технике на орбите приходится защищаться самостоятельно.
Это снимок двух событий, случившихся одновременно 28 января 2011 года. Нить на левой стороне стала неустойчивой и вырвалась, когда вспышка М-1 справа (средняя) выбросила корональную массу в космос. Наблюдение велось Обсерваторией солнечной динамики (SDO).
Чтобы объяснение для детей было полным, следует отметить, что на атмосферу влияют абсорбирующие рентгеновские лучи. Из-за увеличения нагрева, земная ионосфера расширяется. Радиосвязь может нарушаться, потому что сквозь верхнюю часть атмосферы начинают прорываться искусственные радиоволны. Также и спутники, привыкшие находиться в вакууме, попадают в расширенную сферу, из-за чего возникает трение, замедляющее их ход и притягивающее к Земле раньше, чем было запланировано.
Дети должны понимать, что, хотя при вспышке выбрасывается огромный энергетический поток, невооруженным взглядом этого не увидеть. Фотосфера настолько яркая, что просто затмевает этот свет. С Земли можно наблюдать за радио и оптическими излучениями, но так как рентгеновские и гамма-излучения не пробиваются сквозь атмосферу, то они видны лишь приборам, расположенным на земной орбите.
Для самых маленьких может быть непонятной опасность, которая угрожает космической технике. Дело в том, что активность между раскаленной корональной плазмой и солнечным магнитным полем создает дыры в короне, которые очень быстро выпускают плазму наружу. Такой поток частиц может сильно повредить спутники.
Впервые исследователи связали высокоэнергетические всплески гамма-излучения со вспышками в 2017 году. Для этого использовали Космический гамма-телескоп Ферми и обсерваторию по изучению солнечной активности STEREO. Частицы тратят примерно 5 минут, чтобы преодолеть расстояние в 500000 км.
Выбросы корональной массы
Солнечная вспышка образовывается из-за вращения линий магнитного поля. Иногда они так искажаются, что напоминают натянутые резиновые ленты, которые обрываются и соединяются в других местах. В этих разрывах плазма больше не может удерживаться на поверхности, поэтому вырывается в пространство в виде выбросов корональной массы (ВКМ).
Для самых маленьких должно быть понятным, что на отделение ВКМ от Солнца уходит несколько часов. Но сама скорость события достигает 1000 км/ч. Самым быстрым ВКМ (из зарегистрированных) считается событие 2012 года, когда скорость достигла 10.43-12.75 миллионов км/ч.
Северное сияние (полярное) создается активностью между солнечным ветром и земным магнитным полем.
Космический ученый Ревекка Эванс заметила, что очень необычно наблюдать за таким явлением, но оно помогает лучше изучить всю мощь космической погоды и осознать, как связаны эти взрывы. Если измерять в массе, то плазменное облако с заряженными частицами может весить до 100 миллиардов кг.
Если ВКМ целится в Землю, то ему также потребуется 8 минут на дорогу. Но частичкам приходится потратить 1-5 дней. Постоянный поток заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем (солнечный ветер), воздействует на облако, как течение на лодку. Быстрые ВКМ вынуждены замедлиться, а вот медленные ускоряются.
Северное сияние: Когда энергия, созданная солнечным штормом, добирается к нашей планете, то заряженные частички в верхних слоях атмосферы начинают взаимодействовать с молекулами воздуха. Так и формируется сияние. Дети могут рассмотреть его на снимке, так как это фантастическая картинка.
Важно понимать, что большинство солнечных бурь нас не задевает. В точке максимуме цикла воспроизводится в день до 5 ВКМ, а в нижней – один. Но они промахиваются, потому что Солнце сформировалось в виде сферы. Более того, нам даже не удастся проследить те выбросы.
Но когда выброс происходит, то кажется, что он полностью затмевает собою звезду. Мы видим гало ВКМ, которое создает наибольшие неприятности для человечества. Как и вспышки, ВКМ увеличивают воздействие радиации на космонавтов и технику. Но эти частички также осаждают и поле нашей планеты. Масштаб будет зависеть от размера, скорости и магнитной прочности частиц.
На этом изображении, сделанным космической станцией SOHO, запечатлен выброс корональной массы от 2 декабря 2003 года
Как только частицы подходят к земному магнитному полю, они начинают тянуться и искажаться. Сначала поражают дневную сторону и сжимаются, а затем – ночную и вытягиваются. При соединении с ночной стороной происходит высвобождение энергии в молнии. Хотя это длится несколько микросекунд, но магнитный шторм задержится надолго, возвращаясь в верхний слой атмосферы.
Такой скачок в мощности приводит к повреждениям на чувствительном оборудовании (например, отключение электроэнергии). Если не побеспокоиться заранее, то со временем от коррозии разрушаются нефте- и газопроводы. Когда дело доходит до изменений в ионосфере, страдают сигналы GPS. Важно объяснить детям, насколько серьезными могут быть последствия.
Самый большой геотермальный шторм зафиксировали случайно и к нему не были готовы. Началось все с солнечной вспышки, которую независимо друг от друга наблюдали астрономы Ричард Кэррингтон и Ричард Ходжсон 1 сентября 1859 года. Авроры (полярные сияния) обычно занимают полярные области, но в тот раз оказались в тропических широтах. Телеграфисты забили тревогу, так как получили удары током от оборудования. Атмосфера так сильно зарядилась током, что сообщения передавались по линиям даже после того, как отключили главный источник питания.
Дети должны понять, что если бы событие повторилось сегодня, то последствия были бы намного разрушительное, потому что электрических приборов появилось больше. Правда, был еще один мощный ВКМ в 2012 году, который обошел нашу планету. Ученые считают, что если бы он ударил по нам, то Земле пришел бы конец.
Наблюдения за Солнцем
Сейчас НАСА разрабатывает проект Солнечный Щит, который должен предупреждать жизненно важные системы о наступлении ВКМ. Это позволит вовремя выключить спутники и трансформаторы на короткий период времени. Это поможет уберечь оборудование от поломок.
Это снимок 10 февраля 2010 года, сделанный на стартовой площадке комплекса 41 ВВС мыса Канаверал (Флорида). Перед вами подготовка к запуску ракеты со спутником НАСА Обсерваторией солнечной динамики.
Кроме того, за Солнцем ведется непрерывное наблюдение с нескольких спутников. Среди них: аппарат SOHO, Обсерватория солнечной динамики (SDO – сконцентрирована на солнечной атмосфере), а также Продвинутый композиционный проводник (ACE), исследующий приближающиеся к Земле частицы.
В ноябре 2016 года Национальное управление океанических и атмосферных исследований запустили последний геостационарный эксплуатационный экологический спутник GOES-16. Подобные аппараты контролируют земную атмосферу с 1975 года. Все эти программы помогают лучше разобраться в погоде и прогнозировать ее.
В 2015 году США решили бороться с космической погодой. А именно лучше изучать космические события, влияние на нашу планету, а также выработать средства защиты. Теперь вы знаете, как выглядит погода на Солнце. Используйте наши фото, видео, рисунки и подвижные модели онлайн, чтобы лучше разобраться в описании и характеристике звезды. Кроме того, на сайте есть онлайн телескопы, наблюдающие за Солнцем в режиме реального времени, и 3D-модель Солнечной системы со всеми планетами, картой Солнца и видом на поверхность.