1.2. Солнечная активность

1.2. Солнечная активность
Ежедневное воздание почестей Солнцу жрецами Египта, Вавилона и многими другими
служителями культа, где оно почиталась Богом, с позиций современной науки не представляются абсолютно абсурдными. А то, что Солнце представляет собой неодушевлённый плазменный раскалённый до нескольких миллионов градусов огромный шар, не является причиной для меньшего его почитания, потому что всё живое на Земле, как отмечено
выше, своим возникновением и развитием обязано Солнцу. Это ли не проявление божественной силы для наших пращуров?
С незапамятных времён люди установили, что состояние Солнца не является стабильным. Более 4 000 лет назад жрецы измеряли период обращения нашей планеты вокруг
Солнца и установили на основе таких измерений продолжительность года и суток. По результатам наблюдений древние астрономы научились предсказывать солнечные затмения.
История инструментальных наблюдений Солнца начинается с Галилео Галилея (1654
− 1642 гг.), который с помощью изготовленного им телескопа, в 1611 г. впервые осознанно упомянул о солнечных пятнах.
В 1814 году Йозеф Фраунгофер (1787 − 1826 гг.), проводя спектроскопические наблюдения светила, обнаружил тёмные линии поглощения в спектре Солнца. Изучение спектров поглощения и спускания Солнца послужило основанием для выводов о химическом
составе ближайшей к нам звезды.
С 1836 года регулярно начали вестись наблюдения, предсказанных астрономией, затмений Солнца, что привело учёных к обнаружению короны и хромосферы Солнца, а
также солнечных протуберанцев, одним словом, всего того, что объединено понятием −
солнечная активность.
В 1913 году американский астроном Дж. Хейл обнаружил зеемановское расщепление
фраунгоферовых линий спектра излучения солнечных пятен, что показывало наличие у
Солнца собственного магнитного поля. Наличие магнитного поля связывают с усилением
незначительного «затравочного» поля конвективными потоками высокотемпературной
плазмы, которая может рассматриваться как токи огромной силы. Магнитное поле циркулирующей плазмы имеет торроидальную форму, или, как говорят физики, вид «магнитного бублика» В табл. 2 для сравнения приведены данные о некоторых, встречающихся в
природе магнитных полях естественного происхождения, включая элементы солнечной
структуры.
Таблица 1.2
Напряжённость,
Индукция, Тл
А/м
10 14
10 8
1011
10 5
10
10
10 4
10 9
10 3
8
10
10 2
107
10
7
9⋅10
≥ 10
5
10
10 –1
10 2
10 –4
20 − 50
(2 – 5)⋅10 –5
Область существования
Нейтронные звёзды, пульсары
Внутри атома
Звёзды
Наибольшее лабораторное значение
Радиогалактики
Сверхпроводящие соленоиды
Электромагниты
Пятна на поверхности Солнца
Протуберанцы
Магнитное поле Земли
18
Межпланетное пространство
Сердце человека
Межзвёздная среда
Мозг человека
Чувствительность лабораторных методов измерений магнитных полей
10 –2
10 –4
10 – 6
10 –7
10 – 8
10 – 10
10 – 12
10 –13
10 − 12
10 − 18
В 1942 году шведский астроном Б. Эдлен установил совпадение некоторых линий
спектра солнечной короны с линиями спектра известных химических элементов, находящихся в экстремальных термодинамических условиях, что позволило подтвердить наличие высоких температур солнечной короны.
В 1931 году французский астрофизик Б. Лио (1897 − 1952) изобрёл солнечный коронограф, позволивший наблюдать корону и хромосферу, не дожидаясь затмений. В середине
XX века было обнаружено, что Солнце излучает в радиодиапазоне, что дало новый толчок
развитию радиофизических методов исследования состояния Солнца.
Успехи земной магнитной гидродинамики, прежде всего физики плазмы, позволили
разработать несколько эффективных моделей солнечных процессов. Космические аппараты дали возможность существенно уменьшить влияние на результаты измерений параметров солнечной активности атмосферы Земли, особенно это касается околоземных обитаемых космических станций.
С появлением астрономических инструментов, было установлено, что количество солнечных пятен изменяется с периодом, примерно, в 11 лет. О цикличности солнечной активности впервые написал немецкий астроном-любитель Генрих Самуэль Швабе (1789 −
1875 гг.). На рис.1.6 приведена зависимость относительного числа пятен в период с 1850 г.
по 1940 г.
Рис. 1.6. Периодичность изменения числа пятен на Солнце[10]
Как видно из приведенных данных, периодическое изменение количества солнечных
пятен с одиннадцатилетним периодом не вызывает сомнения. Солнечные пятна, солнечные вспышки, факелы, протуберанцы и коронарные лучи во многом влияют практически
на все происходящие, на Земле процессы, от планетарных атмосферных явлений до поведения человека и животных. Как правило, их объединяют в одно понятие − активность
Солнца. К настоящему времени путём непосредственных измерений и моделирования
появилась возможность отслеживать абсолютное значение числа пятен. На рис. 1.7 приведены данные международной службы Солнца, где каждая точка графика соответствует
измеренному или вычисленному числу солнечных пятен.
Постоянство в периодичности числа пятен, судя по данным рис.1.7 прослеживается и в
настоящее время. Нельзя сказать, что зависимость числа пятен от времени описывается
идеальной периодической функцией, синусом или косинусом, то тенденция периодичности просматривается в явном виде.
19
Рис. 1.7. Активность Солнца в последние годы [11]
В середине прошлого века учёными зафиксировано повышение активности нашей
звезды. Солнечная активность стала самой высокой за последние 1150 лет наблюдений.
Этот вывод был сделан на основе изучения количества радиоактивных изотопов в ледниковых слоях Гренландии и Антарктики. Исследовалось количество радиоактивного изотопа бериллия-10, который синтезируется высокоэнергетическими элементарными частицами космического происхождения. В периоды повышенной солнечной активности магнитное поле нашей звезды экранирует Землю от космических лучей и бериллий-10 образуется
в меньших количествах.
В конце 50-х годов прошлого века американский астрофизик Юджин Паркер выдвинул гипотезу о непрерывном расширении выбрасываемого солнечной короной газа в масштабах всей солнечной системы, поскольку газ на значительном удалении от Солнца имел
высокую температуру. Эта гипотеза подтвердилась при наблюдениях с помощью советских и американских космических аппаратов. Оказалось, сто в межпланетном пространстве были зарегистрированы устойчивые потоки вещества, которые назвали солнечным ветром, являющимся, по сути, расширяющейся солнечной короной. Как было отмечено ранее, солнечный ветер образован, в основном, ядрами водорода (протонами), ядрами гелия
(α-частицами) и свободными электронами.
Частицы, составляющие солнечный ветер, перемещаются в космическом пространстве
в радиальном направлении со скоростями порядка нескольких сот метров в секунду. В
табл. 3 приведены параметры солнечного ветра
Таблица 1.3
Наименование параметра
Значение
Скорость в околоземном пространстве
450 км/с
Время движения частиц от Солнца до Земли
5,8 суток
Температура, определяемая по тепловой составляющей скорости частиц
10 000 К
в периоды спокойного Солнца
Температура, определяемая по тепловой составляющей скорости частиц
≥ 400 000 К
в активные периоды Солнца
Общий поток кинетической энергии, уносимой от Солнца в межпланет10 20 – 10 22
ное пространство частицами солнечного ветра
Дж/с
Компоненты солнечного ветра летят, как видно из табл. 1.3, со скоростями порядка
400 − 500 м/с, удаляясь от Солнца на расстояние в сотни раз превышающее абсолютную
астрономическую единицу (среднее расстояние меду Солнцем и Землёй), устремляясь туда, где межпланетная среда Солнечной системы переходит в разреженный межзвездный
20
газ. Вместе с ветром в межпланетное пространство переносятся и солнечные магнитные
поля.
В 2002 году американский спутник и наземные службы зарегистрировали мощную
вспышку, сопровождавшуюся возникновением огромного протуберанца, площадь которого в 30 раз превосходила площадь Земли.
В ноябре 2003 г. солнечная мощная вспышка вывела из строя японский спутник связи
Kodama, который перестал функционировать как ретранслятор радиосигналов. Эта же
вспышка нарушила авиасообщения в Канаде севернее 57-ой параллели. Сильнейшие электромагнитные помехи заставили управление полётами разработать специальные маршруты движения самолётов, чтобы не терять с ними радосвязи.
Воздействие магнитных бурь на земные объекты до конца еще не изучено, но накопленные факты заставляют учёных с опаской относиться к этому природному явлению.
Так, в ноябре 2004 г. сильная магнитная буря «прижала» к Земле Международную космическую станцию (МКС) – её орбита снизилась на 7 км. Состыкованный в это время со
станцией "Прогресс" попытался поднять станцию, однако двигатели сработали не штатно,
и в результате МКС поднялась лишь наполовину.
Конструкторам радиоэлектронной аппаратуры, особенно для летательных аппаратов
приходится снабжать свои устройства специальными защитными системами, экранирующими приёмные элементы от электромагнитных наводок. Сложность заключается в том,
что помехи, вызванные радиоизлучением Солнца, в своём спектре в изобилии содержат
рабочие частоты устройств.
Влияние активности Солнца на живую материю на Земле можно обнаружить, наблюдая состояние растений, микроорганизмов и животных. Изменения магнитного поля Земли, состояние которого находится в прямой зависимости от состояния Солнца, влияет на
растения на уровне их клеток. В периоды повышенной солнечной активности увеличивается проницаемость мембран, что интенсифицирует обменные процессы. Клетки более
активно поглощают питательные вещества, стимулирующие их рост и размножение. Кроме того, учёными установлено, что количество аммонифицирующих и нитрифицирующих
бактерий в почве тоже растёт. Другими словами, в периоды повышенной активности
Солнца происходит более интенсивное «удобрение» почвенного покрова, что сказывается
на темпах развития растений.
На рис. 1.8 приведен срез ствола сосны, на котором отчётливо заметно, что толщина
годовых колец не одинакова. Наиболее широкие кольца соответствуют периодам повышенной активности Солнца.
Рис. 1.8. Одиннадцатилетний период изменения толщины годовых колец на срезе Сосны [10]
21
Еще до открытия циклической активности Солнца знаменитый английский астроном Гершель (1738 − 11822 гг.), тот
самый, которому посчастливилось 13 марта 1781 г. открыть
новую планету Уран, проанализировал динамку цен на пшеницу за прошедшие 200 лет и, сопоставив их с количеством
пятен на солнце, обнаружил ошеломляющую корреляцию.
Цены на зерно падали в периоды повышенной Солнечной
активности. Рассмотрев далее изменения климата за этот же
период времени, Фридрих Вильгельм Гершель (Рис. 1.9) установил, что в интересующие его периоды времени климат
становился более влажным. Выпадало больше дождей, отсюда и увеличение урожайности зерновых культур и, как следствие, снижение цен. Занятная история о взаимосвязи астроРис. 1.9. Гершель
номии и экономики.
После того как случай с пшеничными и астрономическими совпадениями получил огласку в учёном мире, исследователи стали искать обнаруженную взаимосвязь в других
аспектах жизни Земли. И результаты, не менее интригующие, чем цены на пшеницу и количество дождей не заставили себя долго ждать.
Кроме изменения климата, урожая растений и популяции некоторых животных, человек испытывает иную зависимость от солнечной активности. Дело в том, что от состояния
Солнца, как выяснилось, зависит жизнедеятельность микрофлоры, которая, в свою очередь определяет предрасположенность человеческого организма к различного рода заболеваниям. Например, установлено, что эпидемии холеры в прошлые времена буйствовали
именно во время повышенной солнечной активности. Период наиболее опасных и массовых эпидемий гриппа имеет продолжительность 11,3 года, причём эпидемии начинаются
за 2,3 г. до начала максимума солнечной активности и начинают идти на спад за 2,3 г. до
окончания периода повышенной активности.
Большой вклад в изучение влияния Солнца на возникновение эпидемических заболеваний внёс отечественный исследователь Александр Леонидович Чижевский, проанализировавший за длительный промежуток времени динамику таких эпидемических заболеваний как чума, холера, тиф. На конкретном статистическом материале Чижевским было
показано, что наиболее сильные смертоносные эпидемии возникали на планете именно в
периоды наибольшей солнечной активности. Такая же закономерность была обнаружена
для заболеваний дифтерией, менингитом, полиомиелитом, дизентерией и скарлатиной.
В 60-х годах прошлого ХХ в. врачи начали наблюдать влияние состояния Солнца на
сердечно-сосудистые заболевания людей. Не сложно было заметить, что первыми начинают «чувствовать» разгулы стихии на Солнце люди, перенесшие инфаркт миокарда, причём реакция наблюдалась не на абсолютные показатели излучения, а на скорость их изменения. Резкие хромосферные всплески уровня активности, существенно влияющие на состояние магнитного поля Земли, переносились наиболее тяжело. В магнитосфере Земли в
это время происходили, так называемые, магнитные бури.
Во Франции накануне второй мировой войны в курортном городе Ницце врачи обнаружили, что в периоды экстренных вызовов карет скорой помощи по случаю сердечных
приступов всегда нарушалась телефонная связь, временами даже пропадая совсем. Этот
феномен позже объяснили физики. Сердечные недуги возникали во время магнитных
бурь, которые возникали как следствие процессов в солнечной хромосфере.
По большому счёту врачи уже давно стали приписывать естественным магнитам лечебные свойства. Аристотель, Плиний Старший, Парацельс и придворный врач Вильям
Гилберт, открывший магнитное поле Земли, использовали с переменным успехом магниты в своей практике.
По результатам современных исследований установлено, что магнитное поле наиболее
значимо влияет на регуляторные системы организма (нервную, эндокринную и кровенос22
ную). Действие магнитного поля тормозит условные и безусловные рефлексы и влияет на
состав крови. Подобная реакция организма человека на магнитное поле объясняется, прежде всего, изменением свойств водных растворов в организме человека.
В 1934 году английские исследователи Джон Бернал и Ральф Фаулер высказали гипотезу, о наличии у воды при определённых обстоятельствах свойств, присущих кристаллическим структурам. В настоящее время открытый широкий класс жидких кристаллов используется для визуализации в мониторах, дисплеях и подобных устройствах.
В условиях, близких к нормальным, кристаллическая структура воды неустойчива и
проявляется не вполне очевидно. При воздействии на воду магнитным полем, она приобретает целый ряд не совсем обычных для воды свойств. Подвергнутая магнитной обработке, вода проявляет весьма низкую способность к образованию накипи на нагревательных
поверхностях, изменяет свои диэлектрические и оптические свойства. Политые обработанной водой семена дают более дружные всходы. Стройной теории взаимодействия воды
и магнитного поля к настоящему времени не создано, имеются рабочие гипотезы, которые
требуют тщательной экспериментальной проверки на систематической основе.
Применительно к живым организмам, которые более чем на 70% состоят из воды, являющейся неотъемлемой составной частью клеток и тканей, удаётся только фиксировать
стабильное негативное влияние на самочувствие всяких изменений магнитного поля
Солнца, особенно в периоды солнечных бурь. Именно в периоды активизации Солнца на
нашей планете происходят события типа Варфоломеевской ночи.
Учёными, на основании скрупулёзного анализа архивных материалов установлено,
что абсолютное количество практически всех видов животных на нашей планете является
функцией времени. Это происходит в силу целого ряда причин, среди которых солнечная
активность занимает не последнее место.
Известно, что за долго до эры просвещенных мировых религий монгольские и тюркские народы имели специальный календарь «мушель», содержащий рекомендации животноводам. В частности, там отмечались неблагоприятные годы с позиций поголовья животных. Особое место занимали годы Зайца, которые наступали, как известно, через каждые 12 лет. Годы пресловутого Зайца совпадали с периодами, как сейчас говорят, спокойного солнца.
При более тщательном рассмотрении этого совпадения, было обнаружено, что и в наше время численность заячьего населения тоже заметно изменяется в зависимости от активности Солнца. Наибольшая численность зайцев − беляков наблюдается в периоды максимальной солнечной активности. На рис. 1.10 приведены две зависимости от времени,
сплошная кривая соответствует заготовкам зайцев в Якутии, М⋅%, нормированным в процентах относительно минимальной величины, а пунктирная кривая − солнечной активности, сдвинутой по временной оси на 5 лет.
Рис.1.10. Активность Солнца и численность зайцев − беляков
23
Таким образом, данные за период с 1925 по 1959 г. показали, что численность зайцабеляка в Якутии в зависимости от солнечной активности меняется практически так же,
периодически. В этой связи не вызывает сомнения, что эти изменения численности животных вызваны именно солнечной активностью − фактором, который действует одинаково на разных долготах, на всей Земле, то есть в планетарном масштабе.
Непосредственное влияние космических факторов на состояние животных подтверждается тем, что для отдельных видов сроки увеличения их численности часто совпадают.
В северной Америке, например, в течении длительного периода времени, охватывающего
не одно столетие, годы большой добычи зайцев, рябчиков и рысей тоже синхронизировано с солнечной активностью. Наиболее рельефно особенности солнечного влияния проявляются при смене столетий. Так например, в районе 1900 г. возрастание численности животных приходилось не на периоды минимумов солнечной активности, а на время повышенных солнечных проявлений.
При более детальном рассмотрении оказалось, что численность животных зависит от
активности солнца, проявляясь двояко. В одном случае периодичности совпадали таким
образом, что максимумы численности приходились на минимумы солнечной активности,
а в другом − максимумы численности некоторых видов животных − на максимумы, но в
обоих случаях корреляция имела место.
Исследования, таким образом, показали, что изменения в численности животных (как
и изменения в толщине годичных колец деревьев) наблюдаются как в эпоху максимума,
так и в эпоху минимума солнечной активности. Только значения этих изменений различны.
На рис. 1.11 показана корреляция солнечной активности W (кривая 1) с валовым производством молока в СССР (кривая 2) и удоев на фуражную корову (кривая 3).
Рис. 1.11. Сельское хозяйство и солнечная активность
Если с заготовками зайцев и удоями коров всё более или менее ясно, то касаемо человеческого сообщества далеко не всё так просто. Человек, являясь, по мнению некоторых
учёных вершиной эволюционного процесса живой материи, не столь прост в своём состоянии и взаимодействии, как зайчики и коровки. Всем известно, чем сложнее система,
механическая, термодинамическая, социальная и т.п. тем многочисленнее и сильнее её
24
внутренние связи, что некоторым образом нивелирует действие внешних объектов. Сложные системы быстрее и эффективнее адаптируются к изменению внешних условий.
Если говорить по большому счёту, то специально проведенные многочисленные исследования влияния на поведение человека солнечной активности, радикальных взаимосвязей не обнаружили.
Не получили научно обоснованного подтверждения предположения о влиянии солнечной активности на наше поведение. Связей активности с ростом числа преступлений, войнами и другими социальными встрясками также, в явном виде, не выявилось.
В такой сложной системе как, как человеческое общество, было бы легкомысленным сводить все мотивации движущие индивидами, к динамике образования и исчезновения солнечных пятен. Естественно, что воздействие Солнца на состояние организма человека, как
говорится, имеет место быть, однако уровень познания человеческого общества таков, что
сейчас можно говорить только о неких частных проявлениях в отдельных геополитических ситуациях, а это всегда оставляет место сомнений, не простые ли это совпадения.
Следует иметь в виду, что атмосфера и магнитосфера Земли является достаточно надёжным экраном от внешних воздействий, включая и солнечное излучение, как в форме
полей, так и в форме частиц. На рис. 1.12 показана картина взаимодействия солнечного
излучения с магнитным полем Земли.
Рис. 1.12. Взаимодействие Солнца и Земли
Несмотря на защитные свойства магнитосферы Земли, влияние Солнца на биологические и технические процессы велико. Прежде всего, это касается метеочувствительных
людей, особенно склонных к сердечно-сосудистым недомоганиям и функционирования
телекоммуникационных систем, связанных с использованием в качестве ретрансляторов
сигналов космические аппараты.
25