 |
|
Пік сонячної активності припаде на 2012 рік
План
Вступ
Наша зірка – Сонце.
Будова Сонця.
Енергія Сонця.
Маса Сонця.
Сонячно-Земні Зв’язки.
Сонячна активність.
Вплив Сонячної активності на людину
Сонячне затемнення.
Сонячний вітер.
Магнітні бурі і Сонячні спалахи.
Коронас-Ф.
Висновок.
Список літератури.
Вступ
Цікавість вчених до проблеми сонячно - земних зв'язків викликаний декількома причинами. Насамперед у міру з'ясування фізичних сторін впливу Сонця на Землю виявилося величезне прикладне значення цієї проблеми для радіозв'язку, магнітної навігації, безпеки космічних польотів, прогнозування погоди і так далі.
Природа Сонця і його значення для нашого життя - невичерпна тема. Про його вплив на Землю люди здогадувалися ще в далекій давнині, у результаті чого народжувалися легенди і міфи, у яких Сонце відігравало головну роль. Воно обожнювалося в багатьох релігіях. Дослідження Сонця - особливий розділ астрофізики зі своєю інструментальною базою, зі своїми методами. Роль одержуваних результатів виняткова, як для астрофізики (розуміння природи єдиної зірки, що знаходиться так близько), так і для геофізики (основа величезного числа космічних впливів). Постійний інтерес до Сонця виявляють астрономи, лікарі, метеорологи, зв'язківці, навігатори й інші фахівці, професійна діяльність яких сильно залежить від ступеня активності нашого денного світила, на якому "також бувають плями".
Перший опис плям у російських літописах датується 1371 і 1385 роками, коли спостерігачі помітили їх крізь дим лісових пожеж. Історія боротьби поглядів на природу процесів на Сонці зв'язана з удаваними нам зараз, майже неймовірними драматичними колізіями.
В останні роки Сонце наближається до піку сонячної активності. Багато людей турбує це питання. По-перше людство цікавить, як саме сонячні спалахи і магнітні бурі впливають на здоров’я людини і яким чином, по-друге до чого ці явища можуть привести і по-третє як поводитись із цими явищами. Тому на мою думку ця тема є актуальною для дослідження.
Наша зірка — Сонце
З усього оточуючого нас - незліченної безлічі зірок непорівнянно найважливішу роль у нашому житті відіграє Сонце.
Со́нце (лат. Sol) — єдина зоря в Сонячній системі. Земля та сім інших планет обертаються навколо Сонця. Крім них навколо Сонця обертаються комети, астероїди та інші дрібні об'єкти.
Ця найближча до нас зірка забезпечує нашу планету гнітючою частиною енергії. Завдяки сонцю і земній атмосфері на поверхні землі температура й інші умови такі, які вони є, а не космічний холод, що робить нашу планету комфортною для живих істот, що живуть на ній. Навіть відносно мізерні зміни потоку енергії, переданої Сонцем Землі, що відбуваються при сонячних спалахах, істотно позначаються на земних умовах. З іншого боку, Сонце по своїх властивостях є типовою для свого класу зіркою, і осягаючи процеси, що відбуваються на Сонці, ми краще розуміємо і те, що діється на дуже далеких від нас зірках.
Астрономічними методами було виміряно, що орбіта Землі віддалена від Сонця в середньому на r=150 мільйонів кілометрів. Ця орбіта має формулу еліпса, так що в різні моменти часу відстань від Землі до Сонця трохи змінюється; змінюється і швидкість руху Землі по її орбіті. Як відомо, період обертання Землі навколо Сонця дорівнює одному року, точніше, 365,2522 доби. Ближче усього до Сонця Земля підходить у січні, і в цей же період швидкість руху Землі по її орбіті максимальна, хоча варіації швидкості (у середньому 35 км/с) і відстані між Землею і Сонцем дуже невеликі (1,7%). Кутовий розмір Сонця, видимий із Землі, складає в середньому a=32,05 кутових хвилин. Радіус Сонця складає 697 тисяч кілометрів. Маса Сонця 1,9891×1030 кг. Середня щільність Сонця складає 1,41×103 кг/м3, тобто в 1,41 рази більше щільності води. Однак розподіл щільності по глибині Сонця неоднорідний, і величина середньої щільності не дуже показова. З іншого боку, згадавши, до яких дивовижних величин зростає тиск на великих глибинах земних океанів, ми якісно зрозуміємо, що відбувається з тиском і щільністю в міру наближення до центра Сонця (густина сонячної речовини - газу - прямо залежить від тиску, у той час як вода практично нестислива).
Здавалося б, дивно міркувати про розподіл щільності по глибині небесного тіла, віддаленого від нас на півтори сотні мільйонів кілометрів. Але один з парадоксів природничо-наукових досліджень полягає в тому, що про внутрішню будови Сонця ми маємо, очевидно, набагато краще представлення, чим про внутрішню будову Землі. До речі, хімічний елемент Гелій (Не) був спочатку відкритий на Сонці, а вже потім виявлений на Землі. Складається сонце приблизно на 3/4 з водню, на 1/4 з гелію, з невеликою добавкою (приблизно 2%) більш важких елементів.
Сонце — центральне і наймасивніше тіло Сонячної системи. Його маса приблизно в 333 000 раз більша за масу Землі та у 750 разів перевищує масу всіх інших планет, разом узятих. Сонце — потужне джерело енергії, яку воно постійно випромінює в усіх ділянках спектра електромагнітних хвиль — від рентгенівських і ультрафіолетових променів до радіохвиль. Це випромінювання сильно впливає на всі тіла Сонячної системи: нагріває їх, позначається на атмосферах планет, дає світло й тепло, необхідні для життя на Землі.
Сонце — найближча до нас зоря, в якої, на відміну від усіх інших зірок, можна спостерігати диск, і за допомогою телескопа вивчати на ньому дрібні деталі, розміром до кількох сотень кілометрів. Це типова зоря, тому її вивчення допомагає зрозуміти природу зірок взагалі. За зоряною класифікацією Сонце має спектральний клас G2V. У популярній літературі Сонце досить часто класифікують як жовтий карлик.
Будова Сонця
| Корона |
| Фотосфера |
| Конвективна зона |
| Ядро |
| Зона променевої передачі |
| Хроматосфера |
| Конвективна зона |
| Фотосфера |
| Хромосфера |
Рис.1 Будова сонця.
Як і всі зорі, Сонце — розжарена газова куля. Хімічний склад (за кількістю атомів) визначено з аналізу сонячного спектра:
• водень складає близько 90%,
• гелій — 10%,
• інші елементи — менше 0,1% .
Виділення енергії відбувається шляхом ядерних реакцій, за яких водень перетворюється на гелій. На Сонці можливі дві групи термоядерних реакцій: так званий протон-протонний (гідрогеновий) цикл і карбоновий цикл (цикл Бете). Основна реакція Гідрогену зводиться до протон-протонного циклу, який практично забезпечує сучасну світність Сонця.
«Вигоряння» водню під дією термоядерних реакцій відбувається тільки в надрах Сонця, а в зовнішніх його шарах відносний вміст зберігається незмінним. Перенесення енергії з надр, як правило, відбувається за рахунок поглинання електромагнітного випромінювання, що надходить знизу, і наступного пере-випромінювання. У результаті зниження температури при віддаленні від Сонця поступово збільшується довжина хвилі випромінювання. Конвективна зона Сонця починається на глибині близько 0,2 сонячного радіуса і завтовшки близько 10 м. У зовнішній частині конвективної зони Сонця швидкість конвективних рухів досягає (2-2,5) × 103 м/с. В атмосфері Сонця (у хромосфері й короні) також відбувається циркуляція речовини. Густина у верхній атмосфері дуже мала, тому відвід енергії можливий тільки в тому випадку, якщо кінетична енергія цих шарів досить велика. У верхній частині сонячної корони енергію несе сонячний вітер, що складається з потоків речовини, які рухаються від Сонця. У кожному шарі температура встановлюється на такому рівні, щоб загалом автоматично здійснювався баланс енергії, тобто енергетичні втрати відшкодовувалися достатньою кількістю принесеної енергії.
Повне випромінювання Сонця визначається за освітленістю поверхні Землі, коли світило знаходиться в зеніті (близько 100 тис. лк). Поза атмосферою на середній відстані Землі від Сонця освітленість дорівнює 127 тис. лк. Сила світла Сонця складає 2,84 × 1011 кандел. Кількість енергії, що припадає за 1 хв.. на площу в 1 см2, розташовану перпендикулярно до сонячних променів за межами атмосфери на середній відстані Землі від Сонця, називають сонячною константою. Ефективна температура поверхні Сонця, що визначають відповідно до закону випромінювання Стефана — Больцмана, за повним випромінюванням Сонця дорівнює 5770 К. Потужність випромінювання Сонця на Землю складає близько 2×1011 Вт, середня яскравість поверхні Сонця (при спостереженні поза атмосферою Землі) складає 1,98-109 ніт, яскравість центру диска Сонця — 2,48 109 ніт.
Спектр Сонця — це безперервний спектр, на який накладено більше 20 тисяч ліній поглинання. Розподіл енергії у надрах Сонця (його спектральний склад) загалом відповідає розподілові енергії у випромінюванні абсолютно чорного тіла з температурою близько 6000 К. В окремих ділянках спектра можуть спостерігатися помітні відхилення. Основним елементом у складі Сонця є Гідроген, потім іде Гелій, кількість атомів якого в 4—5 разів менша, ніж Гідрогену, кількість атомів інших елементів приблизно в 1000 разів менша за число атомів Гідрогену, до їх числа входять Оксиген, Карбон, Нітроген, Магній, Ферум та інші.
У результаті взаємодії диференціального обертання Сонця з рухами газу, що проводить електрику, генерується магнітне поле Сонця. Магнітне поле виявляється на поверхні Сонця у вигляді сонячних плям, які сягають у діаметрі до 90 тис. км, і оточуючих їх активних областей. Розрізняють кілька типів магнітних полів на Сонці. Загальне магнітне поле Сонця невелике і тісно пов'язане з міжпланетним магнітним полем і його секторною структурою. Магнітні поля, пов'язані із сонячною активністю, можуть сягати в сонячних плямах напруженості в кілька тисяч ерстед. В активних областях магнітних полів магнітні полюси різної полярності чергуються. Зустрічаються і локальні магнітні області. Магнітні поля проникають і в хромосферу, і в сонячну корону.
Атмосферу Сонця утворюють зовнішні шари, що доступні спостереженню. Майже усе випромінювання Сонця надходить із фотосфери. Товщина фотосфери близько 300 км, її середня густина — 3 × 104 кг/м]. Середня температура у фотосфері близько 6000 К, на межі фотосфери — 4200 К. Тиск змінюється від 2×104 до 2×102 н/мг. Конвекція в підфотосферній зоні Сонця виявляється в нерівномірній яскравості фотосфери, її зернистій структурі — так званій грануляційній структурі. Гранули мають вигляд яскравих плям округлої форми, завбільшки 150—1000 км і тривалістю життя 5—10 хвилин, рідше — 20 хвилин. Іноді можна спостерігати масове скупчення гранул завдовжки до 30 тис. км. На поверхні Сонця грануляція однакова на всіх геліографічних широтах і не залежить від сонячної активності. Швидкості хаотичних рухів (турбулентні швидкості) у фотосфері складають за різними визначеннями 1—3 км/с. У фотосфері виявлені квазіперіодичні коливальні рухи в радіальному напрямку. Вони відбуваються на майданчиках завбільшки 2—3 тис. км із періодичністю близько 5 хв.. і амплітудою швидкості приблизно 500 м/с. Після декількох періодів коливання вони загасають і можуть знову виникнути в цьому ж місці. Нижче розташовані дуже великі конвективні утворення — «гігантські комірки», супергранули, у яких рух відбувається (близько 500 м/с) у горизонтальному напрямку від центру комірки до її меж. Розміри комірок сягають 30—40 тис. км. За положенням супергранули збігаються з комірками хромосферної сітки. На межах цих комірок магнітне поле посилене. Відомо, що у фотосфері утворюються спектральні лінії і безперервний спектр.
У фотосфері досить часто можна спостерігати темні утворення, що називаються сонячними плямами. З активністю появи плям на середніх і низьких широтах частіше пов'язують активність Сонця. Усі сонячні плями мають сильне магнітне поле. Невеликі плями називають порами, а діаметр великої плями може сягати 200 тис. км. Складаються вони з темного ядра (тіні) і навколишньої півтіні, іноді можуть бути оточені світлою облямівкою. Одні плями на поверхні Сонця можуть «проіснувати» кілька годин, а інші — місяць.
Поява плям підпорядковується таким закономірностям:
— 11-річний цикл появи плям на широтах ± 40°;
— 22-річний магнітний цикл плям;
— екваторіальний дрейф зони появи плям;
— зміна знака полярного магнітного поля в максимумі плямоутворення.
У спектрі плям ліній і смуг поглинання ще більше, ніж у спектрі фотосфери, крім того, вони зміщуються, що вказує на рух речовини в плямах: відбувається витікання на низьких рівнях і влиття на вищих, зі швидкістю руху до 3 тис. м/с. З порівнянь інтенсивності ліній і безперервного спектра плям і фотосфери випливає, що плями холодніші за фотосферу на 1—2 тис. градусів (4500 К і нижче). Через це на фоні фотосфери плями здаються темними, яскравість ядра складає 0,2—0,5 (20%-50%) яскравості фотосфери, яскравість півтіні — близько 80% фотосферної.
Зазвичай плями утворюють три групи, які за своїм магнітним полем можуть бути уніполярними, біполярними і мультиполярними, тобто містити багато плям різної полярності, часто об'єднаних загальною півтінню. Із закінченням переполюсування магнітного поля з'являються і численні дрібномасштабні магнітні структури — полярні смолоскипи, яскраві рентгенівські точки в короні, протуберанці, у сонячній короні над ними спостерігаються утворення у вигляді променів, шоломів, віял — усе це утворює активну область на Сонці.
Полярні смолоскипи — яскраві фотосферні утворення, видимі в білому світлі недалеко від краю диска Сонця. У надрах Сонця смолоскипи практично не помітні, тому що їх контраст невеликий. Зазвичай смолоскипи з'являються раніше плям і зберігаються ще якийсь час після їх зникнення, їхня середня тривалість існування складає 15 діб, але може тривати і близько 3 місяців. Кількість смолоскипів на диску Сонця залежить від фази циклу сонячної активності. Смолоскипи мають складну волокнисту структуру, їхній контраст залежить від довжини хвилі, на якій проводяться спостереження. Температура смолоскипів на кілька сотень градусів перевищує температуру фотосфери, загальне випромінювання з одного квадратного сантиметра перевищує фотосферне на 3—5%.
Вище фотосфери розташований шар атмосфери, що називається хромосферою. Хромосферу можна побачити під час повного сонячного затемнення, коли Місяць повністю закриє фотосферу. У цей момент вона являє собою рожеве кільце з виступаючими зубчиками — хромосферними спікулами. Одночасно на Сонці може бути до 250 тис. спікул діаметром від 200 до 2000 км. Швидкість піднімання плазми в спікулах досягає 30 км/с. При спостереженні в монохроматичному світлі на диску Сонця видно яскраву хромосферну сітку, що складається з окремих вузликів (від 1000 до 8000 км). Розміри комірок сітки — 30—40 тис. км. Є припущення, що спікули утворюються на межі комірок хромосферної сітки.
Встановлено, що в хромосфері відбувається хаотичний рух газових мас зі швидкостями до 15×103 м/с. У хромосфері смолоскипи помітні як світлі утворення, що називаються зазвичай флокулами. Полярні смолоскипи можуть являти собою окремі яскраві точки завбільшки від 700 до 3500 км, пари яскравих точок на відстані близько 7000 км, ланцюжок яскравих точок завдовжки до 30 тис. км і дифузійні утворення завбільшки від 7 до 20 і більше тис. км. У червоній лінії спектра Гідрогену добре видно темні утворення, що називаються волокнами. На краю диска Сонця волокна виступають за диск і спостерігаються на фоні неба як яскраві протуберанці. Волокна й протуберанці низькоширотних зон показують добре виражений 11-річний цикл, їхній максимум збігається з максимумом плям. Високоширотні протуберанці менше залежать від фаз сонячної активності, максимум настає через два роки після максимуму плям. Волокна, які є спокійними протуберанцями, можуть сягати довжини сонячного радіуса й існувати протягом декількох обертів Сонця. Середня висота протуберанців над поверхнею Сонця складає 30— 50 тис. км, середня довжина — 200 тис. км, ширина — 5 тис. км. Протуберанці за характером руху (за А. Б. Северним) поділяються на 3 групи:
— електромагнітні, де рухи відбуваються за впорядкованими скривленими траєкторіями — силовим лініям магнітного поля;
— хаотичні, у яких переважають неупорядковані турбулентні рухи (швидкості порядку 10 км/с);
— еруптивні, де речовина первісного спокійного протуберанця з хаотичними рухами раптово викидається зі зростаючою швидкістю (до 700 км/с) геть від Сонця.
Температура в протуберанцях сягає 5—10 тис. К, густина близька до середньої густини хромосфери. Волокна, що представляють собою активні, мінливі протуберанці, досить швидко змінюються за кілька годин, іноді й за кілька хвилин. Форма й характер рухів у протуберанцях взаємозалежні з магнітним полем у хромосфері й сонячній короні.
Сонячна корона — зовнішня і найбільш розріджена частина сонячної атмосфери, що простягається на кілька (більше 10) сонячних радіусів. Корону Сонця раніше можна було спостерігати тільки під час повного сонячного затемнення, сьогодні ж її можна вивчати за допомогою орбітальних телескопів і коронографів. У великомасштабній структурі сонячної корони добре виділяються такі утворення: шоломоподібні структури, віяла, корональні промені й полярні щіточки. Загальна форма корони змінюється з фазою циклу сонячної активності: у роки мінімуму корона сильно витягнута уздовж екватора, у роки максимуму вона майже сферична. Світіння сонячної корони утворюється, як правило, у результаті розсіювання фотосферного випромінювання вільними електронами. Практично всі атоми в короні іонізовані. Концентрація іонів і вільних електронів біля основи корони складає 109 часток у 1 см3. Нагрівання корони аналогічне до нагрівання хромосфери. Найбільше виділення енергії відбувається в нижній частині корони, але завдяки високій теплопровідності корона майже ізотермічна — температура до зовнішнього шару знижується дуже повільно.
У нижній частині корони витік енергії униз відбувається завдяки теплопровідності. До втрати енергії призводить відхід із корони найшвидших часток. У зовнішніх частинах корони велику частину енергії несе сонячний вітер (потік коронального газу). Температура в короні перевищує 106 К. В активних шарах корони температура сягає 107 К. Над активними областями можуть утворюватися так звані корональні конденсації, у яких концентрація часток зростає в десятки разів. У сонячній короні генерується радіовипромінювання Сонця в метровому діапазоні й рентгенівське випромінювання, що підсилюється в багато разів в активних областях. З корони поширюються в міжпланетний простір потоки часток, що утворюють сонячний вітер. Між хромосферою й короною є порівняно тонкий перехідний шар, у якому відбувається різкий стрибок температури до значень, характерних для корони. Умови в ньому визначаються потоком енергії з корони в результаті теплопровідності. Перехідний шар є джерелом більшої частини ультрафіолетового випромінювання Сонця. Хромосфера, перехідний шар і корона створюють радіовипромінювання Сонця. В активних областях структура хромосфери, корони і перехідного шару змінюється, але цей процес ще мало вивчений.
Енергія Сонця
Сонце, як відомо, є первинним і основним джерелом енергії для нашої планети. Воно гріє всю Землю, приводить в рух річки і повідомляє силу вітру. Під його променями зростає 1024 тонн рослин, що живлять, у свою чергу, 10×1012 тонн тварин і бактерій. Завдяки тому ж Сонцю на 3емлі накопичені запаси вуглеводнів, тобто нафти, вугілля, торфу і ін., які ми зараз активно спалюємо. Для того, щоб сьогодні людство змогло задовольнити свої потреби в енергоресурсах, потрібно в рік близько 10 мільярдів тонн умовного палива. (Теплота згорання умовного палива – 7 000 ккал/кг).
А тепер увага: якщо енергію, що поставляється на нашу планету Сонцем за рік, перевести в те ж умовне паливо, то ця цифра складе близько 100 трильйонів тонн. Це в десять тисяч разів більше, ніж нам потрібно. Вважається, що на 3емлі запасені 6 трильйонів тонн різних вуглеводнів. Якщо це так, то енергію, що міститься в них, Сонце віддає планеті всього за три тижні. І резерви його настільки великі, що світитися так само яскраво воно зможе ще близько 5 мільярдів років. 3емні зелені рослини і морські водорості утилізували приблизно 34% енергії, що поступає від Сонця. Останнє втрачається майже даремно, витрачаючись на підтримку комфортного для життя мікроклімату в глибинах океану і на поверхні Землі. І якби людина змогла узяти для свого внутрішнього вжитку хоч би один відсоток (тобто 1 трильйон тонн того самого умовного палива в рік), то це б вирішило багато проблем на століття вперед. І теоретично цілком зрозуміло, як саме узяти цей відсоток.
Все почалося з Альберта Ейнштейна. Багато хто пам’ятає, що цей учений був удостоєний в 1921 році Нобелівської премії. Але мало хто знає, що отримав він її не за створення теорії відносності, а за пояснення законів зовнішнього фотоефекту. Ще в 1905 році він опублікував роботу, в якій, спираючись на гіпотезу Планка, описав як саме і в яких кількостях кванти світла «вибивають» з металу електрони. Отримати електричний струм за допомогою фотоефекту вперше удалося радянським фізикам в 30-і роки минулого століття. Сталося це у Фізико-технічному інституті, керував яким знаменитий академік А.Ф. Іоффе. Правда, ККД тодішніх сонячних сірнисто-талієвих елементів ледве дотягував до 1%, тобто в електрику перетворювався лише 1% енергії, що падала на елемент, але заділ був покладений. У 1954 році американці Пірсон, Фуллер і Чапін запатентували перший елемент з прийнятним (порядку 6%) ККД. А з 1958 року кремнієві сонячні батареї стали основними джерелами електрики на радянських і американських космічних апаратах.
До середини 70-х років ККД сонячних елементів наблизився до 10-процентної відмітки і… майже на два десятиліття завмер на цьому рубежі. Для космічних кораблів цього цілком вистачало, а для наземного використання виробництво вельми дорогих сонячних батарей необхідної якості коштував тоді до 100 доларів), що в порівнянні із спалюванням дешевої нафти виглядало недозволеною розкішшю. Як наслідок більшість досліджень по розробці нових технологій в області сонячної енергетики були згорнуті, а фінансування тих, що залишилися сильно скорочено. На початку 90-х років нинішній лауреат Нобелівської премії академік Жорес Алферов на зборах АН СРСР заявив, що якби на розвиток альтернативної енергетики (а сонячна енергетика у нас вважається одним з її видів) було б витрачено хоч би 15% з тих засобів, що ми вклали в енергетику атомну, то АЕС нам би зараз чи взагалі б не потрібні Джерел енергії на Землі існує багато, але, судячи по тому, як нестримно зростають ціни на енергоресурси, їх все одно не вистачає. Багато фахівців вважають, що вже до 2020 року палива буде потрібно в три з половиною рази більше, ніж сьогодні. Де ж брати енергію?
Новітня технологія нанесення металоксидної плівки на скляну підкладку дозволяє створювати крупні тонкоплівкові сонячні модулі. У Америці лише на один проект – будівництво в пустелі Негев (Ізраїль) сонячної електростанції – виділено 100 мільйонів доларів. Судячи по тому, що навіть на тих крихітках, які виділялися «на Сонці», вдалося до середини 90-х підняти ККД сонячних елементів до 15, а на початок нового століття – до 20%, затвердження академіка недалеке від істини.
Як матеріал для виробництва сонячних елементів сьогодні використовується кремній. Другий за поширеністю на Землі, після кисню, елемент. На кремній припадає більше чверті спільної маси земної кори. Мінус в тому, що зустрічається він у вигляді оксиду – SiO2. Це той самий пісок, яким наповнюють дитячі пісочниці і використовують при замісі цементного розчину. Витягувати з нього чистий кремній вельми складно. Настільки складно, що вартість силіціума (так хіміки називають кремній), в якому не більше 1 грама домішок на 10 кілограмів продукту, порівнянна з вартістю збагаченого урану, використовуваного на атомних електростанціях. 3апаси кремнію перевищують запаси урану майже в 100 000 разів, проте хорошої «сонячної» речовини людство добуває в шість разів менше, ніж хорошого атомного урану.
Відмітимо, що видобувати з породи кілограм урану значно складніше, ніж отримати з кварцового піску кілограм силіціуму. Тому брудний кремній, що добувається способом електродуги і що містить більше 1 % домішок, коштує трохи більше одного долара за 1 кг і продається мегатоннами в рік. Ціна на природний уран на порядок вище. Після збагачення, коли доля потрібного 235-го ізотопу підвищується до 4,4%, вартість урану підскакує до 400 доларів за 1 кг і стає порівнянна з ціною того самого кремнію, з якого роблять мікросхеми і сонячні елементи. Настільки, загалом, невисока вартість ядерного палива обумовлена і тим, що в створення технології його видобутку і збагачення за останніх півстоліття були вкладені величезні засоби. Кремній же й до сьогодні в промисловості видобувають і очищують тими ж способами, що і в кінці 50-х років минулого століття. У наслідок недосконалості технологій – висока вартість продукту, великі енерговитрати, екологічна небезпека і – низький вихід.
З тонни кварцового піску, в якому знаходиться близько 500 кг кремнію при найпоширенішій на сьогоднішній день технології видобування електродуги і хлорсиланові очищенні отримують 50-90 кг сонячного силіціуму. При цьому на здобуття 1 кг витрачається стільки енергії, що «кіловатний» чайник міг би на ній безперервно працювати протягом 250 годин. Все це тим більше дивно через те, що нові, набагато вдаліші технології давно існують. Ще в 1974 році німецька фірма Siemens навчилася отримувати чистий кремній за допомогою карботермічного циклу. Не вдаватимемося до подробиць хімічного процесу, просто скажемо, що в цьому випадку енерговитрати падають на порядок, а вихід продукту збільшується в 10-15 разів. Відповідно, і вартість отримуваного кремнію падає до 5-15 доларів за кілограм.
Для німецької технології простий пісок вже не личить, тут потрібні так звані «особливо чисті кварцити», найкрупніші поклади яких знаходяться в нашій країні. Крім того, на думку тих же фахівців з Siemens, наші кварцити найбільш якісні і їх запасів вистачить на всіх. Спільна потужність всіх земних електростанцій складає приблизно 2 000 Гвт. Один терават/год. – це приблизно 13% від всієї споживаної людством енергії. Для того, щоб отримати цей терават від Сонця, стандартними кремнієвими панелями потрібно «замостити» територію в 40 000 км2. Це з урахуванням того, що працювати станція буде лише вдень. Квадрат із стороною 200 км. – приблизно одна двохсота частина пустелі Цукру. Завдання, з яким сучасне людство цілком може впоратися. Проте вирішувати її хід не можна. Бо при цьому виникають відразу дві величезні проблеми.
Перша – це зберігання енергії. Проводити енергію така «гігастанція» зможе лише вдень, а людству вона потрібна цілий день. 3начить, на ніч її денні надлишки потрібно в чомусь запасати. У акумуляторах, в гігантських конденсаторах, в супермаховиках. Такі «енергосховища» коштуватимуть не набагато дешевше, ніж сама СЕС. Друге – зміна клімату. Звичайно, не на всій планеті, а в місці споруди. Якщо раніше сонячна енергія в цих місцях йшла на нагрів ґрунту і повітря, то тепер її частина піде на здобуття електрики. Температура в районі електростанції, а 40 000 км2 – це немало, практично Московська область, – дещо знизиться. У її центрі з’явиться те, що кліматологи називають «бароцентром» – область постійного зниженого тиску, в якій зазвичай формуються потужні циклони. Циклони ці окроплюватимуть територію електростанції і прилеглі райони дощами.
Відповідно, і вироблення енергії зменшиться в десятки разів. Обидві ці глобальні проблеми мають одне просте рішення. А саме, треба будувати не одну електростанцію на 40 000 км2, а 400 електростанцій по 100 км2. І розташовувати їх по земному екватору в найбільш сонячних районах (учені говорять – в районах з найбільш високою соляризацією). І об’єднувати їх в єдину мережу. Тоді у той час, поки одні станції відпочиватимуть на нічній стороні Землі, інші, протилежні, – постачатимуть енергію. Якихось особливих погодних відхилень в п’ятачках 10х10 км. відбуватися не повинно. Але краще всього було б побудувати навіть не 400 крупних електростанцій, а декілька десятків великих і багато – багато дрібних, скажімо, розміром 10х10 м. І ця пропозиція цілком реалізовується. Але про це – трохи пізніше.
Взагалі-то в сонячній енергетиці світло клином на кремнієвих елементах не зійшлося. Способів перетворення енергії Сонця в електричну існує безліч. Використання сонячних батарей (тобто фотоелектричних перетворювачів) – лише один з них. Спосіб цей хороший, по-перше, своєю мобільністю, по-друге, – довговічністю. Сонячну батарею можна встановити на даху автомобіля і крилах літака. Її можна вбудувати в годинник, калькулятор, ноутбук і навіть в ліхтарик. У сонячному елементі відсутні які-небудь рухомі частини, і термін його служби складає приблизно 30 років. За цих 30 років елемент, на виготовлення якого пішло всього 1 кг сонячного кремнію, може дати стільки ж електроенергії, скільки проводиться з 100 тонн нафти на ТЕС або з 1 кг збагаченого урану на АЕС.
Сонячна установка потужністю 1 кВт сьогодні в США коштує приблизно 3 000 доларів. Проте вона поверне свою вартість лише на 14-15-му році роботи, а це, в порівнянні з тими ж тепловими електростанціями, недозволенно довго. Тому для перетворення сонячної енергії в електричну в промислових масштабах зараз в основному використовують спосіб, запропонований, згідно легенді, ще в III столітті до н.е. знаменитим вченим Архімедом Сиракузьким. Правда, сонячне світло він застосовував тоді зовсім не з метою здобуття дешевої енергії, а для оборони рідних Сиракуз, атакованих з моря галерами римського полководця Марцелла. Ось що писав про це в своїй «Історії» візантійський хроніст Цеци: «Коли римські кораблі знаходилися на відстані польоту стріли, Архімед почав діяти шестикутним дзеркалом, складеним з невеликих чотирикутних дзеркал, які можна було рухати за допомогою шарнірів і металевих планок. Він встановив це дзеркало так, щоб воно перетиналося по середині зимової сонячної лінії та літньої, і тому прийняті цим дзеркалом сонячні промені, відбиваючись, створювали жар, який обертав судна римлян в попіл, хоча вони знаходилися на відстані польоту стріли».
Саме на цьому принципі заснована робота сучасних геліоелектростанцій. Встановлені на значній, до декількох тисяч квадратних метрів, території дзеркала-геліостати, що повертаються услід за Сонцем, направляють промені сонячного світла на ємність з теплоприймачем, яким зазвичай виступає вода. Далі все відбувається так само, як на звичайних ТЕС: вода нагрівається, закипає, перетворюється на пару, пара крутить турбіну, турбіна передає обертання на ротор генератора, а той виробляє електрику. У США зараз діють декілька гібридних сонячно-теплових електростанцій спільною потужністю більше 600 Мвт. Вдень вони працюють від Сонця, а вночі, щоб вода не охолоджувалась і електрика не закінчувалася, – від газу. Температура пари в установках досягає 370 градусів Цельсія, а тиск – 100 атмосфер.
Перша промислова сонячна електростанція була побудована в 1985 році в СРСР в Криму, недалеко від міста Щелкіно. СЕС-5 мала пікову потужність 5 Мвт. Стільки ж, скільки в першого ядерного реактора. За 10 років роботи вона виробила всього 2 мільйони кВт/год. електроенергії, проте вартість її електрики виявилася досить високою, і в середині 90-х її закрили. В цей час роботи активізувалися в Штатах, де компанія Loose lndustries в самому кінці 1989 року запустила 80-мегаваттну сонячно-газову електростанцію. За наступних 5 років та ж компанія, лише в Каліфорнії, побудувала таких СЕС ще на 480 Мвт і довела вартість одного «сонячно-газового» кВт/год. до 7-8 центів. Що зовсім непогано в порівнянні з 15 центами за кВт/год. енергії – в стільки обходиться електрика, вироблювана на АЕС.
Використовувати енергію Сонця в побуті можна і без перетворення її на електрику. Для того, щоб «обігріти» холодну кімнату або нагрівати воду у водопроводі, можна безпосередньо скористатися сонячним теплом. Установки, що збирають, зберігають і передають це тепло, називаються сонячними колекторами. У простому варіанті все виглядає так: на даху будинку або на його південній стіні встановлюється панель, що складається з тоненьких трубочок, по яких в спеціальний бак-акумулятор подається вода. Сонце нагріває трубки, ті нагрівають воду, вода (температура якої в цій системі при використанні дзеркального піддону може доходити до 60-90°С) накопичується в баку і потім використовується для обігріву або гарячого водопостачання. Будинки, обладнані такими системами (які зазвичай доукомплектовувалися і кремнієвими сонячними елементами), називаються «Сонячними будинками». З одного боку, цей будинок коштує дещо дорожче, ніж звичайний, але з іншого – він дозволяє різко скоротити комунальні платежі – на 50-70%.
Проте зустрічаються і серйозніші системи. Одна з таких була споруджена в США в штаті Нью-Мексіко ще в 1978 році і працює Американська сонячна установка NSTTF для теплових випробувань і експериментів в області енергетики. Одним із старих способів отримання сонячної енергії являється СЕС, придумана Бернардом Дюбо. Він пропонував будувати в пустелях обширні скляні навіси з високою трубою.
Національна сонячна установка для теплових випробувань (NSTTF). Належить вона Пентагону і застосовується для перевірки жароміцності корпусів військових і цивільних ракет. Складається NSTTF з 60-метрової башти-мішені і 220 геліостатів, розміром 6х6 метрів кожен. Дзеркала, подібно до архімедівської установки, направляють свої сонячні зайчики в одну півтораметрову плямочку на верхівці установки, де температура в сонячні дні піднімається до 2 000°С. Всього у 2,5 разу менше, ніж на поверхні Сонця, і в 2 рази вище за температуру горіння напалму. Установка має майдан дзеркал 8×500 м2 і теплову потужність 5 Мвт.
Будівництво «сонячних будинків» на Заході поступово стає «правилом хорошого торгу»: покупці, що бажають заплатити за будинок зайві 10 000 доларів (1500 - 3000 доларів за сонячні колектори і 7 000 доларів за елементи) отримають будинок з постійною енергією. Та все ж таких покупців небагато – вкладення окуповуються лише через 7-10 років. Саме тому уряди розвинених країн, піклуючись про завтрашній день, розробляють і фінансують програми, що полегшують фінансовий тягар власників «сонячних дахів». Назви цих програм-проектів приблизно однакові. Перший був запущений ще в 1990 році в Германії, країні – лідерові в справі споруди «сонячних будинків». Називався він «1 000 сонячних дахів» (згодом був перейменований в «2 000 сонячних дахів»). Слідом за Німеччиною подібний проект, лише під назвою «100 000 сонячних дахів», був прийнятий для всіх країн – членів ЄС. У Японії сонячна енергетика почала просування з програми «70 000 сонячних дахів». І, нарешті, останній проект народився в США. З властивим американцям гігантизмом він був названий «1 000 000 сонячних дахів».
Приєдналася до цього руху і Монголія з проектом «100 тисяч сонячних юрт»… Власники будинків або офісів, що вирішили витратитися на дообладнання житлових і офісних приміщень сонячними колекторами і батареями, потрапляють в особливі реєстри і користуються певними привілеями. По-перше, держава компенсує їм частину витрачених коштів. По-друге, вони отримують особливі податкові пільги. По-третє, для них відкривається доступ до спеціальних пільгових кредитів і безпроцентних позик. Їх безкоштовно навчають користуванню такою домашньою енергосистемою, а для компаній, що займаються виробництвом, продажем і установкою «сонячної» техніки, проводять безкоштовні маркетингові дослідження, які немало коштують. У США на цю програму планується до кінця нинішнього десятиліття витратити 6 мільярдів доларів (лише на енергозбереження у федеральних будівлях тут витрачають близько 3 мільярдів бюджетних доларів в рік). В результаті Штати свою програму вже перевиконали: тут сонячна технологія вже використовується в 1,5 мільйонах будинків. Всі разом вони економлять близько 1 400 Мвт. А 1 400 заощаджених мегават – це приблизно 5 мільйонів тонн не спаленої за рік нафти.
У Німеччині держава не лише компенсує «сонце поклонникам» до 70% витрат на «соляризацію» будинків, але ще і купує у них електрику за цінами, що сильно перевищують ринкові. Тобто вдень, коли будинок споживає енергії мало, а проводить багато, її надлишки вирушають в міську мережу, а господар отримує по 80 центів за кожен зданий кВт/год. Вночі ж він сам купує в цієї мережі електрику, але вже по 20 центів. Завдяки цій програмі в країні «мостять» сонячними елементами по півмільйона квадратних метрів дахів в рік. Ось це якраз і є прообраз тієї самої системи з величезною кількістю крихітних електростанцій, про яку ми говорили вище. Заради справедливості ради варто сказати, що в Росії теж подекуди є «сонячні будинки». У Краснодарському краю існує ціле «сонячне село» з сорока будинків, дахи яких прикрашені кіловатними сонячними батареями. Декілька будинків, використовуючих сонячні колектори, побудовано в Москві і у Владивостоку.
Якщо не рахувати високої вартості сонячних батарей, головна перешкода для розвитку цієї енергетики – земна атмосфера. То небо зовсім не вчасно затягується хмарами, то дим від сусіднього заводу закриває Сонце. Та і при абсолютно ясному небі світло, проходячи через атмосферу, втрачає деяку частину своєї енергії. Якби людству удалося побудувати електростанцію в космосі, то цілком можна було б обійтися батареєю площею порядку 10 000 км2. Але тут знову перед нами постають два питання. По-перше, як туди ці батареї підняти, і, по-друге, як доставити отриману електрику на Землю. Не тягнути ж до них ЛЕП завдовжки 35 786 км. (саме на такій висоті повинна літати електростанція для того, щоб її положення в небі залишалося незмінним). Проблеми ці були теоретично вирішені ще в 1968 році, коли ідея космічної СЕС виникла вперше, а в 1973 році рішення були оформлені відповідним патентом. Доставка елементів в космос по патенту, природно, здійснюється космічними кораблями, іншого способу ми поки не знаємо. А енергію на 3емлю планується переправляти у вигляді особливого електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі від одного міліметра до одного метра. Такого своєрідного космічного радара.
На відміну від сонячного світла цей НВЧ-промінь при «пробої» атмосфери втратить не більше 2% енергії. Тоді, на початку 70-х, із-за дорожнечі як самих сонячних елементів, так і космічних польотів, ідея «КОСМОСЕС» була визнана повністю економічно неспроможною. Проте часи міняються, а ціни інколи падають. Недавно космічну задумку воскресив професор Інституту космічних систем (Х’юстон, США) доктор Девід Крісвелл. Правда, в його проектах вона придбала декілька інші межі. Головна відзнака полягає в тому, що Крісвелл запропонував розмістити сонячні електростанції не у відкритому космосі, а на поверхні нашого вірного Супутника – Місяці. При цьому зникає небезпека, що вони коли-небудь впадуть на Землю або відлетять в невідомість, збиті метеоритом. Проводити елементи можна прямо на місці з підручної сировини, побудувавши невеликий завод, – на Місяці кремнію теж більш ніж достатньо.
Доставка енергії на Землю здійснюватиметься вже описаним вище способом. Для її прийому слід побудувати декілька антенних полів, розміром декілька сотень квадратних кілометрів. Сам промінь абсолютно безпечний, і ні хмари не стануть для нього перешкодою. Правда, близько половини отриманої від Сонця енергії все ж загубиться по дорозі і при проміжних перетвореннях. Таких станцій на місячному екваторі потрібно побудувати 5, тоді у будь-який момент дві або три з них знаходитимуться на денній стороні нашого супутника. Цей проект, після реалізації якого жителі Землі забезпечать себе електрикою на найближчі століття, за підрахунками доктора Крісвелла, обійдеться в 60 мільярдів доларів. Це в три рази дорожче, ніж програма «Аполлон», що обійшлася в 19,5 мільярда доларів (правда, в 60-х роках долар коштував в 4,5 разу дорожче). Та зате в чотири рази дешевше за війну в Іраку (240 мільярдів доларів). Адже, напевно, краще будувати станції на Місяці, чим воювати на Землі за нафту. Та і грошей заразом можна немало заощадити.
Маса Сонця
Ма́са Со́нця (або Сонячна маса, M☉) — позасистемна одиниця виміру маси, що є стандартною в астрономії і застосовується для опису маси інших зір та галактик. Вона дорівнює масі Сонця: тобто близько двох нонільйонів кілограмів або близько 332 950 мас Землі.
кг,
Масу Сонця можна доволі точно обчислити за відомими значеннями: гравітаційної сталої (G), радіусу земної орбіти r (відстань від Землі до Сонця LAU — 1 а.о. (астрономічна одиниця) або 149,6 млн.км) та швидкості руху землі її орбітою (V ~ 30 км/с) або (точніше) тривалості сидеричного року ( с):
Сонячно - Земні Зв'язки (Фізичний аспект)
Система прямих чи опосередкованих фізичних зв'язків між геліо- і геофізичними процесами.
Земля одержує від Сонця не тільки світло і тепло, що забезпечують необхідний рівень освітленості і середню температуру її поверхні, але і піддається комбінованому впливу ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання, сонячного вітру, сонячних космічних променів. Варіації потужності цих факторів при зміні рівня сонячної активності викликають ланцюжок взаємозалежних явищ у міжпланетному просторі, у магнітосфері, іоносфері, нейтральній атмосфері, біосфері, гідросфері і, можливо, літосфері Землі. Вивчення цих явищ і складає суть проблеми Сонячно-Земних зв'язків. Строго кажучи, Земля робить деякий зворотній (принаймні , гравітаційний) вплив на Сонце, однак він мізерно малий, так що звичайно розглядають тільки вплив сонячної активності на Землю. Цей вплив зводиться або до перенесення від Сонця до Землі енергії, що виділяється в нестаціонарних процесах на Сонці (енергетичний аспект Сонячно-Земних зв'язків), або до перерозподілу вже накопиченої енергії в магнітосфері, іоносфері і нейтральній атмосфері Землі (інформаційний аспект). Перерозподіл енергії може відбуватися або плавно (ритмічні коливання геофізичних параметрів), або стрибкоподібно (тригерний механізм).
Представлення про Сонячно-Земні зв'язки складалися поступово, на основі окремих здогадів і відкриттів. Так, наприкінці XІ ст. К.О.Біркелан (Біркеланд; Норвегія) уперше висловив припущення, що Сонце крім хвильового випромінювання випускає також і частки. У 1915 р. А.Л.Чижевський звернув увагу на циклічний зв'язок між розвитком деяких епідемій і плямовиникною діяльністю Сонця. Синхронність багатьох геліо- і геофізичних явищ (а також форма кометних хвостів) наводила на думку, що в міжпланетному просторі мається агент, що передає сонячні збурювання до Землі. Цим агентом виявився сонячний вітер, існування якого експериментально було доведено на початку 1960-х рр. шляхом прямих вимірів за допомогою автоматичних міжпланетних станцій. Відкриття сонячного вітру разом з накопиченими даними про інші прояви сонячної активності послужило основою для дослідження фізики Сонячно-Земних зв'язків.
Послідовність подій у системі Сонце-Земля можна простежити, спостерігаючи ланцюжок явищ, що супроводжують могутній спалах на Сонці - вищий прояв сонячної активності. Наслідки спалаху починають позначатися в навколоземному просторі майже одночасно з подіями на Сонці (час поширення електромагнітних хвиль від Сонця до Землі - ледве більше 8 хвилин). Зокрема, ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання викликає додаткову іонізацію верхньої атмосфери, що приведе до погіршення чи навіть повному припинення радіозв'язку (ефект Делінджера) на освітленій стороні Землі.
Звичайно могутній спалах супроводжується випущенням великої кількості прискорених часток - сонячних космічних променів (СКП). Найенергійніші з них починають приходити до Землі через ледве більш 10 хв.. після максимуму спалаху. Підвищений потік СКП у Землі може спостерігатися кілька десятків годин. Вторгнення СКП в іоносферу полярних широт викликає додаткову іонізацію і, відповідно, погіршення радіозв'язку на коротких хвилях. Маються дані про те, що СКП значною мірою сприяють спустошенню озонного шару Землі. Посилені потоки СКП являють собою також одне з головних джерел радіаційної небезпеки для екіпажів і устаткування космічних кораблів.
Спалах генерує могутню ударну хвилю і викидає в міжпланетний простір хмару плазми. Ударна хвиля і хмара плазми за 1,5-2 доби досягають Землі і викликають магнітну бурю, зниження інтенсивності галактичних космічних променів, посилення полярних сяйв, збурювання іоносфери і так далі.
Маються статистичні дані про те, що через 2-4 доби після магнітної бурі відбувається помітна перебудова баричного поля тропосфери. Це приводить до збільшення нестабільності атмосфери, порушенню характеру циркуляції повітря (розвитку циклонів і ін. метеоявищ). Світові магнітні бурі являють собою крайній ступінь обуреності магнітосфери в цілому. Більш слабкі (але більш часті) збурювання, називані суббурями, розвиваються в магнітосфері полярних областей. Ще більш слабкі збурювання виникають поблизу границі магнітосфери із сонячним вітром. Причиною збурювань останніх двох типів є флуктуації потужності сонячного вітру. При цьому в магнітосфері генерується широкий спектр електромагнітних хвиль з частотами 0,001 - 10,0 Гц, що вільно доходять до поверхні Землі.
Під час магнітних бур інтенсивність цього низькочастотного випромінювання зростає в 10-100 разів. Велику роль у геомагнітних збурюваннях грає міжпланетне магнітне поле, особливо його південний компонент, перпендикулярний площині екліптики. Зі зміною знака радіального компонента міжпланетного магнітного поля зв'язана асиметрія потоків СКП, що вторгаються в полярні області, зміна напрямку конвекції магнітосферної плазми і ряд інших явищ.
Статистично встановлений зв'язок між рівнями сонячної і геомагнітної обуреності і ходом ряду процесів у біосфері Землі (динамікою популяції тварин, епідемій, епізоотій, кількістю серцево-судинних кризів і ін.). Найбільш ймовірною причиною такого зв'язку є низькочастотні коливання електромагнітного поля Землі. Це підтверджується лабораторними експериментами по вивченню дії електромагнітних полів природної напруженості і частоти на ссавців.
Хоча не усі ланки ланцюжка Сонячно-Земних зв'язків однаково вивчені, загалом картина Сонячно-Земних зв'язків представляється якісно. Кількісне дослідження цієї складної проблеми з погано відомими (чи взагалі невідомими) початковими і граничними умовами утруднено через незнання конкретних фізичних механізмів, що забезпечують передачу енергії між окремими ланками.
Поряд з пошуками фізичних механізмів ведуться дослідження інформаційного аспекту Сонячно-Земних зв'язків. Зв'язки виявляються подвійно, у залежності від того, плавно чи стрибкоподібно відбувається перерозподіл енергії сонячних збурювань усередині магнітосфери. У першому випадку Сонячно-Земні зв'язки виявляються у формі ритмічних коливань геофізичних параметрів (11-літніх, 27-денних і ін.). Стрибкоподібні зміни зв'язують з так званим тригерним механізмом. У цьому випадку невелика зміна критичного параметра (тиску, сили струму, концентрації часток і т.п.) приводить до якісної зміни ходу даного явища чи викликає нове явище. Для прикладу можна вказати на явище утворення позатропічних циклонів при геомагнітних збурюваннях. Енергія геомагнітного збурювання перетвориться в енергію інфрачервоного випромінювання. Останнє створює невеликий додатковий розігрів тропосфери, у результаті якого і розвивається її вертикальна нестійкість. При цьому енергія розвинутої нестійкості може на два порядки перевищувати енергію первісного збурювання.
Новим методом дослідження Сонячно-Земних зв'язків є активні експерименти в магнітосфері й іоносфері по моделюванню ефектів, викликуваних сонячною активністю. Для діагностики стану магнітосфери й іоносфери використовуються пучки електронів, хмари натрію барію (що випускаються з борта ракети). Для безпосереднього впливу на іоносферу використовуються радіохвилі короткохвильового діапазону. Головна перевага активних експериментів - можливість контролювати деякі початкові умови (параметри пучка електронів, потужність і частоту радіохвиль і т.п.). Це дозволяє більш упевнено судити про фізичні процеси на заданій висоті, а разом зі спостереженнями на інших висотах - про механізм магнітосферно-іоносферної взаємодії, про умови генерації низькочастотних випромінювань, про механізм Сонячно-Земних зв'язків у цілому. Активні експерименти мають також і прикладне значення. Доведено можливість створити штучний радіаційний пояс Землі і викликати полярні сяйва, змінювати властивості іоносфери і генерувати низькочастотне випромінювання над заданим районом.
Вивчення Сонячно-Земних зв'язків є не тільки фундаментальною науковою проблемою, але і має велике прогностичне значення. Прогнози стану магнітосфери й інших оболонок Землі вкрай необхідні для рішення практичних задач в області космонавтики, радіозв'язку, транспорту, метеорології і кліматології, сільського господарства, біології і медицини.
Сонячна Активність
Однієї із самих чудових особливостей Сонця є майже періодичні, регулярні зміни різних проявів сонячної активності, тобто всієї сукупності явищ на Сонці. Це і сонячні плями - області із сильним магнітним полем і внаслідок цього зі зниженою температурою, і сонячні спалахи - найбільш могутні і швидкі вибухові процеси, що впливають на всю сонячну атмосферу над активною областю, і сонячні волокна - плазменні утворення в магнітному полі сонячної атмосфери, що мають вид витягнутих (до сотень тисяч кілометрів) волоконоподібних структур. Коли волокна виходять на видимий край (лімб) Сонця, можна бачити найбільш грандіозні по масштабах активні і спокійні утворення - протуберанці, що відрізняються багатою розмаїтістю форм і СКП-адною структурою. Потрібно ще відзначити корональні діри - області в атмосфері Сонця з відкритим у міжпланетний простір магнітним полем. Це своєрідні вікна, з яких викидається високошвидкісний потік сонячних заряджених часток.
Сонячні плями - найбільш відомі явища на Сонці. Вперше в телескоп їх спостерігав Г. Галілей у 1610 р. Ми не знаємо, коли і як він навчився послабляти яскраве сонячне світло, але прекрасні гравюри, що зображують сонячні плями й опубліковані в 1613р. у його знаменитих листах про сонячні плями, з'явилися першими систематичними рядами спостережень.
З цього часу реєстрація плям то проводилася, то припинялася, то відновлялася знову. Наприкінці ХІ сторіччя два спостерігачі - Г. Шперер у Німеччині й Е. Маундер в Англії вказали на той факт, що протягом 70-літнього періоду аж до 1716р. плям на сонячному диску, очевидно, було дуже мало. Вже в наш час Д. Эдди, заново проаналізувавши всі дані, прийшов до висновку, що дійсно в цей період був спад сонячної активності, названий Маундерівським мінімумом.
До 1843р. після 20-літніх спостережень аматор астрономії Г. Швабі з Німеччини зібрав досить багато даних для того, щоб показати, що число плям на диску Сонця циклічно міняється, досягаючи мінімуму приблизно через кожні одинадцять років. Р. Вольф з Цюріха зібрав усі які тільки міг дані про плями, систематизував їх, організував регулярні спостереження і запропонував оцінювати ступінь активності Сонця спеціальним індексом, що визначає міру "запятненності" Сонця, що враховує як число плям, що спостерігалися в даний день, так і число груп сонячних плям на диску Сонця. Цей індекс відносного числа плям, згодом названий "числами Вольфа", починає свій ряд з 1749 року. Крива середньорічних чисел Вольфа зовсім чітко показує періодичні зміни числа сонячних плям.
Індекс "числа Вольфа" добре витримав іспит часом, але на сучасному етапі необхідно вимірювати сонячну активність кількісними методами. Сучасні сонячні обсерваторії ведуть регулярні патрульні спостереження за Сонцем, використовуючи міру активності, оцінку площ сонячних плям у мільйонних частках площі видимої сонячної півсфери (м.ч.п.). Цей індекс якоюсь мірою відбиває величину магнітного потоку, зосередженого в плямах, через поверхню Сонця.
Групи сонячних плям із усіма супутніми явищами є частинами активних областей. Розвинута активна область містить у собі смолоскипову площадку з групою сонячних плям, на якій часто розташовується волокно. Усе це супроводжує розвиток корональної конденсації, густина речовини в який принаймні в кілька разів вища щільності навколишнього середовища. Усі ці явища об'єднані інтенсивним магнітним полем, що досягає величини декількох тисяч Гаусс на рівні фотосфери.
Найбільш чітко границі активної області визначаються по хромосферній лінії іонізованого кальцію. Тому був уведений щоденний кальцієвий індекс, що враховує площі і потужності всіх активних областей.
Найдужчий прояв сонячної активності, що впливає на Землю, - сонячні спалахи. Вони розвиваються в активних областях зі СКП. Енергія великого сонячного спалаху досягає величезної величини, порівнянної з кількістю сонячної енергії, одержуваною нашою планетою протягом цілого року. Це приблизно в 100 разів більше всієї теплової енергії, яку можна було б одержати при спалюванні всіх розвіданих запасів нафти, газу і вугілля. У той же час це енергія, що випускається всім Сонцем за одну двадцяту частку секунди, з потужністю, що не перевищує сотих часток відсотка від потужності повного випромінювання нашої зірки. В вспалахо-активних областях основна послідовність спалахів великої і середньої потужності відбувається за обмежений інтервал часу (40-60 годин), у той час як малі спалахи й плями спостерігаються практично постійно. Це приводить до підйому загального тла електромагнітного випромінювання Сонця. Тому для оцінки сонячної активності, зв'язаної зі спалахами, стали застосовувати спеціальні індекси, прямо зв'язані з реальними потоками електромагнітного випромінювання. По величині потоку радіовипромінювання на хвилі (частота 2800 МГЦ) у 1963 р. введений індекс F10.7. Він виміряється в сонячних одиницях потоку (с.о.п.), причому 1 с.о.п. = 10-22 Ут/(м2×Гц). Індекс F10.7 добре відповідає змінам сумарної площі сонячних плям і кількості спалахів у всіх активних областях. Для статистичних досліджень в основному використовуються середньомісячні значення.
З розвитком супутникових досліджень Сонця з'явилася можливість прямих вимірів потоку рентгенівського випромінювання в окремих діапазонах.
З 1976 року регулярно виміряється щоденне фонове значення потоку м'якого рентгенівського випромінювання в діапазоні 1-8 A. Відповідний індекс позначається прописною латинською буквою (A, B, C, M, X), що характеризує порядок величини потоку в діапазоні 1-8 A (10-8 Ут/м2, 10-7 і так далі) з наступним числом у межах від 1 до 9.9, що дає саме значення потоку. Так, наприклад, M2.5 означає рівень потоку 2.5×10-5. У підсумку виходить наступна шкала оцінок:
А(1-9) = (1-9)×10-8 Ут/м2
У(1-9) = (1-9)×10-7 Ут/м2
З(1-9) = (1-9)×10-6 Ут/м2
М(1-9) = (1-9)×10-5 Ут/м2
Х(1-n) = (1-n)×10-4 Ут/м2
Зміна величин А1 у мінімумі сонячної активності до З5 у максимумі. Ця ж система застосовується для позначення рентгенівського бала сонячного спалаху. Максимальний бал Х20 = 20×10-4 Ут/м2 зареєстрований у спалаху 16 серпня 1989 року.
Останнім часом стало використовуватися у виді індексу, що характеризує ступінь спалахуючої активності Сонця, кількість сонячних спалахів за місяць. Цей індекс використовується з 1964 року, коли була введена система визначення, що застосовується зараз, бальності сонячного спалаху в оптичному діапазоні.
Сонячна активність у числах Вольфа і, як з'ясувалося пізніше, і в інших індексах, має циклічний характер із середньою тривалістю циклу в 11.2 року. Нумерація сонячних циклів починається з того моменту, коли почалися регулярні щоденні спостереження числа плям. Епоха, коли кількість активних областей буває найбільшою, називається максимумом сонячного циклу, а коли їх майже немає - мінімумом. За останні 80 років плин циклу трохи прискорилася і середня тривалість циклів зменшився приблизно до 10.5 років. За останні 250 років самий короткий період був дорівнює 9 рокам, а самий довгий 13.5 років. Іншими словами, поводження сонячного циклу регулярне лише в середньому. У підйомі і спаді сонячних циклів існує деяка закономірність. Можливо, це вказує на існування більш тривалого циклу, рівного приблизно 80-90 рокам. Незважаючи на різну тривалість окремих циклів, кожному з них властиві загальні закономірності. В цикл мінімуму сонячної активності протягом деякого часу плям на Сонці, як правило, немає. Потім вони починають з'являтися далеко від екватора на широтах ±40°. Одночасно зі зростанням числа сонячних плям самі плями мігрують у напрямку сонячного екватора, що нахилений до площини орбіти Землі (тобто до екліптики) під кутом у 7°. М. Шперер був першим, хто досліджував ці зміни із широтою. Він і Р. Керингтон - англійський астроном-аматор - провели великі серії спостережень періодів звертання плям і установили той факт, що Сонце не обертається як тверде тіло - на широті 30°, наприклад, період звертання плям навколо Сонця на 7% більше, ніж на екваторі.
До кінця циклу плями в основному з'являються поблизу широти ±5°. У цей час на високих широтах уже можуть з'являтися плями нового циклу.
У 1908р. Д. Хейл відкрив, що сонячні плями володіють сильним магнітним полем. Більш пізні виміри магнітного поля в групах, що складаються з двох сонячних плям, показали, що ці дві плями мають протилежні магнітні полярності, указуючи, що силові лінії магнітного поля виходять з однієї плями і входять в іншу. Протягом одного сонячного циклу в одній півсфері (північній чи південній) пляма (по напрямку обертання Сонця) завжди однієї і тієї ж самої полярності. По іншу сторону екватора полярність ведучої плями протилежна. Така ситуація зберігається протягом усього поточного циклу, а потім, коли починається новий цикл, полярності ведучих плям міняються. Первісна картина магнітних полярностей у такий спосіб відновлюється через 22 роки, визначаючи магнітний цикл Сонця. Це означає, що повний магнітний цикл Сонця складається з двох одинадцятирічних - парного і непарного, причому парний цикл звичайно менший непарного.
Одинадцятирічною циклічністю володіють багато інших характеристик активних утворень на Сонці - площа плям, частота і кількість спалахів, кількість волокон (і відповідно протуберанців), а також форма корони. В епоху мінімуму сонячна корона має витягнуту форму, що додають їй довгі промені, скривлені в напрямку уздовж екватора. У полюсів спостерігаються характерні короткі промені - "полярні щітки". Під час максимуму форма корони округла, завдяки великій кількості прямих радіальних променів.
Пік сонячної активності припаде на 2012 рік
Отже, закінчився період незвично низької активності Сонця, що тривав близько трьох років. Про це, як повідомляє ІТАР-ТАРС, заявив провідний британський науковий астрофізичний центр - Лабораторія Рутерфорд Епплтон (графство Оксфордшир).
Учений відзначив, що порівняно недавно були отримані дані про появу на Сонці численних плям.
"Світова наука з полегшенням зітхнула, Сонце вийшло з загадкового для вчених періоду затяжної сплячки ", - заявив співробітник Лабораторії професор Річард Харрісон.
Ряд вчених висловили гіпотезу про те, що Сонце швидко охолоджується і жителям Землі слід готуватися до нових і небувалих природних катастроф. І ось із супутників були отримані дані про відновлення активності Сонця. Все говорить про те, що розпочався новий цикл сонячної активності, пік якої припаде на 2012 рік, повідомив професор Харрісон.
Нагадаємо, у вересні 2009 року американська супутникова система GOES, яка, крім усього іншого, займається спостереженням за сонячною активністю, виявила активізацію світила в рентгенівському діапазоні. Крім цього астрономам вдалося виявити на Сонці два яскравих регіони, які є ознакою чергового витка активності. На те, що новий процес носить глобальний характер, вказує той факт, що плями з'явилися майже одночасно досить далеко одна від одної.
За даними вчених, це вже третя спроба Сонця почати 24-й (нумерація циклів йде з моменту початку спостережень) цикл активності. Перша схожа спроба робилася ще в березні 2009 року. Тоді на Сонці утворилися відразу дві області, які можна віднести до північного поясу активності зірки. Після цього на зірці стався невеликий спалах, після чого вона знову "провалилася" в мінімум.
Наступна спроба почалася в червні 2009 року і тривала майже два місяці. За цей час на Сонці утворилися північний і південний полюси активності. Крім того був зареєстрований самий потужний на даний момент спалах на Сонці. Він тривав майже 11 хвилин і досяг за шкалою рентгенівського випромінювання оцінки С2,7. Всього в цій шкалі існує п'ять категорій (за зростанням потужності): A, B, C, M і X. Після цього Сонце знову "заспокоїлося", причому активність стала однією з мінімальних за всі 160 років спостережень.
Так що готуємося до нових потужним спалахів на Сонці, а також до нових катаклізмів, які все обіцяють нам у найближчі роки. Хоча локально катаклізми вже йдуть.
Цікаво думку тих, хто спостерігає за нашим світилом і бачить якісь зміни у бік збільшення активності. Чи загрожує нам зміна полюсів і потужні електромагнітні імпульси в 2010 році, або в 2012 році?!