Слънчева активност — урок по астрономия

1. Магнитното Слънце

Почти всичко, което наричаме „слънчева активност“, има един източник – . Плазмата провежда отлично и магнитните линии са „замръзнали“ в нея: където отива плазмата, там отиват и линиите. А Слънцето не се върти като твърдо тяло.

Т

Диференциално въртене

Екваторът на Слънцето прави една обиколка за ~25 дни, ширините около 60° – за ~30 дни, а районите около полюсите – за ~35 дни. От Земята, която също обикаля Слънцето, екваториалният период изглежда ~27 дни (синодичен период).

Магнитното динамо

Пуснете времето и вижте как неравномерното въртене навива магнитните линии. Така Слънцето превръща енергията на въртенето си в магнитна (модел на Бабкок).

0 дни

Полоидално поле – екваторът е изпреварил полюсите с 0,0 обиколки

В началото на цикъла полето прилича на това на магнит: линиите излизат от единия полюс и влизат в другия.

Опростено: в действителност навиването става в дълбочина, в основата на конвективната зона, а конвекцията и изплуващите петна постепенно възстановяват полоидалното поле – с обратна полярност. Затова магнитният цикъл е 22 години.

2. Слънчеви петна

Петната са места, където снопове силно магнитно поле (~0,3 T – хиляди пъти по-силно от земното) пробиват . Полето спира и топлината отдолу не достига до повърхността – петното изстива с 1500–2000 K. Голямото петно може да е по- голямо от Земята и да живее седмици.

Въртящото се Слънце

Проследете петната ден по ден – така Галилей разбира през 1612 г., че Слънцето се върти. Пунктирът е въображаема линия по меридиан: Слънцето не е твърдо тяло и екваторът му изпреварва полюсите.

Период на ширина 0°

24,5 дни

от Земята: 26,2 дни

Период на ширина 30°

25,7 дни

от Земята: 27,7 дни

Период на ширина 60°

30,2 дни

от Земята: 33 дни

Петното изглежда тъмно само в сравнение с околната фотосфера. По закона на Стефан–Болцман сянката с 3800 K излъчва (3800 / 5800)⁴ ≈ 0,18 от светлината на същата площ от фотосферата. И все пак тя свети ослепително – десетки хиляди пъти по-ярко от повърхността на пълната Луна.

Т

Число на Волф

От 1848 г. активността се измерва с числото на петната

R = k \cdot (10g + f)

, където

g

е броят на групите,

f

– броят на отделните петна, а

k

е коефициент, който отчита телескопа и наблюдателя. Групите тежат повече, защото най-добре отразяват броя на активните области.

Пример

Наблюдател вижда 3 групи с общо 17 петна ( $k = 1$ ). Колко е числото на Волф?

$R = k \cdot (10g + f) = 1 \cdot (10 \cdot 3 + 17)$
$R = 47$

3. Слънчевият цикъл

През 1843 г. аптекарят и любител-астроном Хайнрих Швабе, след 17 години наблюдения, забелязва, че петната ту се увеличават, ту почти изчезват. Днес знаем, че средно на ~11 години Слънцето преминава от минимум (дни и седмици без петна) към максимум (стотици петна и чести изригвания).

Пулсът на Слънцето

Броят на слънчевите петна от 1755 г. насам (изгладен). Щракнете върху цикъл. Отдолу – на какви ширини се появяват петната през последните цикли.

Цикъл

№ 25

Минимум → максимум

2019,9 → 2024,8

Продължителност

все още тече

Петна в максимума

~161

Максимумите и минимумите са реални (Кралска обсерватория на Белгия, SILSO), а формата между тях е изгладена схематично. Преди 1755 г. наблюденията са откъслечни; точките на пеперудата са илюстрация на закона на Шпьорер.

🦋 Закон на Шпьорер

Първите петна от нов цикъл се появяват на ~30° ширина, а към края – близо до екватора. Нанесени във времето, те образуват „крила на пеперуда“.

🧲 Закон на Хейл

В една двойка петна водещото и следващото са с противоположна полярност, а в двете полукълба редът е обратен. Със всеки цикъл полярността се сменя – пълният магнитен цикъл е 22 години.

Минимумът на Маундер (1645–1715) съвпада с най-студената част от т.нар. Малка ледникова епоха, когато Темза в Лондон замръзва. на Слънцето обаче се мени само с ~0,1% през цикъла, затова учените смятат, че слънчевият минимум е само една от причините – наред с вулканичните изригвания. Текущият цикъл 25 достигна максимума си около октомври 2024 г.

4. Активни явления

✨ Факели

Ярки области около петната в близост до ръба на диска. Там магнитните тръби са тесни и ни позволяват да виждаме по-дълбоките и горещи слоеве.

🔥 Протуберанси

Огромни облаци хладна плазма, задържани от магнитни примки над повърхността. Върху диска се виждат като тъмни нишки – филаменти. Могат да съществуват седмици.

⚡ Изригвания (флеъри)

Внезапно освобождаване на магнитна енергия, когато заплетени магнитни линии се „прескачат“. За минути се отделят до $10^{25}\ \mathrm{J}$ – колкото милиарди мегатона тротил.

☁️ Коронални изхвърляния (CME)

Милиарди тона плазма с магнитно поле, изстреляни в космоса с $300\text{–}3000\ \mathrm{km/s}$ . Именно те причиняват най-силните геомагнитни бури.

Т

Класове на изригванията

Изригванията се класифицират по максималния рентгенов поток при Земята (1–8 Å): A, B, C, M и X, всеки клас 10 пъти по-силен от предходния. C1 =

10^{-6}\ \mathrm{W/m^2}

, M1 =

10^{-5}\ \mathrm{W/m^2}

, X1 =

10^{-4}\ \mathrm{W/m^2}

. Числото след буквата е множител: X10 е 10 пъти по-силно от X1.

5. Слънчевият вятър

е толкова гореща, че гравитацията на Слънцето не може да я задържи. Тя непрекъснато „изтича“ навън като поток от и електрони – слънчев вятър. Предсказан е теоретично от Юджийн Паркър през 1958 г. и потвърден от първите космически сонди.

Бавен вятър

~ $400\ \mathrm{km/s}$

Бърз вятър (от коронални дупки)

~ $750\ \mathrm{km/s}$

Плътност при Земята

~5 протона/cm³

Загуба на маса

~1,5 млн. $\mathrm{t/s}$

Вятърът издува около Слънчевата система огромен „балон“ – хелиосферата. Границата ѝ, където вятърът се сблъсква с междузвездния газ (хелиопаузата), е на ~120 AU. „Вояджър 1“ я пресича през 2012 г., а „Вояджър 2“ – през 2018 г. Слънчевият вятър обяснява и защо на кометите винаги сочи встрани от Слънцето.

6. Космическо време

Земята е защитена от магнитосферата – магнитното си поле, което отклонява слънчевия вятър. Когато обаче пристигне CME с подходяща ориентация на полето, то се „свързва“ със земното и вкарва енергия в магнитосферата: започва геомагнитна буря. Частиците се спускат по магнитните линии към полярните области и карат атмосферата да свети – зелено (кислород на ~100–250 km), червено (кислород над ~250 km) и виолетово (азот).

Космическо време: от изригването до сиянието

Изберете събитие и плъзнете времето след изригването. Светлината пристига първа, после частиците, а накрая облакът плазма, който разтърсва магнитосферата.

Време след изригването: 3 min

Клас на изригването (рентгенов поток)

силно – прекъсване на късовълновата радиовръзка на осветената половина на Земята

Скорост на CME: 1200 km/s → пристига след 34,6 hСила на бурята при пристигане: Kp = 9

Сега: Kp = 2 – облакът още пътува

Полярно сияние в София: не се вижда

Зелената ивица е авроралният овал; пунктирът показва докъде сиянието се вижда ниско над хоризонта. Червеното сияние на ~300 km височина се вижда най-далеч. При Kp = 9 през май 2024 г. то бе снимано и в България.

Кога космическото време е опасно

Индуцирани токове в дълги електропроводи и тръбопроводи могат да изгорят .
Спътниците се повреждат от частици, а нагрятата горна атмосфера ги спира и сваля по-ниско.
GPS губи точност, а късовълновата радиовръзка (на самолети и кораби) прекъсва.
Астронавтите и екипажите на полярни полети получават допълнителна .

1859

Събитието на Карингтън – Сияния до Карибите; телеграфните линии искрят и работят без батерии.

1989

Квебек – Енергийната система на канадската провинция се срива за 90 секунди – 6 милиона души остават без ток за 9 часа.

2003

Хелоуинските бури – Най-силното измерено изригване (X28+); спътници и самолетни маршрути са засегнати.

2012

Разминаването – Гигантско CME, сравнимо с Карингтън, пресича орбитата на Земята само 9 дни след като тя е минала оттам.

2022

Starlink – Слаба буря нагрява и разширява горната атмосфера – 38 нови спътника изгарят, преди да достигнат орбитата си.

2024

Майската буря – Най-силната буря от 20 години (G5). Сияния са снимани по цялата Европа, включително в България.

7. 🎯 Бърз тест

1 / 7

✓ 0

Защо слънчевите петна изглеждат тъмни?

Избери отговор (или натисни 1–4)

8. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

9. Обобщение

✓ Активността идва от магнитното поле, навивано от диференциалното въртене
✓ Петната са по-студени (~3800 K) области със силно поле; число на Волф $R = k(10g + f)$
✓ Цикъл ~11 години (магнитен – 22); закон на Шпьорер; минимум на Маундер 1645–1715
✓ Изригвания (класове A–X) и коронални изхвърляния (CME) с $300\text{–}3000\ \mathrm{km/s}$
✓ Слънчевият вятър (~ $400\ \mathrm{km/s}$ ) образува хелиосферата (~120 AU)
✓ Светлината идва за 8 min, частиците – за минути до часове, CME – за 1–4 дни

💡Интересен факт

Ледените ядра от Гренландия и годишните кръгове на дърветата пазят следи от древни слънчеви бури – берилий-10 и , създадени от високоенергийни частици. Така е открито, че около 774–775 г. Земята е ударена от слънчево събитие, вероятно по-силно от Карингтън. Ако днес се случи подобно нещо, щетите за електрическите мрежи и спътниците биха били огромни – затова космическото време се следи денонощно.