Сайтът все още се разработва и може да има грешки и неточности. Ако забележиш такава, пиши ни на ninelibera@gmail.com.

Слънчева активност

🌌 Сутринта на 1 септември 1859 г. английският астроном Ричард Карингтън скицира група петна, когато в нея за пет минути пламват две ослепителни бели точки. 17 часа и половина по-късно над Земята избухва най-силната магнитна буря в историята: полярни сияния озаряват небето над Куба и Хавай, в Скалистите планини миньорите стават посред нощ да закусват, а телеграфистите получават токови удари от апаратите си. Какво се беше случило?

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).

NSКак се ражда двойка петнафотосфераNSкъдето примката излиза и влиза – петнас противоположна полярност
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.

ден 0NПетно отблизосянка (umbra)~3800 Kполусянка~5000 Kфотосфера ~5800 K
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⋅(10g+f)R = k \cdot (10g + f), където gg е броят на групите, ff – броят на отделните петна, а kk 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=1k = 1). Колко е числото на Волф?

  1. R=k⋅(10g+f)=1⋅(10⋅3+17)R = k \cdot (10g + f) = 1 \cdot (10 \cdot 3 + 17)
  2. R=47R = 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.

Минимумна Маундерпочти без петнаДалтън01002003001650170017501800185019001950200025Хелиографска ширина на петната (диаграма „пеперуда“), 1954 – днес+30°-30°0°1960198020002020
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 1025 J10^{25}\ \mathrm{J} – колкото милиарди мегатона тротил.

☁️ Коронални изхвърляния (CME)

Милиарди тона плазма с магнитно поле, изстреляни в космоса с 300–3000 km/s300\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 W/m210^{-6}\ \mathrm{W/m^2}, M1 = 10−5 W/m210^{-5}\ \mathrm{W/m^2}, X1 = 10−4 W/m210^{-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 km/s400\ \mathrm{km/s}

Бърз вятър (от коронални дупки)

~750 km/s750\ \mathrm{km/s}

Плътност при Земята

~5 протона/cm³

Загуба на маса

~1,5 млн. t/s\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.

Земя1 min1 h1 ден7 днисветлина и рентген · 8 minбързи протони · 30 minоблакът (CME) · 34,6 h3 min
Клас на изригването (рентгенов поток)

силно – прекъсване на късовълновата радиовръзка на осветената половина на Земята

Сега: Kp = 2 – облакът още пътува

Полярно сияние в София: не се вижда

40°50°60°70°80°ТромсьоРейкявикОслоЛондонБерлинСофиягеомагнитни ширини (приблизително)

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?

8. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво С· Международна олимпиада

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

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)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 300–3000 km/s300\text{–}3000\ \mathrm{km/s}
  • ✓ Слънчевият вятър (~400 km/s400\ \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.