Исследования Солнца: Солнце как фактор жизни на Земле, загадки нашей звезды, атмосферные явления, наблюдения поверхности, исследования, солнечная энергетика

1. Молодёжный астрономический клуб «Звездочёт» zelobservatory.ru

4. zelobservatory.ru Солнце - источник тепла и света , без которых было бы невозможно возникновение и существование жизни на нашей планете. Нашей планете повезло – она находится в зоне комфорта и обитаемости. Если бы Земля была ближе к Солнцу, то на ней было бы слишком жарко, если дальше – слишком холодно, чтобы могли появиться даже простейшие формы жизни.

5. zelobservatory.ru Уже наши предки понимали, насколько сильно их существование зависит от Солнца и относились к нему с почтительным благоговением, поклоняясь ему и обожествляя его образ.

6. zelobservatory.ru И хотя в настоящее время мы понимаем физическую природу Солнца и уже не наделяем его божественной сущностью, тем не менее его влияние на нашу жизнь от это не стало меньше.

7. zelobservatory.ru 

8. zelobservatory.ru Такая высокая значимость Солнца является существенным стимулом понять КАК оно работает, ПОЧЕМУ изменяется и как эти изменения могут повлиять на нас с вами и, в целом, на жизнь на Земле.

9. zelobservatory.ru Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу. Иначе говоря, если бы не Солнце, то и кислорода на Земле не было бы. Фотосинтез — процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды под воздействием солнечного света при участии фотосинтетических пигментов, например хлорофилла у растений.

11. zelobservatory.ru Почему Южный полюс Солнца холоднее Северного?

12. zelobservatory.ru В 1990 году в космос был запущен космический аппарат «Улисс» . Это первый аппарат, изучающий Солнце не только из плоскости эклиптики (экваториальной), но и со стороны полюсов… Сначала «Улисс» направился к областям межпланетной плазмы со стороны Южного полюса Солнца, а затем к областям со стороны Северного полюса…

13. zelobservatory.ru Ученые более всего удивлены тому, что разница температур не зависит от магнитного поля Солнца (даже тогда, когда в ходе 11-летнего солнечного цикла полюса его смещаются). Физики предполагают, что структура «атмосферы» над солнечными полюсами различна. Но вопрос остается открытым. Среди научных результатов любопытен обнаруженный факт того, что Южный полюс холоднее Северного! Так была установлена температура полюсов Солнца: около миллиона градусов по Цельсию ( корона ). Разница температур на полюсах составляет 7-8%, что равняется 80 тыс. градусов.

14. zelobservatory.ru Почему корона Солнца горячее поверхности?

15. zelobservatory.ru Самая внешняя, самая разреженная и самая горячая часть солнечной атмосферы - корона . Она прослеживается от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Несмотря на сильное гравитационное поле Солнца, это возможно благодаря огромным скоростям движения частиц, составляющих корону.

16. zelobservatory.ru Но как так получается? Если вы включите обычную лампу накаливания, то окружающий ее воздух все равно не станет горячее самой лампы. Чем ближе вы к источнику света, тем горячее становится, а не холоднее. В случае с Солнцем мы сталкиваемся именно с обратным явлением, которое противоречит физическим законам. Корона имеет температуру около миллиона градусов в то время, как фотосфера имеет температуру около 6000 градусов.

17. zelobservatory.ru Тайна происхождения пятен и вспышек

18. zelobservatory.ru В областях Солнца расположенных около пятен, иногда происходят взрывные процессы, во время которых окружающая плазма нагревается до температур в десятки миллионов градусов за времена порядка нескольких секунд . Эти явления получили название солнечных вспышек … Вспышка в области «пятен». Языки раскалённой плазмы повторяют контуры магнитной петли Силовые линии магнитного поля («петли») прорываются через «пятна».

19. zelobservatory.ru Очень часто вспышки сопровождаются корональными выбросами массы , во время которых в межпланетное пространство попадают миллиарды тонн горячей ионизованной плазмы. Эта плазма распространяется во всех направлениях, в том числе и в сторону Земли, где вызывает магнитные бури. Крупный корональный выброс плазмы

20. zelobservatory.ru Причины, возникновения солнечных вспышек и корональных выбросов массы являются еще одной загадкой, не имеющей в настоящее время понятного и однозначного объяснения. Трёхмерное моделирование физики «пятна» Несомненно, благодаря наблюдениям Солнца мы знаем очень много подробностей и о вспышках и о выбросах и даже понимаем основные физические принципы, благодаря которым эти явления становятся возможными, но, несмотря на это, мы все еще не можем предсказать, когда и где произойдет очередная солнечная вспышка и насколько сильной она будет.

21. zelobservatory.ru Солнечная активность и солнечные циклы

22. zelobservatory.ru Солнечная активность - комплекс явлений и процессов, связанных с образованием и распадом в солнечной атмосфере сильных магнитных полей. Наиболее изученный вид солнечной активности – изменение числа солнечных пятен . Первые сообщения о пятнах на Солнце относятся к наблюдениям 800 г. до н. э. в Китае, первые рисунки относятся к 1128 г. Первая регистрация солнечных пятен в Европе относится к 807 г. Зарисовки китайских астрономов Арабские астрономы наблюдали солнечные пятна в 840 г. В Никоновской летописи за 1365 г. приводится запись, согласно которой на Солнце были замечены « места черны ака гвозди ».

23. zelobservatory.ru Иоганн Кеплер обнаружил пятно на Солнце в мае 1607 г., но, полагая, что на Солнце не может быть пятен, « ибо ему не приличествует иметь изъяны », объяснил наблюдаемое явление прохождением Меркурия через солнечный меридиан. Вскоре после этого, в 1610 г., Галилей, наблюдая через телескоп Солнце, зарегистрировал на нем темные пятна. Иоганн Кеплер Так Кеплер мог видеть пятно

24. zelobservatory.ru В 1611 г. Кристофом Шейнером был создан первый Гелиоскоп , который он использовал для наблюдения за пятнами на Солнце. Гелиоскоп – телескоп для наблюдения за Солнцем. Кристоф Шейнер осуществил разработанную Кеплером схему телескопа, заменив обычное стекло на цветное. Исследования фокусировались на природе пятен и их поведении. Несмотря на то, что физическая природа пятен оставалась неясной вплоть до XX века, наблюдения продолжались… Кристоф Шейнер

25. zelobservatory.ru В XV и XVI вв. исследования были затруднены по причине их малого количества , что сейчас рассматривается как продолжительный период низкой солнечной активности , называемый минимумом Маундера . К XIX веку уже имелся достаточно продолжительный ряд наблюдений числа пятен , чтобы определить периодические циклы в активности Солнца. Статистика наблюдений за количеством пятен с 1600 по 2004 год

26. zelobservatory.ru В 1845 г. профессоры Джозеф Генри и Стефан Александер из Принстонского университета наблюдали Солнце с помощью точного термометра и определили, что пятна излучают меньше радиации по сравнению с окружающими областями Солнца. Стефан Александэр Джозэф Генри Современная температурная модель пятна

27. zelobservatory.ru Приблизительно каждые 11 лет число солнечных пятен, видимых на поверхности Солнца, увеличивается от нуля ( или очень малого значения ) до 100 и более, а затем снова уменьшается до нуля в начале следующего солнечного цикла. Такую зависимость обнаружил в XIX веке немецкий астроном Семюэл Гейнрих Швабе и поэтому 11-летний цикл принято называть циклом Швабе . Природа и причины этого процесса представляют, возможно, наибольшую загадку современной физики Солнца. Семюэл Швабэ Статистика кол-ва пятен в 11-летних циклах Швабэ

28. zelobservatory.ru Как и в случае с солнечными вспышками , существуют достаточно общие представления о природе данного явления, которое, видимо, связано с динамо-процессами в конвективном слое Солнца, однако мы все еще не в состоянии построить модель, которая достоверно предсказывала бы число солнечных пятен на Солнце в будущем . Проблема цикличности солнечной активности тесно связана с проблемой предсказания космической погоды. Максимальные числа солнечных пятен в 11-летних циклах по сглаженным среднемесячным данным (1755 – 2008 г.г.) Количество пятен Номер цикла

29. zelobservatory.ru Проблема «потерянных» нейтрино

30. zelobservatory.ru Самое большое количество этих частиц приходит к нам от Солнца, притом эти частицы составляют до 95% от всего излучения и для нас и для наших приборов являются невидимыми! Нейтрино также обладают ещё одним интересным свойством – они проникают через всё и пролетают даже Землю насквозь и даже через нас с вами. Но мы этого не чувствуем! Нейтрино – это такие быстрые высокоэнергетические частицы, которыми заполнено всё пространство Вселенной. Мощным источником этих частиц являются центры галактик, чёрные дыры и звезды.

31. zelobservatory.ru Загадка «потерянных» нейтрино заключается в том, что Солнце должно производить количество нейтрино, которое более чем в два раза превышает их число, наблюдаемое в действительности . Эти «призрачные» субатомные частицы высвобождаются во время ядерных реакций, происходящих в солнечном ядре. Нейтринная обсерватория Затем они проникают сквозь Солнце и уходят в окружающее пространство. Для регистрации этих неуловимых частиц созда ются изолированные под земн ые или подводные нейтринные обсерватории . Наука исследующая нейтрино называется нейтринная астрономия .

32. zelobservatory.ru Ученые, изучающие физику Солнца, пытались изменить модель строения Солнца и модель его эволюции, чтобы объяснить пониженное число нейтрино. Эти попытки, однако, не увенчались успехом. Насколько правильно фундаментальные физические теории объясняют, что такое нейтрино вообще и как они образуются. Не исключено, что ответ на этот вопрос перевернет не только теорию Солнца, но и наши представления о физике в целом. Регистрация нейтрино чрезвычайно сложна, но результаты сразу нескольких независимых экспериментов подтверждают, что только приблизительно треть от ожидаемого числа нейтрино регистрируется на Земле. При этом было выявлено сразу несколько типов нейтрино, которые отличаются своими свойствами.

33. zelobservatory.ru Перерыв 5 минут…

35. zelobservatory.ru Солнечное гало

36. zelobservatory.ru

37. zelobservatory.ru Солнечное гало с эффектом ложного Солнца

38. zelobservatory.ru

39. zelobservatory.ru Солнечное гало с эффектом ό ка ( глаза )

40. zelobservatory.ru Оптический мираж

41. zelobservatory.ru

42. zelobservatory.ru Двойное Солнце

43. zelobservatory.ru

44. zelobservatory.ru Полярные сияния

45. zelobservatory.ru

46. zelobservatory.ru Радуга

47. zelobservatory.ru

48. zelobservatory.ru Локальная радуга

49. zelobservatory.ru

50. zelobservatory.ru

52. zelobservatory.ru Астрономы-любители в основном используют два способа для наблюдений поверхности Солнца. Один из них: проецирование изображения Солнца из окуляра телескопа на экран. Внимание: данный способ наблюдения может сжечь окуляр от перегрева. Используйте фильтр! Такой способ чаще всего используют для наблюдения за пятнами и их зарисовки. Наблюдения за пятнами

53. zelobservatory.ru Пример зарисовки пятен

54. zelobservatory.ru Но для того, чтобы наблюдать подробности хромосферы, детали солнечной короны необходим специальный фильтр , а ещё лучше солнечный телескоп . Телескоп Coronado Фильтр Coronado Фотография Солнца через телескоп Coronado

55. zelobservatory.ru В профессиональной среде астрономов для большей эффективности используются специальные солнечные обсерватории . Наблюдения Солнца имеют ту особенность, что яркость Солнца велика, а следовательно, светосила солнечных телескопов может быть небольшой. Гораздо важнее получить как можно б ό льший масштаб изображения , и для достижения этой цели солнечные телескопы имеют очень большие фокусные расстояния ( метры и десятки метров ). Американский солнечный телескоп

56. zelobservatory.ru Вращать такую конструкцию нелегко, однако этого и не требуется. Положение Солнца на небе ограничивается сравнительно узким поясом, его максимальная ширина - 46 градусов. Поэтому солнечный свет с помощью зеркал направляют в стационарно установленный телескоп, а затем проецируют на экран или рассматривают с помощью затемнённых фильтров. На крыше целостата

57. zelobservatory.ru Солнце светит очень ярко - в 400 000 раз ярче полной Луны! Поэтому невооружённым глазом, а тем более в бинокль или телескоп, смотреть на Солнце днём крайне опасно - это наносит необратимый вред зрению! Затемнённое стекло или фильтр необходимо даже при наблюдениях за солнечным затмением!

59. zelobservatory.ru Даже в видимой части спектра, для которой атмосфера довольно прозрачна, изображения космических объектов могут искажаться её колебаниями, поэтому наблюдения этих объектов лучше производить на больших высотах ( в высокогорных обсерваториях, с помощью приборов, поднятых в верхние слои атмосферы, и т. п. ) или даже из космоса. Верно это и в отношении наблюдений Солнца. Атмосфера Земли препятствует прохождению многих видов электромагнитного излучения из космоса. Стереотелескоп горной Кавказской обсерватории ГАИШ МГУ

60. zelobservatory.ru Если нужно получить очень чёткое изображение Солнца, исследовать его ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, точно измерить солнечную постоянную, то наблюдения и съёмки проводят с аэростатов , ракет , спутников, космических станций и специальных орбитальных солнечных телескопов , самым популярным из которых является SOHO . Фактически, первые внеатмосферные наблюдения Солнца были проведены вторым искусственным спутником Земли «Спутник-2» в 1957 году. Спутник-2 Спутник-2, 1957 г.

61. zelobservatory.ru Pioneer с 5 по 9, 1960-е и Helios - I и - II , 1970-е годы Первыми космическими аппаратами, предназначенные для наблюдений Солнца , были созданные NASA спутники серии «Пионер» с номерами 5-9, запущенные между 1960 и 1968 годами. Эти спутники обращались вокруг Солнца вблизи орбиты Земли и выполнили первые детальные измерения параметров солнечного ветра. В 1970-е годы в рамках совместного проекта США и Германии были запущены спутники «Гелиос-I» и «Гелиос-II» . Они находились на гелиоцентрической орбите, перигелий ( ближайшая точка ) которой лежал внутри орбиты Меркурия, примерно в 40 миллионах километров от Солнца. Эти аппараты помогли получить новые данные о солнечном ветре. Другое интересное наблюдение, сделанное в рамках этой программы, состоит в том, что пространственная плотность мелких метеоритов вблизи Солнца в пятнадцать раз выше, чем около Земли. Пионер Гелиос

62. zelobservatory.ru В 1973 году вступила в строй космическая солнечная обсерватория «Аполло Телескоп Маунт» ( Apollo Telescope Mount ) на космической станции «Скайлэб» ( Skylab ). С помощью этой обсерватории были сделаны первые наблюдения солнечной переходной области и ультрафиолетового излучения солнечной короны в динамическом режиме . С её помощью были также открыты корональные извержения массы и корональные дыры , которые, как сейчас известно, тесно связаны с солнечным ветром . Apollo Telescope Mount, 1973 год Apollo Telescope Mount

63. zelobservatory.ru Solar Maximum Mission , 19 80- е годы В 1980 году NASA вывел на околоземную орбиту космический зонд «Солар Максимум Мишн» / Solar Maximum Mission ( SolarMax ), который был предназначен для наблюдений ультрафиолетового , рентгеновского и гамма-излучения от солнечных вспышек в период высокой солнечной активности . До своего входа в атмосферу в июне 1989 года, аппарат получил тысячи снимков солнечной короны . Его измерения помогли также выяснить, что мощность полного излучения Солнца за полтора года наблюдений изменялась всего на 0,01%. SolarMax

64. zelobservatory.ru Yohkoh , 19 80- е годы Японский спутник «Ёко» ( Yohkoh ), запущенный в 1991 году, проводил наблюдения излучения Солнца в рентгеновском диапазоне. Полученные им данные помогли учёным идентифицировать несколько разных типов солнечных вспышек и показали, что корона даже вдали от областей максимальной активности намного более динамична, чем принято было считать. «Ёко» функционировал в течение полного солнечного цикла и перешёл в пассивный режим во время солнечного затмения 2001 года, когда он потерял свою ориентировку на Солнце. В 2005 году спутник вошёл в атмосферу и был разрушен. Yohkoh (Solar – A)

65. zelobservatory.ru SOHO , с 1995 года по текущее время Очень важной для исследований Солнца является программа «Сохо» / SOHO ( SOlar and Heliospheric Observatory ), организованная совместно Европейским космическим агентством ( ESA ) и NASA. Запущенный 2 декабря 1995 года космический аппарат SOHO вместо планируемых двух лет работает уже более двенадцати (20 11 )! SOHO находится в точке Лагранжа между Землёй и Солнцем ( то есть в области, где земное и солнечное притяжение уравниваются ) и с момента запуска передаёт на Землю изображения Солнца в различных диапазонах длин волн . Кроме своей основной задачи, исследования Солнца, SOHO исследовал большое количество комет , в основном очень малых, которые испаряются по мере своего приближения к Солнцу. SOHO

66. zelobservatory.ru SOHO оказался настолько полезным, что 11 февраля 2010 года уже запустили следующий, аналогичный по функциям, но усовершенствованный космический аппарат SDO ( Solar Dynamics Observatory ). SDO – текущий проект. SDO

67. zelobservatory.ru Ulysses , с 1990 по 2008 г. Все эти спутники наблюдали Солнце из плоскости эклиптики и поэтому могли детально изучить только далёкие от его полюсов области. В 1990 году был запущен космический зонд «Улисс» ( Ulysses ) для изучения полярных областей Солнца . Сначала он совершил гравитационный манёвр возле Юпитера, чтобы выйти из плоскости эклиптики… Ulysses

68. zelobservatory.ru По счастливому стечению обстоятельств ему также удалось наблюдать столкновение кометы «Шумейкеров-Леви 9» с Юпитером в 1994 году. После того как Улисс вышел на запланированную орбиту, он приступил к наблюдению солнечного ветра и напряжённости магнитного поля на высоких гелиоширотах . Выяснилось, что солнечный ветер на этих широтах имеет скорость примерно 750 км/с, что меньше, чем ожидалось, и что на них существуют большие магнитные поля, рассеивающие галактические космические лучи. Падение на Юпитер кометы «Шумейкеров-Леви 9» (перед падением она разорвалась на несколько частей гравитацией Юпитера)

69. zelobservatory.ru TRACE , с 199 8 года по текущее время «Трэйс» / TRACE (Transition Region and Coronal Explorer) - космический аппарат научного назначения, солнечный телескоп. TRACE был запущен в апреле 1998 года на полярную околоземную орбиту . Предназначен для наблюдения Солнца с высоким пространственным разрешением в УФ , в настоящее время используется для исследования области перехода между фотосферой и короной Солнца . TRACE

70. zelobservatory.ru Genesis , с 2001 по 2004 г. Состав солнечной фотосферы хорошо изучен с помощью спектроскопических методов , однако данных о соотношении элементов в глубинных слоях Солнца гораздо меньше. Для того, чтобы получить прямые данные о составе Солнца , был запущен космический аппарат «Генезис» (Genesis) . Он вернулся на Землю в 2004 году, однако был повреждён при приземлении из-за неисправности одного из датчиков ускорения и не раскрывшегося вследствие этого парашюта. Несмотря на сильные повреждения, возвращаемый модуль доставил на Землю несколько пригодных для изучения образцов солнечного ветра . Genesis Капсула Genesis

71. zelobservatory.ru Hinode , с 2006 года по текущее время 22 сентября 2006 года на орбиту Земли была выведена солнечная обсерватория «Хайнод» / Hinode ( Solar-B ). Обсерватория создана в японском институте ISAS, где разрабатывалась обсерватория «Ёко» / Yohkoh ( Solar-A ) и оснащена тремя инструментами: SOT - солнечный оптический телескоп , XRT - рентгеновский телескоп и EIS - c пектрометр ультрафиолетового диапазона . Основной задачей Hinode является исследование активных процессов в солнечной короне и установление их связи со структурой и динамикой магнитного поля Солнца. Hinode (Solar – B)

72. zelobservatory.ru STEREO, с 2006 года по текущее время В октябре 2006 года была запущена солнечная обсерватория «Стерео» / STEREO ( Solar TErrestrial RElations Observatory ) . Она состоит из двух идентичных космических аппаратов на таких орбитах, что один из них постепенно отстанет от Земли, а другой обгонит её. Это позволит с их помощью получать стереоизображения Солнца и таких солнечных явлений, как корональные извержения массы . STEREO – A и STEREO – B

73. zelobservatory.ru ТЕСИС (Коронас-Фотон) , с 200 9 по 2010 год 30 января 2009 года состоялся запуск российского спутника «Коронас-Фотон» с комплексом космических телескопов «Тесис». В состав обсерватории входит несколько телескопов и спектрогелиографов крайнего ультрафиолетового диапазона, а также коронограф широкого поля зрения, работающий в линии ионизованного гелия HeII 304 A. Целью миссии «Тесис» является исследование наиболее динамичных солнечных процессов ( вспышек и корональных выбросов массы ) , а также круглосуточный мониторинг солнечной активности с целью раннего прогнозирования геомагнитных возмущений . Коронас-Фотон

74. zelobservatory.ru PICARD, с 2010 года PICARD Основная задача спутника «Пикард» ( Picard ), запущенного 15 июня 2010 года, заключается в изучении изменений поверхности Солнца , а также степени влияния солнечной активности на климат Земли . Название спутнику было дано в честь Жана Пикара – астронома XVII века, сделавшего серию научных измерений по определению диаметра солнца в течении периода, названного минимум Маундера ( 1645-1715 гг. ). Данные исследования оказались достаточно важными, так как, основываясь на полученных выводах, возникает логичный вопрос: «Диаметр солнца и солнечная активность как-то связаны между собой?» .

75. zelobservatory.ru Ближайшие планируемые проекты - Solar Orbiter – искусственный спутник Солнца на полярной орбите. 2015 год - Solar Probe Plus – искусственный спутник Солнца. Solar Orbiter, ESA Solar Probe Plus, NASA

77. zelobservatory.ru Солнечная энергетика –это непосредственное использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

78. zelobservatory.ru Распределение солнечного излучения на поверхности планеты Земля

79. zelobservatory.ru Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии . То есть вам необязательно иметь собственные солнечные панели, необходимая энергия поступает к вам от солнечной электростанции.

80. zelobservatory.ru Совсем недавно была введена в эксплуатацию самая большая в мире солнечная электростанция, расположенная в Испании возле города Севильи. Эта электростанция состоит из 1200 зеркальных отражателей ( гелиостатов ), и приемной башни, высота которой равна высоте дома в 54 этажа. Строительство и запуск этой электростанции осуществляла испанская машиностроительная компания Abengoa . Характеристики: Мощность – 20МВт ( этой энергии достаточно, чтобы снабдить ею 10000 домов ), Площадь – 155 тыс. квадратных метров ( по 120 кв. м на каждый гелиостат ), Каждый гелиостат поворачивается следя за Солнцем, Приёмная башня имеет высоту 162 м, КПД – 92%! Электростанция «PS20»

81. zelobservatory.ru Применение солнечных панелей пока ещё очень узкое и специализированное. Солнечные панели на здании РАН в Москве Применение солнечных элементов для зарядки аккумулятора настольной лампы

82. zelobservatory.ru Солнечные батареи по-прежнему основной источник энергии бортовых системы ИСЗ и космических кораблей… Солнечные панели модуля «Заря»

83. zelobservatory.ru … а скоро и сотовых телефонов.

84. … БлагоДарю за внимание!  zelobservatory.ru