Xreferat.com » Рефераты по математике » Объект исследований - Солнце

Объект исследований - Солнце

Б.М.Кужевский

Всё, что происходит с Землёй как планетой, включая геологические и климатические процессы на ней, зарождение жизни, её эволюция от примитивного уровня до "homo sapiens", духовная и психическая жизнь, как отдельного человека, так и целых народов - все связано с "жизнью" самого Солнца.

В определенном смысле можно утверждать, что мы живем в атмосфере Солнца.

Вот почему всестороннее исследование нашего небесного светила чрезвычайно важно, особенно изучение процессов происходящих в его атмосфере. Связанные с сильнейшим, хотя и пространственно-локальным, сравнительно кратковременным выделением энергии, они сопровождаются генерацией нейтральных и заряженных частиц, а также мощнейшего электромагнитного излучения, которые пронизывают межпланетное пространство, эффективно воздействуют на его объекты, в том числе и на Землю.

Поэтому физические процессы, происходящие в ней для нас чрезвычайно важны.

Активные процессы в атмосфере Солнца

С древнейших времен люди замечали на поверхности Солнца темные пятна. Они принимали разные формы, имели различную площадь, и число их изменялось во времени. С появлением телескопа наблюдения за Солнцем привели к созданию глубокой и разносторонней науки. Сейчас мы хорошо знаем, что солнечные пятна это внешнее проявление глубинных активных процессов на Солнце. Наблюдение за ними позволило установить существование цикличности в активности Солнца, которая проявляется не только в периодическом изменении различных параметров, характеризующих солнечные пятна. Периодические изменения наблюдаются и в электромагнитном излучении Солнца. Наиболее изученный цикл это, так называемый, 11- летний период солнечной активности. Другим впечатляющим явлением, которое было открыто более 100 лет тому назад, стала хромосферная вспышка - спорадическое выделение в части солнечной атмосферы в так называемой хромосфере, огромного количества энергии, равного одновременному взрыву 100 миллионов ядерных бомб в одну килотонну каждая.

Объект исследований - Солнце

Рис.1 Солнечная вспышка 15 июня 1991г. Светлые пятна над поверхностью светила - выброс его вещества. Петлеобразные структуры - вспышечная плазма в магнитном поле.

В дальнейшем стало ясно, что так называемая хромосферная вспышка простирается далеко за пределы собственно хромосферы, охватывая области более низкие - фотосферу Солнца и области более высокие - корону Солнца. В настоящее время употребляют термин - солнечная вспышка. При этом по выделившейся во время вспышки энергии можно создать классификацию вспышек. Так по яркости вспышки в оптическом диапазоне излучения разработана одна из первых классификаций, получившая название балл вспышки. Частота вспышек разной бальности также испытывает 11 - летнюю цикличность.

Выделение во вспышках колоссальной энергии происходит различным способом. Как в виде газодинамических движений плазмы солнечной атмосферы, так и в виде электромагнитного излучения в широчайшем диапазоне - от радиоволн до гамма-квантов с энергией в сотни миллионов электрон - вольт и генерации частиц солнечных космических лучей (СКЛ) с энергией до десятков миллиардов электрон-вольт, (энергетический спектр СКЛ). Относительная концентрация разных ядер в СКЛ определяется тремя условиями: химическим составом атмосферы Солнца, особенностями процесса ускорения и ядерными реакциями между ускоренными частицами и веществом солнечной атмосферы. К настоящему времени в различных по энергетике (как принято у специалистов по бальности) вспышках, возникающих в разных по мощности активных процессах в солнечной атмосфере, эксперимент ально наблюдались ядра элементов от водорода до железа, (зарядовый спектр СКЛ). Естественно, что абсолютный поток энергичных частиц и диапазон энергетического спектра СКЛ связаны с мощностью вспышки. Но всегда волновал вопрос. Неужели большие потоки ускоренных частиц от солнечной вспышки возникают внезапно, и не предваряются менее значительными, как по величине, так и по диапазону энергий, потоками частиц? Объект исследований - Солнце

Рис 2. Эволюция активной области на Солнце. Событие 26 марта 1991г. Видны солнечные пятна и нейтральные линии магнитного поля (светлые линии). Время - по Гринвичу

Согласно современным представлениям эволюция активной области сопровождается увеличением плотности магнитной энергии в ней и усложнением её геометрии. В конце концов, происходит стремительное разрушение сложной конфигурации активной области, сопровождающееся генерацией СКЛ. Было трудно представить, чтобы процесс накопления энергии в активной области до плотностей, когда наступает "переливание" одного вида энергии в другой, например, магнитной энергии в энергию ускоряемых частиц происходил бы "спокойно". И действительно, когда в межпланетном пространстве удалось осуществить длительные наблюдения, было обнаружено, что перед вспышкой СКЛ, в среднем в течение суток, регистрируются частицы относительно малых энергий. Это явление получило в дальнейшем название "предвспышечное возрастание".

Предвспышечные возрастания частиц в межпланетном пространстве

Развитие экспериментальных исследований в космических условиях позволило установить целый ряд новых моментов в нашем понимании такого явления, как солнечная активность.

Если по наблюдениям на поверхности Земли можно было регистрировать и изучать частицы с энергией, сотни миллионов электрон-вольт и выше, то с выносом научной аппаратуры в межпланетное пространство с помощью космических кораблей и спутников стало возможным регистрировать частицы малых энергий от Солнца, вплоть до единиц и десятков тысяч электрон-вольт. Потоки таких частиц от Солнца регистрировались значительно чаще, чем потоки частиц высоких энергий.

Более того, наблюдения за временным поведением частиц в межпланетном пространстве привели к открытию явления, - предвспышечного возрастания. Суть его в том, что в межпланетном пространстве задолго (от десятков часов до нескольких суток) перед регистрацией частиц с энергией в десятки и сотни МэВ отмечается возрастание частиц малых энергий, порядка 1 МэВ и меньше.

Объект исследований - Солнце

Рис.3 Пример предвспышечного возрастания потока малоэнергичных частиц в межпланетном пространстве, зарегистрированного ИСЗ "Прогноз" 29 октября 1972г. Скорости счета протонов с энергией 1-30 МэВ. Внизу - движение по диску Солнца активной области, связанной с предвспышечным возрастанием.

Впервые факт возрастания частиц малых энергий перед появлением в межпланетном пространстве высокоэнергичных частиц от солнечной вспышки был осознан и сформулирован как явление характерное для эволюции активной области, в которой возникают условия для генерации энергичных частиц, сотрудниками Отдела космофизических исследований Института ядерной физики МГУ в начале восьмидесятых годов прошлого столетия. Предвпышечные возрастания потока частиц в межпланетном пространстве наблюдались и на советских спутниках "Прогноз", и на американских спутниках "IMP", и на европейских спутниках "Гелиос".

Временное поведение частиц предвспышечного возрастания различно для разных событий. Поток этих частиц может монотонно возрастать до самого прихода частиц СКЛ, либо он возрастает на определенную величину за относительно короткое время и затем практически не меняется до появления частиц СКЛ. Поток малоэнергичных частиц как бы выходит на плато. Явление предвспышечного возрастания наблюдалось как в протонной и электронной компоненте, так и в потоке ядер гелия. Несомненно, оно существует и в потоке тяжелых ядер. Хотя для таких наблюдений требуются приборы с большей, чем до сих пор применялись, светосилой. Наблюдения за предвспышечными возрастаниями малоэнергичных частиц можно использовать для повышения достоверности прогноза радиационной обстановки в межпланетном пространстве. Первые работы в этом направлении дали существенное улучшение прогноза, вероятность точного прогноза возросла до 85-90 %.

Обнаружение явления предвспышечного возрастания частиц малых энергий подтвердило мнение многих исследователей Солнца о том, что процессы ускорения частиц в атмосфере Солнца протекают практически непрерывно. Варьируется лишь мощность активного процесса. Поэтому понятия "спокойное" или "активное" Солнце относительны и не точно отражают реальную жизнь Солнца.

Прежде чем выйти в "пустое" межпланетное пространство энергичные частицы СКЛ, двигаясь в солнечной атмосфере, вступают в ядерное взаимодействие с частицами составляющими её. В результате этого химический и изотопный состав СКЛ на выходе в межпланетное пространство может заметно отличаться от состава в источнике, то есть от состава в области ускорения частиц.

Анализ изотопного состава СКЛ, таким образом, позволяет получить ценную информацию о количестве вещества, которое набирают энергичные частицы с момента их генерации до выхода в межпланетное пространство, о характере движения ускоренных частиц в солнечной атмосфере ( диффузия или конвективный перенос ), о времени нахождения энергичных частиц в достаточно плотной атмосфере Солнца.

Изотопный состав солнечных космических лучей

Анализ результатов взаимодействия энергичных частиц СКЛ с ядрами химических элементов солнечной атмосферы, детально осуществленный впервые российскими исследователями, сотрудниками Института ядерных исследований МГУ и американскими исследователями, сотрудниками НАСА, существенно изменил ранее имевшийся взгляд на роль этого процесса в формировании изотопного и элементного состава СКЛ.

Объект исследований - Солнце

Рис.4 Распространенность химических элементов относительно водорода в атмосфере Солнца По оси ординат - десятичный логарифм относительной (по отношению к водороду) концентрации различных химических элементов. Логарифм концентрации водорода принят равным 12. Различными символами отмечены данные, полученные разными исследователями.

Стало очевидно, что ядерные реакции, протекающие в солнечной атмосфере при участии энергичных частиц, могут привести к заметному изменению в составе СКЛ соотношения между различными изотопами по сравнению с их исходным положением. Особенно это относится к так называемым редким элементам: литий, бериллий и бор, само присутствие которых в составе вспышечных частиц, вероятнее всего обусловлено ядерными процессами между энергичными первичными ядрами - углеродом, кислородом и азотом с водородом атмосферы Солнца. Но даже изотопный состав такого обильного в природе элемента как гелий в СКЛ нередко отличается от изотопного состава гелия солнечной атмосферы. Причин здесь несколько: первая - ядерные взаимодействия, о роли которых мы уже упоминали, вторая - особенности, возможная селективность, избирательность, процесса ускорения энергичных частиц. Детальное изучение механизма селективности при генерации энергичных солнечных частиц было проведено сотрудниками Санкт-Петербургского Физико-технического института РАН.

Естественно, было ожидать, что результатом ядерных превращений будет присутствие среди энергичных частиц от солнечной вспышки не только стабильных изотопов различных ядер, но и радиоактивных изотопов. Конечно, из всех генерированных радиоактивных изотопов наблюдать на орбите Земли можно лишь такие, период полураспада которых достаточно велик, не меньше нескольких суток.

Совершенно неожиданно при теоретическом анализе выяснилось, что для некоторых химических элементов поток радиоактивных изотопов в СКЛ превысит поток стабильных изотопов. Такая ситуация, как показали расчеты, проведенные ещё в 1967 году в Институте ядерных исследований МГУ, должна наблюдаться для ядер бериллия и кобальта. Поток этих элементов должен в основном состоять из радиоактивного Ве-7 и радиоактивного Со-56. Экспериментальное подтверждение этого, возможно, пришло лишь сейчас, спустя 34 года, c совершенно неожиданной стороны, при исследовании проблем космического материаловедения.

Во время гамма-спектрометрического исследования в 1990 году состояния пластин из различных материалов, которыми был покрыт цилиндр длиной 9 метров и диаметром 3 метра, (эксперимент LDEF) американские ученые обнаружили большую концентрацию Ве-7. До этого почти 6 лет цилиндр провел в открытом космосе, на высоте в среднем 350 км. В течение всего времени полета его положение в пространстве было строго сориентировано. Распределение радиоактивного бериллия было необычным. Большая концентрация наблюдалась лишь на тех пластинах, которые находились на передней по вектору скорости стороне. Из этого вытекало, что радиоактивный бериллий был в тепловом равновесии с веществом верхней атмосферы Земли и просто собирался, прилипал, к пластинам. Как это могло произойти? Откуда в верхней атмосфере Земли появился радиоактивный бериллий. Атмосфера Земли - гигантская ловушка солнечных частиц

Дальнейшее интенсивное изучение обнаруженного факта проводилось совместно американскими и российскими учеными. С 1996 года сотрудники отдела космофизических исследований, Института ядерных исследований МГУ с помощью ИСЗ серии "Космос" и "Ресурс" ведут непрерывные наблюдения в верхней атмосфере Земли, на высоте примерно 200 км. за радиоактивным Ве-7, чтобы выяснить природу его образования там. В гипотезах недостатка нет.

Во - первых он может возникать в земной атмосфере в результате ядерных взаимодействий галактических космических лучей с кислородом и азотом атмосферы Земли. В этом случае его концентрация в атмосфере должна испытывать временные вариации характерные для галактических космических лучей, то есть быть в антикорреляции с солнечной активностью.

Во - вторых он может возникать также как результат ядерных взаимодействий, но при вторжении в земную атмосферу солнечных энергичных частиц от вспышек. Тогда его концентрация должна, наоборот, быть в прямой корреляции со вспышечной активностью Солнца.

Казалось бы, все просто - надо установить временную зависимость концентрации Ве-7 в верхней атмосфере Земли и его природа станет ясна. Но существует такая трудность. Радиоактивный бериллий, возникая в земной атмосферы по причинам, указанным выше, образуется в основном, а затем и приходит в тепловое равновесие с окружающей атмосферой, на высотах гораздо меньших, чем высоты ИСЗ, - порядка десятков километров. Из этого следует, что должен ещё существовать механизм "заброса", образующихся на малых высотах ядер, на высоты спутников. Необходимость в существовании такого механизма может спутать все карты. Поскольку этот механизм может иметь свои собственные временные характеристики, которые либо имеют сложную связь с циклом солнечной активности, либо не имеют её вовсе.

Однако прежде чем предпринять усилия по экспериментальному выбору между приведенными гипотезами, пришлось вспомнить о существовании ещё двух возможностей объяснения присутствия радиоактивного Ве-7 в верхней атмосфере Земли. Ведь известно, мы об этом говорили выше, что среди СКЛ должны быть радиоактивные изотопы, генерированные в ядерных реакциях между средними и тяжелыми энергичными ядрами и водородом солнечной атмосферы. Энергия основной доли таких вторичных ядер составит единицы и десятки МэВ на нуклон. С одной стороны такой энергии достаточно, чтобы ядро смогло преодолеть барьер, создаваемый земной магнитосферой, и проникнуть вглубь атмосферы, с другой, поскольку ядро многозарядное, оно быстро затормозится и вступит в тепловое равновесие с земной атмосферой на достаточно большой высоте, чтобы затем оказаться на высотах ИСЗ. То есть речь идет о том, что зарегистрированный в атмосфере Земли радиоактивный бериллий - солнечного происхождения. Тогда, предсказанная в 1967 году, возможность эффективного образования радиоактивных элементов в СКЛ получает экспериментальное подтверждение.

Но Ве-7, зарегистрированный на высотах спутников в земной атмосфере, может иметь солнечное происхождение ещё и по другому каналу. Как следовало из детальных расчетов, проведенных независимо нами и специалистами из НАСА, концентрация бериллия в атмосфере Солнца, возможно, вообще определяется радиоактивным изотопом Ве-7. В этом случае он будет присутствовать в солнечном ветре, вместе с ним достигать орбиты Земли и проникать через полярные области в её верхнюю атмосферу.

Представляется, что выбрать между первыми двумя гипотезами и вторыми двумя можно, если бы удалось наблюдать в земной атмосфере элемент, который возникнуть в ней в результате ядерных реакций между галактическими или солнечными космическими лучами и элементами атмосферы Земли, не может. Таким элементом вполне может быть радиоактивный Со-56, который, кстати, мы выше уже обращали на это внимание, также очень эффективно должен образовываться среди вторичных изотопов СКЛ.

Если выяснится, что происхождение в земной атмосфере Ве-7 связано с солнечным ветром, то это подтвердит, развиваемые нами представления о том, что ядерные взаимодействия между СКЛ и веществом солнечной атмосферы существенно влияют на химический и изотопный состав самой солнечной атмосферы. Поскольку, как уже отмечалось, процесс ускорения энергичных частиц в атмосфере Солнца можно считать квазинепрерывным, то фактически оказывается, что в атмосфере Солнца идет постоянная "переработка" первичного вещества. Того вещества, из которого миллиарды лет назад возникло само Солнце и планеты Солнечной системы.

Современная космология утверждает, что химические элементы тяжелее гелия возникли, и возникают периодически и

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: