На Солнце постоянно появляются и исчезают темные области — пятна. Они холоднее окружающей поверхности, существуют от нескольких часов до месяцев и могут достигать размеров, в десятки раз превышающих Землю. Пятна тесно связаны с магнитным полем звезды и служат главным индикатором солнечной активности. В статье рассказываем, как они образуются, как их изучали на протяжении веков и влияют ли они на нашу планету.
Солнечные пятна — это области с пониженной температурой (около 4000–4500 °C против 6000 °C в окружающей фотосфере). Из-за разницы в яркости они выглядят темными.
Пятна состоят из темной центральной части (тени) и более светлой полутени. Диаметр тени достигает 17–18 тысяч км, полутени — 37 тысяч км.
Причина появления пятен — сильные магнитные поля, которые подавляют конвекцию и блокируют приток горячей плазмы из недр Солнца.
Пятна обычно образуются группами. Простые группы (альфа, бета) не производят вспышек, сложные (гамма, бета-гамма) могут генерировать мощные выбросы энергии.
Количество пятен меняется с 11-летней периодичностью. Сейчас идет 25-й цикл, начавшийся в декабре 2019 года.
Что собой представляют пятна на Солнце
Солнечные пятна — это темные области на поверхности звезды, температура которых заметно ниже окружающей фотосферы. Если обычная температура поверхности Солнца составляет около 6000 °C, то в пятнах она падает до 4000—4500 °C. Из-за этой разницы пятна выглядят темными, хотя на самом деле они тоже излучают свет, просто менее интенсивно на фоне яркого диска.
Типичное развитое пятно состоит из двух частей: центральной темной области — тени, и окружающей ее более светлой волокнистой полутени. Диаметр тени может достигать 17—18 тысяч километров, полутени — около 37 тысяч. Самые маленькие пятна называются порами, их размер всего около тысячи километров. Крупнейшие из наблюдавшихся пятен превышали 100 тысяч километров в поперечнике — этого достаточно, чтобы вместить десяток таких планет, как Земля.
Пятна «живут» от нескольких часов до нескольких месяцев. Мелкие образования исчезают за сутки, развитые пятна существуют 10—20 дней, а самые большие могут наблюдаться до 100 суток.
Пятна излучают свет, и по его характеристикам ученые могут определять свойства этих образований. Отношение интенсивности излучения тени к излучению фотосферы меняется с длиной волны: от 5% в ультрафиолете до 60% в далеком инфракрасном диапазоне.
Интересная особенность пятен заключается в том, что их структура неоднородна. Современные наблюдения показывают, что тень состоит из относительно холодной среды с температурой около 4000 °C, в которую вкраплены более горячие элементы с температурой до 5400 °C. Горячие вкрапления занимают 5-10% площади тени.
Почему на Солнце появляются пятна: процесс образования
Причина появления пятен связана с магнитным полем Солнца. Звезда состоит из плазмы и вращается не так, как твердое тело. Экваториальные области движутся быстрее полярных, из-за чего создается эффект, напоминающий водоворот.
Магнитные линии, создаваемые движущейся плазмой, растягиваются и скручиваются по всему светилу. В некоторых местах возникают участки с очень сильным магнитным полем — оно может быть в тысячи раз сильнее земного. Такое поле подавляет конвективные движения вещества, которые в норме поднимают горячую плазму из недр Солнца к поверхности.
Там, где магнитное поле останавливает конвекцию, поток тепловой энергии снижается, и поверхность остывает до 4000—4500 °C. Так формируется пятно.
Процесс образования пятна выглядит следующим образом. Сначала магнитные трубки прорываются сквозь фотосферу в корону. В этом месте возникает факел, а чуть позже появляется маленькая точка — пора размером несколько тысяч километров. В течение нескольких часов магнитное поле усиливается, количество пор увеличивается, они сливаются друг с другом и формируют одно или несколько пятен. В период наибольшей активности напряженность магнитного поля в пятне может достигать 0,4 тесла (4000 гаусс).
Пятна обычно появляются группами. Иногда возникает одиночное пятно, живущее всего несколько дней. Часто встречаются биполярные группы — два пятна разной магнитной полярности, соединенные линиями поля. Западное пятно в такой группе называют ведущим, головным или P-пятном, восточное — ведомым, хвостовым или F-пятном.
Группы пятен ориентированы примерно параллельно солнечному экватору, но имеют небольшой наклон, который увеличивается для групп, расположенных дальше от экватора. Эта закономерность известна как закон Джоя.
Количество пятен на Солнце меняется с определенной периодичностью. Цикл солнечной активности длится около 11 лет. В начале цикла пятна появляются на высоких гелиографических широтах (около 25–30 градусов), а к концу цикла мигрируют к экватору, достигая широт 5–10 градусов. Это явление называется законом Шперера.
В середине XVIII века началась нумерация солнечных циклов. Первый цикл стартовал в 1749 году. Сейчас идет 25-й цикл, который начался в декабре 2019 года.
Помимо 11-летнего цикла, существует также «вековой цикл» с периодом около 100 лет. Последние его минимумы приходились на 1800—1840 и 1890—1920 годы.
История наблюдений за пятнами на Солнце
Люди замечали темные пятна на Солнце с древних времен. Первые письменные упоминания относятся к Китаю 800 года до нашей эры. В хрониках времен династии Хань описан случай от 10 мая 28 года до н. э., когда наблюдалось солнечное пятно.
В древнерусской литературе пятна упоминаются в Никоновской летописи под 1365 и 1371 годами. В записях говорится: «бысть знамение в солнце, места черны по солнцу, аки гвозди».
В XII веке появились первые зарисовки пятен. Они сохранились в хронике Иоанна Вустерского, датированной 1128 годом.
Настоящий прорыв произошел в начале XVII века с изобретением телескопа. Итальянский ученый Галилео Галилей и немецкий астроном Кристоф Шейнер независимо друг от друга создали гелиоскопы — приборы для наблюдения за Солнцем. Они проецировали изображение светила на стену и обнаружили на нем пятна.
Галилей первым понял, что пятна являются частью солнечной структуры, а не проходящими перед диском планетами, как считал Шейнер. Наблюдая за движением пятен, Галилей открыл вращение Солнца и вычислил его период. Между учеными разгорелась многолетняя дискуссия о природе пятен и приоритете их открытия.
В XIX веке наблюдения за пятнами стали систематическими. К этому времени накопилось достаточно данных, чтобы заметить периодические изменения в солнечной активности. В 1845 году американские исследователи Д. Генри и С. Александер из Принстонского университета провели первые инструментальные измерения интенсивности излучения пятен. Они использовали специальный термометр и обнаружили, что пятна излучают меньше энергии, чем окружающие области.
Сейчас подсчетом солнечных пятен занимается Мировой центр данных долгосрочных наблюдений за Солнцем, входящий в Королевскую обсерваторию Бельгии. Центр выпускает «Индекс солнечных пятен», который служит основным показателем солнечной активности.
Влияют ли солнечные пятна на Землю
Сами по себе пятна не опасны для Земли. Однако они являются маркерами активных областей на Солнце, где могут происходить мощные процессы, способные влиять на нашу планету.
В местах скопления пятен часто возникают солнечные вспышки и корональные выбросы массы. Вспышки высвобождают огромное количество энергии во всех диапазонах — от радиоволн до рентгеновского излучения. Корональные выбросы представляют собой гигантские облака солнечной плазмы, выбрасываемые в межпланетное пространство.
Способность пятен производить вспышки зависит от их магнитной конфигурации. Простые группы типа Альфа (одно пятно) или Бета (два пятна) созданы одним магнитным потоком и не могут генерировать вспышки. Даже огромные пятна такого типа остаются спокойными.
Более сложные группы типа Гамма содержат пятна разной полярности и могут взаимодействовать, выделяя энергию. Самые опасные — группы типа Бета-Гамма, с предельно запутанным магнитным полем. Они способны производить крупные вспышки в течение нескольких дней, пока не упростят свою конфигурацию.
Солнечная радиация во время вспышек может превышать безопасные дозы для человека, но атмосфера Земли хорошо защищает поверхность планеты. В зоне риска оказываются только пассажиры и экипажи высотных самолетов, а также космонавты в открытом космосе. Кроме того, мощные вспышки могут вызывать сбои в работе радиосвязи.
Более серьезную опасность представляют корональные выбросы массы. Когда облака солнечной плазмы достигают Земли, они взаимодействуют с ее магнитным полем, вызывая геомагнитные бури. Эти бури способны выводить из строя спутники, создавать помехи в линиях электропередач, повреждать трансформаторы. Самая мощная геомагнитная буря в истории произошла в 1859 году — тогда вышли из строя тысячи километров телеграфных линий в США.
Влияют ли сами пятна на климат Земли — вопрос дискуссионный. В период с 1645 по 1715 год, известный как минимум Маундера, пятна на Солнце почти не наблюдались. Это совпало с сильным похолоданием на Земле. Однако на климат также могли повлиять вулканическая активность и изменения наклона земной оси.
В любом случае, даже самые крупные пятна занимают не более одного процента солнечного диска. Наблюдать пятна в телескоп (с обязательным использованием специальных фильтров) — увлекательное занятие, доступное любому любителю астрономии.
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о солнечных пятнах.
Можно ли увидеть солнечные пятна невооруженным глазом?
Можно, но только в особых условиях — например, когда Солнце скрыто легкой дымкой или облаками. Однако смотреть на Солнце без защиты опасно для глаз. Для наблюдений лучше использовать телескоп со специальным солнечным фильтром или проецировать изображение на белый лист.
Как часто появляются пятна?
Количество пятен меняется с 11-летней периодичностью. В максимуме активности их может быть несколько сотен, в минимуме они могут отсутствовать полностью.
Что будет, если пятно исчезнет совсем?
Если бы пятна исчезли надолго, это означало бы глубокий минимум солнечной активности. В истории такой период уже был (минимум Маундера), и он совпал с похолоданием климата, но точная причинно-следственная связь не доказана.
