Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Челябинский областной многопрофильный

лицей интернат для одарённых детей»

Проект «Исследование влияния солнечной

активности на магнитное поле Земли»

Выполнил:

ученик 10Б класса

ГБОУ «ЧОМЛИ»

Велегжанин Сергей

Руководитель:

учитель физики

ГБОУ «ЧОМЛИ»

Лузгин Дмитрий Олегович

2022-2023 уч. год

Оглавление

Введение.        3

Глава 1. Теория        4

Глава 2. Обработка данных        12

Заключение        14

Список литературы        15

Приложение        16

Введение.

       По исследованиям ученых, погода может влиять на состояние человека. Помимо этого, существует техника, работа которой зависит от погоды. Одним из главных факторов, на погоду, является магнитное поле Земли. [1]

       Солнце обладает сильным магнитным полем и периодически выбрасывает во все стороны вещество. Это вещество должно влиять на магнитное поле Земли. Таким образом, проанализировав солнечную активность (числа Вольфа) и состояние магнитного поля Земли, можно сделать вывод о их активности.

       Стоит заметить, что солнечную активность необходимо отслеживать не только по числам Вольфа, которые показывают активность по солнечным пятнам, но и учесть активность Солнца, проявляющуюся в протуберанцах. Для удобства отслеживания пятен необходимо расположить снимки при оси вращения Солнца, ориентированной в одном направлении. Так как видимый угол наклона солнечной оси вращения к небесному экватору зависит от положения Земли в пространстве, то необходимо вывести формулу, по которой можно определить данный угол.

       Несмотря на то, что связь между Солнечной активностью и изменениями магнитных полей интуитивно очевидна, работ по исследованию степени влияния Солнца на магнитное поле Земли в открытом доступе расположено крайне мало. Если задуматься, то расстояние от Земли до Солнца крайне велико, а доля Солнечного вещества, попадающего на единицу площади пропорциональна квадрату расстояния. Исходя из этих данных обычный человек может задаться вопросом о том, как же сильно Солнечная активность влияет на магнитное поле Земли. Данный проект и направлен на исследования этой взаимосвязи.

Цель работы:

• Подтвердить или опровергнуть взаимосвязь между солнечной активностью и изменениями магнитного поля Земли.

Задачи:

• Собрать материалы по изменению магнитного поля Солнца
• Собрать и обработать фотографии Солнца
• Собрать данные об активности магнитного поля Земли.
• Построить графики солнечной активности и активности магнитного поля Земли.
• Сделать вывод о зависимости и оформить это в статью.

Глава 1. Теория

       На Земное магнитное поле влияет Солнечный ветер (рис. 1.1.). Его интенсивность зависит от магнитного поля самого Солнца. Изменения магнитного поля проявляются в протуберанцах и солнечных пятнах.

Рис. 1.1. – Влияние солнечного ветра на магнитное поле Земли

       Изучение протуберанцев началось с затмения Солнца 8 июля 1842 года; тогда астрономы заметили необычные ярко-розовые выступы вокруг чёрного диска Луны (рис. 1.2). Во время наблюдения солнечного затмения 18 августа 1868 года Пьер Жансен независимо от Дж. Локьера применил новый метод наблюдения протуберанцев вне затмения, сделал вывод об их газообразном характере. Много ценных сведений о солнечных протуберанцах и их быстрых изменениях было получено с помощью замедленной съёмки. В настоящее время процессы, происходящие в солнечной атмосфере, наблюдаются и исследуются при помощи спутников и космических станций.

Рис. 1.2. – Фотография протуберанца в момент солнечного затмения

Протуберанцы хорошо видны во время полных солнечных затмений. Вне затмений наблюдаются с помощью особых спектральных приборов (протуберанц-спектроскопов), интерференционных фильтров, внезатменных коронографов (коронограф Лио), хромосферных телескопов. В проекции на солнечный диск протуберанцы заметны в виде тёмных волокон. [4]

       Солнечные пятна — тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками фотосферы (рис. 1.3). Наблюдаются на диске Солнца (с помощью оптических приборов, а в случае крупных пятен — и невооружённым глазом) в виде тёмных пятен. Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу сильных (до нескольких тысяч гаусс) магнитных полей. Потемнение фотосферы в пятнах обусловлено подавлением магнитным полем конвективных движений вещества и, как следствие, снижением потока переноса тепловой энергии в этих областях. [5]

Рис. 1.3. – Фотография солнечных пятен. В левом верхнем углу Земля для сравнения

       Количество пятен на Солнце (и связанное с ним число Вольфа [3]) — один из главных показателей солнечной магнитной активности. На более холодных звёздах (класса K и холоднее) наблюдаются пятна намного большей площади, чем на Солнце. Пятна возникают в результате возмущений отдельных участков магнитного поля Солнца (рис. 1.4). В начале этого процесса трубки магнитного поля «прорываются» сквозь фотосферу в область короны, и сильное поле подавляет конвективное движение плазмы в гранулах, препятствуя в этих местах переносу энергии из внутренних областей наружу. Сначала в этом месте возникает факел, чуть позже и западнее — маленькая точка, называемая по́ра, размером несколько тысяч километров. В течение нескольких часов величина магнитной индукции растет (при начальных значениях 0,1 тесла), размер и количество пор увеличивается. Они сливаются друг с другом и формируют одно или несколько пятен. В период наибольшей активности пятен величина магнитной индукции может достигать 0,4 тесла.

Рис. 1.4. – Появление солнечных пятен

Срок существования пятен достигает нескольких месяцев, то есть отдельные группы пятен могут наблюдаться в течение нескольких оборотов Солнца. Именно этот факт (движение наблюдаемых пятен по солнечному диску) послужил основой для доказательства вращения Солнца и позволил провести первые измерения периода обращения Солнца вокруг своей оси. Пятна обычно образуются группами, однако иногда возникает одиночное пятно, живущее всего несколько дней, или биполярная группа: два пятна разной магнитной полярности, соединённые линиями магнитного поля. Западное пятно в такой биполярной группе называется «ведущим», «головным» или «P-пятном» (от англ. preceding), восточное — «ведомым», «хвостовым» или «F-пятном» (от англ. following). Только половина пятен живёт больше двух дней, и всего десятая часть — более 11 дней.

       В начале 11-летнего цикла солнечной активности пятна на Солнце появляются на высоких гелиографических широтах (порядка ±25—30°), а с ходом цикла пятна мигрируют к солнечному экватору, в конце цикла достигая широт ±5—10°. Эта закономерность носит название «закон Шпёрера».

       Как было указанно выше, Солнечные пятна и протуберанцы появляются из-за изменения магнитного поля Солнца, следовательно, между ними должна быть какая-то связь.

Для того, чтобы эту связь подтвердить ил опровергнуть, необходимо для начала собрать фотографии Солнца за период, больший четверти периода обращения Солнца (25,05 дней), а также необходимо ориентировать их осью вращения Солнца вертикально, так как видимое расположение оси вращения Солнца отличается в разные дни года из-за вращения Земли вокруг солнца и наклона Земного экватора к плоскости орбиты (рис. 1.5.).

Взаимное расположение осей вращения Земли и Солнца выглядит следующим образом (рис. 1.5). [2][6]

Рис. 1.5. ­– Взаимоположение осей вращения Солнца и Земли

Для того, чтобы наблюдателю с Земли можно было определить положение оси вращения Солнца необходимо спроецировать оси вращения на плоскость, перпендикулярную прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. Угол между этими прямыми и будет определять, как располагается ось вращения Солнца (т.к. снимки были сделаны в 12.00 по солнечному времени, а наблюдатель находился в одной плоскости с центрами, перпендикулярной плоскости эклиптики).

Угол между проекцией оси вращения Солнца на плоскость эклиптики и прямой, перпендикулярной плоскости эклиптики, можно задать следующей формулой (1):

 (1)

Также угол между проекцией оси вращения Земли на плоскость эклиптики и прямой, перпендикулярной плоскости эклиптики, можно задать формулой (2):

 (2)

Угол между проекциями осей вращения на общую плоскость можно получить с помощью α и β:

Теперь, зная угол между осями вращения Земли и Солнца, мы можем определить положение оси вращения Солнца на снимке, сделанном на околоземной орбите.

Исходя из этого, можем построить таблицу, в которой будет отражен угол γ в разные дни в период с 20 октября по 12 ноября.

Все фотографии Солнца взяты с сайта https://tesis.xras.ru/

       После обработки получились изображения фотосферы и хромосферы: на фотографиях хромосферы можно отслеживать протуберанцы, а на фотографиях фотосферы – солнечные пятна. Фотографии представлены в приложении. Эти фотографии помогут отслеживать Солнечную активность как в картинной плоскости, так и в перпендикулярной ей плоскости. Для отслеживания активности в пятнах используются числа Вольфа.

       Числа Вольфа – числовой показатель солнечной активности, связанный с количеством солнечных пятен. Названо в честь швейцарского астронома Рудольфа Вольфа. Является одним из самых распространённых показателей солнечной активности. Важный показатель для предсказания распространения радиоволн с отражением от ионосферы.

Число Вольфа W для данного дня вычисляется по формуле

где f — количество наблюдаемых пятен;

g — количество наблюдаемых групп пятен;

k — нормировочный коэффициент. [3]

Глава 2. Обработка данных

       Как видно из фотографий фотосферы (прил. 1.1.), в период с 26.10 по 07.11 по Солнечному диску проходит группа пятен. Помимо этого, на фотографиях хромосферы (прил. 1.2.) можно заметить, что 26.10 в области, из которой выходит эта группа пятен, находится протуберанец.

       Также менее заметный протуберанец можно заметить 20.10, после которого видно движение группы пятен.

       Отсутствие подобного протуберанца можно объяснить тем, что протуберанцы существуют на протяжении нескольких часов, реже дней. На сайте предоставлены снимки, сделанные с интервалом в один день. Поэтому шанс заснять протуберанец очень низок.

       По данным наблюдений был построен график солнечной активности    (гр. 2.1).

График 2.1. – Солнечная активность за 2022г.

Из открытых источников были взяты данные по состоянию магнитного поля Земли за 2022 год и построен график (гр. 2.2).

График 2.2. – Возмущение магнитного поля Земли за 2022 год

Путём сложения двух графиков получаем третий график 2.3. Как мы можем заметить, провалы и подъемы на графике 2.2. совпадают с провалами и подъемами на графике 2.1.

График. 2.3. – Объединение графиков 2.1. и 2.2.

Заключение

       В ходе выполнения работы был составлены графики зависимости Солнечной активности и активности магнитного поля Земли от времени. При наложении этих графиков можно наблюдать одновременные подъемы. Например, в мае и июле были совместные существенные подъемы, а в июне был ощутимый спад. Таким образом можно сделать вывод не только о том, что магнитная активность Солнца влияет на активность магнитного поля Земли, но и о том, что это влияние очень существенно и вносит огромный вклад в магнитное поле Земли. Но также можно заметить, что в некоторые моменты времени изменение магнитного поля Земли не совпадает со значением Солнечной активности. Данный факт можно объяснить влиянием магнитных полей других объектов Солнечной системы, например, Юпитером, который своим магнитным полем притягивает кометы и астероиды от Земли.

Список литературы

1. Weather Headache: Is There Such a Thing? // University Health News URL: https://universityhealthnews.com/pain/weather-headache/ (дата обращения: 24 октября 2022).
2. Земля // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Земля (дата обращения: 08.01.2023).
3. Кононович Э.В., Мороз В.И. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие. - 4-е изд. - М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 211. - 544 с.
4. Протуберанец // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Протуберанец (дата обращения: 08.01.2023).
5. Солнечные пятна // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечные_пятна (дата обращения: 23.04.2023).
6. Солнце // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнце (дата обращения: 08.01.2023).

Приложение

Приложение 1. – Фотографии фотосферы

Приложение 1. (продолжение)

Приложение 2. – Фотографии хромосферы

Приложение 2. (продолжение)