Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли

Содержание

Введение

. Циклы солнечной активности

. Влияние Солнца на Землю

.1 Энергия солнечного света

.2 Солнечный ветер и межпланетные магнитные поля

.3 Бомбардировка энергичными частицами

. Земные проявления солнечной активности. Гелиобиология

. Активность солнца и здоровье людей

. Влияние солнечной активности на изменение климата

Заключение

Литература

Введение

На заре цивилизации, когда человек впервые начал задумываться над вопросом взаимосвязи космоса и земной жизни, сложилось твердое убеждение, что все происходящее на Земле управляется космическими силами. У разных народов существовали целые системы небесных «знамений», предвосхищавших те или иные важные события на Земле. Эти представления отразились в мифах, в религиозных и астрологических учениях.

Однако по мере накопления опыта, изобретения орудий труда, возникновения ремесел, люди все больше обособлялись от природы и уже по-иному смотрели на мир и на свое место в нем. Так складывались антропоцентрические воззрения, представления о том, что человек - высшая цель развития всего сущего. Этой идее полностью отвечало созданное в древности геоцентрическое учение, согласно которому центром Вселенной считалась Земля. Но все же идея космизма, т.е. космической обусловленности земных событий, продолжала оставаться популярной.

Наука Нового времени значительно расширила знания человека о мире. Теперь концепция внешних влияний стала казаться многим ученым не только малопривлекательной, но даже лженаукой. Главной причиной такого резкого изменения мировоззрения были, однако, не сами новые знания, а их неполнота. Потребовался довольно длительный период накопления фактов, чтобы доказать: наша планета не изолирована от влияния космоса. И подтверждением тому является воздействие Солнца на все живое на Земле.

Солнце освещает и согревает нашу планету, без этого была бы невозможна жизнь на ней не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце - главный (хотя и не единственный) двигатель происходящих на Земле процессов. Но не только тепло и свет получает Земля от Солнца. Различные виды солнечного излучения и потоки частиц оказывают постоянное влияние на ее жизнь.

Солнце посылает на Землю электромагнитные волны всех областей спектра - от многокилометровых радиоволн до гамма-лучей. Окрестностей Земли достигают также заряженные частицы разных энергий - как высоких (солнечные космические лучи), так и низких и средних (потоки солнечного ветра, выбросы от вспышек). Наконец, Солнце испускает мощный поток элементарных частиц - нейтринов. Однако воздействие последних на земные процессы пренебрежимо мало: для этих частиц земной шар прозрачен, и они сквозь него пролетают.

Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли (остальные отклоняет или задерживает геомагнитное поле). Но их энергии достаточно для того, чтобы вызвать полярные сияния и возмущения магнитного поля нашей планеты.

1. Циклы солнечной активности

Число пятен на диске Солнца не является постоянным, оно меняется как день ото дня, так и в течение более длительных промежутков времени. Немецкий астроном-любитель Генрих Швабе, который 17 лет вел систематические наблюдения солнечных пятен, заметил: их количество убывает от максимума к минимуму, а затем увеличивается до максимального значения за период около 10 лет. При этом в максимуме на солнечном диске можно видеть 100 и более пятен, тогда как в минимуме - всего несколько, а иногда в течение целых недель не наблюдается не одного. Сообщение о своем открытии Швабе опубликовал в 1843 г. Этим открытием он несколько смутил профессиональных астрономов, наблюдавших за Солнцем почти двести лет.

Швейцарский астроном Рудольф Вольф уточнил, что средний период изменения числа пятен составляет не 10, а 11 лет. Он же предложил для количественной оценки активности Солнца использовать условную величину, называемую с тех пор числом Вольфа. Оно определяется как сумма общего количества пятен на Солнце (f) и удесятеренного числа групп пятен (g), причем изолированное одиночное пятно тоже считается группой:

= f + 10g.

Цикл солнечной активности называют 11-летним во всех учебниках и популярных книгах о астрономии. Однако Солнце любит поступать по-своему. Так, за последние 50 лет промежуток между максимумами составляет в среднем 10,4 года. Вообще же за время регулярных наблюдений Солнца указанный период меняется от 7 до 17 лет. И это еще не все. Проанализировав наблюдения пятен с начала телескопических исследований, английский астроном Уолтер Маундер в 1893 г. Пришел к выводу, что с 1645 по 1715 гг. на Солнце вообще не было пятен. Это заключение подтвердилось в последующих работах; мало того, выяснилось, что подобные «отпуска» Солнце брало и в более далеком прошлом. Кстати, именно на «маундеровский минимум» пришелся период самых холодных зим в Европе за последнее тысячелетие.

На этом сюрпризы солнечных циклов не кончаются. Ведущее пятно в группе (первое по направлению вращения Солнца) обычно имеет одну полярность (например, северную), а замыкающее - противоположную (южную), и это правило выполняется для всех групп пятен в одном полушарии Солнца. В другом полушарии картина обратная: ведущие пятна в группах будут иметь южную полярность, а замыкающие - северную. Но, оказывается, при появлении пятен нового поколения (следующего цикла) полярность ведущих пятен меняется на противоположную. Лишь в циклах через один ведущие пятна обретает прежнюю полярность. Так что «истинный» солнечный цикл с вращением прежней магнитной полярности ведущих пятен в действительности охватывает не 11, а 22 года (конечно, в среднем).

Цикличность появления пятен на Солнце связана с другими проявлениями изменчивости Солнца: структурой солнечных вспышек, потоком космических лучей, рентгеновского и ультрафиолетового излучений. Все перечисленные явления составляют цикл солнечной активности.

2. Влияние Солнца на Землю

.1 Энергия солнечного света

Электромагнитное излучение подвергается строгому отбору в земной атмосфере. Она прозрачна только для видимого света и ближних ультрафиолетового и инфракрасного излучений, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне (от сантиметровых до метровых). Всё остальное излучение либо отражается, либо поглощается атмосферой, нагревая и ионизируя ее слои.

Поглощение рентгеновских и жестких ультрафиолетовых лучей начинается на высоте 300-350 км; на этих же высотах отражаются наиболее длинные радиоволны, приходящие из космоса. При сильных всплесках солнечного рентгеновского излучения от хромосферных вспышек рентгеновские кванты проникают до высот 80-100 км от поверхности Земли, ионизируют атмосферу и вызывают нарушение связи на коротких волнах.

Мягкое (длинноволновое) ультрафиолетовое излучение способно проникать еще глубже, оно поглощается на высоте 30-35 км. Здесь ультрафиолетовые кванты разбивают на атомы (диссоциируют) молекулы кислорода (О2) с последующим образованием озона (О3). Тем самым создается не прозрачный для ультрофиолета «озоновый экран», предохраняющий жизнь на Земле от гибельных лучей. Не поглотившаяся часть наиболее длинноволнового ультрафиолетового излучения доходит до земной поверхности. Эти лучи вызывают у людей загар и даже ожоги кожи при длительном пребывании на солнце.

Излучение в видимом диапазоне поглощается слабо. Однако оно рассеивается атмосферой даже в отсутствии облаков, и часть его возвращается в межпланетное пространство. Облака, состоящие из капелек воды и твердых частиц, значительно усиливают отражение солнечного излучения. В результате до поверхности планеты доходит в среднем около половины падающего на границу земной атмосферы света.

Количество солнечной энергии, приходящейся на поверхность площадью 1 м2, развернутую перпендикулярно солнечным лучам на границе земной атмосферы, называется солнечной постоянной. По последним данным, оно составляет 1370 Вт/м2 с точностью до 0,5%. Колебаний, превышающих 0,2%, за время измерений не выявлено.

На Земле излучение поглощается сушей и океаном. Нагретая земная поверхность в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области. Для такого излучения азот и кислород атмосферы прозрачны. Зато оно жадно поглощается водяным паром и углекислым газом. Благодаря этим малым составляющим воздушная оболочка удерживает тепло. В этом и заключается парниковый эффект атмосферы. Между приходом солнечной энергии на Землю и ее потерями на планете в общем существует равновесие: сколько поступает, столько и расходуется.

.2 Солнечный ветер и межпланетные магнитные поля

В конце 50-х гг. ХХ в. Американский астрофизик Юджин Паркер пришел к выводу, что, поскольку газ в солнечной короне имеет высокую температуру, которая сохраняется с удалением от Солнца, он должен непрерывно расширяться, заполняя Солнечную систему. Результаты, полученные с помощью космических аппаратов, подтвердили правильность теории Паркера.

В межпланетном пространстве действительно мчится направленный от Солнца поток вещества, получивший название солнечный ветер. Он представляет собой продолжение расширяющейся солнечной короны; составляют его в основном ядра атомов водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы), а также электроны. Частицы солнечного ветра летят со скоростями, составляющими несколько сот километров в секунду, удаляясь от Солнца на многие десятки астрономических единиц - туда, где межпланетная среда Солнечной системы переходит в разряженный межзвездный газ. А вместе с ветром в межпланетное пространство переносятся и солнечные магнитные поля.

Общее магнитное поле Солнца по форме линий магнитной индукции немного напоминает земное. Но силовые линии земного поля близ экватора замкнуты и не пропускают направленные к Земле заряженные частицы. Силовые линии солнечного поля, напротив, в экваториальной области разомкнуты и вытягиваются в межпланетное пространство, искривляясь подобно спиралям. Объясняется это тем, что силовые линии остаются связанными с Солнцем, которое вращается вокруг своей оси. Солнечный ветер вместе с «вмороженным» в него магнитным полем формирует газовые хвосты комет, направляя их в сторону от Солнца. Встречая на своем пути Землю, солнечный ветер сильно деформирует ее магнитосферу, в результате чего наша планета обладает длинным магнитным «хвостом», также направленным от Солнца. Магнитное поле Земли чутко отзывается на обдувающие ее потоки солнечного вещества.

.3 Бомбардировка энергичными частицами

Помимо непрерывно «дующего» солнечного ветра наше светило служит источником энергичных заряженных частиц (в основном протонов, ядер атомов гелия и электронов) с энергией 106-109 электрон-вольт (эВ). Их называют солнечными космическими лучами. Расстояние от Солнца до Земли - 150 млн. километров - наиболее энергичные из этих частиц покрывают за 10-15 мин. Источником солнечных космических лучей являются хромосферные вспышки.

По современным представлениям, вспышка - это внезапное выделение энергии, накопленной в магнитном поле активной зоны. На определенной высоте над поверхностью Солнца возникает область, где магнитное поле на небольшом протяжении резко меняется по величине и направлению. В какой-то момент силовые линии поля внезапно «пересоединяются», конфигурация его резко меняется, что сопровождается ускорением заряженных частиц до высокой энергии, нагрева вещества и появления жесткого электромагнитного излучения. При этом происходит выброс частиц высокой энергии в межпланетное пространство и наблюдается мощное излучение в радиодиапазоне.

Вспышки - самые мощные взрывоподобные процессы, наблюдаемые на Солнце, точнее в его хромосфере. Они могут продолжаться всего несколько минут, но за это время выделяется энергия, которая иногда достигает 1025 Дж. Примерно такое же количество тепла приходит от Солнца на всю поверхность нашей планеты за целый год.

Потоки жесткого рентгеновского излучения и солнечных космических лучей, рождающиеся при вспышках, оказывают сильное влияние на физические процессы в верхней атмосфере Земли и околоземном пространстве. Если не принять специальных мер, могут выйти из строя сложные космические приборы и солнечные батареи. Появляется даже серьезная опасность облучения космонавтов, находящихся на орбите. Поэтому проводятся работы по научному предсказанию солнечных вспышек на основании измерений магнитных полей.

Как и рентгеновское излучение, солнечные космические лучи не доходят до поверхности Земли, но могут ионизировать верхние слои ее атмосферы, что сказывается на устойчивости радиосвязи между отдаленными пунктами. Но действие частиц этим не ограничивается. Быстрые частицы вызывают сильные токи в земной атмосфере, приводят к возмущению магнитного поля нашей планеты и даже влияют на циркуляцию воздуха в атмосфере.

Наиболее ярким и впечатляющим проявлением бомбардировки атмосферы солнечными частицами являются полярные сияния. Это свечение в верхних слоях атмосферы, имеющее либо размытые (диффузные) формы, либо вид корон или занавесей (драпри), состоящих из многочисленных отдельных лучей. Сияния обычно бывают красного или зеленого цвета: так светятся основные составляющие атмосферы - кислород и азот - при облучении их энергичными частицами. Зрелище бесшумно возникающих красных и зеленых полос и лучей, беззвучная игра цветов оставляют незабываемое впечатление. Эти явления лучше всего видны вдоль овала полярных сияний, расположенного между 10º и 20º широты. В период максимумов солнечной активности в Северном полушарии сияния можно наблюдать в более низких широтах.

Частота и интенсивность полярных сияний достаточно четко следуют солнечному циклу: в максимуме солнечной активности редкий день обходится без сияний, а минимуме они могут отсутствовать месяцами. Наличие или отсутствие полярных сияний, таким образом, служит не плохим показателем активности Солнца. И это позволяет проследить солнечные циклы в прошлом.

солнечный магнитный климат здоровье

3. Земные проявления солнечной активности. Гелиобиология

Еще в Средние века мореплаватели обратили внимание, что в определенные дни стрелка компаса начинает беспорядочно колебаться. Это продолжается несколько часов или даже суток, и компас делается непригодным для навигационных расчетов. Такие явления стали называться магнитными бурями. А в ХVIII веке шотландский астроном и геофизик Иоганн Ламонт заметил, что интенсивность и частота магнитных бурь тем выше, чем больше на Солнце пятен. Так была открыта связь земных явлений с солнечной активностью.

Позднее, в 1801 г., английский астроном Уильям Гершель сообщил, что цены на хлеб (зависящие от урожайности) на протяжении целого столетия менялись в соответствии с максимумами циклов солнечной активности. Английский экономист Уильям Джевонс в 1878 г. Писал о связи между промышленными кризисами и периодическим ходом солнцедеятельности. Бельгийский астроном Фернан Моро в 1904 году показал, что солнечные пятна влияют не только на мировой урожай хлеба, но и на урожай винограда, сроки цветения сирени во Франции и перелета ласточек.

Таково было состояние вопроса о солнечно-биосферных связях, когда летом 1915 г., наблюдая за пятнообразовательной деятельностью Солнца, 18-летний Александр Чижевский обнаружил следующий факт: некоторые пе-риоды усиления пятнообразования совпадали с развертыванием и обострением военных действий на многих фронтах Первой мировой войны. Это событие стало для замечательного русского ученого-энциклопедиста Александра Леонидовича Чижевского началом его многолетних систематических исследований солнечно-биосферных связей, заложивших основы новой науки - гелиобиологии.

Заинтересовавшись синхронностью процесса пятнообразования на Солнце и хода военных действий, Чижевский в течение нескольких месяцев наблюдал за своими знакомыми и пришел к выводу, что у некоторых из них с ростом числа солнечных пятен повышалась нервная возбудимость.

Опираясь на сравнительно немногочисленные, однако, охватывающие разные страны и материки факты и наблюдения, ученый высказал смелые предположения о влиянии солнечной активности на такие массовые феномены, как заболевания и смертность.

Чижевский показал, что значительные исторические события имеют хорошо выраженную тенденцию повторяться примерно через 100 лет, а внутри каждого столетия отчетливо вырисовывается ровно девять периодов максимальных напряжений человеческой деятельности. Таким образом, за минимальную естественную единицу отсчета исторического времени был принят 11-летний период (историометрический цикл, по терминологии Чижевского), что совпадает со средней продолжительностью цикла солнечной активности. В годы максимумов Землю потрясли самые кровавые мятежи и революции, войны и крестовые походы, массовая резня и избиение иноверцев. В это время на историческую арену выступали народные и духовные вожди, реформаторы, полководцы и государственные деятели. В период спокойного Солнца гораздо чаще отмечалась склонность людей к миролюбию, а их интересы и энергия направлялись в область духовной деятельности.

Острые споры вызывал в свое время вопрос о влиянии солнечной активности на частоту несчастных случаев и травматизм на транспорте и производстве. Проанализировав данные около 100 тыс. катастроф, немецкие ученые установили, что число несчастных случаев возрастает с увеличением солнечной активности, причем особенно на второй день после солнечной вспышки.

Солнечная активность сказывается на поведении не только человека, но и других живых организмов. Так, известный энтомолог Н.С. Щербинский в 30-х гг. ХХ в. обратил внимание на то, что массовые перелеты саранчи повторяются с периодом в 11 лет. Американский зоолог Ч. Элтон, проанализировав данные о заготовках шкурок канадского зайца за 100 лет, обнаружил, что периоды всплеска этих животных приходятся, как правило, на минимумы солнечных циклов.

4. Активность солнца и здоровье людей

Александр Леонидович Чижевский внес большой вклад в изучение влияния Солнца на возникновение эпидемических заболеваний. Результаты этих его исследований имеют особую ценность: ведь он работал с материалами тех эпох, когда медицина не умела еще бороться ни с чумой, ни с холерой, ни с тифом. Стихийный характер возникновения и распространения эпидемий давал надежду выявить взаимосвязь с солнечной активностью в «чистом виде». На обширном материале ученый показал, что самые сильные и смертоносные эпидемии всегда совпадали с максимумами солнечной активности. Такая же закономерность была обнаружена для заболеваний дифтерией, менингитом, полиомиелитом, дизентерией и скарлатиной.

В начале 60-х гг. появились научные публикации о связи сердечно-сосудистых заболеваний с солнечной активностью. В них было показано, что наиболее подвержены солнечному воздействию люди, уже перенесшие один инфаркт. При этом выяснилось, что их организм реагирует не на абсолютное значение уровня активности, а на скорость его изменения.

В ряду многообразных проявлений солнечной активности особое место занимают хромосферные вспышки. Эти мощные взрывные процессы существенно влияют на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли. Магнитное поле Земли начинает беспорядочно меняться, и это является причиной магнитных бурь.

В 30-х гг. ХХ столетия в городе Ницце (Франция) было замечено, что число инфарктов миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастало в те же самые дни, когда на местной телефонной станции наблюдались сильные нарушения связи вплоть до полного ее прекращения. Как впоследствии выяснилось, нарушения телефонной связи были вызваны магнитными бурями.

Сведения о влиянии магнитного поля на организм человека имелись уже в глубокой древности. Лечебные свойства магнита описывали Аристо-тель (IV в. до н.э.) и Плиний Старший (I в. н. э.), немецкий врач Парацельс и английский естествоиспытатель Уильям Гилберт (XVI в.). Сейчас установлено, что магнитное поле влияет прежде всего на регуляторные системы организма (нервную, эндокринную, кровеносную). Его воздействие затормаживает условные и безусловные рефлексы, меняет состав крови. Такая реакция на магнитное поле объясняется в первую очередь изменением свойств водных растворов в организме человека.

В 1934 г. английские ученые Джон Бернал и Ральф Фаулер высказали гипотезу, что вода иногда может проявлять свойства, присущие твердым кристаллам. Впоследствии эта гипотеза была экспериментально подтверждена, а в наше время жидкие кристаллы широко распространены в быту: они применяются в электронных часах, калькуляторах, пейджерах и других уст-ройствах. В обычных условиях кристаллическая структура воды крайне неустойчива и слабо себя проявляет. Но если воду пропустить через постоянный магнит, эта структура становится заметной, а сама вода приобретает ряд необычных свойств. Так, «намагниченная» вода дает гораздо больше накипи, изменяется ее диэлектрическая проницаемость, она иначе поглощает свет, а прорастание семян и рост растений, обработанных такой водой, происходит гораздо быстрее.

В любом живом организме более 70% воды, которая составляет неотъемлемую часть клеток и тканей. Если предположить, что для «намагничивания» воды внутри организма достаточно даже относительно слабого магнитного поля Земли, то в периоды магнитных бурь следует ожидать резкого изменения процессов жизнедеятельности. Поскольку эти процессы протекают на клеточном уровне, магнитная буря будет вызывать изменения в поведении всего живого, начиная с человека и кончая микробом. Вот почему в годы активного Солнца могут происходить столь несхожие события, как Варфоломеевская ночь и опустошающие набеги саранчи.

5. Влияние солнечной активности на изменение климата

Нам кажется, что источник жизни на Земле - солнечное излучение <#"justify">Ультрафиолетовые лучи Солнца почти целиком поглощаются высокими слоями атмосферы.

Для Земли это имеет огромное значение: ведь в большом количестве ультрафиолетовые лучи губительны для всего живого.

Солнечная активность, воздействуя на высокие слои атмосферы, существенным образом влияет на общую циркуляцию воздушных масс. Следовательно, оно отражается на погоде и климате всей Земли. По-видимому, влияние возмущений, возникающих в верхних слоях воздушного океана, передаются в его нижние слои - тропосферу. При полетах искусственных спутников Земли и метеорологических ракет были обнаружены расширения и уплотнения высоких слоев атмосферы: воздушные приливы и отливы, подобные океаническим ритмам. Однако механизм взаимосвязи индекса высоких и низких слоев атмосферы полностью еще не удалось раскрыть. Бесспорно, что в годы максимума солнечной активности происходит усиление циклов циркуляции атмосферы, чаще происходят столкновения теплых и холодных течений воздушных масс.

На Земле существуют области жаркой погоды (экватор и часть тропиков) и гигантские холодильники - Арктика <#"justify">Ученые установили, что колебания солнечной активности совершаются в пределах от 9 до 14 лет.

Солнечная активность влияет на уровень Каспийского моря, на соленость вод Балтийского и ледовитость северных морей. Для цикла повышенной солнечной деятельности характерно низкое стояние уровня Каспия: повышение температуры воздуха вызывает усиленное испарение воды и уменьшение стока Волги - главной питающей артерии Каспия. По той же причине повысилась соленость Балтийского моря и уменьшилась ледовитость северных морей <#"justify">Заключение

Мы не можем представить Землю, как удобный космический корабль, надежно защищающий нас от всех воздействий извне. Наоборот, Земля живет по существу во внешней короне Солнца и поэтому не только получает от него свет и тепло, но и подвергается переменным воздействиям со стороны гамма, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, а также солнечного ветра и космических лучей. Все это сопровождается различными, порой даже катастрофическими, изменениями в магнитосфере, атмосфере, гидросфере, биосфере, а возможно, и в твердой оболочке Земли. Перефразируя известную поговорку, можно сказать: все мы под Солнцем ходим.

Взаимосвязь солнечных и земных явлений устанавливается обычно на основании либо одновременности их протекания, либо совпадения их ритмики. Этого, конечно, недостаточно для того, чтобы прогнозировать то или иное событие на Земле по степени активности Солнца. Только знание всех процессов, образующих сложную цепочку взаимосвязи в системе Солнце - Земля, поможет предсказать конкретное событие.

Все влияние, которое оказывает Солнце на Землю, будь то электромагнитное излучение, солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, бомбардировка энергетическими частицами и другое, зависит от циклов солнечной активности.

Активность солнца влияет на растительный и животный мир Земли, на человека, его настроение и состояние здоровья. Войны, эпидемии, автомобильный и другие техногенные катастрофы, как выявили ученые, также зависят от циклов солнечной активности.

Литература

1. К.А. Куликов, М.С. Сидоренков. Планета Земля. - М.: изд-во «Наука», 1972.

. Наука и жизнь. №8, 2001, стр. 42-46.

. Т.Я. Дубницова. Концепция современного естествознания. Учебник. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997.

. Капренков С.Х. Основы концепции естествознания: Учебн. пособие для вузов. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1998.

. Горелов А.А. Концепция современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшее образование, 2006.

. Воронов В.К., Гречнев М.В., Сагдеев Р.З. Основы современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., стер. - М: Высшая школа, 1999.