Солнечная активность и среда обитания

Муниципальное общеобразовательное учреждение

"Гимназия №8" г. Энгельса Саратовской области

Проект

«Солнечная активность и среда обитания»

                    Автор проекта:

                     Овсянникова Мария

   ученица 8 А класса,

                                                                  Руководитель:

                                                             Сурьянинова

    Татьяна Владимировна

    учитель физики

2011год

Содержание

Введение        3

1.        Предсказания индейцев Майя        4

2.        Солнце – общие сведения        4

3.    Внутреннее строение Солнца         5

4.        Солнечная активность        7

5.        Взаимосвязь солнечной активности с магнитными бурями        9

6.  Влияние "космической погоды" на  среду обитания ………………...…….13

7.   Магнитное поле Земли ……………………………………………………...15  

8. Предложения по защите от негативных воздействий Солнца ...............16

9 Вывод...................................................................................................................18

10Литература..........................................................................................................19

Введение

Летом 2010 года очень много говорили о предсказаниях индейцев Майя, я заинтересовалась темой конца света, который нам пророчил календарь цивилизации Майя. Оказалось, что календарь основан на солнечном цикле, и я решила узнать о Солнце. В процессе изучения информации о Солнце я столкнулась с данными о космической экологии и астрономии.  

Термин "экология" стал в наши дни обыденным: экология Земли, экология живой природы, экономическая экология, техноэкология. Есть все основания дополнить этот перечень еще и факторами, зависящими от космических процессов, прежде всего от солнечной активности. Влияние Космоса сказывается в том, что некоторые "обычные" условия внешней среды обнаруживают взаимосвязь с солнечной активностью. Космический аспект экологии становится  важным не только с теоретической, но и с практической точек зрения.

Тема «Солнечная активность и среда обитания», с моей точки зрения очень актуальна, необходимо проводить наблюдение за состоянием и изменениями окружающей среды в периоды солнечной активности, систематизировать получаемые факты, выявлять закономерности изменения окружающей среды, разработать предложения по защите от негативных воздействий Солнца на человека и его  среду обитания.

Цель моей работы -  рассмотреть внутреннее строение Солнца и его атмосферу, изучить совокупность явлений, возникающих в солнечной атмосфере, проанализировать влияние солнечной активности на человека и окружающую среду, составить представление о путях решения проблем связанных с космической погодой. В процессе изучения данной темы я поняла, что астрономия является очень важной наукой, которая «проливает свет» на многие события Космоса, но, к сожалению, не изучается в настоящее время в школах. Так же, целью моей работы стало привлечение внимания подростков к проблеме экологии космоса.

Предсказаниях индейцев Майя

Цивилизация Майя одна из самых древнейших и загадочных. Ее многие загадки до сих пор не разгаданы учеными. Индейцы Майя уже в то время владели информацией о Космосе и будущем Вселенной. Одним из интереснейших изобретений индейцев Майя стал календарь, которым человечество пользуется и поныне. Расчет продолжительности солнечного года индейцев и современных ученных отличаются всего лишь на две десятитысячные. Ученные, подробно изучив календарь Майя, заметили, что время в нем разделено на циклы, и по их предсказаниям время окончания нашего цикла придется на 21 декабря 2012 года. Это необычный день. В этот день должен произойти парад планет, но не простой. В это время все планеты не только нашей галактики, но и других должны выстроиться в ряд, образуя прямую линию из центра галактики. По предсказаниям Майя должно произойти какое-то странное движение Земли. По крайне мере по поводу Солнца Майя действительно угадали. Снимки солнечной короны, сделанные астрономами во время затмения 29 марта 2007 года выявили серьезный сбой в его работе. Вид короны оказался весьма неожиданным. По своей структуре она ближе к максимуму солнечного цикла. Но ведь сейчас лишь конец старого! Это означает, что следующий пик солнечной активности может стать еще более интенсивным, и начнется он уже в 2011 году. По расчетам специалистов Национального центра атмосферных исследований США он будет на целых 50% превышать мощность последнего цикла. То есть, максимум – может оказаться именно в конце 2012 года.  

Солнце

Солнце - центральное тело Солнечной системы - представляет собою  горячий газовый шар. По одной из гипотез, именно вместе с Солнцем образовалась наша планетная система, Земля, а затем и жизнь на ней.

Как и все звезды, Солнце родилось в сжавшейся газопылевой  туманности. Когда столь грандиозная масса (2.1030кг) сжималась, она сама себя сильно разогрела внутренним давлением до температур, при которых в ее центре смогли начаться термоядерные реакции. Так зажглась новорожденная звезда. В  центральной части температура на Солнце равна  15 000 000 К, а давление достигает сотни миллиардов атмосфер.  

Солнце        в цифрах:

Масса        1,99.1030 кг                                                                                                                                                                     Диаметр        1 392 000 км                                                                                                               Температура поверхности         5 800 К                                                                                                  Длительность звездных суток        25 сут (экватор) - 35 сут (полюса)                                             Удаленность от центра Галактики        25 000 световых лет                                                                            Период обращения  вокруг центра Галактики        ~200 млн. лет                                                           Скорость движения  вокруг центра Галактики        230 км/с                                                                       Возраст Солнца около 5 млрд. лет.

Химический состав Солнца: водород - 71 %, гелий - 26,5 %, остальные элементы 2,5 %. Солнце не содержит в своем составе неизвестных на Земле химических элементов.

Агрегатное состояние солнечного вещества – ионизированный атомарный газ (плазма). Вглубь Солнца, с увеличением температуры и давления, степень ионизации растет вплоть до полного разрушения атомов в ядре Солнца.

Внутреннее строение Солнца:

1. Ядро (зона термоядерных реакций) - центральная область, простирающаяся на 1/3 радиуса Солнца от его центра, вблизи которого при давлении до 2× 1018 Па, температуре 1,5- 1,6× 107 К и плотности плазмы до 16 г/см3 протекают термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия, сопровождающиеся выделением колоссальной энергии.

 2. Зона лучистого переноса (расстояния от 1/3 до 2/3 R¤ ) – область, в которой выделяющаяся в солнечном ядре энергия передается наружу.

    3.Зона конвекции (0,29 R¤ ) простирается почти до самой видимой поверхности Солнца. В ней происходит непрерывное перемешивание (конвекция) солнечного вещества со скоростью от 1 м/с в глубине зоны до 2-3 м/с на границе с фотосферой.

Выше простирается атмосфера Солнца, в которой выделяется ряд следующих областей:         Фотосфера (4) - слой газов толщиной 350-700 км. Светлые участки фотосферы (6), на которых поверхность Солнца разогрета до 7000-10000 К, называются факельными полями (флоккулами). Отдельные участки фотосферы с пониженной до 4000-4500 К температурой по контрасту с раскаленной окружающей поверхностью воспринимаются как черные солнечные пятна (7). Хромосфера (5) толщиной около 104 км наблюдается во время полных солнечных затмений как красноватое кольцо вокруг Солнца. Температура вещества повышается от нижней хромосфере падает до 5000 К (при давлении газа около 0,1 Па), а затем в средней и верхней хромосфере возрастает до 10000 К (при давлении 6× 10-2 Па. На высоту от 104–105 км вздымаются протуберанцы (8) - сравнительно холодные плотные облака солнечного вещества разнообразной, часто причудливой формы. Время от времени наблюдаются хромосферные вспышки – термоядерные взрывы с выделением энергии до1025 Дж (9).

Корона (10) – внешняя, наиболее разреженная часть солнечной атмосферы, обладает очень сложной и постоянно изменяющейся структурой. Корона разделяется на внутреннюю (Т <1,5× 106 К) и внешнюю (Т <3× 106 К).

Солнце и звезды светят потому, что в их недрах происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия.

Мощность излучения Солнца 3,8.1020 МВт. На Землю попадает  лишь  около одной  половины миллиардной доли всей энергии Солнца. Основным источником энергии в недрах Солнца является цепочка протон протонных термоядерных реакций. В конечном счете 4 ядра атома водорода (протона) превращаются в ядро атома гелия (альфа-частицу). При этом выделяется 1,442 МэВ тепловой энергии.

Солнце очень активно. Во время затмений видны протуберанцы  -  выбросы вещества разного размера, а также вспышки. Возникновение вспышек связано с неоднородностями (искажениями) магнитного поля. Вспышки порождают усиление корпускулярного (состоящего из частиц) потока от  Солнца  - солнечного ветра. Солнечный ветер на Земле вызывает магнитные бури и полярные сияния.  

Солнечно-земные связи

Солнечная активность

На поверхности Солнца периодически возникает множество явлений, которые называют солнечной активностью. К явлениям солнечной активности относятся факелы и солнечные пятна в фотосфере, протуберанцы в короне. Наиболее заметным явлением, охватывающим все слои солнечной атмосферы и зарождающимся в хромосфере, являются солнечные вспышки.

Рассмотрим наиболее подробно каждое явление солнечной активности.

Солнечные пятна - иногда достигают таких больших размеров, что их можно заметить на диске Солнца и невооруженным глазом. Солнечное пятно - это углубление в фотосфере, имеющее форму воронки. Важнейшая особенность пятна - наличие в них сильных магнитных полей. Период жизни пятен разнообразен - от нескольких суток до нескольких месяцев.                                                                                                                            Кроме пятен, вблизи краев солнечного диска наблюдаются светлые области - это факелы, имеющие вид ярких струй. Факелы, так же как пятна, очень изменчивы и по форме и по размера. Главную роль в большинстве наблюдаемых на Солнце явлений играют магнитные поля. Пятна то появляются, то исчезают. Их количество и размеры меняются. Но, примерно, каждые 11 лет число пятен становится наибольшим. Тогда говорят, что Солнце. Солнечные пятна  иногда бывают видны на его диске даже невооруженным глазом. Кажущаяся чернота этих образований вызвана тем, что их температура примерно на 1500 градусов ниже температуры окружающей их фотосферы. Часто во время затмений над поверхностью  Солнца можно наблюдать ярко светящиеся образования из хромосферного вещества. Это самые грандиозные образования солнечной атмосферы – протуберанцы. Протуберанцы имеют примерно ту же плотность и температуру, что и хромосфера. Протуберанцы  не падают в хромосферу потому,  что их вещество поддерживается магнитными полями активных областей Солнца. Они медленно меняют свою форму и могут существовать в течение нескольких месяцев. Самыми мощными проявлениями солнечной активности являются ВСПЫШКИ, в процессе которых за несколько минут иногда выделяется энергия до 1025 Дж. Их продолжительность в среднем около 3 часов – крупных, а слабых несколько минут. Пятна, факелы, протуберанцы и вспышки - это все проявления солнечной активности. С повышением активности число этих образований на Солнце становится больше.                                                                                                                   Закономерность 11-летнего цикла солнечной активности была найдена в 1844 г. немецким любителем астрономии Г. Швабе (1789 – 1875). При этом вывели, что в каждом цикле солнечной активности ее подъем продолжается примерно 4 года, а затухание – около 7 лет.

        За всю историю Земли прошло 23 цикла солнечной активности. С января 2008 года начался новый 11-летний цикл многолетней солнечной активности, в ходе которого произойдет минимум 500 магнитных бурь. По данным NASA, еще с декабря 2007 года сверхчувствительное оборудование начало фиксировать значительные магнитные колебания, исходящие от Солнца, в результате которых появляются так называемые солнечные пятна. На основании этих данных ученые пришли к выводу о начале нового цикла.

Взаимосвязь солнечной активности с магнитными бурями

В своей работе  мы проследили взаимосвязь появления магнитных бурь на Земле и изменение количества пятен на Солнце. Данные о наших наблюдениях представлены в таблице.

Исходя из информации, размещенной Федеральным Космическим Агентством на своем сайте, мы сделали вывод, о том, что перед сильными магнитными бурями количество пятен и вспышек на Солнце увеличивается, и во время события держится примерно на одном уровне.

Влияние «космической погоды» на среду обитания

Термин «космическая погода» означает состояние околоземного космического пространства в данное время или за определенный временной интервал. Как и обычная погода, «космическая погода» влияет на человека и окружающую его среду.

Прежде всего,  солнечная активность влияет на космонавтов (радиационные дозы зависят от того, как ведет себя Солнце), влияет на функционирование спутников (у всех спутников есть солнечные панели), влияет и на грозовую активность, на облакообразование. Токи, которые вызывают частицы полярных сияний, оказывают влияние на все длинные проводящие системы. Это одно из неприятных, особенно для России, последствий космической погоды: все длинные системы электропередач, нефтепроводы, железные дороги оказываются уязвимы, когда происходит сильное солнечное возмущение, и через какое-то время происходит магнитная буря.

Космическая погода постепенно занимает важное место в нашей жизни. Как и в случае с обыкновенной погодой, мы хотим знать, что нас ждет и в отдаленном будущем, и в ближайшие дни. Основоположник гелиобиологии и фактически космической антропоэкологии, гениальный и разносторонний ученый, человек, опередивший свое время, Александр Леонидович Чижевский выявил взаимосвязь пика солнечной активности с ростом числа самоубийств, авиационных катастроф и различных природных катаклизмов. У пилотов, водителей, диспетчеров снижается реакция, спортсмены в условиях магнитных бурь сильнее всего подвержены травмам. 90% людей ощущают недомогания непосредственно во время магнитной бури и на следующий день, ведь организм переключается сначала на работу в экстремальной обстановке, а потом возвращается к привычному для него состоянию.

Между тем Солнце влияет не только на человека, но и на другие живые организмы. Так, процессы усиленного клеточного метаболизма способствуют быстрому распространению бактерий и вирусов. Например, именно в годы максимальной солнечной активности были зафиксированы самые масштабные эпидемии холеры. А периоды эпидемий гриппа приходятся точно на моменты пика солнечного цикла, начинаясь за два года до максимума активности и заканчиваясь через пару лет после самых высоких значений.

Одним из наиболее серьезных последствий солнечной активности в жизни человека является радиация - электроны, протоны и более тяжелые ядра, имеющие огромные скорости и способные разрушать органические и неорганические молекулы. О вреде, который радиация наносит живым существам, хорошо известно, но достаточно большая доза облучения может выводить из строя и радиоэлектронные системы. Электроника страдает также и от "единичных сбоев", когда частицы особо высокой энергии, проникая глубоко внутрь электронной микросхемы, изменяют электрическое состояние ее элементов, сбивая ячейки памяти и вызывая фальшивые срабатывания. Чем сложнее и современнее микросхема, тем меньше размеры каждого элемента и тем больше вероятность сбоев, которые могут привести к ее неправильной работе и даже к остановке процессора. Эта ситуация по своим последствиям схожа с внезапным зависанием компьютера в разгар набора текста, с той лишь разницей, что аппаратура спутников, вообще говоря, предназначена для автоматической работы. Для исправления ошибки приходится ждать следующего сеанса связи с Землей при условии, что спутник будет способен выйти на связь.

Основным источником радиации в окрестностях Земли оказались высокоэнергичные заряженные частицы, "живущие" во внутренней магнитосфере Земли, в так называемом  радиационным поясе. Дозы облучения, которые можно получить при его пролете, настолько велики, что долго в нем могут находиться только научно-исследовательские спутники. Пилотируемые корабли прячутся на более низких орбитах, а большинство спутников связи и навигационных космических аппаратов находится на орбитах выше этого пояса.

Важным для большинства обитателей Земли эффектом оказывается влияние ионосферы на состояние радиоэфира. Радиоволны более низкой частоты отражаются от границ ионосферы, а волны более высокой - проходят сквозь нее. Во время солнечных вспышек и магнитных бурь количество заряженных частиц в ионосфере увеличивается неравномерно, создаются плазменные сгустки и "лишние" слои. Это приводит к непредсказуемому отражению, поглощению, искажению и преломлению радиоволн. Кроме того, нестабильные магнитосфера и ионосфера и сами генерируют радиоволны, заполняя шумом широкий диапазон частот, что создаёт значительные затруднения в работе систем наземной и космической связи и навигации. Магнитные бури в высоких широтах могут практически полностью блокировать радиоэфир на несколько суток. При этом, естественно, замирают и многие другие сферы деятельности, например авиасообщение.

Магнитное поле Земли

Магнитные поля и сила Лоренца играют важную роль в природе. К Земле устремлены быстрые заряженные частицы, исходящие как из дальнего космоса, так и выбрасываемые нашим Солнцем. Они, во-первых, создают магнитные поля, во-вторых, могли бы убить на Земле все живое.

Выручает родная Земля. В ее ядре имеется жидкое проводящее вещество, в котором сложным образом циркулируют токи. Они создают магнитное поле Земли — магнитосферу, которая простирается на миллионы километров. Попав в это магнитное поле, заряженные частицы «закручиваются» по спиральным траекториям, их путь существенно удлиняется, они производят множество столкновений с молекулами атмосферы, теряя энергию на их возбуждение (с последующим излучением) и ионизацию. Это проявляется, например, в «полярном сиянии». Поэтому до Земли они даже не доходят — доходят лишь так называемые вторичные частицы, возникшие в результате названных актов ионизации и имеющие гораздо меньшую энергию. В периоды повышенной солнечной активности (солнечные пятна, вспышки, протуберанцы) потоки быстрых частиц резко возрастают и приводят к заметному искажению магнитного поля Земли. Так возникают «магнитные бури».

Предложения по защите от негативных воздействий Солнца

Влияние космической погоды на нашу жизнь можно признать существенным, но не катастрофичным. Магнитосфера и ионосфера Земли защищают нас от космических угроз. Для исследований Солнца, магнитосферы и ионосферы Земли развернута сеть солнечных обсерваторий и геофизических станций, а в околоземном космосе находятся научно-исследовательские спутники. Основываясь на приводимых ими наблюдениях, ученые предупреждают нас о солнечных вспышках и  магнитных бурях.

Такие наблюдения могут иметь  огромное практическое значение.  Особую актуальность такие исследования  представляют для медицины,  геомагнитные  бури негативно влияют на состояние сердечно-сосудистой системы, в эти дни высока вероятность обострения тревожных состояний, возникновения инфарктов и инсультов.

Использование полученных данных может быть полезно в разных сферах человеческой деятельности, например, работе водителей, диспетчеров,  в спорте. При планировании даты соревнований неблагоприятными будут дни с высокой солнечной активностью, в связи с тем, что геомагнитные бури приводят к ослаблению внимания, нарушению условно-рефлекторной деятельности, увеличению времени реакции, снижению мышечной силы.

Трассы полетов самолётов, проходящие в высоких широтах, значительно более опасны с точки зрения радиационного поражения, чем низкоширотные. После наиболее мощных солнечных вспышек доза, полученная даже в течение одного полета на обычном самолете, может быть больше, чем доза ста флюорографических обследований, что заставляет всерьез рассматривать вопрос о полном прекращении полетов в такое время или изменении траектории полётов.

При планировании полетов космонавтов и астронавтов, работающих на орбитах высотой 300-400 километров, необходимо обязательно учитывать  положение радиационного  пояса Земли и степень солнечной и геомагнитной активности. После солнечных вспышек ионосфера, поглощая солнечное рентгеновское излучение, нагревается и раздувается, создавая значительное дополнительное аэродинамическое сопротивление движению спутников и пилотируемых кораблей, что  может привести к "неожиданному" торможению спутника и потере им высоты, поэтому   руководителям полётов необходимо вносить коррективы.

 Во время магнитных бурь, в протяжённых проводниках с низким сопротивлением - линиях связи и электропередач, трубопроводах, рельсах железных дорог  могут возникать индуцированные токи. Наименее защищены от подобного влияния воздушные низковольтные линии связи. Получившие в настоящее время распространение волоконно-оптические линии связи к такому влиянию нечувствительны и могут заменить воздушные линии связи.

Во время активности Солнца отмечаются  сбои в работе электроприборов и спутников. Учёные разработали  математическую модель, с помощью которой можно будет точно предсказать надвигающиеся геомагнитные бури, тем самым уменьшить последствия солнечной активности. Прогноз динамики активности светила в наступающем цикле даст возможность вовремя подстраховать от сбоев спутниковые системы, линии связи и электропередачи.

Вывод

Моя работа не претендует на полноту изложения очень актуальной проблемы экологии космоса, я не рассматривала проблему космического мусора, воздействие на озоновый слой, «экологическую чистоту» ракетно-космической техники и другие загрязнения околоземного пространства.   Приведённые  в работе примеры, по моему мнению, свидетельствует о чрезвычайной серьезности проблем взаимосвязи космических и земных процессов, необходимости активного развития исследований в этом направлении. В работе были рассмотрены внутреннее строение Солнца и ее атмосфера, совокупность явлений, возникающих в солнечной атмосфере, проанализированы влияние солнечной активности на человека и окружающую среду, составлено представление о путях решения проблем связанных с космической погодой. В процессе работы мне помогали ученики моего класса, значит эта тема интересна для подростков.

Новизна работы заключается в том, что рассмотрели взаимосвязь появления магнитных бурь на Земле и изменение количества пятен на Солнце за последние четыре месяца. 

В настоящее время человечество не располагает технологиями, позволяющими полностью решить проблему защиты от воздействий солнечной активности, но развитие исследований в области актуальных проблем космической экологии человека может подтолкнуть к получению новых знаний, которые приведут к решению многих научно-практических задач в разных сферах жизни человека и общества. совершенствовании и развитии технологий более высокого уровня

Литература

Интернет ресурсы:

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html 

http://sohowww.sel.noaa.gov/solar_images/lmagelindex.cgi http://www.chat.ru/~aryback 

 http://www.observ.univ.kiev.ua

http://wiki.iteach.ru/index.php/Учебный_проект_Всё_врут_календари%3F

http://tvtorrent.ru/feed/all_1/channel_5_2/torrent_4410/     15:45 31.08.10 ACADEMIA. Лев Зеленый. "Солнечная империя". 1-я лекция

http://tvtorrent.ru/feed/all_1/channel_5_2/genre_37_1/torrent_4416/   Зеленый 2 лекция    17:36 01.09.10 ACADEMIA. Лев Зеленый. "Солнечная империя". 2-я лекция (эфир 31 августа 2010 года)

http://www.anti-glob.ru/st/asta.htm     

http://www.mediakrug.ru/tajna/magazines/articles/237

http://www.tesis.lebedev.ru/about_tesis.html 

http://www.tesis.lebedev.ru/data_access.html   

http://www.tesis.lebedev.ru/project_diary.html

http://www.astrolab.ru.  Подробнейшая информация по эволюции летоисчисления. Описание принципов создания различных календарей от примитивных до современного

Печатные материалы:

 Большая серия знаний «Вселенная», М., Мир книги, 2003

Гурштейн А.А. Извечные тайны неба. М., Просвещение, 2001.

Интернет-ресурсы Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия

Мультимадиа энциклопедии «Открытая астрономия», «Кирилла и Мефодия»

Учебник по астрономии 10-11 класс, атласы по астрономии, история древнего мира, мифология разных стран и народов.

Энциклопедический словарь юного астронома. М., Просвещение, 1995.