МБОУ «Сухобезводненская средняя школа»

Секция:  Астрономия

Исследовательский проект  по астрономии

                                                                        Проект выполнила: учащаяся 10 класса

                                                                                       Варлачева Елена.  

                                                              Консультант проекта:                                                                                          Булатова Нина Сергеевна  учитель физики

р.п. Сухобезводное

2017

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………3
2. Основная часть………………………………………………………….4

1.Теория

                         1.1. Вращение Солнца …………………………………………4

                         1.2. Особенности вращения Солнца ………………………….4

                         1.3. Пятна на Солнце …………………......................................5

                         1.4. Вращение пятен……………………………………………6

2. Практика

           2.1.Наблюдения Галилея….………………………………………........7

           2.2.Наблюдение вращения пятен……………………………..………..8

           2.3.Расчеты…………………………..………………………………….9

3. Заключение…………………………………………………………….10

4. Литература……………………………………………………………..10

5. Приложение…………………………………………………………….11

 «Верховным судьёй

всякой физической теории является опыт»

                                                                                                                Л.Д.Ландау

Введение

           Солнце - наша звезда, благодаря которой мы живём. Но оно так далеко от Земли   и  изучаем астрономию, к сожалению, как одну тему в конце 11 класса. А хотелось бы знать больше о космической погоде, ведь от неё зависит наше самочувствие.

         Как изучать Солнце, если оно находится на расстоянии от Земли 150 млн. км?

Я хочу рассчитать скорость   вращения Солнца вокруг оси, находясь на большом расстоянии от него.

         Мы знаем, что Земля совершает один оборот вокруг своей оси за неполных 24 часа. За время одного оборота проходят день и ночь.

          А как бы мог установить время  одного оборота Земли вокруг своей оси наблюдатель на Луне? Он посчитал бы, например, сколько раз за неделю мимо его взора пройдет Америка или Африка.

        Я могу поступить точно так же. Для этого мы должны определить время обращения большого долгоживущего солнечного пятна.

Целью  моего исследования является расчет скорости вращения Солнца вокруг своей оси.

Для достижения этой цели я поставила перед собой следующие задачи:

• Пронаблюдать за изменением положения солнечного пятна в течение месяца.
• Проанализировать полученные результаты.
• Произвести расчеты.

Объектом исследования является   Солнце.                                              

Предмет исследования:  изменение  положения солнечного пятна в течение месяца.

    Гипотеза: по изменению положения солнечного пятна в течение месяца можно судить о периоде вращения Солнца и рассчитать скорость вращения и сравнить ее с результатами, полученными учеными.

 Результатом исследования будет являться:

    1.Более  глубокая информация о жизни Солнца.

    2.Умение использовать математический аппарат и информацию для расчетов характеристик удаленного объекта.

Актуальность      в том,  что зная распространения солнечных пятен можно судить о физических характеристиках Солнца.
Оригинальность состоит в том, что сделанное   исследование доступно любому заинтересованному лицу.

 

II. Основная часть

1. Теория

1.1. Вращение Солнца

           Солнце вращается не от действия внутренних сил, а от взаимодействия внутренних и внешних сил. Солнце вращается благодаря тому, что имеет одинаковую внутреннюю плотность в двух его противоположных местах. Если бы внутри Солнца в одном месте плотность тела (тяжесть) была гораздо больше, чем в противоположном месте, то Солнце могло вообще не вращаться вокруг своей оси. Что имеется у Юпитера, который не вращается, иначе говоря: симметричность внутренних слоёв Солнца – мантии вокруг ядра, которое находится посередине Солнца.  Вращение связано также с внутренней и внешней температурой мантии. Чем больше температура мантии, тем больше скорость вращения Солнца, которая проявляется в скорости вращения солнечных пятен вокруг Солнца.   Чем больше скорость выделения мантийного вещества и его масса в определенных  пунктах, тем больше скорость вращения Солнца.  Еще атмосфера солнечная давит на поверхность Солнца в Восточном направлении, создавая вращение Солнца.

1.2.Особенности вращения Солнца.

          Движение Солнца хорошо заметно, если наблюдать его пятна. Все пятна двигаются по поверхности. Это движение является частью общего движения звезды вокруг своей оси.

Наблюдения показывают, что оно вращается не как твердое тело, а дифференцировано. Это означает, что оно движется быстрее на экваторе и медленнее на полюсах. Газовые гиганты: Юпитер и Сатурн, также имеют дифференциальное вращение.

        Астрономы измерили скорость вращения Солнца с широты 26 ° от экватора, и обнаружили, что один оборот вокруг оси занимает 25,38 дней.  

Внутренние регионы и ядро вращаются вместе как твердое тело. А внешние слои, конвективная зона и фотосфера, вращаются с разной скоростью.

       Период вращения (синодический) изменяется от 27 суток  на экваторе до 32 суток у полюсов, вращение Солнца вокруг оси происходит в том же направлении, что и вращение Земли, в плоскости, наклоненной на 82°45'' к плоскости орбиты Земли (эклиптике). Астрономы называют это сидерическим периодом вращения, который отличается от синодического периода — количеством времени, необходимого для того, чтобы пятна повернулись вокруг Солнца, при наблюдении с Земли. Скорость вращения определяется по видимому движению различных деталей в атмосфере Солнца и по сдвигу спектральных линий в спектре края диска Солнца вследствие эффекта Доплера. Таким образом, было обнаружено, что период вращения Солнца неодинаков на разных широтах.

         Один оборот относительно Земли точки с гелиографической широтой 17° совершают за 27,275 суток (синодический период). Время оборота Солнца на той же широте относительно звёзд (сидерический период) составляет 25,38 суток.

     Для других широт φ угловую скорость ω для сидерического вращения Солнца можно по формуле: ω = 14,44 – 3·sin2φ (в градусах в сутки)

 Солнце, конечно же, вращается, но очень сложно:
Солнце имеет Северный полюс и Южный полюс и вращается вокруг своей оси, также как и Земля. Однако, в отличие от Земли, которая вращается вдоль своей широты каждые 24 часа, Солнце совершает полный оборот вокруг своей оси за 22,14 года. Солнце вращается в том же самом направлении, как и Земля.
    Солнце делает полный оборот вокруг своей оси за 22 года 51 день 3 часа (плюс- минус 15 дней). Звезда Солнце является твёрдожидким телом. Оно имеет твёрдое ядро, вокруг ядра горячая жидкая мантия, сверху твёрдая кора. Вращение Солнца вокруг своей оси равно 22,14 года за 1 оборот, а не 1 год, 2 года, 6 лет или хотя бы 11лет, как у полного цикла солнечной активности.
     Солнце окутано, горячим и горящим газом, внешние слои которого на высоте солнечных пятен вращаются вокруг Солнца быстрее, чем сами пятна.   Солнечные пятна совершают полный оборот вокруг Солнца за 27,5 дней (среднее значение). Это факт. Точнее на экваторе за 25 дней, а удаляясь от экватора скорость солнечных пятен, уменьшается и у полюсов равна примерно от 31 дней до 36 дней. Поэтому ученые решили, что Солнце вращается, каждые 25 дней на экваторе и делает прогрессивно более медленное вращение в более высоких широтах, до 35 дней в полюсах.

1. 1.3.Пятна на Солнце

          В возникновении темных пятен нет ничего необычного. Солнце - это огромный бурлящий «котел» плазмы. Внутри оно горячее, снаружи - холоднее. Из-за этого перепада температур возникают конвекционные потоки - остывшие массы идут вглубь, а на их место поднимаются более горячие. Температура в пятне на 1500 градусов ниже температуры окружающей их фотосферы. Все было бы хорошо, если бы этому процессу не мешало сильное магнитное поле Солнца. Оказывается, что магнитные вихри могут локально приостановить конвекцию, не дать остывшим массам опуститься. В результате, эта область на солнечной поверхности будет холоднее окружающих, и поэтому будет выглядеть темнее. Это и есть темное пятно. 

              На сегодняшний же день, удалось определить, что пятна - это участки более холодного вещества, которые формируются в результате воздействия высокой магнитной активности, создающей помехи для равномерного тока раскаленной плазмы. Однако пятна все еще остаются не до конца изученными. К примеру, астрономы не могут точно сказать, что является причиной возникновения более яркой каймы (тяжей), которая окружает темную часть пятна. В длину они могут быть до двух тысяч километров, в ширину - до ста пятидесяти.

      Изучение пятен затрудняется сравнительно небольшими их размерами. Однако существует мнение, что тяжи - это восходящие и нисходящие потоки газа, образованные в результате того, что горячее вещество из недр Солнца поднимается к поверхности, где остывает и проваливается обратно вниз. Ученые определили, что нисходящие потоки движутся со скоростью в 3,6 тысяч км/час, тогда как восходящие потоки – со скоростью порядка 10,8 тысяч км/час.

1.4.Вращение пятен

        Если сравнить несколько последовательных фотографий Солнца, то можно заметить, как меняется положение всех пятен на диске. Это происходит из-за вращения Солнца.   Пятна, находящиеся в близи экватора Солнца, опережают пятна, расположенные в средних широтах. Следовательно, скорости вращения разных слоёв Солнца различны. Экваториальные области делают один оборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсов Солнца – примерно за 30 суток. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца составляет 2 км./с. Наблюдения показывают, что все пятна перемещаются от Восточного края к Западному. Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в направлении движения планет вокруг него.

Влияют ли пятна на вращение Солнца?

      Давно известно, что экваториальный пояс Солнца вращается несколько быстрее, чем приполярные. Было также установлено, что скорость этого вращения каким-то образом связана с размерами, формой и относительным расположением солнечных пятен. В настоящее время доказано, что скорость вращения Солнца увеличивается, когда количество пятен на нем сокращается. Исследователи проанализировали все имеющиеся данные о солнечной активности за период между 1921 и 1982 гг. и установили, что в течение каждого ее 11-летнего цикла наибольшая скорость вращения светила приходится на время минимального числа пятен.

         Более того, когда в южном полушарии Солнца пятен меньше, чем в северном, первое вращается быстрее, чем второе. В среднем же, если взять весь цикл, то солнечная фотосфера как целое, очевидно, вращается быстрее в течение тех циклов, которым свойственно меньшее количество пятен и меньшая их суммарная площадь.

      Подобный эффект приводит к тому, что фотосфера завершает полный оборот вокруг оси на 0,5 % быстрее в периоды низкой солнечной активности. Причина такого явления остается неизвестной. Ее выяснение потребует лучшего, чем теперь, понимания динамики внутренних областей Солнца и возникновения магнитных полей, связанных с его пятнами.

2.Практика. 

2.1. Открытия Галилея

       Темные пятна на Солнце впервые замечены древне-китайскими астрономами (естественно, невооруженным глазом). Самым ранним упоминанием о наблюдении солнечных пятен невооруженным глазом считаются записи Гань Дэ, одного из трех первых известных астрономов Древнего Китая, жившего в 4 веке до н.э. Его современники Ши Шэнь и. У Сянь составили первый большой звездный каталог.

         Следующее упоминание о наблюдении за солнечными пятнами относится к 165 году до н. э. В энциклопедии «Нефритовый океан» говорится, что именно в том году на Солнце появился иероглиф «ван»: пятно выглядело не круглым, а крестообразным, похожим на письменный знак. По мнению китайских астрономов, это первое зарегистрированное солнечное пятно. Начиная с 10 мая 28 г. до н. э. каждое новое пятно заносится в многотомные летописи императорского Китая.

      Первым европейским астрономом, наблюдавшим пятна на Солнце, как принято считать в истории науки, был Галилео Галилей, ему же приписывается изобретение, или, по крайней мере, первое применение телескопа. Однако ни то, ни другое не совсем верно. Галилей не изобретал телескопа, а лишь отстаивал пользу его применения для изучения Вселенной. Что касается солнечных пятен, то первое упоминание о них в европейской литературе встречается в работе Эйнгарда «Жизнь Карла Великого" (807 г.). Позднее их наблюдали арабские ученые Абу-ль-Фадль Джафар ибн аль-Муктафи в 840 г. и Ибн-Рушд в 1196 г., а также итальянские астрономы в 1457 г. Галилей определил период вращения Солнца, наблюдая за движением пятна по диску Солнца. Оказалось, что скорость вращения вещества Солнца на разных широтах разная. Солнце вращается не как твердое тело.

«Требовалась исключительная сила духа, чтобы извлечь законы природы из конкретных явлений, которые всегда были у всех перед глазами, но объяснение которых, тем не менее, ускользало от пытливого взгляда философов», - так писал о Галилее известный французский математик и астроном Лагранж.

 В 1609 г. Галилео Галилей самостоятельно построил свой первый телескоп с выпуклым объективом и вогнутым окуляром. Сначала его телескоп давал увеличение примерно в 3 раза. Вскоре ему удалось построить телескоп, дающий увеличение в 32 раза. Сам термин телескоп ввёл в науку тоже Галилей.  

      Галилей открыл также  солнечные пятна (тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками). Существование пятен и их постоянная изменчивость опровергали тезис Аристотеля о совершенстве небес (в отличие от «подлунного мира»). По результатам их наблюдений Галилей сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси, оценил период этого вращения и положение оси Солнца.

Галилей    открыл, что Солнце вращается так, как вращалось бы твердое тело, и скорость вращения его вещества различна в зависимости от широт.

2.2.Наблюдения вращения пятен

            Итак, практическая часть моей работы: наблюдения за пятнами в области экватора.  Пятна движутся слева на право, где пятна появляются из-за края  фотосферы  это называется восточной, где пятна заходят - западной. Я наблюдала пятна на видимой части диска. Мне хотелось « подождать» когда пятно пройдут другую сторону диска, но, к сожалению фотографии, начиная с 6 декабря отсутствовали или пятно изменялось в размерах и форме так, что было сомнительно оно ли это.

2.3.Расчеты скорости.

Предположим, что пятна совершают равномерное движение по окружности, тогда            V=2πR/T

T= (15+15+14+15) /4=14, 75 суток – среднее время прохождения пятна по видимому диску Солнца.

Я взяла полный период обращения пятна = 28 дней, π=3,14; радиус Солнца (средний) R=6,96·108м.

V=2πR/T=2·3, 14·6, 96·108 м / 28·24·3600 сек=1, 8·103м/с=2км/с

Т.е. линейная скорость вращения Солнца приблизительно составляет 2км/с

III.Заключение

          Итак, движение Солнца хорошо заметно, если наблюдать его пятна. Все пятна двигаются по поверхности. Это движение является частью общего движения звезды вокруг своей оси.

Благодаря работе комплекса космических телескопов для исследования Солнца,   можно увидеть ежедневное состояние магнитного поля Земли, вспышки на Солнце и рассмотреть фотографии Солнца  с пятнами. Если посмотреть несколько фотографий, то можно увидеть, что пятна смещаются.

      То есть, появилась возможность проследить за изменениями на Солнце благодаря фотографиям Солнца, выполненным  обсерваторией.

      Поставленная мною цель: по движению пятен определить с какой скоростью вращается Солнце, выполнена.

Т.е. линейная скорость вращения Солнца приблизительно составляет 2км/с, что   соответствует результатам расчетов ученых.

IV.Источники информации

1.  http://ggreen.chat.ru - статья "Пятна на Солнце"
2. http://www.sunhome.ru - статья "Пятна на поверхности Солнца"
3. http://www.nsu.ru - статья "Какова история и функция темного пятна на Солнце?"
4. http://www.astronet.ru - статья "Удивительный солнечный протуберанец"

5. http://rudocs.exdat.com/docs/index-400593.html?page=2

6. http://www.tesis.lebedev.ru/-  ТЕССИС - космическая обсерватория