Лекция В.М.Богода.
advertisement
Наше Солнце Богод В.М. Специальная астрофизическая обсерватория Российской Академии наук Slide 1 Солнце и Земля Человечество издавна воспринимало Солнце как источник всей жизни на Земле. СОЛНЦЕ есть БОГ Aton, the Sun, was declared God by king Echnathon in ancient Egypt Slide 2 Sungod Huitzilopochtli in the center of the Aztec calender Солнечные пятна Slide 3 Первые научные исследования Солнца Загадочность солнечных затмений Человечество издавна испытывало ужасы и красоту затмений Slide 4 Путь от божества к научному объекту История наблюдений солнечной поверхности MDI on SOHO, 2001 Slide 5 Galilei, from 1610 Scheiner, 1625 Прямой взгляд вовнутрь Солнца! •Высокая плотность в ядре. •Ядерные реакции. •Поток нейтрино. •Зона лучистого переноса энергии. •Конвективная зона. •Вынос магнитного поля на поверхность. Slide 6 Солнце вибрирует под воздействием звуковых волн идущих изнутри наружу. Звуковые волны создаются процессами внутри Солнца. Наблюдая колебания солнечной поверхности можно построить внутреннюю структуру Солнца. Slide 7 Поверхностные колебания снятые со спутника SOHO со скоростью 40000 изображений в минуту •Методом гелиосейсмологии SOHO MDI изучается подповерхностная структура Солнца •Вынос магнитных полей на поверхность конвекцией. Slide 8 Пятна на Солнце в год минимума активности Slide 9 Fig. 10-2, p. 202 SOHO MDI магнитограмма годы максимума активности •Магнитные поля пятен. •Активные области. •Вспышки. •Корональные выбросы масс. Slide 10 Звезда по имени Солнце Имя Галактика Спектральный класс Величина Расстояние до Земли Радиус Rs Масса Ms Средняя плотность Температура поверхности Период вращения Солнце Млечный путь G2 + 4.8 149,598,000 км т.е., 1 а.е. 696,000 км т.e., 109 RE 1.989 x 1030 кг т.e., 333.000 ME 1.409 г см-3 5800 K 27.25 дней(синодический), на экваторе 25.38 дней (сидерический), на экваторе Возраст 4.60 млрд. лет Количество планет 9, плюс множество мелких Ближайшая звезда Альфа Центавра, на расст. 4.37 световых лет Ближайшая галактика Магеллановы облака, на 165,000 световых лет Изменение расст. до Земли +/- 1.69 % (+ в июле, - в январе) Видимый диаметр 31’ 59.3” = 1913.3 “ т.е. 0.5 градусов Видимый радиус 959.65” т.е. 1000 секудн дуги 1 arcsec на Солнце,с Земли 725 км Выход энергии 3.82 x 1033 Ватт Поступление энергии на Землю 1,370 Ватт/м2 Slide 11 Современные проблемы Физики Солнца • Внутренние слои Солнца: какова структура и динамика? Проблема солнечного ядра. • Корона: почему она существует и как она разогревается ? • Цикличность и проблема солнечного динамо. • Природа вспышек и прогноз солнечной активности. • Солнечный ветер: где он ускоряется и как? • Проблема Космической Погоды. Slide 12 Солнечные пятна Солнечные пятна это темные области (тень, полутень) на диске Солнца Они являются следствием сильных магнитных полей, которые препятствуют притоку энергии изнутри Солнца. Частота появления пятен меняется с 11-летним циклом солнечной активности Slide 13 Солнечные пятна. Активная область. Вспышки. Корональные выбросы масс Размер Земли Slide 14 Fig. 10-16, p. 208 Размер ячеек ~100 км Требуемое разрешение 0.14 “ Нагрев короны микровспышками Slide 15 •Природа вспышки. Накопление и выделение энергии. Прогноз активности. Slide 16 Спутник SOHO He II 304 A Вспышечная активность в рентгене. Slide 17 Корональные петли в активной области Slide 18 Fig. 10-15, p. 208 Вертикальная структура активных областей Slide 19 p. 200 Фотосфера- видимая поверхность с температурой около 5,800ºK. Солнечные пятна образованы магнитными полями на фотосфере. Температура их на 2000К холоднее и поэтому меньше излучают света. Тень и полутень. Внутренняя часть пятна окруженная менее темной областью. Хромосфера – самый низкий слой солнечной атмосферы. Ее температура около 10000 К. Солнечные вспышки. Взрывы на солнечной поверхности. Протуберанцы. Огромные массы горячей плазмы поддерживаемые магнитным полем. Корона. Внешняя атмосфера с высокой температурой свыше миллиона К с малой плотностью. Хорошо наблюдается во время затмений. Количество солнечных пятен изменяется с ходом цикла солнечной активности. Каждые 11 лет магнитная полярность Солнца меняется, так что реальный цикл составляет 22 года. Slide 20 Циклы солнечной активности и проблема динамо • В оптическом диапазоне индикатором солнечной активности является усредненное (за день, или за месяц, или за год), число пятен (или их общая площадь). Во второй половине XVII века на Земле наблюдалось общее похолодание. Slide 21 How does it work? Solar Wind and Magnetic Substorms Излучение солнечного ветра Slide 22 Модель(Паркера) спирального межпланетного магнитного поля rot(E) = rot(VXB) = 0 Slide 23 Исскуственное затмение на борту спутника SOHO коронограф LASCO Видны корональные выбросы масс, солнечный ветер Slide 24 Корональный выброс плазменных масс на Землю Slide 25 Полярные сияния Slide 26 К обстоятельствам солнечного затмения 29 марта 2006г. • Солнечное затмение 29 марта 2006г. на территории России начнется в 14 часов 59 минут по московскому времени на Черноморском побережье. Лунная тень практически одновременно покроет города Новороссийск, Геленджик, Туапсе, Сочи. Далее лунная тень начнет движение по Северному Кавказу (со скоростью порядка 1 км/с), пройдя через Каспий, пересечет территорию Казахстана, и пройдет юг Западной Сибири. Двигаясь дальше на восток, в 16 часов 30 минут по московскому времени тень Луны начнет покидать Землю в Центральной Сибири. Но частное затмение будет продолжаться еще более часа. Slide 27 Обстоятельства затмения MARCH 29, 2006 Slide 28 Полное затмение Солнца Яркость Солнца ослаблена в миллион раз Slide 29 Кольцевое солнечное затмение Slide 30 Радиогелиограф Нобеяма 84 параболических антенн с диаметром 80 cm с общей протяженностью 490 m в направлении восток-запад и 220 m на север-юг. Slide 31 К обстоятельствам солнечного затмения 29 марта 2006г. • Солнечное затмение 29 марта 2006г. на территории России начнется в 14 часов 59 минут по московскому времени на Черноморском побережье. Лунная тень практически одновременно покроет города Новороссийск, Геленджик, Туапсе, Сочи. Далее лунная тень начнет движение по Северному Кавказу (со скоростью порядка 1 км/с), пройдя через Каспий, пересечет территорию Казахстана, и пройдет юг Западной Сибири. Двигаясь дальше на восток, в 16 часов 30 минут по московскому времени тень Луны начнет покидать Землю в Центральной Сибири. Но частное затмение будет продолжаться еще более часа. Slide 32 Обстоятельства затмения MARCH 29, 2006 Slide 33 Полное затмение Солнца Яркость Солнца ослаблена в миллион раз Slide 34 Кольцевое солнечное затмение Slide 35 Ход затмения Солнца Slide 36 Тонкая структура короны. Протуберанцы. Максимальная длительность~7.5 минут Slide 37 Diamond Ring Effect Касательное затмение. Наблюдение на краю зоны полной фазы. Аналогичная картина ожидается при наблюдении Slide 38затмения 29 марта 2006г. в районе горы Пастухова. Затменный Бисер, образованный лунными хребтами Slide 39 Прохождение лунной тени по поверхности Земли Slide 40 Корона Форма короны отражает структуру магнитных полей Slide 41 Slide 42 Вид кольцевого затмения из зоны полутени. Slide 43 Орбиты Земли и Луны слегка эллиптичны Апогей = положение с наибольшим удалением от Земли Перигелий = положение ближайшее к Солнцу Солнце Earth Перигелий= положение ближайшее к Земле Moon Апогей = положение с наибольшим удалением от Солнца (Эсцентриситеты преувеличены для наглядности) Slide 44 Вид кольцевого затмения. Slide 45 Óçëû Slide 46 Эклиптика О прецессии орбиты Луны относительно плоскости эклиптики 1. Угол наклона орбиты Луны к плоскости эклиптики равен 5° 2. Луна пересекает плоскость эклиптики в двух точках (узлах), в которых возможны затмения. О частоте происхождения затмений Влияние наклона орбиты Луны 1. Полные затмения возможны только в точках пересечения траекторий эклиптики и Луны Slide 47 О частоте происхождения затмений 1. Затмения происходит только при новолуниях 2. Частные затмения в точках 3 и 5, а также в 10 и 12 3. Полные затмения в точках 4 и 11 Slide 48 Как часто происходят затмения Солнца? Комбинация различных движений Луны 1. 2. 3. 29 ½ дневное орбитальное вращение Луны вокруг Земли, 5º,2 наклон орбиты Луны к плоскости эклиптики Прецессия лунной орбиты относительно эклиптики, Затмения повторяются сериями в течение 18 лет и 11-1/3 дня цикл Сароса (42-43 затмения из них 14 полных) Но эти серии происходят в различных положениях на Земле для различных циклов Сароса Ежегодно на Земле происходят два полных затмения и 4 частных. Однако, в данном месте Земли полное затмение может происходить раз в 300 лет. Slide 49 Солнечное затмение. Научные задачи. • В оптике. Основные научные задачи связаны с изучением короны в полной фазе затмения. • Полное затмение ослабляет светимость диска Солнца в миллион раз, и это позволяет исследовать морфологию магнитных полей и плотности плазмы на больших расстояниях от лимба Солнца • В радиодиапазоне. Радиоастрономические задачи, в основном, связаны с картографированием активных областей с высоким пространственным разрешением, которое обеспечивает резкий край Луны. Предел разрешения определяется обычно нестабильностями, создаваемыми атмосферными флуктуациями и инструментальными шумами радиоприемного комплекса, который часто состоит из небольшой параболлической антенны и радиометрического приемника на определенную частоту . При удачных наблюдениях становится возможным приблизиться к пределу разрешения, накладываемым дифракцией радиоволн на лимбе Луны, который достигает 1-3 угловых секунд. Slide 50 Научные задачи • В частности, на радиотелескопе РАТАН-600 будут поставлены следующие цели. • 1 Исследование рассеяния корональной плазмы с высотой, по изучению слабого коронального излучения вплоть до мест образования солнечного ветра. Эти исследования будут проведены в широком спектральном диапазоне радиоволн. Здесь весьма важно использование большой поверхности радиотелескопа РАТАН-600 в многоазимутальных наблюдениях.. Следует отметить, что область невозмущенной короны на расстояниях от 1000км до нескольких десятков миллионов км малоизучена. Получение новых данных в этой области позволит уточниить модель солнечной атмосферы и лучше понять природу высокой температуры спокойной короны, которая достигает миллиона градусов. • 2. Изучение корональной структуры солнечной атмосферы над Северным полюсом Солнца. Природа полярной корональной дыры. • 3. Дополнительно будет также получена информация о характере радиоизлучения полярных факелов. Это совершенно новая задача определяется интересом, вызванным работами пулковского ученого В.И.Макарова, доказывающего наличие связи пространственного распределения полярных факелов с ходом следующего максимума солнечной активности, который наступит примерно через пять лет. • Таким образом, мы надеемся, что радиоастрономические наблюдения РАТАН-600, полученные в ходе затмения Солнца 29 марта 2006г., дадут новые сведения о физической природе структур полярных образований на Северном полюсе Солнца Slide 51 Полярные корональные дыры 2 MK SOHO EIT Slide 52 1996 Fe XV 28.4 nm X-ray corona Корональная дыра на северном полюсе Солнца Yohkoh SXT 3-5 Million K Slide 53 Сканы Солнца в микроволновом диапазоне 27 марта 2006г. Slide 54 Радиокарта ССРТ на волне 5.2см в Иркутске для 27 марта 2006г Slide 55 Радиокарта на волне 1.7см Радиогелиографа в Нобеяма для 27 марта 2006г Slide 56 • Астрономические инструменты для изучения Солнца Slide 57 Very Large Array, США VLA состоит из 27-ми 25-метровых антенн, расположенных в виде буквы Y на территории в 35 км в поперечнике. Приемники на диапазон 90-0.7 см Slide 58 Сибирский Солнечный Радио Телескоп, Иркутск 128 x 2 параболических антенн диаметром 2.5 метров, расстояние между которыми 4.9, протяженность по 622.3 м Slide 59 Owens Valley Radio Observatory (OVRO) 2 чаши по 27 м и 5 по 2 м Slide 60 РАТАН-600, САО РАН, Н.Архыз Южный сектор с Перископическим отражателем + Панорамный Анализатор Спектра (ПАС) - высокая чувствительность по потоку (0.001 с.е.п.), - широкое перекрытие спектра (от 1 см до 30 см) - детальный анализ спектра (5 % ) - высокая точность измерения степени поляризации (<0.03%) Slide 61 Пик дю Миди, Франция Расположена на высоте 2877 м во Французских Пиренеях, вблизи северной оконечности горной цепи. Первое незатменное наблюдение солнечной короны Slide 62 Активность человека в космосе Slide 63 С 1973 спутники Скайлаб и Гелиос положили начало новой эры солнечных и гелиосферных исследований Slide 64 Космическая солнечная обсерватория SOHO Главные научные задачи: • Внутренние слои Солнца: какова структура и динамика? • Корона: почему она существует и как она разогревается ? • Солнечный ветер: где он ускоряется и как? • The Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) – солнечная и гелиосферная обсерватория – совместный космический проект ESA(Европейского космического агенства) и NASA. • Наблюдения Солнца с 1996. • Большинство данных доступно в Интернете в режиме реального времени! Slide 65 Моделирование затмения для РАТАН-600 Слева вверху: моделирование затмения для местоположения РАТАН-600. "Первый контакт" (то есть соприкосновение лунного диска с солнечным) произойдет около 10:00 UT, а в 12:25 UT затмение закончится. Слева внизу: моделирование изменения потока радиоизлучения в процессе затмения. Поток представлен в виде "скана", регистрируемого на РАТАН-600. Slide 66 Справа: ход лунной тени по поверхности Земли. Полоса полной фазы отмечена синим цветом. Зеленой стрелкой указано примерное местоположение радиотелескопа РАТАН-600 САО РАН и Горной Астрономической Станции Пулковской обсерватории - на Северном Кавказе, между Черным и Каспийским морями. Трейс (TRACE) - обсерватория для исследования вспышек Slide 67 Спутниковые наблюдения Солнца УФ и рентгеновский спектр Солнца были получены с 1940-х, когда Инструменты стали работать на ракетах и спутниках Скайлаб с телескопом Аполлон Slide 68 NRL V-2 ракета - USA (1946) Первые наблюдения в ЕUV. NRL V-2 ракета - USA (1949) Первые наблюдения в рентгене. Луна 1 - СССР (Январь 2, 1959) открытие солнечного ветра Спутник Йоко Инструменты: 1.Bragg Crystal Spectrometer (BCS) 2.Wide Band Spectrometer (WBS) 3. Soft X-Ray Telescope (SXT) 4. Hard X-Ray Telescope (HXT). Slide 69 (Yohkoh по японски- "луч") космическая обсеватория для изучения рентгеноского и гаммаизлучения Солнца. Запущена 31 Августа 1991 года с Кагаошима, Япония. Йоко является проектом Institute for Space and Astronautical Sciences. Спутник был построен в Японии, а в наблюдательные инструменты внесли свой вклад США и Англия. 14 декабря 2001 потеряно управление В 2002 г проект завершен. • • • Космическая погода: почему мы должны беспокоиться? Нынешняя цивилизация гораздо больше зависит от технологий, чем в 1989 Наиболее быстро растущим сектором рынка коммуникаций является спутниковое • Телевидение/радио, • Удаленный телефонный сервис, сотовые телефоны, пейджеры • Интернет, финансовый оборот Изменения в технологиях more sensitive payloads • Высокие эксплуатационные качества компонентов • Облегченный вес и низкая стоимость Человек в космосе • Больше и дольше пилотируемых полетов Slide 70 Космическая погода станет очень важной для общества в будущем. • Часть материалов взято из: • http://www.astro.wisc.edu/astro104/evolution_of_total_solar.ht m • http://www.mreclipse.com/Special/SEprimer.html • Fred Espenak's excellent eclipse site's total eclipse page • АстроКА - Солнечное затмение 29 марта 2006 года • NASA Eclipse pages: • http://umbra.nascom.nasa.gov/eclipse/20060329/text/toc.html • http://sunearth.gsfc.nasa.gov/eclipse/SEmono/TSE2006/TSE2 006.html Slide 71
