Мониторинг 24 цикла солнечной активности

ГОУ СОШ № 844
Западного округа г. Москвы
Мониторинг солнечной активности. Комета
2010 года по наблюдениям с космической
орбитальной обсерватории SOHO
Работа
учащихся 10 класса
Зуева Антона
Ганичевой Анны
Научный консультант:
учитель астрономии Гомулина Наталья Николаевна,
канд. пед.наук, член-корр. АИО
Научный руководитель:
Учитель физики Тимакина Елена Сергеевна
Москва, 2010 год
Содержание
Введение
I. Солнечная активность
II. Мониторинг 24 цикла солнечной активности
III.
Кометы Крейца
IV.
Анализ орбитального движения кометы 2010.
Заключение
Литература
Приложение
Введение
Совместно с Московской гимназией на Юго-Западе № 1543, наша
школа № 844 проводила мониторинг солнечной активности по наблюдениям
с космической солнечной обсерватории SOHO.
Мониторинг
солнечной
активности
важен
для
практических
приложений в области прогноза и предупреждения об опасных явлениях в
околоземном космическом пространстве и в атмосфере Земли. Солнечная
активность оказывает влияние на самые разные сферы жизни на Земле,
поэтому исследованию и прогнозированию солнечной активности должно
уделяться большое внимание.
Солнечная активность – это совокупность активных образований
(пятен, протуберанцев и т.п.) и нестационарных динамических явлений
(вспышек, всплывающих магнитных потоков) в солнечной атмосфере.
Каждое из этих явлений оказывает свое влияние на Землю.
В процессе постоянного мониторинга по наблюдениям с приборов
LASCO-2 и LASCO-3,
солнечной
короны
которые постоянно регистрируют изображения
возможно
найти
кометы,
которые
ранее
не
регистрировались.
Была
выдвинута
гипотеза:
если
проанализировать
данные
с
космической солнечной обсерватории SOHO, полученные за последние 2
года, можно зарегистрировать достаточно точное начало 24 цикла солнечной
активности,
получить данные об особенностях нового цикла солнечной
активности.
Исходя из сформулированной гипотезы, для достижения цели
исследования, были поставлены следующие задачи:
1. Проведение
анализа
соответствующей
научной
посвященных проблемам солнечной активности.
литературы,
2. Изучение фотографий солнечной активности по данным с космической
обсерватории SOHO, в частности полученные с приборов LASCO-2 и
LASCO-3 .
3. Выявление особенностей 24 цикла солнечной активности по данным о
числе Вольфа, сравнение данных о числе W с данными о числах W
предыдущих циклов солнечной активности.
Методы решения задач.
1. Проведение
мониторинга
солнечной
активности
методом
наблюдений с космической солнечной обсерватории SOHO.
2. Выявление особенностей течения 24 цикла солнечной активности.
I. Солнечная активность
Солнечная активность – это совокупность активных образований (пятен,
протуберанцев и т.п.) и нестационарных динамических явлений (вспышек,
всплывающих магнитных потоков, корональных выбросов массы (КВМ) в
солнечной атмосфере. Каждое из этих явлений оказывает свое влияние на
Землю.
Солнечными пятнами на Солнце называются активные образования в
фотосфере
Солнца,
обусловленные
всплыванием
силовой
трубки
концентрированного магнитного поля. Солнечные пятна появляются в виде
очень маленьких пор, часть которых быстро развиваются в темные
образования - тень пятна с яркостью раз в 10 меньшей, чем у окружающей
фотосферы, размер несколько десятков тыс.км. Солнечные пятна – это
относительно холодная область в фотосфере Солнца (T = 4500 K), которая
выглядит как темные образования на фоне более горячей фотосферы (T =
5800 K). У хорошо развитого пятна выделяется более темная центральная
часть («тень») и менее темная периферия («полутень»), состоящая из
радиально ориентированных волокон разной яркости.
Вспышки – одна из важнейших форм проявления солнечной
активности,
вызванная
возникновением
неустойчивой
конфигурации
магнитного поля в активной области. Вспышки наблюдаются в виде
внезапного увеличения яркости солнечной хромосферы, а во время наиболее
мощных событий в фотосфере Солнца. Вспышки появляются в хромосфере
Солнца очень быстро, всего за несколько минут и охватывают все слои
солнечной атмосферы, проявляясь как сильное уярчение небольшой части
солнечного диска. Вспышки возникают в хромосфере Солнца, когда имеются
большие группы пятен и они похожи на огромные взрывы, длящиеся всего
лишь несколько минут. За несколько минут в маленькой области
высвобождается энергия порядка 100 000 миллиардов кВт/час. Это можно
сравнить по мощности с количеством энергии, которое поступает от Солнца
на Землю в год!
Протуберанцы
-
крупные
образования
в
атмосфере
Солнца,
отличающиеся от окружающего их вещества повышенной плотностью и
пониженной температурой, это наиболее заметные проявления солнечной
активности.
Крупные протуберанцы в 1998 – 2001 гг.
II. Мониторинг 24 цикла солнечной активности
В 24 цикле солнечной активности это можно продемонстрировать на
основании наблюдений:
Появление
активной
области
на Появление
активной
области.
14
Солнце 14 декабря 2009 года в 0 декабря 2009 года. 22 часа 24 минуты
часов
Развитие активной области на Солнце
Активная область 17 декабря 2009 Появление активной области Солнца
года в 16 часов 00 минут
после поворота 10 января 2010 г. 3
часа 14 минут
Мониторинг Солнца включает в себя и наблюдения с приборов
LASCO-2 и LASCO-3 космической солнечной обсерватории SOHO.
Адрес наблюдений: http://sohowww.nascom.nasa.gov/home.html
Наблюдения с LASCO-2
Наблюдения с LASCO-3. Справа –
планета Юпитер
Крупных протуберанцев в 2009-2010 гг не наблюдалось.
Наблюдения с SOHO, декабрь 2009 года
В процессе мониторинга солнечной активности были выявлены два
события, никак не связанные с солнечной активностью, но важные для
астрономии:
1. Появление на изображениях приборов LASCO-2 и LASCO-3 планеты
Венеры.
2. Обнаружение кометы, «сгоревшей» в атмосфере Солнца.
Нас заинтересовало явление падение кометы на Солнце, поэтому
дальнейшее исследование мы провели именно этого вопроса.
Околосолнечные кометы Крейца – это семейство комет, которые
подлетают к Солнцу на достаточно близкие расстояния. Они названы в честь
астронома Генриха Крейца, который впервые показал их взаимосвязь между
собой.
Нас заинтересовал вопрос, является ли комета 2010 года кометой
Крейца, то есть частью одной большой кометы или нет?
Комета 3 января 2010 года
Комета 3 января 2010 года
9 часов 54 мин
11 часов 30 мин
III.
Кометы Крейца
Яркие кометы (хвостатые звёзды) издавна привлекали внимание людей,
внушая многим из них суеверный ужас. Вид комет меняется по мере
приближения к Солнцу. Вдали от Солнца комета видна как слабое туманное
пятнышко, которое перемещается на фоне звёздного неба. Постепенно у
кометы развивается хвост, почти всегда направленный от Солнца.
"Основа" любой кометы - ее ядро - огромный ком космической пыли,
камней, замерзших газов и сложных химических соединений, накрепко
спаянных космическим холодом. Его размеры по космическим масштабам
просто ничтожны - километры или десятки километров. Массы комет
невелики: они не превышают одной миллионной доли массы Земли.
Предполагается,
что
на
больших
расстояниях
от
Солнца,
кометы
представляют собой голые ядра, т.е. глыбы твердого вещества, состоящего из
обыкновенного водяного льда и льда из метана и аммиака. В лед вморожены
каменные и металлические пылинки и песчинки. При приближении к Солнцу
этот очень грязный лед начинает испаряться, создавая вокруг ядра огромную
газопылевую оболочку. Под действием давления солнечного света часть
газов оболочки отталкивается в сторону, противоположную Солнцу, образуя
хвост. У некоторых комет эти процессы протекают настолько интенсивно,
что оболочка и хвост достигают чудовищных размеров. Так, например,
диаметр оболочки сверх гигантской кометы Холмса в 1882 году был равен
1,5 миллиона километров, а длина ее хвоста достигала 300 миллионов
километров!
Плотность и комы, и особенно хвоста, чрезвычайно мала. Хвост у
кометы бывает прямой или изогнутый и направлен от ядра в сторону,
противоположную Солнцу. Поэтому когда комета из межпланетного
пространства приближается к нашему светилу, то движется она головой
вперед, как всякое создание, имеющее голову и хвост. А вот когда, обогнув
Солнце, комета удаляется от него, то хвост движется впереди головы. Голова
и хвост кометы светятся: пылевые частицы просто отражают свет Солнца, а
атомы молекул и газов переизлучают поглощенные ими кванты солнечного
света.
За обозримое прошлое человечества было открыто много комет.
Каждая из них имеет свои особенности. На первых порах серьезного
изучения комет никому не приходила в голову мысль, что они принадлежат
Солнечной системе. Раньше предполагалось, что таинственные небесные
странницы приходят к нам из далеких безвестных глубин межзвездного
пространства, совершая удивительное "паломничество". Они подходят к
Солнцу на расстояние в несколько десятков или сотен миллионов
километров, "приветствуют" его и затем пускаются в обратный путь. При
этом, чем дальше кометы уходили от Солнца, тем сильнее ослабевал их
блеск, пока совсем не пропадал. Так заканчивался каждый вояж. Куда
направлялись таинственные визитеры: искать ли другие солнца, или
возвращались в какой-то давно обжитый "дом", скрытый от нашего взора
далекими километрами космических расстояний? Долгое время это
оставалось загадкой. Большинство астрономов предполагали, что каждая
комета приходит к Солнцу лишь один раз и затем навсегда покидает его
окрестности.
Кометы, которые нам удается наблюдать, приходят к нам с далеких
окраин Солнечной системы. По сегодняшним представлениям более 100
миллиардов кометных ядер населяют эти окраины, которые отстоят от Земли
в 10 тысяч раз дальше, чем Солнце. Есть предположение, что кометные ядра
образовались в одно время со всей Солнечной системой и поэтому могут
являть собой образцы того первичного вещества, из которого впоследствии
образовались планеты и их спутники. Свои первозданные свойства ядра
могли сохранить благодаря своему "постоянному месту" вдали от Солнца и
больших планет, оказывающих огромное влияние на ближайшее окружение.
Кометами Крейца называется семейство околосолнечных комет.
Установлено,
что
размеры
основной
массы
околосолнечных
комет
чрезвычайно малы. Даже самые яркие кометы, зарегистрированные SOHO,
не превышают нескольких десятков метров в диаметре.
Для сравнения, диаметр Солнца –
1 390 000 000 метров, кометы
Хейла –Боппа – 40 000 метров, а кометы Галлея – около 10 000. Открытые за
последние годы кометы из этого семейства были видны всего несколько
минут, после чего навсегда исчезали. Считанные единицы были открыты с
Земли и наблюдались на протяжении нескольких дней, однако близость к
Солнцу и неблагоприятные погодные условия также не позволили провести
подробный химический анализ данных комет. Из всего семейства Крейца
лучшие условия для изучения представились для двух комет: Большой
сентябрьской 1882 года, и Икея–Секи в 1965, Хякутакэ (1996), Хейли- Боппа
(1997) и Макнота (2007).
Комета Хейли-Боппа
Комета Хякутакэ
Комета Мак-Нота
Перигелий кометы Мак Нота Q = 0,17 а.е. лежит внутри орбиты Меркурия
(а=0,4 а.е.)
Рисунок. Изображение кометы Крейца и Солнца по наблюдениям с SOHO.
Комета Мак Нота 14 января 2007 года. Орбитальная обсерватория SOHO.
Наблюдения учащихся гимназии № 1543.
IV.
Анализ орбитального движения кометы 2010 года
Для выяснения возможных особенностей орбиты кометы была
поставлена задача определения скорость кометы по изображениям.
По формуле S=v/t можно определить примерную скорость кометы.
По наблюдениям, t = 5 часов 12 минут = 18720 сек.
По наблюдениям S можно считать прямой линией, которая равна 57
мм, с учетом того, что диаметр Солнца (белый кружок) 22 мм. Диаметр
Солнца 1390000 км.
Отсюда
скорость кометы 192 км/с, что превышает третью
космическую скорость. 3-ю космическую скорость обычно определяют как
параболическую при M = M
(масса Солнца) и R = 1 а.е. (радиус орбиты
Земли), получая значение V3 = 42 км/с.
4-й космическая скорость (тело покидает орбиту Солнца в нашей
Галактике) примерно равна 220 км/с.
Таким образом, данная комета принадлежит к семейству комет Крейца,
имеет параболическую скорость и является кометой из облака Оорта.
Заключение
Были получены результаты реальных наблюдений за Солнцем, которые
нельзя было предсказать заранее. Ценность научных данных ясна – это
получение научных изображений Солнца и падения кометы 2010 года на
Солнце с орбитальной обсерватории с космической обсерватории SOHO.
По результатам наблюдений был сделан фильм.
Результаты можно использовать в образовательных целях при
обучении астрономии в школах и вузах.
Литература:
1. Астронет http://www.astronet.ru
2. Засов А.В., Кононович Э.В. Астрономия 11 класс. Просвещение. 2001.
3. Ишков В.Н. Кононович Э.В. Солнечная активность. . Вселенная и мы.
№ 1. http://www.astronet.ru/db/msg/1187676
4. Ишков В.Н. Солнечная активность в конце 1993 года. Вселенная и мы.
№ 2. http://www.astronet.ru/db/msg/1187438
5. Ишков В.Н. Солнце в текущем 23-м цикле солнечной активности.
Вселенная и мы. № 4. С 77 – 79.
6. Кононович Э.В., В.И. Мороз. Общий курс астрономии. М., УРСС, 2001.
7. Кочаров Г.Е. О загадках Солнца. http://www.astronet.ru/db/msg/1171341
8. Миттон С. Миттон Ж. Астрономия. Росмэн, 1998.
9. Орбитальная обсерватория SOHO http://sohowww.nascom.nasa.gov/
10.Солнечная погода. SEC Space Weather Operations
http://www.sec.noaa.gov/solar_sites.html
11.Солнечная погода. Обсерватория SOHO.
http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/realtime-images.html
12. Солнечное обозрение http://www.chat.ru/~aryback/
Приложение
Приборы, функционирующие на орбитальной обсерватории SOHO:












CDS (Coronal Diagnostic Spectrometer)
o CDS from Rutherford Appleton Laboratory, United Kingdom.
CELIAS (Charge, Element, and Isotope Analysis System)
o CELIAS from the Universität Bern, in Switzerland.
COSTEP (Comprehensive Suprathermal and Energetic Particle Analyzer)
o COSTEP from the University of Kiel, Germany (in German).
EIT (Extreme ultraviolet Imaging Telescope)
o EIT from the NASA/Goddard Space Flight Center, USA.
ERNE (Energetic and Relativistic Nuclei and Electron experiment)
o ERNE from the University of Turku, in Finland.
GOLF (Global Oscillations at Low Frequencies)
o GOLF from the Institut d'Astrophysique Spatiale, France.
LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph)
o LASCO 2 from the Naval Research Laboratory, USA.
o LASCO 3 from the Max-Planck-Institut für Aeronomie, Germany.
MDI/SOI (Michelson Doppler Imager/Solar Oscillations Investigation)
o MDI/SOI from Stanford University, USA.
SUMER (Solar Ultraviolet Measurements of Emitted Radiation)
o SUMER from the Max Planck Institute for Solar System Research,
Germany.
o SUMER from GSFC, USA.
SWAN (Solar Wind Anisotropies)
o SWAN from FMI, Finland.
o SWAN from Service d'Aeronomie, France (in French).
UVCS (Ultraviolet Coronagraph Spectrometer)
o UVCS from Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA.
VIRGO (Variability of Solar Irradiance and Gravity Oscillations)
o VIRGO from the Institut d'Astrophysique Spatiale, France