Влияние Солнца на жизнь Земли

Последние десятилетия  характеризуются необычайно быстрым  ростом знаний о Вселенной и космических  объектах. Этот рост вызван как развитием  новых возможностей наблюдения, так  и углублением и расширением  теоретических знаний. Наиболее существенным с теоретической точки зрения следует считать то обстоятельство, в полной мере уясненное лишь в недавнее время, что «изучение астрофизики и космологии все теснее смыкается с проблемами, относящимися, казалось бы, к противоположному по своим масштабам миру элементарных частиц и их взаимодействий». Это обусловлено, с одной стороны, обнаружением в космосе таких явлений, при которых вещество находится в экстремальных условиях (например, при столь высоких температурах и давлениях), которые невозможно создать в земных лабораториях. С другой - изучение развития Вселенной как целого приводит к выводу, что исходным моментом было состояние, при котором все вещество было сжато практически в точечном объеме. В настоящее время наблюдаются последствия взрыва, в результате которого возникло современное состояние материи, заполняющей Вселенную.

Что касается новых возможностей наблюдения объектов Вселенной, то их можно определить как возникновение  в течение последних 40 лет всеволновой  астрономии. Современная аппаратура позволяет изучать небесные явления не только в «классически» оптическом диапазоне волн, но также и по всему возможному спектру: в диапазонах рентгеновских, инфракрасных и гамма-лучей. Это привело к открытию многих неизвестных ранее типов объектов, таких, как пульсары, квазары и т.д. Для объяснения их свойств необходимо использовать в полном объеме современную теорию вещества с учетом таких феноменов, как сверхпроводимость и сверхтекучесть, а также теории относительности.

Космические объекты  оказывают существенное влияние  на жизнь на Земле. Среди таких космических объектов, прежде всего, следует назвать Солнце.

Целью настоящей работы является исследование влияния Солнца на жизнь Земли.

1. Современные представления  о Солнце

Солнце - небесное тело, расположенное  в центре нашей Солнечной системы. Это самая близкая к Земле звезда. Она имеет шарообразную форму и состоит из раскаленных газов. Диаметр Солнца составляет 1 млн. 392 тыс. км., что в 109 раз больше диаметра Земли. На поверхности Солнца температура около 6000оС, а в центральной его части достигает 15 млн.оС.

Солнце окружено атмосферой. Оно состоит из следующих слоев:

1)Нижние слои - фотосфера.  Их толщина - 200-300 км. Все видимое  излучение Солнца исходит из  этих слоев. В фотосфере наблюдают  пятна и факелы. Пятна состоят  из темного ядра и окружающей его полутени. Пятно может достигать в диаметре 200 тыс. км.

2)Хромосфера. Она простирается  в среднем на 14 тыс. км. над видимым  краем Солнца. Хромосфера значительно  прозрачнее фотосферы.

)Солнечная корона. Это  наиболее разряженная часть солнечной атмосферы. Ее толщина равна нескольким радиусам Солнца. Ее модно наблюдать во время полного солнечного затмения.

На краю солнечного диска  бывают видны протуберанцы. Это светящиеся разной формы образования из раскаленных  газов. Их размеры доходят до сотен тысяч километров, а средняя высота - от 30 до 50 тыс. км. Возникновение протуберанцев часто сопровождает хромосферные вспышки в области солнечных пятен. Время существования этих вспышек - от нескольких минут до часа.

Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли, а объем - в 1 млн. 304 тыс. раз. Отсюда следует, что плотность Солнца меньше плотности Земли. В основном Солнце состоит из тех же химических элементов, что и Земля, но водорода на Солнце больше, чем на Земле.

Энергия, излучаемая Солнцем, огромна. На Землю попадает лишь ничтожная ее доля. Но она в десятки тысяч раз больше, чем могли бы выработать все электростанции мира. Почти всю эту энергию излучает фотосфера.

Наблюдения за поверхностью Солнца позволили установить, что  оно вращается вокруг своей оси и полной оборот делает за 25,4 земных суток. Среднее расстояние от Земли до Солнца - 149,5 млн. км. Солнце вместе с Землей и всей Солнечной системой движется в мировом пространстве в направлении созвездия Лиры со скоростью 20 км/сек. Солнце и другие звезды удалены от нас на такие расстояния, которые обычно измеряются не километрами, а скоростью света (300 000 км/сек.). Свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин. 18 сек.

Движение Земли вокруг Солнца происходит по орбите, имеющей  приблизительно форму эллипса. Скорость движения Земли - около 30 км/сек. Полный оборот Земли завершается за 365,26 суток. Это время называется звездным годом. Ось Земли постоянно наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5о. При движении Земли вокруг Солнца ось не меняет своего положения. Поэтом каждая точка земной поверхности встречает солнечные лучи под углами, изменяющимися в течение года. В разные периоды года полушария Земли получают одновременно неодинаковое количество солнечного тепла и света, что служит причиной смены времен года. На экваторе солнечные лучи падают почти под одинаковым углом в течение всего года, поэтому времена года там мало отличаются друг от друга. Это объясняется шарообразностью нашей Земли. В умеренных же широтах времена года сильно отличаются друг от друга. Это объясняется не толь шарообразностью Земли, но и различным положением планеты в течение всего года, что определяется наклоном оси вращения Земли к орбите и влияет на изменения угла падения солнечного луча.

Двигаясь вокруг Солнца, Земля вращается одновременно вокруг своей оси с запада на восток с полным оборотом в течение звездных суток или за 23 часа 56 минут 4,0905 сек. С этим движением на Земле связана смена дня и ночи. Только на полюсе нет обычного деления времени на дни и ночи, т. к. около полугода Солнце там не опускается за горизонт и столько же - не выходит. Только осенью и весной в этих широтах возможно наблюдать смену дня и ночи.

2. Роль Солнца в  жизни Земли. Солнечный ветер  и солнечная радиация

Солнце играет очень  большую роль в жизни нашей планеты. Оно источник света и тепла на Земле. Испарение воды, выпадение осадков, течение рек, бури, грозы, засуши и все другие явления, обусловливающие климат и погоду на Земле, зависят от нагревания Земли Солнцем и изменяются в зависимости от изменений, происходящих на Солнце.

Так, по В.И. Вернадскому, самая существенная особенность  биосферы - это биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся  в процессе обмена веществ, росте  и размножении организмов.

К своеобразной разновидности  круговоротов в биосфере относятся  ее ритмические изменения. Ритмикой называется повторяемость во времени  комплекса процессов, которые каждый раз развиваются в одном направлении. При этом различают две ее формы: периодическую - это ритмы одинаковой длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую - ритмы переменной длительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих процессах: тектонических, осадко-накоплении, климатических, биологических и многих других. Ритмы бывают различной продолжительности: геологические, вековые, внутривековые, годовые, суточные и т.д.

Некоторые ритмы связаны  с неравномерным облучением Земли  в связи с ее движением вокруг Солнца. Изменение времени наступления  равноденствий, наклона оси вращения к эклиптике и эксцентриситета земной орбиты соответствует периодам около 21 000 лет, 40000 лет и около 92000 лет. Эти периоды, выделенные югославским ученым М. Миланковичем, могли служить причиной климатических колебаний.

Солнечная радиация - поступающая на Землю энергия солнечного излучения в виде потока электромагнитных волн. Солнце излучает вокруг мощное электромагнитное излучение. Всего одна двухмиллиардная его доля попадает в верхние слои атмосферы Земли, но и она составляет огромное число калорий в минуту.

Далеко не весь энергетический поток достигает поверхности  Земли. Большая его часть отбрасывается  планетой в мировое пространство. Земля отражает атаку тех лучей, которые губительны для живого вещества планеты. На дальнейшем пути к Земле солнечные лучи встречают препятствие в виде наполняющих атмосферу водяного пара, молекул углекислого газа и частичек пыли, взвешенных в воздухе. Атмосферный «фильтр» поглощает значительную часть лучей, рассеивает их, отражает. Особенно велика отражательная способность облаков. В результате непосредственно земная поверхность получает лишь 2/3 той радиации, которая пропускается озоновым экраном, но и из этой части многое отражается в соответствии с отражательной способностью различных поверхностей.

На всю поверхность Земли поступает чуть более 100 тыс. калорий на 1см2 в минуту. Эта радиация поглощается растительностью, почвой, поверхностью морей и океанов. Она превращается в тепло, которое расходуется на прогревание слоев атмосферы, движение воздушных и водных масс, на создание всего великого разнообразия форм жизни на Земле.

Солнечная радиация поступает  на земную поверхность различными путями:

1)прямая радиация: поступление  радиации непосредственно от  Солнца, если оно не закрыто  облаками;

2)рассеянная радиация: поступление радиации от небесного свода или облаков, рассеивающих солнечные лучи;

)тепловая радиация: поступление  радиации происходит от атмосферы,  нагревшейся в результате воздействия  радиации.

Прямая и рассеянная радиация поступает только днем и вместе они составляют суммарную радиацию. Та солнечная радиация, которая остается после потери на отражение от поверхности, называется поглощенной. Солнечную радиацию измеряют актинометром.

Космические лучи - поток частиц высоких  энергий, со всех сторон падающий на Землю. Ядерные реакции в высоких слоях атмосферы вызваны космическими лучами отнюдь не солнечного, а галактического происхождения. И тем не менее, интенсивность этих космических лучей связана с солнечной активностью: чем больше пятен на Солнце, тем слабее поток космических лучей. Эта связь осуществляется солнечным ветром.

Солнечный ветер на расстоянии порядка 1013 м, т. е. на расстоянии примерно полусотни  радиусов земной орбиты, сжимает силовые  линии галактических магнитных  полей. Космические лучи распространяются в основном вдоль магнитного поля. Только наиболее энергичные частицы космических лучей Галактики могут проникнуть вглубь этого магнитного пузырька вокруг Солнца. Расстояние до его границы солнечный ветер проходит за полгода - год. При спокойном Солнце солнечный ветер слабее, граница солнечной магнитосферы придвигается ближе и становится менее плотной. В результате растет интенсивность космических лучей, достигающих Земли, и доля 14С в атмосферной углекислоте.

Тепловое излучение Солнца постоянно. Солнечная активность изменяет только коротковолновую, нетепловую часть излучения при длинах волн, меньших 100 нм. На эту область, однако, приходится менее 1 % всей светимости Солнца. Коротковолновая часть солнечного излучения не проникает через верхние слои земной атмосферы. Поэтому солнечная активность практически не меняет тепловой поток, приходящий к нашей планете, почти не сказывается на погоде Земли. Переменное коротковолновое излучение Солнца существенно изменяет состояние только самой внешней оболочки земной атмосферы.

И ветры, и течения вызваны падающим на Землю излучением Солнца. Оно  дает энергию движениям атмосферы  и океана. Эта энергия диссипируется, переходит в тепло, при этом действительно  возникают силы трения. Однако эти  силы - внутренние. Для каждой такой силы, замедляющей вращение планеты, по третьему закону Ньютона найдется равная и противоположно направленная сила, ускоряющая вращение Земли. Суммарный момент всех внутренних сил равен нулю. Солнечное излучение не изменяет момента количества движения Земли - ветры и течения в среднем не замедляют Землю и не ускоряют ее.

. Магнитные бури и их влияние  на биосферу. Идеи Чижевского  о пульсации Вселенной и Солнца

Магнитные бури возникают под действием потоков солнечного ветра, интенсивность которых зависит от состояния нашего светила.

Солнце, как и Земля, обладает магнитным полем. На поверхности  Солнца средняя величина магнитного поля оценивается в 1- 2 эрстед, т.е. в 2-4 раза выше земного. Напряженность магнитных полей солнечных пятен достигает более высоких значений: обычно 20-30 эрстед, а иногда и 3000 эрстед. Такая высокая напряженность магнитного поля внутри пятен приводит к снижению их излучатель ной способности. Магнетизм в группе больших пятен противоположен по знаку. Силовые линии выходят из одного такого пятна и замыкаются в другом. С противоположной стороны замыкание силовых линий происходит во внутренних областях Солнца. Сильное магнитное поле под пятнами снижает их температуру с 6000 до 4500 К. Вынос горячих масс плазмы из внутренних недр светила происходит в светлых областях солнечной поверхности. Появление максимума солнечных пятен связано с 11-летней цикличностью. Последний максимум такого цикла наблюдался в начале 1991 года. Нарастание максимума происходит 4,3 года, а спад - 6,7 года. С периодом 11 лет связана инверсия магнитного поля Солнца. В итоге полный цикл изменения его намагниченности происходит с полным периодом в 22 года. Изучая глинистые слои, исследователи установили, что и 700 миллионов лет назад проявлялся 11-летний цикл в солнечной деятельности.

С 11-летней цикличностью Солнца связан целый ряд явлений  в атмосфере, гидросфере, литосфере  и биосфере Земли. Эта периодичность  четко увязывается с чередованием засух и наводнений на планете, отмечается в строении годичных колец деревьев, нарастании слоев целого ряда минералов (кальцитовых сталактитов, целестинов и т.д.), в напластовании песчано-глинистых осадков различных геологических эпох и т.д.

В изменениях солнечной активности обнаруживаются и короткопериодические циклы: 3-, 5- и 7-8-летние, а также длиннопериодные: 90-180-летние и др. Однако физическая природа всех этих циклов весьма слабо изучена.

В солнечную плазму «вморожено»  магнитное поле, которое вытягивается из его короны в космическое пространство в виде волокон или струй. Вращение Солнца вокруг своей оси ведет к закручиванию линий в так называемую спираль Архимеда. Возникает 4 магнитных сектора. Направление магнитных полей в секторах взаимопротивоположно - в одном секторе оно направлено к Солнцу, а в другом - от Солнца. При вращении светила за один оборот (27 суток) тоновый слой 4 раза пересекает Землю, что ведет к изменению полярности внешнего магнитного поля также в 4 раза. Потоки плазмы (солнечного ветра) располагаются вдоль силовых линий Солнца. Наиболее мощные потоки частиц солнечного ветра вырываются из района полюсов светила, т.е. в тех его местах, где не замкнуты его магнитные силовые линии.