Определение числа Вольфа солнечной активности


Министерство образования и науки, молодежи Республики Крым
Малая академия наук «Искатель»
Отделение: физика и астрономия
Секция: астрономия и астрофизика
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ВОЛЬФА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
Работу выполнила:
Сердюк Алина Александровна,
ученица 10 класса муниципального
общеобразовательного учреждения
«Стальновская школа»
Джанкойский район
Научный руководитель:
Ермакова Марина Сергеевна
учитель физики муниципального
общеобразовательного учреждения
«Стальновская школа»
Джанкойский район
Джанкойский район - 2015
ТЕЗИСЫ
«Определение числа Вольфа солнечной активности»
Сердюк Алина Александровна, МОУ«Стальновская школа», 10 класс, с.Стальное. Ермакова Марина Сергеевна, учитель физики МОУ «Стальновская школа»
Актуальность работы: солнечная активность влияет на магнитное поле Земли и ее атмосферу, порождая различные явления, воздействуя на животный и растительный мир, провоцируя вспышки рождаемости разных видов животных и насекомых, а также заболевания людей и число ДТП.
Цель работы: экспериментальное наблюдение солнечных пятен и расчет среднемесячного числа Вольфа .Задачи работы:
Провести наблюдения и анализ солнечных пятен, метеопрогнозов и прогнозов магнитных бурь (полярных сияний) в период июнь – сентябрь 2015 года
Сравнить значения чисел Вольфа, полученных с помощью наблюдений школьного телескопа и наблюдений солнечной обсерватории «Тесис»
Установить взаимосвязь между проявлениями солнечной активности
(солнечных пятен) и количеством, силой магнитных бурь (полярных сияний)
На основе анализа научной литературы по данному вопросу были определены основные проявления солнечной активности и их влияние на магнитосферу Земли. В результате проведенного исследования было рассчитано число Вольфа за установленный период наблюдения, проведено сравнение числа Вольфа, определенного экспериментально, и взятого из официального источника (обсерватория «Тесис»). Относительная погрешность измерений не превышает 40%, что соответствует требованию к точности эксперимента и достоверности полученного результата. Установлено, что наибольшее число Вольфа наблюдалось в июне 2015 года Wср.эксп.= 53,93 и соответственно наибольшее число магнитных бурь класса G3,G4 наблюдалось в июне 2015 года .
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………4
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
РАЗДЕЛ 1
1.1. Строение и физические характеристики Солнца ……………….6
1.2. Солнечная активность и формы ее появления…………………….12
1.3. Число Вольфа солнечной активности …………………………….17
1.4. Шкала силы магнитных бурь……………………………………….19
РАЗДЕЛ 2
2.1. Описание методов и приборов исследования………………………22
2.2. Результаты и анализ исследования…………………………………23

ВЫВОДЫ………………………………………………………………………..26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………..28
ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………....30
ВВЕДЕНИЕ
Солнце — единственная звезда Солнечной системы. Вокруг Солнца обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеориты, кометы и космическая пыль. Масса Солнца составляет 99,86 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Радиус Солнца составляет 696 тыс. км, что в 109 раз превышает радиус Земли, причём полярный и экваториальный диаметры различаются не более, чем на 10 км. Соответственно, объём Солнца превышает земной в 1,3 миллиона раз. Масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли. Средняя плотность Солнца невелика — всего 1,4 г/см3, хотя в центре она достигает 150 г/см3. Ежесекундно Солнце излучает 3,84 × 10^26 Дж энергии, что в масс-энергетическом эквиваленте соответствует потере массы 4,26 миллионов тонн в секунду. Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (свет необходим для начальных стадий фотосинтеза), определяет климат. Влияние Солнца на Землю не исчерпывается только орбитальным движением Земли и ее вращением вокруг своей оси. У Солнца есть собственная «жизнь», называемая солнечной активностью: раскаленная масса Солнца находится в непрерывном движении, которое порождает пятна и факелы, меняет силу и направление солнечного ветра. На эту солнечную жизнь сразу реагирует магнитное поле Земли и ее атмосфера, порождая различные явления, воздействуя на животный и растительный мир, провоцируя вспышки рождаемости разных видов животных и насекомых, а также заболевания людей.
ОБЪЕКТ: Солнце – звезда Солнечной системы
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: солнечная активность
ЦЕЛЬ: экспериментальное определение числа Вольфа
ЗАДАЧИ:
Изучить проявления солнечной активности
Экспериментально с помощью телескопа провести наблюдения Солнца и солнечных пятен, рассчитать число Вольфа солнечной активности
Параллельно с наблюдениями провести анализ метеорологических прогнозов и прогнозов магнитных бурь (полярных сияний)
Провести сравнение полученных значений числа Вольфа и наблюдаемых погодных условий
Установить взаимосвязь между проявлениями солнечной активности (солнечных пятен) и частотой наблюдений и силой магнитных бурь (полярных сияний )ГИПОТЕЗА: появление пятен на Солнце приводит к выбросу солнечного вещества в космическое пространство, вследствие чего к Земле устремляется солнечный ветер, который вызывает деформацию магнитосферы Земли (магнитную бурю). Магнитная буря класса G3 вызывает появление полярных сияний не только на полярном круге, но и средних широтах
АКТУАЛЬНОСТЬ: магнитные бури как результат (следствие) солнечной активности вызывает не только полярные сияния на широтах (до 50 градусов), но и воздействует на сердечно – сосудистую, нервную систему человека, влияет на количество ДТП.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: анализ, синтез, сравнение, обобщение, экспериментальное наблюдение солнечных пятен и математический расчет числа Вольфа солнечной активности
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:
Результаты данной работы могут быть использованы в школьном курсе при изучении астрономии, при подготовке внеклассных мероприятий , предметных недель по физике и астрономии, географии и биологии.
РАЗДЕЛ 1
1.1.1. Физические характеристики Солнца
Расстояние до Солнца: 149.6 млн. км = 1.496· 1011 м = 8.31 световая минута
Масса Солнца: 1.989 · 1030 кг = 333 000 масс Земли
Радиус Солнца: 695 990 км или 109 радиусов Земли
Светимость Солнца: 3.846 · 1033 эрг/сек
Температура поверхности Солнца: 5770 К
Плотность плазмы на поверхности Солнца: 2.07 · 10-7 г/см3 = 0.00016 плотности воздуха
Химический состав на поверхности: 70% водорода (H), 28% гелия (He), 2% остальных элементов (C, N, O, ...) по массе
Температура в центре Солнца: 15 600 000 К
Плотность плазмы в центре Солнца: 150 г/см3 (в 8 раз больше плотности золота)
Химический состав в центре Солнца: 35% водорода (H), 63% гелия (He), 2% остальных элементов (C, N, O, ...) по массе
Ускорение свободного падения на Солнце: 274 м/с2 (в 27.9 раз больше, чем на поверхности Земли)
Вторая космическая скорость на Солнце: 618 км/с
Угловое расстояние Солнца на небе: 0.5 градуса (30 угловых минут)
Звездная величина Солнца: -26.7m
Абсолютная звездная величина Солнца: +4.83m
Скорость вращения на экваторе: 1 оборот за 25 суток
Скорость вращения на полюсах: 1 оборот за 30 суток
Наклон оси вращения Солнца: 82° 45' к плоскости земной орбиты
Возраст Солнца: 4.57 миллиардов лет
По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000 К. Поэтому Солнце светит почти белым светом, но прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли (при ясном небе, вместе с голубым рассеянным светом от неба, солнечный свет вновь даёт белое освещение).
Солнечный спектр содержит линии ионизированных и нейтральных металлов, а также водорода и гелия. В нашей галактике Млечный Путь насчитывается свыше 100 миллиардов звёзд. При этом 85 % звёзд нашей галактики — это звёзды, менее яркие, чем Солнце (в большинстве своём красные карлики). Как и все звёзды главной последовательности, Солнце вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза. В случае Солнца подавляющая часть энергии вырабатывается при синтезе гелия из водорода.
Удалённость Солнца от Земли — 149 597 900 км — приблизительно равна астрономической единице, а видимый угловой диаметр при наблюдении с Земли, как и у Луны, — чуть больше полградуса (31–32 минуты). Солнце находится на расстоянии около 28 000 световых лет от центра Млечного Пути и вращается вокруг него, делая один оборот более чем за 200 миллионов лет. Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с — таким образом, оно проходит один световой год за 1400 земных лет, а одну астрономическую единицу — за 8 земных суток.
В настоящее время Солнце находится во внутреннем крае рукава Ориона нашей Галактики, между рукавом Персея и рукавом Стрельца, в так называемом «Местном межзвёздном облаке» — области повышенной плотности. Солнце является четвёртой по яркости звездой (его абсолютная звёздная величина +4,83m).3 1.1. 2. Строение солнца.
1.1.2.1. Солнечное ядро
Центральная часть Солнца с радиусом примерно 150–175 тыс. км (т.е. 20–25 % от радиуса Солнца), в которой идут термоядерные реакции, называется солнечным ядром.(Рис.1.1) Плотность вещества в ядре составляет примерно 150 000 кг/м³ (в 150 раз выше плотности воды и в ~6,6 раз выше плотности самого плотного металла на Земле — осмия), а температура в центре ядра — более 14 млн. К. В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в излучение превращаются 4,26 млн. тонн вещества, однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца — 2·1027тонн.
Ядро — единственное место на Солнце, в котором энергия и тепло получается от термоядерной реакции, остальная часть звезды нагрета этой энергией. Вся энергия ядра последовательно проходит сквозь слои, вплоть до фотосферы, с которой излучается в виде солнечного света и HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F" \o "Кинетическая энергия"кинетической энергии3.
.
Рис.1.1 Внутреннее строение Солнца
1.1.2.2. Зона лучистого переноса
Над ядром, на расстояниях примерно от 0,2–0,25 до 0,7 радиуса Солнца от его центра, находится зона лучистого переноса. (Рис.1.1) В этой зоне перенос энергии происходит главным образом с помощью излучения и поглощения фотонов. При этом направление каждого конкретного фотона, излучённого слоем плазмы, никак не зависит от того, какие фотоны плазмой поглощались, поэтому он может как проникнуть в следующий слой плазмы в лучистой зоне, так и переместиться назад, в нижние слои. Из-за этого промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет для Солнца 170 тыс. лет.
Перепад температур в данной зоне составляет от 2 млн. К на поверхности до 7 млн. К в глубине. Плотность вещества в данной зоне колеблется от 0,2 (на поверхности) до 20 (в глубине) плотностей воды.3,61.1.2.3. Конвективная зона Солнца
Ближе к поверхности Солнца температуры и плотности вещества уже недостаточно для полного переноса энергии путём переизлучения. Возникает вихревое перемешивание плазмы, и перенос энергии к поверхности (фотосфере) совершается преимущественно движениями самого вещества. С одной стороны, вещество фотосферы, охлаждаясь на поверхности, погружается вглубь конвективной зоны. (Рис.1.1) С другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны лучевого переноса и поднимается наверх, причём оба процесса идут со значительной скоростью. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца толщиной примерно 200 000 км, где она происходит, — конвективной зоной. По мере приближения к поверхности температура падает в среднем до 5800 К, а плотность газа до менее 1/1000 плотности земного воздуха.
По современным данным, роль конвективной зоны в физике солнечных процессов исключительно велика, так как именно в ней зарождаются разнообразные движения солнечного вещества  3.
1.1.2.4. Атмосфера Солнца
1.1.2.4.1. Фотосфера
Фотосфера (слой, излучающий свет) образует видимую поверхность Солнца. Её толщина соответствует оптической толщине приблизительно в 2/3 единиц. В абсолютных величинах фотосфера достигает толщины, по разным оценкам, от 100 до 400 км. (Рис.1.1) Из фотосферы исходит основная часть оптического (видимого) излучения Солнца, излучение же из более глубоких слоёв до нас уже не доходит. Температура по мере приближения к внешнему краю фотосферы уменьшается с 6600 К до 4400 К. Эффективная температура фотосферы в целом составляет 5778 К. Она может быть рассчитана по закону Стефана — Больцмана, согласно которому мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна четвёртой степени температуры тела. Водород при таких условиях сохраняется почти полностью в нейтральном состоянии. Фотосфера образует видимую поверхность Солнца, по которой определяются размеры Солнца, расстояние от Солнца и т. д. . Так как газ в фотосфере является относительно разреженным, то скорость его вращения много меньше скорости вращения твёрдых тел. При этом газ в экваториальной и полярных областях, движется неравномерно — на экваторе он делает оборот за 24 дня, на полюсах — за 30 дней.3,6
1.1.2.4.2. Хромосфера
Хромосфера (от др.-греч. χρομα — цвет, σφαίρα — шар, сфера) — внешняя оболочка Солнца толщиной около 2000 км, окружающая фотосферу. (Рис.1.1)
Происхождение названия этой части солнечной атмосферы связано с её красноватым цветом, вызванным тем, что в видимом спектре хромосферы доминирует красная H-альфа линия излучения водорода из серии Бальмера. Верхняя граница хромосферы не имеет выраженной гладкой поверхности, из неё постоянно происходят горячие выбросы, называемые  HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8B" \o "Спикулы" спикулами. Число спикул, наблюдаемых одновременно, составляет в среднем 60–70 тыс. Из-за этого в конце XIX века итальянский астроном  HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B5%D0%BA%D0%BA%D0%B8,_%D0%90%D0%BD%D0%B4%D0%B6%D0%B5%D0%BB%D0%BE" \o "Секки, Анджело" Секки, наблюдая хромосферу в телескоп, сравнил её с горящими прериями. Температура хромосферы увеличивается с высотой от 4000 до 20 000 К (область температур больше 10 000 К относительно невелика) 3.
1.1.2.4.3. Корона

Рис.1.2 Солнечная корона во время солнечного затмения 2003 года
Корона — последняя внешняя оболочка Солнца. (Рис.1.2)
Корона в основном состоит из протуберанцев и энергетических извержений, исходящих и извергающихся на несколько сотен тысяч и даже более миллиона километров в пространство, образуя солнечный ветер. Средняя корональная температура составляет от 1 до 2 млн.  К, а максимальная, в отдельных участках, — от 8 до 20 млн. К. Несмотря на такую высокую температуру, она видна невооружённым глазом только во время полного солнечного затмения, так как плотность вещества в короне мала, а потому невелика и её яркость. Форма короны меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности: в периоды максимальной активности она имеет округлую форму, а в минимуме — вытянута вдоль солнечного экватора 2.
1.2. Солнечная активность
Комплекс явлений, вызванных генерацией сильных магнитных полей на Солнце, называют солнечной активностью. Эти поля проявляются в фотосфере как солнечные пятна и вызывают такие явления, как солнечные вспышки, генерацию потоков ускоренных частиц, изменения в уровнях электромагнитного излучения Солнца в различных диапазонах, корональные выбросы массы, возмущения солнечного ветра и т. д.
С солнечной активностью связаны также вариации геомагнитной активности (в том числе и магнитные бури), которые являются следствием достигающих Земли возмущений межпланетной среды, вызванных, в свою очередь, активными явлениями на Солнце.
Одним из наиболее распространённых показателей уровня солнечной активности является число Вольфа, связанное с количеством солнечных пятен на видимой полусфере Солнца. Общий уровень солнечной активности меняется с характерным периодом, примерно равным 11 годам (так называемый «цикл солнечной активности» или «одиннадцатилетний цикл»). Этот период выдерживается неточно и в XX веке был ближе к 10 годам, а за последние 300 лет варьировался примерно от 7 до 17 лет. Циклам солнечной активности принято приписывать последовательные номера, начиная от условно выбранного первого цикла, максимум которого был в 1761 году. В 2000 году наблюдался максимум 23-го цикла солнечной активности 1, 2. (Приложение Ж)
1.2.1. Солнечные пятна 

Рис.1.3 Солнечные пятна
Тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками фотосферы. Наблюдаются на диске Солнца в виде тёмных пятен. (Рис.1.3) Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу сильных (до нескольких тысяч гаусс) магнитных полей. Потемнение фотосферы в пятнах обусловлено подавлением магнитным полем конвективных движений вещества и, как следствие, снижением потока переноса тепловой энергии в этих областях.
Количество пятен на Солнце (и связанное с ним число Вольфа) — один из главных показателей солнечной магнитной активности.
Пятна возникают в результате возмущений отдельных участков магнитного поля Солнца. В начале этого процесса трубки магнитного поля «прорываются» сквозь фотосферу в область короны, и сильное поле подавляет конвективное движение плазмы в гранулах, препятствуя в этих местах переносу энергии из внутренних областей наружу. Сначала в этом месте возникает факел, чуть позже и западнее — маленькая точка, называемая пора, размером несколько тысяч километров. В течение нескольких часов величина магнитной индукции растет (при начальных значениях 0,1 Тесла), размер и количество пор увеличивается. Они сливаются друг с другом и формируют одно или несколько пятен. В период наибольшей активности пятен величина магнитной индукции может достигать 0,4 Тесла.
Срок существования пятен достигает нескольких месяцев, то есть отдельные группы пятен могут наблюдаться в течение нескольких оборотов Солнца. Именно этот факт (движение наблюдаемых пятен по солнечному диску) послужил основой для доказательства вращения Солнца и позволил провести первые измерения периода обращения Солнца вокруг своей оси.
Пятна обычно образуются группами, однако иногда возникает одиночное пятно, живущее всего несколько дней, или биполярная группа: два пятна разной магнитной полярности, соединённые линиями магнитного поля.
В начале 11-летнего цикла солнечной активности пятна на Солнце появляются на высоких гелиографических широтах (порядка ±25—30°), а с ходом цикла пятна мигрируют к солнечному экватору, в конце цикла достигая широт ±5—10°. Эта закономерность носит название «закон Шпёрера».
Группы пятен ориентируются приблизительно параллельно солнечному экватору, однако отмечается некоторый наклон оси группы относительно экватора, который имеет тенденцию к увеличению для групп, расположенных дальше от экватора (т. н. «закон Джоя»).21.2.2.
Солнечная вспышка — взрывной процесс выделения энергии (световой, тепловой и кинетической) в атмосфере Солнца. Вспышки так или иначе охватывают все слои солнечной атмосферы: фотосферу, хромосферу и корону Солнца. Необходимо отметить, что солнечные вспышки и корональные выбросы массы являются различными и независимыми явлениями солнечной активности. Энерговыделение мощной солнечной вспышки может достигать 6×1025 джоулей, что составляет около 1⁄6 энергии, выделяемой Солнцем за секунду, или 160 млрд.мегатонн в тротиловом эквиваленте, что, для сравнения, составляет приблизительный объем мирового потребления электроэнергии за 1 миллион лет. Продолжительность импульсной фазы солнечных вспышек обычно не превышает нескольких минут, а количество энергии, высвобождаемой за это время, может достигать миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте. Классификация вспышек была предложена в 1970 году Д.Бейкером и первоначально основывалась на измерениях спутников «Solrad». По этой классификации солнечной вспышке присваивается балл — обозначение из латинской буквы и индекса за ней. Буквой может быть A, B, C, M или X в зависимости от величины достигнутого вспышкой пика интенсивности рентгеновского излучения (Таблица 1.1):
Таблица 1.1
Буква Интенсивность в пике (Вт/м2)
А меньше 10−7
В от 1,0×10−7 до 10−6
С от 1,0×10−6 до 10−5
М от 1,0×10−5 до 10−4
Х больше 10−4
Индекс уточняет значение интенсивности вспышки и может быть от 1,0 до 9,9 для букв A, B, C, M и более — для буквы X. Так, например, вспышка 12 февраля 2010 года балла M8.3 соответствует пиковой интенсивности 8,3×10−5 Вт/м2. Самой мощной (по состоянию на 2010 год) зарегистрированной с1976 года вспышке, произошедшей 4 ноября 2003 года, был присвоен балл X28, таким образом, интенсивность ее рентгеновского излучения в пике составляла 28×10−4 Вт/м2. Солнечные вспышки, как правило, происходят в местах взаимодействия солнечных пятен противоположной магнитной полярности или, более точно, вблизи нейтральной линии магнитного поля, разделяющей области северной и южной полярности. Частота и мощность солнечных вспышек зависят от фазы 11-летнего солнечного цикла.1,31.2.3. Протуберанцы
 
Рис.1.4 Солнечный протуберанец
Плотные конденсации относительно холодного (по сравнению с солнечной короной) вещества, которые поднимаются и удерживаются над поверхностью Солнца магнитным полем, называются протуберанцами.
Протуберанцы (рис.1.4) представляют собой волокнистые и клочковатые структуры, похожи на нити и сгустки плазмы различных форм, постоянно движутся, классифицируются по морфологическим  или динамическим признакам.21.2.4. Солнечный ветер
Солнечный ветер - это поток ионизованных частиц, выбрасываемых из Солнца во всех направлениях со скоростью около 400 км в секунду. Источником солнечного ветра является солнечная корона. Температура короны Солнца настолько высока, что сила гравитации не способна удержать ее вещество вблизи поверхности, и часть этого вещества непрерывно убегает в межпланетное пространство. Из внешней части солнечной короны истекает солнечный ветер — поток ионизированных частиц (в основном протонов, электронов и α-частиц), распространяющийся с постепенным уменьшением своей плотности, до границ гелиосферы. В среднем Солнце излучает с ветром около 1,3·1036 частиц в секунду. Следовательно, полная потеря массы Солнцем (на данный вид излучения) составляет за год 2–3·10−14 солнечных масс. Потеря за 150 млн лет эквивалентна земной массе. Многие природные явления на Земле связаны с возмущениями в солнечном ветре, в том числе геомагнитные бури и полярные сияния (Рис.1.5).

Рис.1.5 Деформация магнитосферы Земли под действием солнечного ветра
1. 3.
Число Вольфа («международное число солнечных пятен», «относительное число солнечных пятен», «цюрихское число») — названный в честь швейцарского астронома Рудольфа Вольфа числовой показатель количества солнечных пятен. Является одним из самых распространённых показателей солнечной активности , популярного в разного рода метеорологических прогнозах.
Число Вольфа для данного дня вычисляется по формуле:
, где:
W — число Вольфа;
f — количество наблюдаемых пятен;
g — количество наблюдаемых групп пятен;
k — нормировочный коэффициент.
Нормировочные коэффициенты k выводятся для каждого наблюдателя и телескопа, что даёт возможность совместно использовать числа Вольфа, найденные разными наблюдателями. За международную систему приняты числа Вольфа, которые в 1849 году  начала публиковать   HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D1%8E%D1%80%D0%B8%D1%85" \o "Цюрих" Цюрихская обсерватория, и для которых коэффициент k принят равным 1. В настоящее время сводка всех наблюдений солнечных пятен и определение среднемесячных и среднегодовых значений чисел Вольфа производится в Центре анализа данных по влиянию Солнца (Бельгия). Существуют также ряды чисел Вольфа, восстановленные по косвенным данным для эпохи, предшествующей 1849 году.
Швейцарским астрономом HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%92%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%B4%D0%BC%D0%B0%D0%B9%D0%B5%D1%80,_%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%81&action=edit&redlink=1" \o "Вальдмайер, Макс (страница отсутствует)"М.Вальдмайером получена следующая эмпирическая зависимость между среднегодовыми значениями числа Вольфа и суммарной площадью солнечных пятен:
,
где F — площадь пятен в миллионных долях полусферы. Однако имеется ряд указаний на изменение характера этой связи со временем.
В мировой практике используют суточные, среднемесячные и среднегодовые значения чисел Вольфа, или, как их еще называют, относительные числа солнечных пятен. На рис.1.6 представлены измерения среднемесячных относительных чисел солнечных пятен за 4 последние цикла солнечной активности.2Рис.1.6 Изменение относительного числа солнечных пятен
(числа Вольфа W) за четыре 11-летних цикла солнечной активности
Имея телескоп, строящий изображение Солнца диаметром 15-20 см, можно продолжить этот ряд, приняв для начала К=1.Существует много других индексов активности. Некоторые из них имеют больший физический смысл, чем числа Вольфа,- например, суммарная площадь пятен. Но числа Вольфа из-за простоты определения и имеющегося длинного ряда наблюдений все еще остаются популярным индексом.21.4. Шкала силы магнитных бурь
Шкала силы магнитных бурь была введена Национальной Океанической и Атмосферной Администрацией США (National Oceanic and Atmospheric Administration; NOAA) в ноябре 1999 года.
Магнитные бури уровня G5 (экстремально сильные бури)
Воздействие на энергетические системы: возможны разрушения энергетических систем и повреждения трансформаторов
Воздействие на космические аппараты: обширный поверхностный заряд, проблемы с ориентацией, связью и слежением за космическими кораблями\
Воздействие на наземные системы: токи через трубопроводы достигают сотен ампер, один или два дня невозможна высокочастотная связь во многих района, ухудшение точности спутниковых систем навигации, низкочастотная радио-навигация выходит из строя на несколько часов, полярные сияния видны вплоть до экватора.
Частота бурь: от 4 до 6 бурь уровня G5 за 11-летний цикл активности Солнца (в среднем 1 буря за 2-3 года).
Соответствующее значение индекса Kp: Kp = 9
Магнитные бури уровня G4 (очень сильные бури)
Воздействие на энергетические системы: возможны проблемы со стабильностью напряжения, частичные разрушения энергетических систем и отключение защитных систем
Воздействие на космические аппараты: поверхностный заряд и проблемы слежения и ориентации, необходима коррекция
Воздействие на наземные системы: наведенные токи в трубопроводах требуют мер защиты, спорадическое прохождение ВЧ радиоволн, ухудшение спутниковой навигации на несколько часов, отказ низкочастотной радионавигации, и полярные сияния видны до тропиков
Частота бурь: около 100 бурь уровня G4 за 11-летний цикл активности Солнца (в среднем 1 буря за 1.5-2 месяца; приблизительно 60 штормовых дней за 11 лет).
Соответствующее значение индекса Kp: Kp = 8
Магнитные бури уровня G3 (сильные бури)
Воздействие на энергетические системы: неoбходима коррекция напряжения, ложные срабатывания систем защиты и высокий "газ в масле" в масляных трансформаторах
Воздействие на космические аппараты: поверхностный заряд на элементах космических аппаратов, увеличение сноса аппарата с орбиты, проблемы ориентации
Воздействие на наземные системы: перерывы в спутниковой навигации и проблемы низкочастотной радионавигации, прерывания ВЧ радиосвязи, полярные сияния видны до средних широт.
Частота бурь: около 200 бурь уровня G3 за 11-летний цикл активности Солнца (в среднем 1 буря каждые 2-3 недели; приблизительно 130 штормовых дней за 11 лет).
Соответствующее значение индекса Kp: Kp = 7
Магнитные бури уровня G2 (умеренные бури)
Воздействие на энергетические системы: воздействуют на энергетические системы, расположенные на высоких широтах
Воздействие на космические аппараты: необходимы корректирующие действия с центров управления; отличия от прогнозируемого орбитального сноса космических аппаратов
Воздействие на наземные системы: ухудшение распространения ВЧ радиоволн на высоких широтах, полярные сияния видны до широты 50 градусов
Частота бурь: около 600 бурь уровня G2 за 11-летний цикл активности Солнца (в среднем 1 буря в неделю; приблизительно 360 штормовых дней за 11 лет). Соответствующее значение индекса Kp: Kp = 6
Магнитные бури уровня G1 (слабые бури): Воздействие на энергетические системы: слабые флуктуации в энергетических системах
Воздействие на космические аппараты: небольшие влияния на системы управления космическими аппаратами.
Воздействие на наземные системы: полярные сияния видны на высоких широтах (до 60 градусов); влияние на начало миграций животных.
Частота бурь:
около 1700 бурь уровня G1 за 11-летний цикл активности Солнца (в среднем 1 буря за 2-3 дня; приблизительно 600 штормовых дней за 11 лет).
Соответствующее значение индекса Kp: Kp = 5 . 6РАЗДЕЛ 2.
2.1. Описание методов и приборов исследования
Для выполнения практической части работы нами был использован школьный телескоп , солнечный экран и учебный планшет для зарисовки солнечных пятен. (Приложение А)
В ходе работы школьный телескоп устанавливался на штатив, к окулярной части которого прикреплялся солнечный экран и планшет для зарисовки солнечных пятен (лист белой бумаги с заранее начерченной окружностью диаметром 10 см). (Приложение А).
Путем фокусировки телескопа и перемещения солнечного экрана необходимо было добиться получения резкого изображения диска Солнца на плоскости планшета, на котором должны быть нанесены диск Солнца, солнечные пятна и суточная параллель. (Приложение Б).
ВНИМАНИЕ! Категорически запрещается смотреть на Солнце в окуляр без специальных светофильтров: опасно для глаз.
Перед зарисовкой солнечных пятен определить направление суточной параллели. Затем производится зарисовка пятен на диске Солнца (необходимо удерживать изображение Солнца внутри окружности). После зарисовки пятен производился расчет относительного числа Вольфа по формуле
, где:
W — число Вольфа;
f — количество наблюдаемых пятен;
g — количество наблюдаемых групп пятен (включая каждое изолированное пятно);
k — нормировочный коэффициент: коэффициент пропорциональности, зависящий от инструмента, метода наблюдений и квалификации наблюдателя (обычно принимают k=1).
2.2. Результаты и анализ исследований
Наблюдение и зарисовка солнечных пятен происходила в течение четырех месяцев 2015 года (июнь, июль, август, сентябрь) с учетом погодных условий.
(Приложение А)
Для этого был использован календарь погоды, составленный официальным погодным интернет – сайтом «Gigmeteo» 7. (Приложение В)
Для записи результатов наблюдений была использована форма отчета наблюдения, представленная в приложении А.
В ходе исследования проводился анализ состояния магнитосферы Земли по данным официального солнечного сайта «Тесис» 6 и по данным погодного сайта «Gigmeteo»7. В ходе анализа мы сравнивали и сопоставляли информацию о количестве и классе магнитных бурь в магнитосфере и явлениях, наблюдаемых в природе, для выявления характерных признаков, сопровождающих определенный класс наблюдаемой магнитной бури в магнитосфере Земли, согласно существующей шкалы силы магнитных бурь.
По результатам анализа данной информации была составлена шкала магнитных бурь по месяцам и общая диаграмма частоты наблюдения и класса магнитной бури. (Приложение Г)
В результате проведенных наблюдений был составлен календарь наблюдений по месяцам (Приложение Д) и рассчитано среднемесячное (относительное) число Вольфа Wср.эксп.по результатам наблюдений.
Одновременно с наблюдением и зарисовкой солнечных пятен на учебном планшете был выполнен анализ состояния и количества солнечных пятен по данным солнечного сайта «Тесис»6. По результатам анализа данных, взятых с официального солнечного сайта «Тесис», также было рассчитано среднемесячное (относительное число) Вольфа Wср.т.
В результате сравнительного анализа Wср.т и Wср.эксп. была рассчитана относительная погрешность проведенного эксперимента для каждого месяца εw и среднеквадратичная погрешность определения среднего
значения σ. (Приложение Д)
Кроме этого, были построены диаграммы солнечной активности по месяцам наблюдений, в которых указаны числовые значения относительного числа Вольфа по датам наблюдений. (Приложение Е)
По результатам расчетов Wср.эксп. и Wср.т. за каждый месяц составлена сравнительная диаграмма средних значений табличного ( из официальных научных источников) и экспериментального относительного числа Вольфа для каждого месяца наблюдений и общая диаграммаWср.эксп.и Wср.т. за 4 месяца наблюдений. (Приложение Е)
Анализ полученных данных наблюдений и расчетов указал на то, что наиболее насыщенным по погодным явлениям, интересующим нас (магнитные бури класса G2, G3, G4 и полярные сияния на средних широтах и широте 50º), оказался первый из изученных месяцев - июнь. Действительно, по результатам наблюдений, зарисовки солнечных пятен и расчета относительного числа Вольфа доминирующим оказался июнь. В этом месяце относительное число Вольфа : Wср.т= 77,9 Wср.эксп.=53,93 εw= 30,77% σ =7,7 Wср.эксп.= 53,93 ± 7,7.
По сводкам метеопрогнозов и наблюдаемым погодным условиям в июне были зафиксированы факты наблюдений полярных сияний на широте Москвы, где эти природные явления воспринимаются как исключение. Вследствие этого, зная, что полярные сияния являются следствием возмущения магнитосферы Земли (т.е. магнитной бури), можно сделать вывод о том, что в данном месяце (июнь 2015г.) подобные природные явления вызваны именно усилением солнечной активности, о чем свидетельствует рассчитанное по данным наблюдений среднемесячное число Вольфа Wср.эксп.=53,93 (максимальное по месяцам наблюдений) и количество (сила) магнитных бурь, наблюдаемых в июне, 14.
Из них самые сильные по индексу Кр=6,7 , магнитные бури класса G2(9) и
G3 (6), происходили 22 – 23 июня. (Приложение Г)
Надо отметить, что одной из характерных особенностей магнитных бурь класса G2 и G3, являются полярные сияния на средних широтах (на широте 50º). В остальные исследуемые месяцы солнечная активность (среднемесячное число Вольфа, количество и сила магнитных бурь, наблюдаемые полярные сияния) оказались несколько меньше, чем в июне, о чем свидетельствуют результаты расчетов. (Приложение Г, Д, Е)
В результате анализа статистики ДТП в Крыму за период июнь – сентябрь, полученной из официальных источников21, был построен график ДТП за указанный период (Приложение З). На основании полученной информации из графиков ДТП в Крыму можно сделать вывод о том, что наибольшее количество ДТП было зафиксировано в те дни, когда происходили магнитные бури. Данный факт подтверждает влияние солнечной активности на организм человека.
В период магнитной бури на Земле наблюдается ослабление внимательности людей на дорогах, заторможенность нервной системы, что, несомненно, сказывается на реакции организма в экстренных ситуациях и приводит к увеличению количества ДТП.
ВЫВОДЫ
Количество пятен на Солнце (и связанное с ним,  число Вольфа ) — один из главных показателей солнечной магнитной активности. Солнечная активность влияет на магнитное поле Земли и ее атмосферу, порождая различные явления, воздействуя на животный и растительный мир, провоцируя вспышки рождаемости разных видов животных и насекомых, а также заболевания людей и число ДТП. В данной работе было проведено экспериментальное наблюдение и расчет среднемесячного (относительного) числа Вольфа.
На основе анализа научной литературы по данному вопросу были определены основные проявления солнечной активности и их влияние на магнитосферу Земли. В результате проведенного исследования было рассчитано среднемесячное число Вольфа за установленный период наблюдения, проведено сравнение числа Вольфа, определенного экспериментально, и взятого из официального источника (обсерватория «Тесис»). Рассчитанная относительная погрешность измерений не превышает 40%, что соответствует требованию к точности эксперимента и достоверности полученного результата. Установлено, что наибольшее число Вольфа наблюдалось в июне 2015 года Wср.эксп.= 53,93 и соответственно наибольшее число магнитных бурь класса G3,G4 наблюдалось в июне 2015 года . В результате проведенных наблюдений и анализа солнечных пятен , метеорологических прогнозов и прогнозов магнитных бурь (полярных сияний) в период июнь – сентябрь 2015 года, а также сравнения значения чисел Вольфа , полученных с помощью наблюдений школьного телескопа и наблюдений солнечной обсерватории «Тесис», установлена взаимосвязь между проявлениями солнечной активности (солнечных пятен) и количеством, силой магнитных бурь (полярных сияний) (июнь – сентябрь), количеством ДТП в Крыму за указанный период.
Анализируя одиннадцатилетний цикл солнечной активности, видно, что последний максимум солнечной активности наблюдался в 2011 году. Следуя установленным закономерностям, можно предположить, что настоящее состояние Солнца в 2015 году соответствует стадии «спада солнечной активности», которая может длиться около 6 лет. (Приложение Ж)
В целом можем считать, что цель работы достигнута и поставленные задачи выполнены.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. «Одиннадцатилетний цикл солнечной активности ».
- Электронный ресурс .- Режим доступа: HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/Одиннадцатилетний_цикл
солнечной_активности" https://ru.wikipedia.org/wiki/Одиннадцатилетний_цикл
солнечной_активности
2.Витинский Ю.В. « Солнечная активность».1983 г.
- Электронный ресурс .- Режим доступа: http://12apr.su/books/item/f00/s00/z0000021/index.shtml3. Солонский Ю.А., Хилов Е.Д.. «Солнце – загадки и открытия».1989г. - Электронный ресурс .- Режим доступа: http://12apr.su/books/item/f00/s00/z0000024/index.shtml4.Цесевич В. П. «Что и как наблюдать на небе».1973г. - Электронный ресурс .- Режим доступа:
http://12apr.su/books/item/f00/s00/z0000012/index.shtml5.Степанян Н.Н. «Наблюдаем Солнце». //М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992г.-Электронный ресурс .- Режим доступа:
http://12apr.su/books/item/f00/s00/z0000039/st000.shtml6. Солнечный сайт « Тесис».
- Электронный ресурс .- Режим доступа:
http://www.tesis.lebedev.ru/sun_pictures.htmlИНТЕРНЕТ – РЕСУРСЫ
7.Прогноз погоды «Gigmeteo». - Электронный ресурс .- Режим доступа:
https://www.gismeteo.ua/weather-kyiv-4944/hourly/8. Магнитная буря 22 июня (Белгород и Москва)
https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/14995-zhiteli-rossii-smogli-polyubovatsya-severnym-siyaniem-video/9. https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/14988-na-zemle-nachinaetsya-geomagnitnaya-burya/10. https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/13936-v-2015-godu-na-zemle-ozhidaetsya-okolo-30-magnitnyh-bur/
11. https://www.gismeteo.ru/news/stihiynye-yavleniya/5006-geomagnitnye-buri-dlya-zemli-opasnee-stihiynyh-bedstviy/12. https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/13924-nad-moskvoy-zazhglos-polyarnoe-siyanie-foto-chitatelya/13.Полярное сияние 21 -22 июня 2015 года https://www.youtube.com/watch?v=9PZa5N38ax0https://www.youtube.com/watch?v=bjsj2LgKa-Y14.Новости телевидения: https://www.youtube.com/watch?v=nHwZI2t3HY4https://www.youtube.com/watch?v=-qupBbOujSUhttps://www.youtube.com/watch?v=tKxEsYnwfj015.Полярное сияние в Москве 2015 год https://www.youtube.com/watch?v=FttI0zITttk16.Магнитная буря 23 июня 2015 года http://www.utro.ru/articles/2015/06/23/1247697.shtml17. Метеопрогнозы сентября 2015 года
https://www.gismeteo.ua/news/sobytiya/14265-solnechnye-buri-uzhe-dve-nedeli-non-stop-atakuyut-zemlyu-vyzyvaya-polyarnye-siyaniya/18. Северное сияние в Польше в октябре
https://www.gismeteo.ua/news/sobytiya/14614-v-polshe-vnov-sverknulo-redkoe-severnoe-siyanie/19.Полярное сияние в Беларуссии в октябре
https://www.gismeteo.ua/news/sobytiya/14601-v-belarusi-nablyudalos-redkoe-polyarnoe-siyanie/20.Магнитная буря в сентябре
https://www.gismeteo.ua/news/sobytiya/14367-po-zemle-udarila-silnaya-geomagnitnaya-burya-kotoraya-mozhet-vspyhnut-snova/21.Официальный Интернет- сайт Госавтоинспекции МВД России
http://www.gibdd.ru/r/82/accident/?PAGEN_1=17ПРИЛОЖЕНИЕ А
Форма отчета наблюдений
Пункт наблюдения: Инструмент:
Дата наблюдения: Увеличение:
Время наблюдения: Качество изображения:
Метод наблюдения: (1 – очень плохое, 5 – отличное)
Подсчет числа Вольфа:
W = k(10g + f)
k =
g=
f=
W=
Наблюдатель: учащийся (учащаяся) класса
Учебный планшет:

E
W
Учебный планшет в июне 2015 года










ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Таблица 1.2

п/п Характеристика телескопа
(единицы ее измерения) Значение характеристики
телескопа
1. Тип телескопа (рефрактор, рефлектор, смешанная система) Рефрактор
2. Диаметр основного оптического элемента, строящего изображение(мм) 60
3. Фокусное расстояние основного оптического элемента(мм) 600
4. Относительное отверстие телескопа 1:10
5. Разрешающая способность(секунды луги) 1,2
6. Диаметр изображения Солнца в фокусе основного элемента(мм) 9,3
7. Система удлинения фокусного расстояния
(окулярное увеличение, телеобъектив, выпуклое вторичное зеркало и т.д.) Окулярное увеличение
8. Эквивалентное фокусное расстояние(мм) 6000
9. Размер изображения Солнца на выходе телескопа(мм) 93
10. Масштаб окончательного изображения (сек.дуги/мм) 20,6
11. Диаметр вторичного элемента, удлиняющего фокус(окуляра, отрицательной линзы, выпуклого зеркала)мм 5
12. Фокусное расстояние вторичного элемента (мм) 10
13. Расстояние от вторичного элемента от главного оптического элемента (мм) 610
14. Расстояние от вторичного элемента до его фокальной плоскости( мм) 110
15. Разрешающая способность всего телескопа(секунды дуги) 3,5
16. Длина всего телескопа(мм) 700
Телескоп – рефрактор, используемый для наблюдений
Фотография 1

ПРИЛОЖЕНИЯ Г
Шкала магнитных бурь на июнь 2015 года Таблица 2.5
Дата Количество Класс Кр - индекс Наблюдаемые явления из характерных для данного класса бури
8 июня 1
1 G1
G2 5
6 полярные сияния видны на высоких широтах (до 60 градусов);
полярные сияния видны до широты 50 градусов
14 июня 1
G1
5 полярные сияния видны на высоких широтах
(до 60 градусов)
22 июня 1
1 G1
G4 5
8 полярные сияния видны на высоких широтах
(до 60 градусов);
полярные сияния видны до тропиков
23 июня 2
2
1
1 G1
G2
G3
G4 5
6
7
8 полярные сияния видны на высоких широтах
(до 60 градусов);
полярные сияния видны до широты 50 градусов;
полярные сияния видны до средних широт;
полярные сияния видны до тропиков
25 июня 2
1 G1
G2 5
6 полярные сияния видны на высоких широтах (до 60 градусов);
полярные сияния видны до широты 50 градусов
Общее количество бурь: 14
Диаграмма количества и силы магнитных бурь по месяцам наблюдений


ПРИЛОЖЕНИЯ Е
Диаграмма относительного числа Вольфа в июне 2015 г
Диаграмма относительного числа Вольфа в июле 2015 года

Диаграмма относительного числа Вольфа в августе 2015 года

Диаграмма относительного числа Вольфа в сентябре 2015 года

Сравнительная диаграмма относительного числа Вольфа за весь период наблюдений


ПРИЛОЖЕНИЕ З


Приложенные файлы

  • docx rabota1.doc
    Размер файла: 4 MB Загрузок: 10