Основные концепции естествознания

С увеличением интенсивности солнечного излучения количество озона в атмосфере увеличивается, а его максимальная интенсивность перемещается с высоты 28 – 30 км на высоту 10 – 11 км. Благодаря такому перераспределению озона при ясном небе равновесная температура у поверхности Земли может повыситься на несколько градусов, что в свою очередь, сказывается на изменении давления воздуха у земной поверхности, а вместе с ним – на общей циркуляции атмосферы. Примерно каждые два года, а точнее каждые 26 месяцев, ветры от западных переходят к восточным, а затем снова к западным.

Но солнечная активность связана не только с количеством и площадью солнечных пятен. Имеются и другие астрономические условия, усиливающие или ослабляющие поступление солнечной радиации к границам земной атмосферы и создающие свою цикличность. Одним из таких условий является 27-дневный период вращения Солнца вокруг своей оси. В связи с этим вращением возникшие или скопившиеся в какой-либо части солнечного экватора тёмные пятна появляются или исчезают с видимого диска Солнца, изменяя тем самым количество солнечной радиации, излучаемой в сторону Земли. Такой 27-дневный цикл не может не повлиять на погоду и другие геофизические процессы, происходящие на земной поверхности и в атмосфере.

Вот какие данные о волнах холода в Петербурге приводит, например, доктор геофизических наук Т.В. Покровская (1967 г.). В первый день календаря каждого месяца среднее число волн холода равно двадцати, на десятый день – двенадцати, на девятнадцатый – сорока, на двадцать шестой – тридцати семи. Как видно из сказанного, в первую половину любого месяца года вероятность тёплой погоды в Петербурге примерно в 2 - 3 раза выше, чем в конце месяца.

С ещё более продолжительными циклами солнечной активности, равными в среднем 7 годам, связанны, по-видимому, дождливые годы на западном побережье Южной Америки, которые повторяются через каждые 7 лет, а также суровые зимы на северо-западе России, наблюдающиеся через такой же промежуток времени.

Не без влияния Солнца образуются в атмосфере и на Земле известные в народе ещё с древнейших времён так называемые крещенские и сретенские морозы или частые грозы в ильин день (2 августа). Ученые, обработав записи грозорегистраторов за последние годы, обнаружили, что они имеют чёткую периодичность, причём наибольшая активность гроз из года в год наблюдается, если не в те дни, которые установлены народными приметами (ильин день, день Самсона и т.д.), то близко от них.

Значительное влияние указывает усиление солнечной активности не только на процессы, но и на состояние самого человека. Ещё в середине века  химики заметили любопытное явление: некоторые коллоидные растворы ни с того ни с сего начинают терять коллоидную устойчивость. Взвешенные в них вещества вдруг выпадают в виде осадка, а красители обесцвечиваются. Специалисты фетрового и войлочного производств ещё раньше заметили, что при определённых условиях фетр и войлок очень трудно выделывается. В цементной промышленности в тоже время высококачественные сорта цемента плохо цементируются и т.д.

Итальянскому химику Пикарди удалось установить тесную связь этих оригинальных явлений с магнитными бурями, а через них   - и с солнечной активностью. Оказалось, что нарушение коллоидального равновесия некоторых растворов всегда связано с усилением солнечной активности и увеличением корпускулярного излучения Солнца. Позднее врачи установили, что состояние людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями ухудшается при повышении солнечной активности. Причина здесь кроется в изменении состоянии крови, которая, будучи своеобразным коллоидом, также оказалась подвержена воздействию повышенного излучения Солнца. Медики уже нашли некоторые способы защиты от их вредного действия. Иное влияние оказывает солнечное излучение в периоды спокойного Солнца. В это время увеличивается поступление солнечной энергии в световой части спектра, а вместе с ней возрастает и интенсивность прямой радиации у земной поверхности. Поэтому становится понятным такое, казавшиеся раньше необъяснимым, явление природы, как увеличение на Земле в 3 – 4 раза числа жестоких засух. Они наблюдаются как раз в периоды минимума солнечной активности или предшествуют этим периодам.

Солнце и жизнь Земли

Солнечное излучение, падающее на Землю, в общем-то очень стабильно, иначе жизнь на Земле подвергалась бы слишком большим температурным перепадам. В настоящее время спутники очень тщательно измерили энергию, излучаемую Солнцем, и показали, что солнечная постоянная не постоянна, а подвержена вариациям в пределах десятых долей процента, причем долгопериодические вариации связаны с солнечным циклом (рис. 8) (Солнечная постоянная - количество солнечной энергии, приходящей на поверхность площадью 1 кв.м, развернутую перпендикулярно солнечным лучам в космосе) От максимума к минимуму солнечная постоянная уменьшается примерно на 0.1%, т.е. во время максимума активности (много пятен на Солнце) оно излучает как бы больше. Такие изменения также могут иметь влияние на земной климат. В Маундеровский минимум (1645-1715) было очень мало пятен. Этот период известен на Земле как малый ледниковый период: в это время было намного холоднее, чем сейчас. В принципе это может быть простым совпадением, но скорее всего, эти события имеют причинную связь.

Глубина проникновения солнечной радиации в атмосферу Земли зависит от длины волны его излучения. К счастью для жизни, оксид азота в тонком слое атмосферы на высоте выше 50 км над поверхностью Земли блокирует очень переменное коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. На меньших высотах озон и молекулярный кислород поглощают длинноволновую часть ультрафиолетового излучения, которое также вредно для жизни. Изменения солнечного ультрафиолетового излучения влияют на структуру озонового слоя.

На Землю оказывает воздействие также так называемый солнечный ветер, обусловленный спокойным испусканием коронарной плазмы. Солнечный ветер очень сильно влияет на хвосты комет и даже имеет измеряемые эффекты влияния на траекторию спутников. Заряженные частицы из солнечного ветра ответственны за северные и южные полярные сияния, когда они пронизывают земную атмосферу на высокой скорости и заставляют ее светиться.

Испускание Солнцем заряженных частиц, которое зависит в основном от условий в слоях, расположенных выше фотосферы, также меняется в цикле солнечной активности. Наибольшее значение среди этих частиц с точки зрения влияния на земные процессы имеют высокоэнергичные протоны, которые выбрасываются при взрывах в солнечной короне (одновременно выбрасываются также высокоэнергичные электроны).

Приходящие к Земле высокоэнергичные солнечные протоны имеют энергии от 10 млн. до 10 млрд. эВ (для сравнения энергия фотона видимого света составляет около 2 эВ). Наиболее энергичные протоны движутся со скоростью, близкой к скорости света, и достигают Земли приблизительно через 8 мин после самых мощных солнечных вспышек. Такие вспышки связаны с колоссальными извержениями в активных областях Солнца, которые резко увеличивают свою яркость в рентгеновском и крайнем ультрафиолетовом диапазонах. Считается, что источником энергии вспышек является быстрое взаимоуничтожение (аннигиляция) сильных магнитных полей, при которой происходит разогрев плазмы и возникают мощные электрические поля, ускоряющие заряженные частицы. Эти частицы способны оказать разнообразное влияние на людей находящихся в этот момент не под защитой земного магнитного поля.

Мощные протонные вспышки являются важным фактором для планирования полетов на гражданских авиалиниях, особенно проходящих в полярных широтах, где силовые линии земного магнитного поля направлены перпендикулярно поверхности Земли и поэтому позволяют заряженным частицам достигать нижних слоев атмосферы. Пассажиры в этом случае подвергаются повышенному радиационному облучению. Еще более сильное воздействие такие явления могут оказывать на экипажи космических аппаратов, особенно тех, которые летают на орбитах, проходящих через полюсы. Наблюдалось также влияние протонных вспышек на функционирование вычислительных систем. Так, в августе 1989 года одно такое событие парализовало работу вычислительного центра фондовой биржи в Торонто. В течение солнечного цикла происходит лишь несколько десятков таких мощных вспышек, и их частота значительно выше в его максимуме, чем в минимуме.

Изменения потока плазмы солнечного ветра, обтекающего Землю, приводят к воздействию совсем иного вида. Эта относительно низко энергичная плазма как бы убегает из солнечной короны, преодолевая из-за высокой температуры гравитационное притяжение Солнца. Магнитное поле Земли воздействует на заряженные частицы солнечного ветра и не позволяет им приблизиться к поверхности планеты. Пространство вокруг Земли, в которое в основном не могут проникать частицы солнечного ветра, называют земной магнитосферой. Вспышки и другие резкие изменения магнитных полей на Солнце приводят к возмущениям в солнечном ветре и изменяют давление плазмы на земную магнитосферу. Связанные с воздействием солнечного ветра изменения геомагнитного поля составляют лишь около 0,1% его напряженности, равной приблизительно 1 Гс. Однако индуцируемые даже столь малыми изменениями геомагнитного поля электрические токи в длинных проводниках на поверхности Земли (таких как высоковольтные линии или трубы нефтепроводов) могут приводить к драматическим последствиям. Например, 13 марта 1989 г. сильная магнитная буря, вызванная вспышками, связанными с одним из крупнейших, когда либо наблюдавшихся пятен на Солнце, вывела из строя систему электроснабжения всей провинции Квебек.Часть сильных геомагнитных бурь связана со вспышками, происходящими в активных областях Солнца, и поэтому частота таких бурь возрастает с ростом числа солнечных пятен в магнитном цикле. Долгое время предпринимались многочисленные попытки найти связь между солнечной активностью и погодой, Выдающийся английский астроном Уильям Гершель предположил (совершенно правильно!), что Солнце наиболее ярко светит при максимуме солнечных пятен, а повышение температуры в этот период должно было бы приводить к увеличению урожая пшеницы и соответственно падению цен на нее. В 1801 г. он заявил, что цена на пшеницу действительно коррелирует с циклом солнечных пятен. Корреляция, однако, оказалась недостоверной, и Гершель стал заниматься другими проблемами. Многие такие кажущиеся связи оказались недолговечными, и все они имели тот недостаток, что были скорее статистическими, чем причинными. Никто еще не предложил разумного механизма, посредством которого столь малые изменения солнечной постоянной могли бы ощутимо влиять на земные процессы. Однако поиск продолжается. В 1987 г. Карин Лабицке из Свободного университета в Берлине сообщила о наиболее убедительной из всех ранее найденных связей. Она обнаружила, что в течение последних 40 лет оттепели зимой в США и Западной Европе очень хорошо коррелируют с солнечным циклом, если принимать во внимание изменение направления стратосферных ветров, происходящее приблизительно каждые два года. Найденное соответствие выдержало многочисленные статистические проверки и объяснило очень мягкую зиму 1988/89 г. в Англии и Западной Европе. Установление физически разумной связи между вариациями солнечной активности и климата явилось бы громадным шагом вперед в понимании взаимосвязи Земли с ее звездой.

Это все показывает, что Солнце имеет огромное влияние на Землю. Однако, тем не менее, это совершенно ничтожное влияние, по сравнению с тем, что случится с Солнцем и Землей через несколько миллиардов лет (см. эволюция Солнца и солнечной системы)...

Солнечное затмение

Затмения Солнца относятся к таким явлениям природы, о дне наступления которых заранее известно. Астрономы всегда тщательно готовятся к наблюдениям затмений, а в места, где они видны, снаряжаются специальные экспедиции.

...Наступает день затмения.

Природа живет своей обычной жизнью. В синем небе ярко сияет Солнце. Ничто не предвещает грядущего события. Но вот на правом краю Солнца появляется ущерб. Он медленно увеличивается, и солнечный диск принимает форму серпа, обращенного выпуклостью влево. Солнечный свет постепенно ослабевает. Становится прохладнее. Серп делается совсем тоненьким, и вдруг эта узенькая дуга распадается на две, и наконец за черным диском исчезают последние яркие точки. На всю окружающую местность ложится полумрак. Небо принимает ночной вид, на нем вспыхивают яркие звезды. Вдоль горизонта появляется кольцо оранжевого оттенка.

Это наступило полное солнечное затмение. На месте погасшего светила виден черный диск, окруженный серебристо-жемчужным сиянием.

Напуганный внезапно наступившей темнотой звери и птицы замолкают и спешат укрыться на ночной покой, многие растения свертывают листья; 2, 3, иногда 5 минут длится необычная темнота, И вновь вспыхивают яркие солнечные лучи. В тот же миг исчезает серебристо жемчужное сияние, гаснут звезды. Словно на заре, поют петухи, возвещая о наступлении дня. Вся природа опять оживает.

Солнце снова принимает вид серпа, но теперь уже повернутого выпуклостью в другую сторону, как серп «молодой» Луны. Серп увеличивается, и уже через час в небе все как обычно.

Солнечное затмение — очень величественное и красивое явление природы. Никакого вреда растениям, животным и человеку оно, конечно, причинить не может.

Но не так думали люди в далеком прошлом. Солнечное затмение знакомо человеку с глубочайшей древности. Но люди не знали, отчего оно происходит. Панический страх вызывало у людей неожиданное, таинственное исчезновение лучезарного светила. В угасании Солнца среди бела дня они видели проявление неведомых сверхъестественных сил. У восточных народов существовало поверье, что во время затмения некое злое чудовище пожирает Солнце.

Отголоски этих древних представлений человека встречались и в сравнительно недавнее время. Так, в Турции во время затмения 1877г. перепуганные жители стреляли из ружей в Солнце, желая прогнать шатана (злого духа), пожиравшего, по их мнению, Солнце.

В русских летописях мы находим многочисленные упоминания о затмениях. В Ипатьевской летописи, например, говорится о затмении, упоминаемом в «Слове о полку Игореве».

Это затмение Солнца произошло в 1185 г. оно было полным в Новгороде и Ярославле. Князь Игорь со своей дружиной был в это время на р. Донце, где затмение было неполным (была закрыта лишь часть солнечного диска). Летописец высказывает убеждение, что это затмение оказалось причиной поражения Игоря в битве с половцами.

И даже тогда, когда действительная причина солнечных затмений была уже известна ученым, затмение все-таки часто вызывало у населения страх. Люди считали, что затмение послано богом и предвещает конец мира, голод, несчастье. Эти суеверные представления сеяли среди народа служители религиозных культов, чтобы держать народные массы в повиновении.

Передовые люди разных времен старались развеять у народа страх, вызываемый затмениями. Например, Петр I обращался к ученым и должностным лицам с просьбой принять участие в распространении правильного объяснении ожидавшегося 1 мая 1706 г. солнечного затмения. Известно его письмо к адмиралу Головину, в котором он писал: «Господин адмирал. Будущего месяца в первый день будет великое солнечное затмение. Того ради изволь сие поразгласить в наших людях, что когда оное будет, дабы за чудо не поставили. Понеже, когда люди про то ведают преже, то не есть уже чудо».

В нашей Советской стране правильное научное объяснение различных явлении природы дошло до самых отдаленных уголков. И теперь у нас едва ли найдется такой человек, у которого солнечное и лунное затмения вызывали бы страх. Что же такое солнечное затмение? Нам часто приходится наблюдать, как в ясный, солнечный день тень от облака, подгоняеммого ветром, пробегает по земле и достигает того места, где мы находимся. Облако скрывает от нас Солнце. Между тем другие места, находящиеся вне этой тени, остаются освещенными Солнцем.

Во время солнечного затмения между нами и Солнцем проходит Луна и скрывает его от нас. Рассмотрим подробнее условия, при которых может наступить затмение Солнца.

Наша планета Земля, вращаясь в течение суток вокруг своей оси одновременно движется вокруг Солнца и за год делает полный оборот. У Земли есть спутник — Луна. Луна движется вокруг Земли и полный оборот совершает за 29 1/2 суток.

Взаимное расположение этих трех небесных тел все время меняется. При своем движении вокруг Земли Луна в определенные периоды времени оказывается между Землей и Солнцем. Но Луна — темный, непрозрачный твердый шар. Оказавшись между Землей и Солнцем, она, словно громадная заслонка, закрывает собой Солнце. В это время та сторона Луны, которая обращена к Земле, оказывается темной, неосвещенной. Следовательно, солнечное затмение может произойти только во время новолуния. В полнолуние Луна проходит от Земли в стороне, противоположной Солнцу, и может попасть в тень, отбрасываемую земным шаром. Тогда мы будем наблюдать лунное затмение.