Изучение влияния солнечной активности на магнитное поле Земли

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Изучение влияния солнечной активности на магнитное поле Земли

Бугаева В.В. 1
1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"
Бугаева Л.В. 1
1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1.ВВЕДЕНИЕ

Солнце является основным источником энергии для жизни на Земле. Помимо тепла и света, однако, Солнце является причиной и ряда негативных факторов. Это вспышки, радиация и другое проявления солнечной активности. Хотя Земля защищена от них атмосферой и магнитным полем, они влияют на спутники, космонавтов. Кроме того, Солнце может воздействовать на магнитное поле Земли. Эти факторы (вспышки и другая активность) иногда называют космической погодой.

Хотя, в целом, Солнце и его активность изучают специалисты в институтах, в настоящее время в интернете можно найти много данных о вспышках и магнитных бурях. По этой причине стало интересно, можно ли по таким открытым данным изучить связь между события на Солнце и на Земле и проверить несколько простых научных гипотез. Именно этому посвящена работа.

Прежде всего, надо сказать, что активность Солнца не является постоянной. Она то растет, то уменьшается. Такие изменения называются солнечным циклом. Солнечные циклы исследуют с 1749 года, и всего за это время их было 24 (источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_цикличность). Сейчас на Солнце идет 25-й цикл.

 

Рис.1.

Солнечная активность за последние 12 лет. По оси X – время в годах. По оси Y – число солнечных пятен. Показаны также усредненные значения (красная и синяя линии) и прогноза на следующие 2 года. Источник – https://www.sidc.be/SILSO/ssngraphics .

Если посмотреть активность Солнца за последние годы (рис. 1), то видно, что самая низкая активность была с 2020 году, а самая высокая в 2014 году. По этой причине было решено исследовать влияние Солнца на Землю именно в эти годы, чтобы понять разницу между минимумом и максимумом.

Основной причиной влияния Солнца на Землю являются солнечные вспышки. Это очень сильные взрывы в его атмосфере, причины которых ученые пока не до конца понимают. Но также на Землю влияет солнечный ветер. Это потоки вещества от Солнца в сторону планет, в том числе и в сторону Земли. Вспышки на Солнце бывают иногда, а солнечный ветер течет постоянно. Однако, он меняет свою скорость, и когда она повышается, то это тоже может быть причиной магнитных бурь (рис. 2). Солнечный ветер как бы раскачивает магнитное поле Земли (источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечный_ветер).

 

Рис.2.

Влияние солнечного ветра на магнитное поле Земли

Можно отметить, что помимо магнитных бурь, активность Солнца приводит также к возникновению полярных сияний в атмосфере Земли (рис.3).

Магнитные бури, как считается, могут причинять серьёзный вред, оказывая сильное влияние на радиосвязь, на космические спутники, а также на экипажи космических кораблей, на бортовую электронику и наземные технологии. К сожалению, многие люди не понимают причины этих явлений, боятся их, не имеют точных знаний о природе этих явлений. По этой причине, мне кажется, что изучение закономерностей и прогнозирования магнитных бурь является интересной и актуальной темой для исследования.

Цель исследовательской работы: изучить разницу во влиянии Солнца на Землю в минимуме и максимуме активности и найти закономерности в магнитных бурях, если они есть. 

 

Рис.3.

Полярное сияние

В работе решаются задачи:

1. Посчитать и сравнить число солнечных вспышек и магнитных бурь в минимуме и максимуме солнечной активности.

2. Изучить изменение скорости солнечного ветра в годы низкой и высокой солнечной активности.

3. Проанализировать совпадение моментов магнитных бурь со вспышками на Солнце и изменениями скорости солнечного ветра в минимуме и максимуме солнечной активности.

Объект исследования: Солнце и солнечно-земные связи

Предмет исследования: влияние солнечной активности на частоту и силу магнитных бурь.

Методы исследования: изучение литературы, анализ данных, вычисления, представление результатов в виде графиков.

В ходе исследовательской работы планируется проверить следующие гипотезы:

1. Действительно ли уменьшается число магнитных бурь и вспышек во время минимума по сравнению с максимумом, и падает ли число магнитных бурь также сильно как число вспышек?

2. Можно ли по измерениям скорости солнечного ветра предсказать магнитную бурю? 

3. Насколько сильно связаны вспышки на Солнце и магнитные бури?

4. Можно ли обнаружить повторяемость в магнитных бурях и вспышках на Солнце?

  1. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ

Для того, чтобы провести исследование нам потребовались данные о солнечных вспышках, магнитных бурях и солнечном ветре.

Данные о вспышках и бурях брались с сайта лаборатории солнечной астрономии ИКИ РАН и ИСЗФ СО РАН, которая размещает их в открытом доступе на сайте https://xras.ru/ .

Пример информации по вспышкам на сайте показан на рисунке 4.

 

Рис. 4

Пример информации по солнечным вспышкам на сайте https://xras.ru/

На сайте приводится информация о балле вспышки (колонка 1), активной области на Солнце, где была вспышка (колонка 2) и времени начала, максимума и окончания вспышки (колонки 3, 4 и 5). Балл вспышки означает её силу и обозначается буквами C, M или X и цифрой. Самыми сильными являются вспышки с буквой X, самыми слабыми – С. Для одной и той же буквы, чем больше цифра, тем сильнее вспышка.

Пример информации о магнитных бурях показан на рисунке 5. Магнитные бури измеряются индексом, который называется K-индекс (источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/K-индекс). Значение индекса меняется от нуля до 9. Если оно меньше 4, то магнитное поле Земли является спокойным, если 4, то возмущенным, если 5 и выше, то это магнитная буря. На рисунке 4 буря показана красным цветом. Бури также разделяются по силе. Самые слабые бури обозначаются буквой G1, а самые сильные бури буквой G5. Для примера в таблице 1 показаны все магнитные бури, которые были в этом 2023 году и их сила.

 

Рис. 5

Пример информации по магнитным бурям на сайте https://xras.ru/

ДАТА | БАЛЛ

|2023-01-04| G1
|2023-01-15| G1
|2023-02-15| G1
|2023-02-16| G1
|2023-02-26| G1
|2023-02-27| G3
|2023-02-28| G1
|2023-03-15| G1
|2023-03-23| G3
|2023-03-24| G3
|2023-04-23| G4
|2023-04-24| G4
|2023-05-06| G2
|2023-05-10| G1
|2023-05-12| G1
|2023-05-20| G1
|2023-05-21| G1
|2023-06-15| G1
|2023-06-16| G1
|2023-06-25| G1
|2023-08-05| G2

Таблица 1

Все магнитные бури в 2023 году

На сайте https://xras.ru/ нет в открытом доступе данных по солнечному ветру. По этой причине я написала письмо в Лабораторию и мне по запросу предоставили данные за 2 года, которые я изучаю: 2014 года (высокая активность) и 2020 год (низкая активность). На рисунках 6 и 7 показано, как менялась скорость солнечного ветра за эти два года. По оси X отмечены месяцы, а по оси Y – скорость ветра в км/с. Видно, что минимальные значения скорости составляю около 300 км/с, а максимальные около 700 км/с, то есть его скорость, действительно, сильно меняется.

 

Рис. 6

Скорость солнечного ветра в 2014 году

 

Рис. 7

Скорость солнечного ветра в 2020 году

Таким образом, мной были собраны все необходимые данные для исследования: моменты и силы магнитных бурь и вспышек, а также изменения скорости солнечного ветра в 2014 и 2020 годах.

Далее я проверила по этим данным свои гипотезы. Результаты проверки приведены в следующем разделе.

  1. РЕЗУЛЬТАТЫ

Первый этап. Сравнение числа вспышек и бурь в минимуме и максимуме активности.

На первом этапе исследования, было определено количество вспышек на Солнце в 2014 году – в год самой высокой солнечной активности и в 2020 году – в год самой низкой солнечной активности. Года были выбраны из графика, представленного на рис.1. Данные о вспышках на Солнце, как уже говорилось выше, были взяты с сайта лаборатории солнечной астрономии ИКИ РАН и ИСЗФ СО РАН (https://xras.ru/). Согласно эти данным разница в числе вспышек между высокой и низкой активностью Солнца является огромной:

2020 год (низкая активность) – 2 вспышки среднего уровня M

2014 год (высокая активность) – 223 вспышки, в том числе 16 вспышек высшего балла X (с баллами от X1.0. до X4.9).

Для наглядности в таблице 2 приведены вспышки высшего класса X в 2014 году и обе вспышки 2020 года. Для 2014 года показаны только сильные вспышки, так как список из всех 223 вспышек занял бы очень много места.

Солнечные вспышки 2014 год (максимум)

№ п/п

Время максимума

Балл вспышки

1

07.01.2014 18:32

X1.2

2

25.02.2014 00:49

X4.9

3

29.03.2014 17:48

X1.0

4

25.04.2014 00:27

X1.3

5

10.06.2014 12:52

X1.5

6

10.06.2014 11:42

X2.2

7

11.06.2014 09:06

X1.0

8

10.09.2014 17:45

X1.6

9

19.10.2014 05:03

X1.1

10

22.10.2014 14:28

X1.6

11

25.10.2014 17:08

X1.0

12

24.10.2014 21:41

X3.1

13

26.10.2014 10:56

X2.0

14

27.10.2014 14:47

X2.0

15

07.11.2014 17:26

X1.6

16

20.12.2014 00:28

X1.8

Солнечные вспышки 2020 год (минимум)

1

2020-05-29 07:24:00

M1.1

2

2020-11-29 13:11:00

M1.4

Таблица 2

Солнечные вспышки в 2014 и 2020 годах

Также для наглядности на рисунке 8 показана самая крупная вспышка 2014 года – балл X4.9. Изображение взято с сайта https://xras.ru/ (расположено по адресу: https://xras.ru/upload_test/files/flares_20140225.png).

Так как число вспышек в 2020 году много меньше, чем в 2014, то, если именно вспышки являются причиной магнитных бурь, то и магнитных бурь в 2020 году должно быть много меньше. Было решено это проверить.

 

Рис. 8

Самая крупная вспышка 2014 года уровня X4.9. Произошла 25 февраля 2014 г.

В таблицах 3 и 4 приведены все магнитные бури в 2014 году (их было 27) и все бури в 2020 году (их было 10). Таким образом, число магнитных бурь в минимуме активности меньше, но всего в 2.7 раза, а не в 100 раз, как можно подумать из уменьшения числа вспышек. Исходя из этого, сделан вывод, что солнечные вспышки не являются единственно причиной магнитных бурь. Можно также заметить, что в 2020 году было всего 2 вспышки на Солнце, а магнитных бурь было 10. Отсюда тоже очевидно, что у бурь были какие-то иные причины. Это доказывает, что большое число магнитных бурь производится солнечным ветром. Поэтому, когда вспышки "исчезают", то бури от ветра остаются.

ДАТА

УРОВЕНЬ БУРИ

ЗНАЧЕНИЕ KP

02.01.2014

5

G1

08.02.2014

5

G1

15.02.2014

5

G1

16.02.2014

5

G1

19.02.2014

6

G2

20.02.2014

6

G2

27.02.2014

6

G2

13.03.2014

5

G1

12.04.2014

5

G1

20.04.2014

5

G1

23.05.2014

5

G1

08.06.2014

6

G2

18.06.2014

5

G1

19.08.2014

6

G2

28.08.2014

5

G1

29.08.2014

5

G1

12.09.2014

7

G3

19.09.2014

5

G1

14.10.2014

5

G1

15.10.2014

5

G1

20.10.2014

5

G1

10.11.2014

5

G1

11.11.2014

5

G1

07.12.2014

5

G1

12.12.2014

5

G1

22.12.2014

5

G1

29.12.2014

5

G1

Таблица 3

Магнитные бури в 2014 году (максимум)

ДАТА

УРОВЕНЬ БУРИ

ЗНАЧЕНИЕ KP

19.02.2020

G1

5

20.04.2020

G1

5

28.08.2020

G1

5

31.08.2020

G1

5

24.09.2020

G1

5

25.09.2020

G1

5

26.09.2020

G1

5

27.09.2020

G2

6

28.09.2020

G1

5

22.11.2020

G1

5

Таблица 4

Магнитные бури в 2020 году (минимум)

Второй этап. Прогнозирование магнитных бурь по вспышкам.

На втором этапе было изучено, можно ли простыми способами, не строя сложные модели, прогнозировать магнитные бури. Предполагалось, что те бури, которые вызываются вспышками, должны примерно совпадать со вспышками по времени. Согласно источникам данных (https://ru.wikipedia.org/wiki/Геомагнитная_буря) бури обычно происходят через 2-3 дня после вспышек, так как возмущение от Солнца доходит до Земли не мгновенно, а примерно через такое время. Можно заметить, что свет от вспышки доходит до Земли за 500 сек (примерно 8 минут), но облака плазмы от Солнца являются много более медленными и поэтому доходят с таким большим опозданием.

По этой причине визуально сравнивались моменты вспышек в 2014 году с моментами магнитных бурь в этом году и наши все совпадения, когда буря произошла через 2-3 дня после крупной вспышки.

Результаты сравнения показаны в таблице 5. В правой части таблицы приведены все магнитные бури в 2014 году, а в левой – вспышки класса X, которые можно сопоставить с магнитными бурями.

Можно сделать вывод, что связь между вспышками и бурями в некоторых случаях можно обнаружить, но она не является однозначной. Из 16 вспышек высшего балла X в 2014 году только после 5-ти произошли магнитные бури. Для остальных 11 вспышек бурь не было. И наоборот, из 27-ми магнитных бурь этого года, только 5 явно были связаны со вспышками уровня X.

Отсюда следует, что таким простым способом предсказать магнитные бури не получится, и требуются более сложные научные модели. Можно заметить, что в средствах массовой информации после каждой крупной вспышки на Солнце часто предсказывают магнитную бурю. Наше исследование показывает, что это неверно. После крупных вспышек бывают бури, но так случается не всегда. Более того, чаще всего бурь не бывает.

Солнечные вспышки 2014 год (максимум)

Магнитные бури в 2014 году (максимум)

Время

Балл вспышки

ДАТА

УРОВЕНЬ БУРИ

ЗНАЧЕНИЕ KP

   

02.01.2014

5

G1

   

08.02.2014

5

G1

   

15.02.2014

5

G1

   

16.02.2014

5

G1

   

19.02.2014

6

G2

   

20.02.2014

6

G2

25.02.2014 00:49

X4.9

27.02.2014

6

G2

   

13.03.2014

5

G1

   

12.04.2014

5

G1

   

20.04.2014

5

G1

   

23.05.2014

5

G1

   

08.06.2014

6

G2

11.06.2014 09:06

X1.0

18.06.2014

5

G1

   

19.08.2014

6

G2

   

28.08.2014

5

G1

   

29.08.2014

5

G1

10.09.2014 17:45

X1.6

12.09.2014

7

G3

   

19.09.2014

5

G1

   

14.10.2014

5

G1

   

15.10.2014

5

G1

   

20.10.2014

5

G1

07.11.2014 17:26

X1.6

10.11.2014

5

G1

   

11.11.2014

5

G1

   

07.12.2014

5

G1

   

12.12.2014

5

G1

20.12.2014 00:28

X1.8

22.12.2014

5

G1

   

29.12.2014

5

G1

Таблица 5

Сопоставление солнечных вспышек и магнитных бурь

Третий этап. Прогнозирование магнитных бурь по солнечному ветру.

На третьем этапе аналогичное сравнение было проведено для солнечного ветра. Скорость солнечного ветра, согласно графикам, на приведенных выше рисунках 6 и 7 не является постоянной и часто увеличивается. Было решено проверить, можно ли прогнозировать магнитные бури по скорости солнечного ветра. Для этого сравнивались моменты магнитных бурь в 2014 и 2020 годах с моментами высокой скорости солнечного ветра.

При исследовании было решено считать высокой скорость солнечного ветра более 500 км/с. Согласно данным по солнечному ветру, которые исследовались, в 2014 году из 365 дней только 32 дня имели скорость ветра более 500 км/с. В 200 году таких дней было только 23. То есть это, действительно, редкое и высокое значение.

Ниже в таблице приведены моменты магнитных бурь в 2020 году и 2014 году и значение скорости солнечного ветра в эти дни. Выделены строки, когда скорость ветра была более 500 км/с.

Магнитные бури в 2014 году (максимум)

Скорость солнечного ветра, км/с

ДАТА

УРОВЕНЬ БУРИ

ЗНАЧЕНИЕ KP

 

02.01.2014

5

G1

538.64

08.02.2014

5

G1

435.14

15.02.2014

5

G1

389.44

16.02.2014

5

G1

382.23

19.02.2014

6

G2

467.36

20.02.2014

6

G2

566.87

27.02.2014

6

G2

384.82

13.03.2014

5

G1

381.53

12.04.2014

5

G1

342.29

20.04.2014

5

G1

591.66

23.05.2014

5

G1

462.73

08.06.2014

6

G2

524.52

18.06.2014

5

G1

424.91

19.08.2014

6

G2

362.04

28.08.2014

5

G1

346.62

29.08.2014

5

G1

401.25

12.09.2014

7

G3

512.69

19.09.2014

5

G1

433.10

14.10.2014

5

G1

410.71

15.10.2014

5

G1

426.71

20.10.2014

5

G1

488.80

10.11.2014

5

G1

483.96

11.11.2014

5

G1

475.31

07.12.2014

5

G1

715.11

12.12.2014

5

G1

517.39

22.12.2014

5

G1

399.29

29.12.2014

5

G1

544.02

Магнитные бури в 2020 году(минимум)

 

ДАТА

УРОВЕНЬ БУРИ

ЗНАЧЕНИЕ KP

 

19.02.2020

G1

5

441.53

20.04.2020

G1

5

329.05

28.08.2020

G1

5

428.08

31.08.2020

G1

5

549.48

24.09.2020

G1

5

478.02

25.09.2020

G1

5

482.83

26.09.2020

G1

5

541.49

27.09.2020

G2

6

543.72

28.09.2020

G1

5

620.70

22.11.2020

G1

5

582.34

Таблица 6

Сопоставление скорости солнечного ветра и магнитных бурь

Из исследования таблицы 6 можно сделать вывод, что высокая скорость ветра, действительно, частично связана с магнитными бурями. Например, в 2020 году, скорость ветра выше 500 км/с, как уже говорилась, наблюдалась в 23 днях из 366, то есть в 6 % случаев. При этом, согласно таблице 6, число бурь, для которых скорость ветра превышает 500 км/с, составляет 5 из 10, то есть 50 %. Видно, что это сильно превышает случайное совпадение. Таким образом, влияние быстрого солнечного ветра на магнитные бури является реальным фактом. Для 2014 года цифры такие: вероятность скорости выше 500 км/с составляет 32 из 365, то есть около 9 %, а число бурь с такой скоростью ветра равно 8 из 27, то есть около 30 %.

Таким образом, и в минимуме и максимуме солнечной активности высокая скорость солнечного ветра может вызывать магнитные бури.

В то же время, прогнозировать бури только по высокой скорости ветра, похоже, также нельзя. Видно, что значительная часть бурь возникает при более низкой скорости ветра. Кроме того, например, в 2020 году было 23 дня с ветром быстрее 500 км/с, а магнитные бури наблюдались только в 5 случаях.

Вероятно, это связано с тем, что кроме скорости у солнечного ветра есть и другие характеристики, например, температура и плотность. Скорее всего, для более точного прогноза требуется изучать также и их.

Четвертый этап. Прогнозирование магнитных бурь по их периодичности.

Так как магнитные бури связаны с Солнцем, то иногда предполагают, что бури могут повторяться с шагом около 27 дней. Именно за такое время Солнце совершает полный оборот. Если на Солнце есть какие-то особенности, которые вызывают бури, что примерно через 27 дней, когда Солнце повернется к Земле той же стороной, буря может повториться.

Было решено проверить, так ли это и, если да, можно ли это использовать для прогнозирования бурь. С учетом погрешности, изучался период не ровно 27 дней, а от 25 до 29 дней. Были исследованы бури текущего 2023 года, список которых был приведен выше в таблице 1. Ниже в таблице 7 одинаковыми цветами выделены бури, которые, как кажется, повторялись с шагом, близким к 27 дням.

ДАТА | БАЛЛ

|2023-01-04| G1
|2023-01-15| G1
|2023-02-15| G1
|2023-02-16| G1
|2023-02-26| G1
|2023-02-27| G3
|2023-02-28| G1
|2023-03-15| G1
|2023-03-23| G3
|2023-03-24| G3
|2023-04-23| G4
|2023-04-24| G4
|2023-05-06| G2
|2023-05-10| G1
|2023-05-12| G1
|2023-05-20| G1
|2023-05-21| G1
|2023-06-15| G1
|2023-06-16| G1
|2023-06-25| G1
|2023-08-05| G2

Таблица 7

Повторяемость магнитных бурь в 2023 году.

Можно сделать вывод, что повторяемость бурь, действительно, распространенное явление, хотя точный прогноз таким способом также невозможен. Во-первых, повторяются не все бури, а только около одной трети из них. Кроме того, шаг повторения немного меняется и не всегда равен 27 дням, а может быть немного больше или меньше.

IV. ВЫВОДЫ

Сопоставим гипотезы, высказанные во введении к работе, с результатами исследований.

ГИПОТЕЗА 1

Действительно ли уменьшается ли число магнитных бурь и вспышек во время минимума по сравнению с максимумом, и падает ли число магнитных бурь также сильно как число вспышек?

Вывод: Число вспышек на Солнце уменьшается очень сильно во время минимума. Число магнитных бурь также снижается в период минимума солнечной активности, но не так сильно, как число вспышек. Это подтверждает, что часть бурь не связана со вспышками на Солнце.

ГИПОТЕЗА 2

Можно ли по измерениям скорости солнечного ветра предсказать магнитную бурю?

Вывод: Скорость ветра влияет на магнитные бури. Чем выше скорость ветра, тем больше вероятность бури. Но точного совпадения не обнаружено. Бури могут формироваться и при слабой скорости ветра и наоборот – при сильной скорости ветра буря может не происходить. Возможно, на скорость ветра влияют и другие показатели: температура, плотность ветра и т.п.

ГИПОТЕЗА 3

Насколько сильно связаны вспышки на Солнце и магнитные бури?

Вывод: Сильные солнечные вспышки могут вызывать магнитные бури, но не всегда. В нашем исследовании в 2014 году примерно 1/3 больших вспышек сопровождалась бурями, а 2/3 нет. Вероятно, важна не только сила вспышки, но и какие-то иные характеристики, например, место на Солнце, где произошла вспышка.

ГИПОТЕЗА 4

Можно ли обнаружить повторяемость в магнитных бурях и вспышках на Солнце?

Вывод: В возникновении магнитных бурь наблюдается некоторая повторяемость. И, хотя она не всегда является постоянной, тем не менее, по этой характеристике можно с некоторой погрешностью предсказывать магнитные бури.

ОБЩИЙ ВЫВОД ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

Современные представления о том, что магнитные бури вызываются событиями на Солнце, судя по всему, верные. Видно, что есть связь моментов магнитных бурь и моментов вспышек на Солнце, а также моментов высокой скорости ветра. Тем не менее, простой анализ скорости ветра и вспышек на Солнце, хотя и позволяет понять общие закономерности, не дает возможности точно спрогнозировать магнитные бури. Для этого, видимо, требуются более серьезные модели и вычисления, которыми занимается "большая наука".

Хочется отметить также, что в открытом доступе в сети интернет в настоящее время находится много данных по космической погоде. Поэтому простые исследования в области физики Солнца и космической погоды могут проводить сейчас не только ученые, но и просто люди, увлекающиеся астрономией и даже школьники.

V.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Владимирский Б.М., Кисловский Л.Д. Солнечная активность и биосфера. -М: Знание. 1982. 63 с.

2.Дубкова С.И. Солнце в интерьере галактики. - М.: Белый город., 2005. 192 с.

3.Левитан Е.П. Природа солнечных пятен. - М.: Наука, 1994. 128 с

4.Мирошниченко Л. И. Физика Солнца и солнечно-земных связей: учебное пособие // Л. И. Мирошниченко; Под ред. М. И. Панасюка. — М.: Университетская книга, 2011. — 174 с.

Просмотров работы: 275