Ciclo solar
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O ciclo solar (ou ciclo solar atividade magnética) é a mudança periódica na atividade do sol (incluindo alterações nos níveis de radiação solar e de ejeção de material solar) e aparência (visível na evolução do número de manchas solares, flares, e outras manifestações visíveis). Ciclos solares têm uma duração média de cerca de 11 anos. Eles têm sido observadas (por mudanças na aparência do sol e por mudanças vistas na Terra, como auroras) para centenas de anos.
Variação solar causa mudanças na clima espacial, tempo e do clima na Terra. Ela provoca uma alteração periódica da quantidade de irradiação do Sun que é vivida na Terra.
É uma componente de variação de energia solar , sendo o outro flutuações aperiódicos.
Alimentado por um processo de dínamo hidromagnética, impulsionada pela ação indutiva de fluxos solares internos, o ciclo solar:
- Estruturas da Sun de atmosfera, a sua corona e o vento;
- Modula a radiação solar ;
- Modula o fluxo de radiação solar de comprimento de onda curto, de ultravioleta a Raios X;
- Modula a freqüência de ocorrência de flares solares, ejeções de massa coronal, e outros fenômenos eruptivos solares geoefetivas;
- Indirectamente modula o fluxo de energia de alta raios cósmicos galácticos entram no sistema solar.
História
O ciclo solar foi descoberto em 1843 por Samuel Heinrich Schwabe, que após 17 anos de observações notou uma variação periódica do número médio de manchas solares visto de ano para ano no disco solar. Rudolf Lobo compilado e estudou essas e outras observações, reconstruindo o ciclo de volta a 1745, acabou empurrando essas reconstruções para as primeiras observações de manchas solares por Galileo e contemporâneos no início do século XVII. Começando com Wolf, os astrônomos solares acharam útil para definir um índice de número de manchas solares padrão, que continua a ser utilizado hoje.
Até recentemente, pensava-se que havia 28 ciclos nos 309 anos entre 1699 e 2008, dando um comprimento médio de 11,04 anos, mas a pesquisa recente mostrou que o mais longo destes (1784-1799) parece realmente ter sido dois ciclos, de modo que a duração média é de apenas cerca de 10,66 anos. Ciclos tão curtos como nove anos e tão longo como 14 anos foram observados, e no ciclo de duplo 1784-1799 um dos dois ciclos componente teve de ser inferior a 8 anos de duração. Variações significativas na amplitude também ocorrer. Máximo solar e mínimo solar referem-se respectivamente para as épocas de contagem máximo e mínimo de manchas solares. Ciclos de manchas solares individuais são divididos a partir de um mínimo para a próxima.
Seguindo o esquema de numeração estabelecida por Wolf, o ciclo de 1755-1766 é tradicionalmente numerados "1". O período entre 1645 e 1715, uma vez que foram observadas durante muito poucas manchas solares, é uma característica real, em oposição a um artefacto devido a falta de dados. Esta época é agora conhecido como o mínimo de Maunder , após Edward Walter Maunder, que extensamente pesquisado este evento peculiar, observado pela primeira vez por Gustav SPORER. Na segunda metade do século XIX, verificou-se também (independentemente) por Richard Carrington e por SPORER que como o ciclo progride, as manchas solares aparecem primeiro nas latitudes médias, e, em seguida, cada vez mais perto do equador até mínimo solar é atingido. Esse padrão é melhor visualizado na forma de o chamado diagrama borboleta, primeiro construído pela equipe de marido-esposa de E. Walter e Annie Maunder no início do século XX (ver gráfico abaixo). Imagens do Sol são divididos em faixas latitudinais, ea superfície fracionário mensal média-de manchas solares calculadas. Esta é traçada verticalmente como uma barra de código de cores, e o processo é repetido mês após mês para produzir este diagrama de tempo-de latitude.
A base física do ciclo solar foi elucidado no início do século XX por George Ellery Hale e colaboradores, que em 1908 mostrou que as manchas solares foram fortemente magnetizados (esta foi a primeira detecção de campos magnéticos fora da Terra), e em 1919 passou a mostrar que a polaridade magnética de pares de manchas solares:
- É sempre a mesma num dado hemisfério energia solar ao longo de um dado ciclo de manchas;
- Fica em frente em frente hemisférios ao longo de um ciclo;
- Inverte-se em ambos os hemisférios de um ciclo de manchas solares para o próximo.
As observações de Hale revelou que o ciclo solar é um ciclo magnético com uma duração média de 22 anos. No entanto, porque muito quase todas as manifestações do ciclo solar são insensíveis à polaridade magnética, continua a ser de uso comum falar do "ciclo solar de 11 anos".
Meio século depois, a equipe de pai e filho de Harold Babcock e Horace Babcock mostrou que a superfície solar é magnetizado mesmo fora de manchas solares; que este campo magnético mais fraco é a primeira ordem de um dipolo; e que este dipolo também passa por inversões de polaridade com o mesmo período que o ciclo das manchas solares (ver gráfico abaixo). Estas várias observações estabeleceram que o ciclo solar é um processo magnética espaço-temporal desdobramento através da Sun como um todo.
Fenômenos, medição, e as causas
Manchas de múltiplos ciclos podem co-existir durante algum tempo, e, uma vez que foi descoberto que o sol inverte a polaridade magnética de um meio ciclo solar para o próximo, manchas de ciclos diferentes pode ser dilacerada. No entanto, leva alguns meses antes de uma decisão definitiva pode ser feita quanto à verdadeira data de mínimo solar. Uma das principais autoridades que determinam a data do mínimo solar é SIDC (o Influências Solares Centro de Análise de Dados), que está localizado em Bélgica e trabalha com agências como a NASA e ESA .
A informação mais importante hoje vem de SOHO (um projeto de cooperação internacional entre a ESA ea NASA), como o MDI magneto grama, onde a "superfície" solar, campo magnético pode ser visto.
As causas básicas dos variabilidade solar e os ciclos solares ainda estão em debate, com alguns pesquisadores sugerindo uma ligação com o forças de maré devido aos gigantes gasosos Júpiter e Saturno , ou devido ao movimento inercial solar. Outra causa de manchas solares pode ser corrente de jato solar "oscilação de torção".
Os padrões foram observados em ciclos solares. Por exemplo, a Waldmeier efeito é o fenômeno que ciclos com amplitudes máximas maiores tendem a ter menos tempo para atingir seus máximos de ciclos com amplitudes menores; também existe uma correlação negativa entre as amplitudes máxima e os comprimentos dos ciclos anteriores, o que permite um grau de previsão.
Efeitos do ciclo solar
Do Sol estruturas do campo magnético a sua atmosfera e camadas exteriores todo o caminho através do corona e para dentro do vento solar. Suas variações espaço-temporais levar a uma série de fenômenos conhecidos coletivamente como a atividade solar. Toda a actividade solar é fortemente modulada pelo ciclo magnético solar, uma vez que esta última serve como a fonte de energia eo mecanismo dinâmico para o primeiro.
Magnetismo superfície
As manchas solares podem existir em qualquer lugar de alguns dias a alguns meses, mas eles eventualmente decair, e este libera fluxo magnético na fotosfera solar. Este campo magnético é disperso e agitado por convecção turbulenta, e os fluxos de grande escala solares. Estes mecanismos de transporte levar ao acúmulo dos produtos de decaimento magnetizadas em altas latitudes solares, eventualmente inverter a polaridade dos campos polares (observe como os campos de azul e amarelo reverter no gráfico acima).
A componente dipolar do campo magnético solar é observada a inversão de polaridade em torno do tempo de máximo solar, e atinge a força de pico no mínimo solar. As manchas solares, por outro lado, são produzidas a partir de uma forte toroidal (dirigido longitudinalmente) do campo magnético dentro do interior solar. Fisicamente, o ciclo solar pode ser pensado como um circuito regenerativo onde a componente toroidal produz um poloidais campo, o qual produz mais tarde um novo componente de sinal de formato circular de modo a inverter a polaridade do campo de formato circular original, que, em seguida, produz um novo componente poloidais de polaridade invertida, e assim por diante.
Irradiância solar
A irradiância solar total (TSI) é a quantidade de incidente energia radiativa solar na atmosfera superior da Terra. Variações TSI eram indetectáveis até observações de satélite começaram no final de 1978. Radiômetros realizadas em satélites a partir dos anos 1970 para os anos 2000 mostrou que a irradiância solar varia sistematicamente ao longo do ciclo de manchas solares de 11 anos, tanto na irradiância total e nos componentes relativos de irradiância (relações entre a luz UV para Rácios de luz visível). O luminosidade solar é cerca de 0,07 por cento mais brilhante durante máximo solar do que durante mínimo solar mas as observações da nave espacial na década de 2000 mostraram que o índice de radiação ultravioleta à luz visível é muito mais variável do que se pensava anteriormente.
A maior descoberta de observações de satélite é que TSI varia em fase com o ciclo de atividade magnética solar com uma amplitude de cerca de 0,1% e um valor médio de cerca de 1.366 W / m 2 (o " constante solar "). Variações sobre a média até -0,3% são causados por grandes grupos de manchas solares e de + 0,05% em grande faculae e rede brilhante sobre um calendário semana a 10 dias. (Ver ETI variação gráfica.) Variações da ETI sobre as várias décadas de observação contínua por satélite mostram tendências pequenas mas detectáveis.
ETI é maior no máximo solar, embora as manchas solares são mais escuras (mais frio) que a fotosfera média. Isso é causado por outros do que as manchas solares estruturas magnetizadas durante maxima energia solar, tais como faculae e elementos ativos da rede "brilhante", que são mais brilhante (mais quente) que a fotosfera média. Eles compensar coletivamente para o défice irradiância associada às manchas solares mais frios, mas menos numerosas. O principal condutor das mudanças ETI em escalas de tempo de rotação solares e manchas solares do ciclo é a variável cobertura photospheric destas estruturas magnéticas solares radiativamente ativos.
Radiação de curto comprimento de onda
Com uma temperatura de 5870 graus Kelvin , o fotosfera do Sol emite uma proporção muito pequena de radiação no ultravioleta extremo (EUV) e acima. No entanto, camadas superiores mais quentes da atmosfera do Sol ( cromosfera e corona) emitem mais radiação de curto comprimento de onda. Uma vez que a atmosfera superior não é homogênea e contém estrutura magnética significativa, a solar ultravioleta (UV), EUV e fluxo de raios-X varia marcadamente no decurso do ciclo solar.
A montagem da foto à esquerda ilustra esta variação para raios-X moles, como observado pelo satélite japonês Yohkoh de depois de 30 de agosto de 1991, no auge do ciclo 22, a 6 de Setembro de 2001, no auge do ciclo 23. variações relacionadas com o ciclo similares são observadas no fluxo de radiação UV solar ou EUV, como observado, por exemplo , pelo SOHO ou Satélites de rastreamento.
Mesmo que representa apenas uma minúscula fração da radiação solar total, o impacto de UV solar, EUV e radiação de raios-X na atmosfera superior da Terra é profunda. Fluxo UV solar é um dos principais motores da química estratosférica, e aumentos de radiação ionizante afetar significativamente temperatura e condutividade elétrica ionosfera de influência.
Fluxo rádio Solar
Emissão do Sol em centimétrica (rádio) comprimento de onda é devido principalmente ao plasma coronal preso nos campos magnéticos que recobrem regiões ativas. O índice F10.7 é uma medida do fluxo solar de rádio frequência por unidade de comprimento de onda de 10,7 centímetros, próximo do pico da emissão de rádio solares observadas. F10.7 é freqüentemente expressa em SFU ou unidades solares de fluxo (1 SFU = 10 -22 W m -2 Hz -1). Ele representa uma medida de difuso, o aquecimento não radiativa do plasma coronal preso por campos magnéticos mais regiões activas. É um excelente indicador de níveis gerais de atividade solar e correlaciona-se bem com as emissões solares UV.
O índice F10.7 solar é medido diariamente ao meio-dia no local de uma largura de banda de 100 MHz a 2800 MHz centrado no local da Penticton Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO), no Canadá. O registro solares F10.7 cm remonta a 1947, e é o maior registro direto da atividade solar disponível, para além das quantidades relacionadas com manchas solares.
Atividade solar tem um efeito importante sobre a longa distância comunicações de rádio especial sobre o bandas de ondas curtas, embora onda média e baixa Freqüências VHF também são afetados. Altos níveis de chumbo atividade das manchas solares a uma melhor propagação do sinal em faixas de frequências mais altas, embora elas também aumentam os níveis de ruído solar e perturbações ionosféricas. Estes efeitos são provocados pelo impacto do aumento do nível de radiação solar sobre a ionosfera.
Tem sido proposto que o fluxo de 10,7 centímetros solar pode interferir com o ponto-a-ponto de comunicações terrestres.
Fenômenos eruptiva geoefetivas
As estruturas campo magnético solar a corona, dando-lhe sua forma característica visível em tempos de eclipses solares. Estruturas do campo magnético coronais complexas evoluem em resposta a movimentos fluidos na superfície solar, e surgimento de fluxo magnético produzido por ação dínamo no interior solar. Por razões ainda não compreendidas em detalhe, por vezes, estas estruturas perder estabilidade, levando a ejeções de massa coronal para o espaço interplanetário, ou alargamentos, causados pela libertação súbita localizada de energia magnética de condução de emissão copiosa de radiação ultravioleta e de raios-X, bem como partículas energéticas. Esses fenômenos eruptivos podem ter um impacto significativo no ambiente de atmosfera e no espaço superior da Terra, e são os principais impulsionadores do que hoje é chamado clima espacial.
A frequência de ocorrência de ejeções de massa coronal e flares é fortemente modulado por ciclo de atividade solar. Flares de qualquer tamanho é cerca de 50 vezes mais freqüente no máximo solar de no mínimo. Grandes ejeções de massa coronal ocorrem, em média, algumas vezes por dia no máximo solar, até um a cada poucos dias, no mínimo solar. O tamanho desses eventos em si não dependem sensivelmente da fase do ciclo solar. Um caso bem recente no ponto são os três grandes flares de classe X ter ocorrido em dezembro de 2006, muito perto do mínimo solar; um deles (um alargamento X9.0 em 05 de dezembro) se destaca como um dos mais brilhantes da história.
Fluxo de raios cósmicos
A expansão para fora do material ejetado energia solar para o espaço interplanetário fornece overdensities de plasma que são eficientes no espalhamento de alta energia raios cósmicos que entram no sistema solar a partir de outro lugar na galáxia. Como a freqüência de eventos eruptivos solares é fortemente modulada pelo ciclo solar, o grau de espalhamento de raios cósmicos no sistema solar exterior varia na etapa. Como conseqüência, o fluxo de raios cósmicos no sistema solar interno é anticorrelated com o nível geral de atividade solar. Este anticorrelation é claramente detectado em medições de fluxos de raios cósmicos na superfície da Terra.
Alguns raios cósmicos de alta energia que entram na atmosfera da Terra colidir duro o suficiente com constituintes atmosféricos moleculares para causar ocasionalmente nuclear reações espalação. Alguns dos produtos de fissão incluem radionuclídeos, como 14 C e 10 Seja, que se estabelecer na superfície da Terra. A sua concentração pode ser medida em núcleos de gelo, permitindo uma reconstrução dos níveis de atividade solar no passado distante. Tais reconstruções indicam que o nível geral de atividade solar desde meados do século XX, está entre os mais elevados dos últimos 10 mil anos, e que Maunder épocas mínimos semelhantes de atividade suprimida, de duração variável ocorreram repetidamente ao longo desse tempo span.
Efeitos sobre a Terra
Organismos terrestres
O impacto do ciclo solar nos organismos vivos tem sido investigado (ver cronobiologia). Alguns pesquisadores afirmam ter encontrado ligações com a saúde humana.
A quantidade de luz ultravioleta UVB a 300 nm atingir a Terra varia de acordo com o máximo de 400% sobre o ciclo solar, devido a variações na protectora camada de ozônio. Na estratosfera, o ozônio é continuamente regenerado pela divisão de O 2 moléculas por luz ultravioleta. Durante um mínimo solar, a diminuição da luz ultravioleta recebida do Sol leva a uma redução na concentração de ozono, permitindo um aumento do UVB para penetrar a superfície da Terra.
Comunicação via rádio
Skywave modos de comunicação de rádio operam dobrando ( refrator) ondas de rádio ( radiação eletromagnética ) através do Ionosfera. Durante os "picos" do ciclo solar, a ionosfera torna-se cada vez mais por ionizado fótons solares e raios cósmicos. Isso afeta o caminho ( propagação) da onda de rádio de maneiras complexas que podem facilitar ou dificultar as comunicações locais e de longa distância. Previsão de modos SkyWave é de considerável interesse para comercial marinhos e de aeronaves de comunicações , operadores de rádio amador, e ondas curtas emissoras . Esses usuários utilizam freqüências dentro da High Frequency ou espectro 'HF' rádio que são mais afectados por estas variações solares e ionosféricas. Alterações na produção solar afectam o frequência máxima utilizável, um limite para o mais alto frequência utilizável para as comunicações.
Clima terrestre
Tanto a longo prazo e de curto prazo variações na atividade solar está a hipótese de afetar o clima global, mas tem-se revelado extremamente difícil de quantificar diretamente o elo entre variação solar e do clima da Terra. O tema continua a ser um tema de estudo ativo.
As primeiras pesquisas tentado encontrar uma correlação entre tempo e atividade das manchas solares, a maioria sem sucesso notável. Pesquisas posteriores tem se concentrado mais em correlacionar a atividade solar com temperatura global. Mais recentemente, a pesquisa sugere que também pode haver impactos climáticos regionais devido ao ciclo solar. Medidas do Spectral Irradiance monitor em NASA Solar Radiation and Climate Experiment mostram que a produção de UV solar é mais variável ao longo do ciclo solar do que os cientistas pensavam anteriormente, resultando em, por exemplo, invernos mais frios em os EUA e no sul da Europa e invernos mais quentes no Canadá e norte da Europa durante a energia solar minima.
Existem três mecanismos sugeridos pela qual as variações solares são supor para ter um efeito sobre o clima:
- Mudanças irradiação solar que afetam diretamente o clima (" Forçamento radiativo ").
- Variações no componente ultravioleta. O componente UV varia em mais do que o total, portanto, se UV foram para alguns (ainda desconhecido) razão ter um efeito desproporcional, isso pode causar um efeito sobre o clima.
- Efeitos mediados por alterações na raios cósmicos (que são afetadas pelo vento solar), tais como mudanças na cobertura de nuvens.
A variação ciclo de manchas solares de 0,1% tem efeitos pequenos mas detectáveis sobre o clima da Terra. O trabalho de acampamento e Tung sugere que mudanças na radiação solar se correlaciona com uma variação de ± 0,1 ° K (± 0,18 ° F) na medida temperatura média global entre o pico eo mínimo do ciclo solar de 11 anos.
O efeito da variação solar em escalas de tempo mais longo do que um ciclo solar também é de interesse para a ciência do clima. O consenso científico atual é que as variações solares não desempenham um papel importante na determinação atual aquecimento global , uma vez que a magnitude medida de variação solar recente é muito menor do que o forçando devido a gases de efeito estufa, mas o nível de compreensão dos impactos solares é baixo.
Efeitos sobre a nave espacial
As ejeções de massa coronal ("CME") associados a erupções solares produz um fluxo de radiação de alta energia prótons , às vezes conhecidas como raios cósmicos solares. Estes podem causar danos da radiação para a eletrônica e células solares em satélites. Os eventos de protões solares também pode causar single-evento chateado (SEU) eventos eletrônicos; ao mesmo tempo, o fluxo reduzido de radiação cósmica durante galáctico máximo solar (ver secção "fluxo de raios cósmicos" acima) irá diminuir o componente de alta energia de partículas de fluxo.
Se astronautas em uma missão espacial estão acima do efeito de blindagem produziu o Campo magnético da Terra, a radiação a partir de uma CME também seria perigoso para os seres humanos; muitos projetos futura missão (por exemplo, para um Missão Marte), portanto, incorporar um "abrigo da tempestade" blindagem de radiação para astronautas para se refugiar durante um evento de radiação.
Em vista dos problemas no voo espacial que ocorre durante a alta atividade solar, a previsão do último torna-se mais e mais importante. Um método particular que se baseia em vários ciclos consecutivos foi estabelecida por Wolfgang Gleißberg.
