Многоспектральное Солнце

1. Обзор: Электромагнитный Спектр
2. Солнечные выбросы электромагнитного излучения
3. Многоспектральное Солнце

Ваши глаза говорят вам, что Солнце, очевидно, доставляет энергию на Землю в форме видимого света. Если вы немного подумаете об этом, особенно с точки зрения выбора, который вы делаете для защиты от УФ-А и УФ-В, когда вы покупаете солнцезащитный крем или солнцезащитные очки, вы также поймете, что знаете, что Солнце также омывает нашу планету ультрафиолетом. «свет» или излучение. Солнце, фактически, испускает излучение по большей части электромагнитного спектра ... от высокоэнергетического рентгеновского излучения до радиоволн сверхвысокой длины волны. Давайте теперь посмотрим на это многоспектральное Солнце и энергию, которую оно излучает. Позже на этой неделе мы увидим, что происходит с этими различными типами энергии, когда они достигают Земли. Электромагнитное излучение Солнца является основным источником энергии, которая управляет климатической системой Земли.

Обзор: Электромагнитный Спектр

Прежде чем мы рассмотрим мультиспектральное Солнце, давайте рассмотрим некоторые ключевые идеи об электромагнитном (ЭМ) спектре. Если вы хорошо знакомы с электромагнитным спектром (большинство учителей химии и физики), не стесняйтесь читать этот раздел. Если это область, которая вас не устраивает, мы предоставили некоторые ссылки на дополнительные материалы, которые вы можете просмотреть.

Видимый свет является наиболее знакомой формой вида энергии, называемой электромагнитное излучение , Свет на самом деле довольно странный материал. В некотором смысле он ведет себя как поток частиц (который мы называем " фотоны ") и другими способами он действует как серия волн. Свет движется с конечной, хотя и нелепо высокой, скоростью 299 792 км / с (186 282 миль в секунду); луч света может облететь земной шар более чем в семь раз в одну секунду!

Свет бывает разных цветов, он распространяется по радуге оттенков, которые мы называем видимым спектром. Каждый цвет соответствует волнам с разными Длины волн , Красные волны самые длинные, пурпурные самые короткие. Поскольку все цвета света (и в данном случае все типы электромагнитных волн) движутся с одинаковой скоростью, длина волны обратно пропорциональна частоте (частота - это то, как часто «гребень» волны проходит в данном месте). Длинноволновые красные волны имеют низкие частоты; короткие волны фиолетового цвета имеют высокие частоты. Различные цвета света также несут различное количество энергии. Высокочастотный, коротковолновый фиолетовый свет несет большую часть энергии; Низкочастотный, длинноволновый красный свет несет наименьшую энергию.

Спектр видимого света варьируется от коротковолнового фиолетового до длинноволнового красного. Фотоны света с фиолетового конца спектра имеют самые высокие энергии и самые высокие частоты, в то время как красные фотоны имеют более низкие энергии и более низкие частоты. За пределами нашего поля зрения находятся более длинные волны инфракрасного диапазона и более короткие волны ультрафиолетовых областей электромагнитного спектра.
Предоставлено: работа Рэнди Рассела.

Однако видимый свет - это не вся история. Видимый свет - это всего лишь один маленький сегмент всего электромагнитный спектр , Волны, длина волны которых немного короче фиолетового, и, следовательно, имеют чуть более высокие частоты и более высокие уровни энергии, называются ультрафиолетовый («за пределами фиолетового», от латинского ultra = «за пределами») или ультрафиолетовый «свет» или излучение. Мы не можем видеть ультрафиолетовый «свет», хотя некоторые животные, такие как пчелы, могут. Точно так же, прямо за другим концом видимого спектра лежат волны с длинами волн, немного длиннее, чем волны красного света. Эти волны, которые имеют даже более низкие частоты и несут несколько меньше энергии, чем красный свет, называются инфракрасный («ниже красного», от латинского инфра = «ниже») или ИК «световые» волны.

Конечно, ИК, УФ и видимый свет - это еще не все. За ультрафиолетовой частью спектра лежат еще более короткие волны (с более высокими частотами и большими энергиями) Рентгеновские лучи , За рентгеновскими лучами лежит чрезвычайно короткая длина волны гамма лучи , которые имеют исключительно высокие энергии и частоты. Двигаясь в другом направлении, за пределы инфракрасной части электромагнитного спектра, мы обнаруживаем различные типы радиоволны , Все радиоволны имеют более длинные длины волн, чем инфракрасные волны, и, следовательно, несут меньше энергии и имеют более низкие частоты. Микроволны (да, тип, используемый в микроволновых печах) являются радиоволнами с относительно короткой длиной волны (и, следовательно, с относительно высокой энергией). В те времена, когда сигналы телевизионного вещания были обычным явлением, волны, которые передавали телевизионные сигналы на наши антенны, были своего рода радиоволнами. Конечно, радиосигналы, как AM, так и FM, также переносятся радиоволнами.

Это изображение электромагнитного спектра показывает несколько объектов с масштабами размеров, сопоставимыми с длинами волн волн различных типов электромагнитного излучения. Обратите внимание, что диапазон длин волн изменяется на много порядков, в то время как волны, показанные в этом «мультфильме», не изменяются. Например, видимые световые волны, как правило, в 100 раз короче, чем инфракрасные волны, а не только немного короче, как показано наглядно.
Предоставлено : Изображение предоставлено НАСА " Жизнь со звездой Программа и центр научного образования в лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли.

Нажмите Вот для просмотра фильма QuickTime под названием " Инфракрасный - больше, чем могут видеть ваши глаза Msgstr "Это очень большой файл (38 мегабайт), поэтому его загрузка может занять много времени! (Источник: Проект CoolCosmos ).

Солнечные выбросы электромагнитного излучения

Солнце испускает электромагнитное излучение по большей части электромагнитного спектра. Хотя Солнце производит гамма-лучи в результате процесса ядерного синтеза (см. Схему протон-протонная цепь на "Солнечная печь" читая страницу ), эти фотоны сверхвысокой энергии преобразуются в фотоны с более низкой энергией, прежде чем они достигнут поверхности Солнца и испускаются в космос. Таким образом, Солнце не испускает никаких гамма-лучей, чтобы говорить о них. Солнце, однако, излучает рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, свет (конечно!), Инфракрасные и даже радиоволны.

Пик солнечной энергии на самом деле находится в диапазоне видимого света. На первый взгляд это может показаться удивительным, поскольку видимая область спектра охватывает довольно узкий диапазон. И какое совпадение, что солнечный свет должен быть самым ярким в диапазоне, который способны видеть наши глаза! Стечение обстоятельств? Возможно нет! Представьте, что наш вид «вырос» на планете, вращающейся вокруг звезды, которая выделяет большую часть своей энергии в ультрафиолетовой области спектра. Предположительно, у нас были бы развитые глаза, которые могли бы видеть ультрафиолетовый «свет», потому что именно такой свет был бы наиболее ярко освещающим пейзажи нашей планеты. Такое же рассуждение применимо к видам, которые эволюционировали на планетах, вращающихся вокруг звезд, которые излучают большую часть своей энергии в инфракрасном диапазоне; они, скорее всего, будут развиваться, чтобы иметь глаза, чувствительные к ИК. Похоже, наши глаза настроены на излучение, которое излучает наша звезда.

График ниже показывает упрощенное представление энергетических излучений Солнца в зависимости от длин волн этих излучений. Ось Y показывает относительное количество энергии, излучаемой на данной длине волны (по сравнению со значением «1» для видимого света). Ось X представляет различные длины волн электромагнитного излучения. Обратите внимание, что масштаб оси Y является логарифмическим; каждая отметка представляет собой сто-кратное увеличение количества энергии при движении вверх.

Этот график показывает (приблизительно) распределение электромагнитной энергии, излучаемой Солнцем, в зависимости от длины волны этой энергии. Длинноволновые радиоволны находятся справа, коротковолновые рентгеновские лучи - слева. Единицы энергии вдоль вертикальной оси относятся к пику выходной энергии электромагнитного излучения Солнца в видимой части спектра, которая произвольно получает значение «1». Обратите внимание, что вертикальная шкала является логарифмической, так что каждая метка представляет собой стократное увеличение / уменьшение энергии.
Предоставлено : Изображение предоставлено Программа COMET и Высотная обсерватория в НКАР (Национальный центр атмосферных исследований).

Физики используют концепцию, называемую «излучатель черного тела», чтобы объяснить, как горячие объекты испускают электромагнитное излучение различной длины волны. Хотя излучатель черного тела является ментальной конструкцией, а не реальным объектом, многие реальные объекты ведут себя почти как излучатель черного тела. В качестве примера представьте кусок железа, который нагревается в печи. Сначала, когда железо не особенно горячее, оно вообще не светится; но если вы поднесете руку к ней, то почувствуете тепло, которое она излучала. При этой относительно низкой температуре железо излучает большую часть своей энергии в ИК части спектра, которую мы не можем видеть, но которую мы можем ощущать как тепло. Когда утюг становится теплее, он начинает светиться темно-красным; пик его излучения только что переместился в самую низкоэнергетическую, самую длинную часть волны видимого спектра чуть выше инфракрасного. По мере того как железо становится горячее, его свечение становится оранжевым, а затем желтым, поскольку его пиковые выбросы распространяются по спектру до более высоких энергий и более коротких волн.

Так какое это имеет отношение к Солнцу? Железный пруток из твердого металла и гигантский шарик из газовой плазмы из водорода и гелия не очень похожи, и вы можете не ожидать, что они будут вести себя одинаково. Тем не менее, видимая «поверхность» Солнца ведет себя почти как идеализированный излучатель черного тела. Напомним, что температура фотосферы составляет около 5800 К. На графике ниже показана теоретическая кривая излучения для излучателя черного тела с температурой 5800 К. Обратите внимание, что на большей части электромагнитного спектра Солнце очень похоже на излучатель черного тела. Обратите также внимание на то, что Солнце излучает гораздо больше высокоэнергетических фотонов в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, чем излучатель черного тела. Так что же все это значит?

Этот график показывает распределение электромагнитной энергии, испускаемой «излучателем черного тела», имеющим температуру поверхности Солнца (приблизительно 5800 Кельвинов). Сравните это с распределением энергии Солнца, показанным выше. Обратите внимание, что две кривые практически идентичны от ближней ультрафиолетовой до радиоволновой областей, но весьма различны в дальнем ультрафиолетовом и рентгеновском режимах. Излучение, испускаемое атмосферой Солнца, заставляет Солнце вести себя иначе, чем идеальный излучатель черного тела.
Предоставлено : Изображение предоставлено Программа COMET и Высотная обсерватория в НКАР (Национальный центр атмосферных исследований).

Фотосфера Солнца ведет себя почти как излучатель черного тела. Если мы посмотрим на Солнце в видимом или инфракрасном свете, мы будем в значительной степени наблюдать за фотосферой. Тем не менее, Солнце излучает больше энергии и ультрафиолета, чем излучатель черного тела. Эти фотоны высоких энергий в основном испускаются из атмосферы Солнца. Вспомните, как температура Солнца постепенно снижалась с 15 миллионов К в ядре до 5800 К в фотосфере, но затем неожиданно снова поднялась до 3 миллионов К во внешней атмосфере Солнца (короне). Высокие температуры солнечной атмосферы, а также взрывные явления, такие как солнечные вспышки которые еще больше возбуждают эту область Солнца, генерируют ультрафиолетовые и рентгеновские фотоны высокой энергии. Кроме того, различные длины волн ультрафиолетового и рентгеновского излучений происходят с разной высоты в солнечной атмосфере, поэтому мы можем просматривать различные уровни солнечной атмосферы, рассматривая конкретные длины волн этих ультрафиолетовых и рентгеновских излучений. Давайте рассмотрим некоторые из этих многоспектральных представлений о Солнце.

Многоспектральное Солнце

Солнце излучает электромагнитное излучение на многих длинах волн в электромагнитном спектре. Эти изображения показывают Солнце в инфракрасном, видимом свете, четырех разных длинах волн ультрафиолета и в рентгеновских лучах. Изображения, снятые в очень узких полосах, имеют отмеченные длины волн соответствующих волн (в нанометрах). Фотосфера наиболее заметна на изображениях в видимом свете, в то время как ультрафиолетовые и рентгеновские изображения показывают детали солнечной атмосферы. Обратите внимание, что почти все эти изображения представляют собой «ложные цвета», поскольку ваши глаза не могут видеть рентгеновский или ультрафиолетовый или инфракрасный «свет».

Кредиты: ИК-изображение любезно предоставлено Высотной обсерваторией в NCAR; Изображения УФ и видимого света любезно предоставлены SOHO (NASA / ESA); изображение в видимом свете (656 нм) предоставлено Солнечной обсерваторией Big Bear / Технологическим институтом Нью-Джерси; Рентгеновское изображение предоставлено Yohkoh.

Эта анимация показывает виды Солнца на различных частотах по всему электромагнитному спектру. Обратите внимание, как различные объекты и области Солнца видны на разных видах. Вид видимого света показывает фотосферу, в том числе несколько веснушки , Инфракрасный вид показывает нижнюю хромосферу непосредственно над фотосферой, где температура все еще относительно низкая. Большинство высокоэнергетических фотонов, которые производят ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, исходят из более высоких температур в горячей атмосфере Солнца. Обратите внимание, что области атмосферы над солнечными пятнами имеют тенденцию быть особенно яркими на рентгеновских и ультрафиолетовых изображениях. Солнечные пятна являются видимыми индикаторами магнитных возмущений на Солнце, которые порождают высокоэнергетические явления такие как солнечные вспышки а также выбросы корональной массы ,

Большинство отдельных видов изображают Солнце в очень узком диапазоне длин волн; например, инфракрасный вид - это просто узкая полоса инфракрасного «света» с длиной волны около 1083 нанометров (в отличие от всей инфракрасной части спектра, которая варьируется в диапазоне длин волн от 750 нм до 1 мм), тогда как первый ультрафиолетовый луч изображение сосредоточено вокруг длины волны 30,4 нм. Эти «окна» с узкой длиной волны в спектре ЭМ на самом деле являются «отпечатками пальцев» конкретного элементы при определенных температурах. Горячие газы и плазма излучать свет (или ультрафиолетовое излучение или рентгеновское излучение) на очень определенных длинах волн, в зависимости от элемента и температуры этого элемента. Например, ИК-изображение с длиной волны 1,083 нм создается атомами гелия, указывающими на температуру в несколько тысяч кельвинов. УФ-изображение с длиной волны 30,4 нм также создается гелием, но этот гелий был ионизирован (лишен одного из двух электронов), что указывает на то, что его температура находится в диапазоне от 60 000 до 80 000 Кельвинов, и, таким образом, он находится где-то около граница между верхней хромосферой и горячей короной. Более короткая длина волны, фотоны с более высокой энергией, которые производят ультрафиолетовое изображение с длиной волны 19,5 нм, указывают на еще более высокую область в короне; они испускаются железом (да, Солнце испарило в нем железо!) атомы, у которых 11 электронов были удалены при температурах около 1,5 миллионов кельвинов. Основным результатом всего этого является то, что изображения на разных длинах волн позволяют нам видеть материал при разных температурах на Солнце и над ним. Во многих случаях это означает, что каждое изображение с разной длиной волны дает нам представление о материале на разной высоте в солнечной атмосфере. Кроме того, некоторые особенности особенно заметны на разных длинах волн.

«Хорошо», вы можете сказать: «Это действительно красивые картинки ... но какое отношение все это имеет к климату Земли?». Как мы увидим на последующих страницах, разная длина волн электромагнитного излучения ведет себя по-разному, когда они достигают атмосферы Земли. К счастью для нас, большая часть высокоэнергетического рентгеновского излучения и ультрафиолетового излучения поглощается нашей атмосферой далеко над нашими головами, не давая им зажарить нас. Однако они переносят свою энергию в атмосферу на разных уровнях, что имеет значение для нашего климата. Кроме того, как мы увидим в следующем чтении, количество излучения, испускаемого Солнцем на различных длинах волн, не является полностью постоянным во времени. Краткосрочные события, такие как солнечные вспышки, могут резко изменить уровни рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца в течение нескольких минут. Многолетние циклы солнечной активности лишь незначительно изменяют количество видимого света, излучаемого Солнцем (до 0,1%), но могут в сотни раз изменять уровни рентгеновского и ультрафиолетового излучения.