Вспышки на солнце что дальше. Три мощнейших взрыва на солнце угрожают земле
На Солнце произошла мощнейшая за последние 12 лет вспышка класса Х 9,3. В ближайшие дни на Земле ожидаются экстремально сильные магнитные бури и многочисленные полярные сияния в обоих полушариях.
Взрыв на Солнце произошел в результате слияния двух крупнейших групп солнечных пятен. Это была одна из пяти мощнейших вспышек на Солнце за всю историю наблюдений. Обычно вспышки такого уровня происходят при очень редких и уникальных условиях и на пике солнечной активности. В этот раз взрыв случился на фоне солнечного минимума. Ученым предстоит разобраться в причине произошедшего.
Как отмечают эксперты, взрыв такой мощности несет угрозу отказов космической техники и систем связи.
Геомагнитные бури, вызванные вспышкой, обычно влияют на самочувствие людей, страдающих хроническими заболеваниями.
От Солнца к сердцу
Три мощнейших взрыва на Солнце угрожают Земле
Изображение: NASA / GSFC / SDO
Произошла самая мощная за последние 12 лет вспышка
В первой половине среды, 6 сентября 2017 года, ученые зарегистрировали самую мощную за последние 12 лет солнечную вспышку. Вспышке присвоен балл X9.3 - буква означает принадлежность к классу экстремально больших вспышек, а число - силу вспышки. Выброс миллиардов тонн материи произошел почти в районе AR 2673, практически в центре солнечного диска, поэтому земляне не избежали последствий случившегося. Вторая мощная вспышка (балла X1.3) зафиксирована вечером в четверг, 7 сентября, третья - сегодня, в пятницу, 8 сентября.
Солнце выбрасывает огромную энергию в космос
Солнечные вспышки в зависимости от мощности рентгеновского излучения делятся на пять классов: A, B, C, M и X. Минимальный класс A0.0 соответствует мощности излучения на орбите Земли в десять нановатт на квадратный метр, следующая буква означает увеличение мощности в десять раз. В ходе самых мощных вспышек, на которые способно Солнце, в окружающее пространство уходит огромная энергия, за несколько минут - около сотни миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте. Это примерно пятая часть энергии, излучаемой Солнцем за одну секунду, и вся энергия, которую выработает человечество за миллион лет (при условии ее производства современными темпами).
Ожидается мощная геомагнитная буря
Рентгеновское излучение доходит до планеты за восемь минут, тяжелые частицы - за несколько часов, облака плазмы - за двое-трое суток. Корональный выброс от первой вспышки уже достиг Земли, планета столкнулась с облаком солнечной плазмы диаметром около ста миллионов километров, хотя ранее прогнозировалось, что это произойдет к вечеру пятницы, 8 сентября. Геомагнитная буря уровня G3-G4 (пятибалльная шкала варьируется от слабых G1 до экстремально сильных G5), спровоцированная первой вспышкой, должна завершиться вечером в пятницу. Корональные выбросы от второй и третьей солнечных вспышек еще не достигли Земли, возможные последствия стоит ожидать в конце текущей - начале следующей недели.
Последствия вспышки давно понятны
Геофизики прогнозируют полярное сияние в Москве, Санкт-Петербурге и Екатеринбурге, городах, расположенных на сравнительно низких для авроры широтах. В американском штате Арканзас его уже заметили. Еще в четверг операторы в США и Европе сообщали о некритичных перебоях со связью. Уровень рентгеновского излучения на околоземной орбите незначительно повысился, военные уточняют, что спутникам и наземным системам, а также экипажу МКС прямой угрозы нет.
Изображение: NASA / GSFC
Все же существует опасность для низкоорбитальных и геостационарных спутников. Первые рискуют выйти из строя из-за торможения о разогревшуюся атмосферу, а вторые, удаляясь от Земли на 36 тысяч километров, могут столкнуться с облаком солнечной плазмы. Возможны перебои с радиосвязью, но для окончательной оценки последствий вспышки необходимо дождаться как минимум конца недели. Ухудшение самочувствия людей из-за изменений геомагнитной обстановки научно не доказано.
Возможно усиление солнечной активности
Последний раз подобная вспышка наблюдалась 7 сентября 2005 года, однако самая сильная (с баллом Х28) произошла еще раньше (4 ноября 2003 года). В частности, 28 октября 2003 года из строя вышел один из высоковольтных трансформаторов в шведском городе Мальмё, обесточив на час весь населенный пункт. От бури пострадали и другие страны. За несколько дней до событий сентября 2005 года была зафиксирована менее мощная вспышка, и ученые полагали, что Солнце успокоится. То, что происходит в последние дни, сильно напоминает ту ситуацию. Подобное поведение светила означает, что рекорд 2005 года в ближайшее время все еще может быть побит.
Изображение: NASA / GSFC
Однако за последние три века человечество пережило и еще более мощные солнечные вспышки, чем произошедшие в 2003 и 2005 годах. В начале сентября 1859 года геомагнитная буря привела к отказу телеграфных систем Европы и Северной Америки. Причиной назвали мощный выброс корональной массы, достигший планеты за 18 часов и наблюдаемый 1 сентября британским астрономом Ричардом Кэррингтоном. Также имеются исследования, подвергающие сомнению последствия солнечной вспышки 1859 года, ученые полагают , что магнитная буря затронула только локальные области планеты.
Солнечные вспышки трудно поддаются количественному описанию
Последовательной теории, описывающей формирование солнечных вспышек, пока не существует. Вспышки возникают, как правило, в местах взаимодействия солнечных пятен на границе областей северной и южной магнитных полярностей. Это приводит к быстрому высвобождению энергии магнитного и электрического полей, которая затем идет на разогрев плазмы (увеличение скорости ее ионов).
Уничтожит ли сегодня Солнце жизнь на Земле
Наблюдаемые пятна - это участки поверхности Солнца с температурой примерно на две тысячи градусов Цельсия ниже температуры окружающей ее фотосферы (примерно 5,5 тысячи градусов Цельсия). На самых темных участках пятна линии магнитного поля перпендикулярны поверхности Солнца, на более светлых они ближе к касательной. Напряженность магнитного поля у таких объектов превышает его земное значение в тысячи раз, а сами вспышки связаны с резким изменением локальной геометрии магнитного поля.
Солнечная вспышка произошла на фоне минимума солнечной активности. Вероятно, таким образом светило сбрасывает энергию и скоро успокоится. Подобного рода события происходили и ранее в истории звезды и планеты. То, что сегодня это привлекает внимание общественности, говорит не о внезапной угрозе человечеству, а о научном прогрессе - несмотря ни на что, ученые постепенно все лучше понимают процессы, происходящие со звездой, и сообщают об этом налогоплательщикам.
Где следить за ситуацией
Информацию о солнечной активности можно почерпнуть из множества источников. В России, например, - с сайтов двух институтов Российской академии наук: и (первый на момент написания статьи вывесил прямое предупреждение об опасности для спутников из-за солнечной вспышки, второй содержит удобный график вспышечной активности), которые используют данные американских и европейских служб. Интерактивные данные о солнечной активности, а также оценку текущей и будущей геомагнитной ситуации можно найти на сайте
Б.В. Сомов, доктор физико-математических наук, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, МГУ
Во время большой вспышки поток жесткого электромагнитного излучения Солнца возрастает во много раз. В невидимых для нас ультрафиолетовых (УФ), рентгеновских и гамма-лучах наше светило становится "ярче тысячи солнц". Излучение достигает орбиты Земли через восемь минут после начала вспышки. Через несколько десятков минут приходят потоки заряженных частиц, ускоренных до гигантских энергий, а через двое-трое суток - огромные облака солнечной плазмы. К счастью, озоновый слой атмосферы Земли защищает нас от опасного излучения, а геомагнитное поле - от частиц. Однако даже на Земле, тем более в космосе, солнечные вспышки опасны и необходимо уметь их заблаговременно прогнозировать. Что же такое солнечная вспышка, как и почему она возникает?
Солнце и мы
Ближайшая к нам звезда - Солнце - родилась около 5 млрд. лет тому назад. Внутри нее идут ядерные реакции, благодаря которым существует жизнь на Земле. Построенные на основе современных наблюдений теоретические модели строения и эволюции Солнца не оставляют сомнений в том, что оно будет сиять еще миллиарды лет.
Солнечное излучение - главный источник энергии для земной атмосферы. Фотохимические процессы в ней особенно чувствительны к жесткому УФ-излучению, которое вызывает сильную ионизацию. Поэтому когда Земля была молодой, жизнь существовала только в океане. Позднее, примерно 400 млн. лет назад, появился озоновый слой, поглощающий ионизирующее изучение, и жизнь вышла на сушу. С тех пор озоновый слой защищает нас от разрушительного воздействия жесткого УФ-излучения.
Магнитное поле Земли, ее магнитосфера препятствует проникновению к Земле быстрых заряженных частиц солнечного ветра (Земля и Вселенная, 1974, № 4; 1999, № 5). Когда его порывы взаимодействуют с магнитосферой, часть частиц все-таки высыпается вблизи магнитных полюсов Земли, порождая полярные сияния.
Увы, гармонию наших отношений с Солнцем нарушают солнечные вспышки.
Вспышки на Солнце
Последние десятилетия сразу несколько космических обсерваторий пристально вглядываются в "разгневанное" Солнце с помощью специальных рентгеновских и УФ-телескопов. Сейчас таких космических аппаратов четыре: американские "SOHO" (Solar and Heliospheric Observatory - солнечная гелиосферная обсерватория; Земля и Вселенная, 2003, № 3), "TRACE" (Transition Region and Coronal Explorer - исследователь короны и переходного слоя), "RHESSI" (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager - солнечный спектральный телескоп высокоэнергичного излучения им. Рамати) и российский спутник "Коронас-Ф" (Земля и Вселенная, 2002, № 6).
Огромный интерес к вспышкам на Солнце не случаен. Большие вспышки оказывают сильное воздействие на околоземное космическое пространство. Потоки частиц и излучения опасны для космонавтов. Кроме того, они могут повредить электронные приборы космических аппаратов, нарушить их работу.
УФ- и рентгеновские лучи от вспышки внезапно увеличивают ионизацию в верхних слоях атмосферы Земли, в ионосфере. Это может приводить к нарушениям радиосвязи, сбоям в работе радионавигационных приборов кораблей и самолетов, радиолокационных систем, длинных линий электроснабжения. Частицы высоких энергий, проникая в верхнюю атмосферу Земли, разрушают озоновый слой. Содержание озона уменьшается из года в год. Научную дискуссию вызывает вопрос о вероятной связи вспышечной активности Солнца с климатом на Земле.
Ударные волны и выбросы солнечной плазмы после вспышек сильно возмущают магнитосферу Земли, вызывают магнитные бури (Земля и Вселенная, 1999, № 5). Важно, что возмущения магнитного поля на поверхности Земли могут влиять на живые организмы, на состояние биосферы Земли (Земля и Вселенная, 1974, № 4; 1981, № 4), хотя это воздействие кажется пренебрежимо малым по сравнению с другими факторами нашей повседневной жизни.
Прогнозирование вспышек
Необходимость прогнозирования солнечных вспышек возникла давно, но особенно остро в связи с пилотируемыми космическими полетами. Долгое время почти независимо и практически безрезультатно разрабатывались два подхода к решению этой проблемы. Их можно условно назвать синоптическим и каузальным (причинным). Первый - сходный с предсказаниями погоды - базировался на изучении морфологических особенностей предвспышечных ситуаций на Солнце. Второй метод подразумевает знание физического механизма вспышки и, соответственно, распознавание предвспышечной ситуации путем ее моделирования.
До начала космических исследований, на протяжении многих лет, наблюдения вспышек велись преимущественно в оптическом диапазоне электромагнитного излучения: в линии водорода Нa и в "белом свете" (непрерывном спектре видимого излучения). Наблюдения в магниточувствительных линиях позволили установить тесную связь вспышек с магнитными полями на поверхности Солнца (фотосфере). Часто вспышка видна как увеличение яркости хромосферы (слой непосредственно над фотосферой) в виде двух светящихся лент, расположенных в областях магнитных полей противоположной полярности. Радионаблюдения подтверждали эту закономерность, имеющую принципиальное значение для объяснения механизма вспышки. Однако его понимание оставалось на чисто эмпирическом уровне, а теоретические модели (даже самые правдоподобные) казались совершенно не убедительными (Земля и Вселенная, 1974, № 4).
Рис. 1 - Солнечная вспышка (рентгеновский балл Х5.7), зарегистрированная 14 июля 2000 г. со спутников "TRACE" и "Yohkoh". Видна аркада вспышечных петель: слева в УФ (195 А); в центре - в мягком рентгеновском излучении; справа - источники жесткого рентгеновского излучения (53 - 94 кэВ), расположенные вдоль вспышечных лент - основания аркады. NL - фотосферная нейтральная линия.
Уже первые внеатмосферные наблюдения с помощью космических аппаратов показали, что солнечные вспышки представляют собой корональное, а не хромосферное явление. Современные многоволновые наблюдения Солнца с космических и наземных обсерваторий свидетельствуют о том, что источник энергии вспышки расположен над аркадой вспышечных петель (светлые полосы на рисунке слева) в короне, наблюдаемых в мягком рентгеновском и УФ-излучении. Аркады опираются на хромосферные вспышечные ленты, которые расположены по разные стороны линии раздела полярности фотосферного магнитного поля, или фотосферной нейтральной линии.
Энергия вспышки
Солнечная вспышка - самое мощное из всех проявлений активности Солнца. Энергия большой вспышки достигает (1-3)x1032 эрг, что приблизительно в сто раз превышает тепловую энергию, которую можно было бы получить при сжигании всех разведанных запасов нефти и угля на Земле. Эта гигантская энергия выделяется на Солнце за несколько минут и соответствует средней (за время вспышки) мощности 1029 эрг/с. Однако это меньше сотых долей процента от мощности полного излучения Солнца в оптическом диапазоне, равной 4x1033 эрг/с. Она называется солнечной постоянной. Поэтому при вспышке не происходит заметного увеличения светимости Солнца. Лишь самые большие из них можно заметить в непрерывном оптическом излучении.
Откуда и как черпает свою огромную энергию солнечная вспышка?
Источник энергии вспышки - магнитное поле в атмосфере Солнца. Оно определяет морфологию и энергетику той активной области, где произойдет вспышка. Здесь энергия поля много больше, чем тепловая и кинетическая энергия плазмы. Во время вспышки происходит быстрое превращение избыточной энергии поля в энергию частиц и изменения плазмы. Физический процесс, обеспечивающий такое превращение, называется магнитным пересоединением.
Что такое пересоединение?
Рассмотрим простейший пример, который демонстрирует явление магнитного пересоединения. Пусть два параллельных проводника расположены на расстоянии 2l друг от друга. По каждому из проводников течет электрический ток. Магнитное поле этих токов состоит из трех различных магнитных потоков. Два из них - Ф1 и Ф2 - принадлежат соответственно верхнему и нижнему токам; каждый поток охватывает свой проводник. Они расположены внутри сепаратрисной линии поля А1А2 (сепаратрисы), которая образует "восьмерку" с точкой пересечения X. Третий поток расположен вне сепаратрисной линии. Он принадлежит одновременно обоим проводникам.
Если мы сместим оба проводника в направлении друг к другу на величину dl, то магнитные потоки перераспределятся. Собственные потоки каждого из токов уменьшатся на величину dФ, а их общий поток увеличится на ту же величину (объединенный поток Ф1" и Ф2"). Этот процесс называется пересоединением линий магнитного поля, или просто магнитным пересоединением. Он осуществляется следующим образом. Две линии поля подходят к точке X сверху и снизу, сливаются c ней, образуя новую сепаратрису, и затем соединяются так, чтобы образовать новую линию поля, которая охватывает оба тока.
Рис. 2 - Магнитное поле двух параллельных электрических токов одинаковой величины I:
a) в начальный момент времени; А1А2 - сепаратриса; Ф1Ф2 - магнитный поток до пересоединения;
А3 - линия поля общего магнитного потока двух токов;
б) после смещения проводников на расстояние dl друг к другу. А1А2 - новая сепаратриса; Ф1Ф2 - пересоединенный магнитный поток. Он стал обшим потоком двух токов; линия X проходит перпендикулярно плоскости рисунка;
в) магнитное пересоединение в плазме. Показано промежуточное (предвспышечное) состояние с непересоединяющим (медленно пересоединяющим) токовым слоем CL.
Отметим, что такое пересоединение в вакууме при всей его простоте - реальный физический процесс. Его можно легко воспроизвести в лаборатории. Пересоединение магнитного потока индуцирует электрическое поле, величину которого можно оценить, разделив величину dФ на характерное время процесса пересоединения dt, то есть время движения проводников. Это поле будет ускорять заряженную частицу, помещенную вблизи точки Х, точнее говоря, линии Х.
Плазма солнечной короны отличается от вакуума очень высокой электрической проводимостью. Как только появляется индуцируемое пересоединением электрическое поле E, оно сразу же порождает электрический ток, направленный вдоль линии Х. Он приобретает форму токового слоя, который препятствуют процессу пересоединения. В плазме высокой проводимости токовый слой делает пересоединение между взаимодействующими магнитными потоками очень медленным. Это приводит к тому, что значительная часть энергии взаимодействия накапливается в виде избытка магнитной энергии, а именно магнитной энергии токового слоя.
Токовые слои и вспышки
В общем случае пересоединяющий токовый слой представляет собой магнито-плазменную структуру, как минимум, двумерную и, как правило, двухмасштабную, поскольку втекание плазмы в слой и вытекание из него осуществляются в ортогональных направлениях. Обычно (особенно в условиях сильного магнитного поля) ширина слоя (2b) много больше его толщины (2a). Это важно, поскольку, чем шире токовый слой, тем большую энергию он может накопить в области взаимодействия магнитных потоков. Между тем, чем толще слой, тем больше скорость диссипации (потери) накопленной энергии. Эти фундаментальные свойства пересоединяющего токового слоя составляют основу модели солнечной вспышки, предложенной выдающимся российским астрофизиком С.И. Сыроватским (1925-1979).
Рис. 3 - Простейшая модель пересоединяющего токового слоя - нейтральный слой.
2в - ширина слоя; 2а - толщина слоя; стрелками показаны направления втекания плазмы в слой и вытекания из него.
В реальных трех измерениях только в последние десятилетия, благодаря космическим исследованиям Солнца стала понятна роль топологических свойств крупномасштабных магнитных полей и кинетических плазменных явлений, вовлеченных в процесс пересоединения во вспышках.
"Радуга" и "молнии" на Солнце
Первоначально взаимодействие магнитных потоков в атмосфере Солнца рассматривалось исключительно как результат всплывания нового магнитного поля из-под фотосферы в корону. Новый магнитный поток, поднимаясь в солнечной атмосфере, взаимодействует со старым, предшествующим магнитным потоком. В действительности, взаимодействие магнитных потоков в атмосфере Солнца - гораздо более общее явление. В 1985 г. автор статьи предложил модель, которая связывает вихревые течения плазмы в фотосфере с появлением в короне особых линий магнитного поля - сепараторов. Сепаратор появляется над S-образным изгибом фотосферной нейтральной линии подобно радуге над изгибом реки. Такие изгибы весьма характерны для магнитограмм больших вспышек.
Рис. 4 - Модель магнитного поля активной области перед вспышкой. Особая линия магнитного поля - сепаратор (Х) над S-образным изгибом фотосферной нейтральной линии (NL) подобен радуге над рекой. Вихревое течение со скоростью V в фотосфере деформирует фотосферную нейтральную линию так, что она приобретает форму буквы S. V_ - конвергентные фотосферные течения (направленные к нейтральной линии); V|| - сдвиговые фотосферные течения (направленные вдоль нейтральной линии). В правом верхнем углу показана структура поля в окрестности сепаратора, вблизи его вершины: B_ - поперечные составляющие поля (перпендикулярные сепаратору), B || - продольная составляющая поля (направленная вдоль сепаратора).
По структуре поля сепаратор отличается от линии Х лишь тем, что содержит продольную составляющую магнитного поля. Наличие продольного поля В||, разумеется, не запрещает процесс пересоединения. Эта составляющая всегда присутствует внутри и вне формирующегося вдоль сепаратора пересоединяющего токового слоя. Она влияет на скорость пересоединения поперечных составляющих поля B_ и, следовательно, на мощность процесса преобразования энергии поля в тепловую и кинетическую энергии частиц. Это позволяет лучше понять и точнее объяснить особенности энерговыделения в солнечной вспышке.
Вспышка - быстрое магнитное пересоединение, которое подобно гигантской молнии вдоль "радуги" сепаратора. Оно связано с сильным электрическим полем (больше 10-30 В/см) в высокотемпературном (более 108 К) турбулентном токовом слое (ВТТТС), несущем огромный электрический ток (порядка 1011 А).
Первичное энерговыделение
Картина вспышки во всем ее многообразии и красоте (см. стр. 1 обложки) - следствие первичного выделения энергии в ВТТТС. Наличие нескольких каналов выделения энергии в токовом слое (течения плазмы, тепловое и электромагнитное излучение, ускоренные частицы) определяет многообразие физических процессов, вызываемых вспышкой в атмосфере Солнца.
Рис. 5 - Вспышки 15 апреля 2002 г. Изображения получены рентгеновским телескопом на спутнике "RHESSI" в диапазоне энергий 10-25 кэВ, который соотвествует тепловому излучению сверхгорячей плазмы:
а) непосредственно перед импульсной фазой;
б) во время импульсного нарастания потока жесткого рентгеновского излучения;
в) в максимуме интенсивности; движущийся вверх источник соответствует началу коронального выброса массы (CME).
Пересоединенные линии магнитного поля вместе со "сверхгорячей" (электронная температура больше 3x107 К) плазмой и ускоренными частицами движутся из ВТТТС со скоростями порядка 103 км/с. Рентгеновский телескоп космической обсерватории "RHESSI" зафиксировал два источника жесткого рентгеновского излучения в короне во время вспышки 15 апреля 2002 г. Один из них находился высоко над солнечным лимбом. Его движение вверх соответствовало зарождению коронального выброса массы в межпланетное пространство. Этот выброс зарегистрировал коронограф на космическом аппарате "SOHO" 16 апреля 2002 г. (Земля и Вселенная, 2003, № 3). Второй источник жесткого рентгеновского излучения находился под сепаратором. Пространственное распределение энергии жесткого рентгеновского излучения и, соответственно, пространственное распределение самых высоких температур во вспышке согласуются с предположением, что между источниками действительно находится пересоединяющий ВТТТС.
"Вторичные" эффекты под радугой
Постепенно охлаждаясь, сверхгорячая плазма становится видимой в более мягком рентгеновском излучении. В области, расположенной под сепаратором, она движется вниз и встречается с другой "горячей" (электронная температура меньше или порядка 3x107 К) плазмой, которая быстро течет вверх, из хромосферы в корону.
Причина этого вторичного (но не второстепенного) течения в том, что мощные потоки тепла и ускоренных частиц из ВТТТС быстро распространяются вдоль пересоединенных линий магнитного поля и моментально нагревают хромосферу по обе стороны от фотосферной нейтральной линии. Так образуются пары вспышечных лент, наблюдаемые в видимых хромосферных линиях и УФ-линиях переходного слоя между короной и хромосферой. Нагретые до высоких температур верхние слои хромосферы "испаряются" в корону. Эффект быстрого расширения нагретой хромосферной плазмы в корону хорошо виден в рентгеновских лучах. "Хромосферное испарение" (так называют это явление) вместе с плазмой, вытекающей из токового слоя, порождает аркады вспышечных петель: длинные или короткие (как во вспышке 15 апреля 2002 г.).
Рис. 6 - Гигантская солнечная вслышка (рентгеновский балл Х17) 4 ноября 2003 г. Прекрасно видна аркада вспышечных петель в короне. Изображение в линиях крайнего ультрафиолетового излучения 171 А получено с помощью УФ-телескопа КА "ТRACE".
Как уже отмечалось, в мягком рентгеновском и УФ-излучениях заключена значительная часть полной энергии вспышки, причем именно они воздействуют на верхние слои атмосферы Земли. Не удивительно, что огромные потоки этого же излучения воздействуют и на атмосферу Солнца (Земля и Вселенная, 1978, № 1): хромосферу и фотосферу, вызывая нагрев и дополнительную ионизацию солнечной плазмы. К сожалению, точности современных наблюдений пока не хватает для изучения столь тонких эффектов.
Изучение вторичных явлений имеет принципиальное значение для сравнения результатов теории вспышек с наблюдениями, поскольку видны больше всего именно следствия первичного энерговыделения: например тормозное излучение ускоренных электронов в хромосфере делает вспышечные ленты видимыми в жестком рентгеновском излучении.
Оптическое излучение вспышки - часть сложного гидродинамического отклика хромосферы и фотосферы на импульсный нагрев мощными пучками заряженных частиц, потоками тепла и жесткого электромагнитного излучения. К сожалению, пока еще нет однозначных предсказаний теории, относящихся к оптическому излучению. Слишком сложна физическая картина "отклика". Успехи достигнуты лишь на пути численного моделирования импульсного нагрева хромосферы электронными пучками. Расчеты на ЭВМ вскрыли специфические особенности импульсной фазы вспышки: формирование ударных и тепловых волн большой амплитуды, отличие электронной температуры от ионной, мощное УФ-излучение в линиях переходного слоя. Однако в целом, даже в рамках столь ограниченной постановки задачи об отклике, предстоит еще много сделать, чтобы обеспечить сравнение результатов расчетов и наблюдений.
Первые пространственные наблюдения гамма-излучения вспышек на космической обсерватории "RHESSI" показали, что ускоренные электроны и ускоренные ионы вторгаются в хромосферу в различных областях. Этот новый наблюдательный факт, хотя и требует дальнейшего детального изучения, в общих чертах согласуется с предположением о первичном ускорении частиц электрическим полем в пересоединяющем ВТТТС. Положительно и отрицательно заряженные частицы ускоряются крупномасштабным электрическим полем в противоположные стороны и, соответственно, высыпаются из токового слоя в хромосферу вдоль различных линий магнитного поля. Аккуратные теоретические расчеты эффекта, к сожалению, пока отсутствуют.
Перед вспышкой
Что предшествует вспышке? В какой момент времени она происходит? Рассмотрим эти вопросы на примере модели "Радуга", разрабатываемой в отделе физики Солнца ГАИШ МГУ.
Начнем с процесса накопления энергии перед вспышкой. Главными факторами здесь являются медленные течения фотосферной плазмы, несущей магнитные поля. Фотосферные течения, направленные к нейтральной линии, принято называть конвергентными, а течения вдоль нее называются сдвиговыми.
Очевидно, конвергентные течения стремятся сжать фотосферную плазму и "вмороженное" в нее (движущееся вместе с плазмой) магнитное поле в окрестности нейтральной линии. Это приводит к формированию медленно пересоединяющего токового слоя вдоль сепаратора. При этом магнитное поле приобретает избыток магнитной энергии токового слоя. Сдвиговые течения в фотосфере растягивают линии магнитного поля в короне в направлении, параллельном сепаратору.
Суммарный избыток магнитной энергии в короне, создаваемый течениями плазмы в фотосфере, называют "свободной магнитной энергией". Именно она полностью или частично "освобождается" во время вспышки, точнее говоря, превращается из энергии поля в тепловую и кинетическую энергию частиц солнечной плазмы.
Как происходит вспышка
В модели "Радуга" предполается, что процесс быстрого пересоединения, то есть первичное энерговыделение во вспышке, начинается на сепараторе вблизи его вершины.
В процессе пересоединения первой пары линий поля создается новая линия. При этом происходит быстрое превращение соответствующей порции энергии магнитного поля в энергию частиц плазмы. Ускоренные частицы за очень короткое время долетают вдоль пересоединенной линии поля к ее основаниям в хромосфере. Здесь они отдают свою энергию: тормозятся и нагревают хромосферную плазму, порождая пару "ярких точек", называемых "вспышечные ядра эмиссии".
Рис. 8 - Так выглядит магнитное поле перед вспышкой:
а) магнитные линии f1 и f1" ближе всего расположены к токовому слою (RCL).
Они пересоединяются первыми в начале вспышки.
б) во время вспышки в момент быстрого пересоединения магнитного поля.
f2 и f2" - новые пересоединенные магнитные линии.
Pa и Pb - вспышечные ядра эмиссии. Их кажущееся смещения показаны зелеными стрелками.
Быстрое пересоединение следующей пары линий магнитного поля создает другую линию поля и новую пару ярких точек. А наблюдателю на Земле или на космической станции кажется, что оба вспышечных ядра движутся друг к другу.
Реально во вспышке в процессе пересоединения участвуют, разумеется, не две линии поля, а два магнитных потока, которые взаимодействуют между собой не в одной точке, а вдоль всего сепаратора. Поэтому пересоединение порождает не две яркие точки в хромосфере, а две вспышечные ленты.
Модель "Радуга" объясняет наличие в наблюдаемой картине вспышки двух эффектов. Во-первых, вспышечные ленты в ходе вспышки должны двигаться в противоположные стороны от фотосферной нейтральной линии. Во-вторых, наиболее яркие участки вспышечных лент могут двигаться навстречу друг другу, если освобождается магнитная энергия, накопленная за счет сдвиговых течений фотосферной плазмы, параллельных нейтральной линии.
Разумеется, реальные вспышки на Солнце не столь симметричны, как упрощенные модельные структуры. В активных областях на Солнце одна полярность магнитного поля в фотосфере, как правило, доминирует над другой. Тем не менее, модель "Радуга" - хорошая основа для сравнения теории пересоединения при вспышке с современными многоволновыми их наблюдениями.
Рис. 9 - Вспышка (рентгеновский балл X5.7) 14 июля 2000 г. Показано положение наиболее яркого источника излучения, К1, в диапазоне 53-93 кэВ, по данным жесткого рентгеновского телескопа HXT на спутнике "Yohkoh" в начале (желтые контуры) и в конце (голубые контуры) всплеска жесткого рентгеновского излучения. Зеленая стрелка - смещение центроида излучения С, за время всплеска порядка 20 с. Красной стрелкой показано движение самого большого солнечного пятна Р1 в течение двух дней, предшествовавших вспышке. Оно складывается из двух частей: движение к упрощенной нейтральной линии SNL и движение вдоль нее.
Во время вспышки происходит быстрая "релаксация стрессов" магнитного поля в короне. Подобно тому, как спусковой крючок освобождает сжатую пружину, пересоединение при вспышке обеспечивает быстрое превращение накопленного в активной области на Солнце избытка энергии поля в тепловую и кинетическую энергию частиц.
Перспективы изучения вспышек
Изучение солнечных вспышек необходимо для создания научно обоснованного, надежного прогноза радиационной обстановки в ближнем космосе. В этом практическая задача теории вспышек. Важно, однако, и другое. Вспышки на Солнце необходимо изучать для понимания различных вспышечных явлений в космической плазме. В отличие от вспышек на других звездах, а также многих других аналогичных (или кажущихся аналогичными) нестационарных явлений во Вселенной, солнечные вспышки доступны самому всестороннему исследованию практически во всем электромагнитном диапазоне - от километровых радиоволн до жестких гамма-лучей. Физика солнечных вспышек - своеобразный разрез через многие области современной физики: от кинетической теории плазмы до физики частиц высоких энергий.
Современные космические наблюдения позволяют видеть появление и развитие солнечной вспышки в УФ- и рентгеновских лучах с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Огромный поток наблюдательных данных о вспышках и вызываемых ими явлениях в атмосфере Солнца, межпланетном пространстве, магнитосфере и атмосфере Земли дает возможность тщательно проверять все результаты теоретического и лабораторного моделирования вспышек.
1 сентября 1859 года два английских астронома - Ричард Кэррингтон и Ш. Ходжсон, независимо друг от друга наблюдая Солнце в белом свете, увидели, как нечто подобно молнии сверкнуло вдруг среди одной группы солнечных пятен. Это было первое наблюдение нового, еще неизвестного явления на Солнце; в дальнейшем оно получило название солнечной вспышки.
Что же такое солнечная вспышка? Если сказать коротко, это сильнейший взрыв на Солнце, в результате которого быстро высвобождается колоссальное количество энергии, накопившейся в ограниченном объеме солнечной атмосферы.
Чаще всего вспышки возникают в нейтральных областях , расположенных между большими пятнами противоположной полярности. Обычно развитие вспышки начинается с внезапного увеличения яркости факельной площадки - области более яркой, а значит и более горячей фотосферы. Затем происходит катастрофический взрыв, во время которого солнечная плазма разогревается до 40-100 млн К. Это проявляется в многократном усилении коротковолнового излучения Солнца (ультрафиолетового и рентгеновского), а также в усилении "радиоголоса" дневного светила и в выбросе ускоренных солнечных корпускул (частиц). А в некоторых наиболее мощных вспышках генерируются даже солнечные космические лучи, протоны которых достигают скорости, равной половине скорости света. Такие частицы обладают смертоносной энергией. Они способны почти беспрепятственно проникать в космический корабль и разрушать клетки живого организма. Поэтому солнечные космические лучи могут представлять серьезную опасность для экипажа, застигнутого во время, полета внезапной вспышкой.
Таким образом, солнечные вспышки излучают радиацию в виде электромагнитных волн и в виде частиц вещества. Усиление электромагнитного излучения происходит в широком диапазоне длин волн - от жестких рентгеновских лучей и гамма-квантов до километровых радиоволн. При этом общий поток видимого излучения остается всегда постоянным с точностью до долей процента. . Слабые вспышки на Солнце бывают практически всегда, а большие - раз в несколько месяцев. Зато в годы максимума солнечной активности большие солнечные вспышки происходят по нескольку раз в месяц. Обычно небольшая вспышка длится 5 - 10 минут; самые мощные - несколько часов. За это время в околосолнечное пространство выбрасывается облако плазмы массой до 10 млрд т и выделяется энергия, эквивалентная взрыву десятков, а то и сотен миллионов водородных бомб! Однако мощность даже самых больших вспышек не превышает сотых долей процента от мощности полного излучения Солнца. Поэтому при вспышке не происходит заметного увеличения светимости нашего дневного светила.
Во время полета первого экипажа на американской орбитальной станции "Скайлэб" (май-июнь 1973 года) удалось сфотографировать вспышку в свете паров железа при температуре 17 млн К, что должно быть горячее, чем в центре солнечного термоядерного реактора. А в последние годы от нескольких вспышек были зарегистрированы импульсы гамма-излучения.
Своим происхождением такие импульсы обязаны, вероятно, аннигиляции электронно-позитронных пар . Позитрон, как известно, - это античастица электрона. Он имеет ту же массу, что и электрон, но наделен противоположным электрическим зарядом. Когда электрон и позитрон сталкиваются, что может происходить при солнечных вспышках, они тотчас же уничтожаются, превращаясь в два фотона гамма-излучения.
Как и всякое нагретое тело, Солнце непрерывно испускает радиоволны. Тепловое радиоизлучение спокойного Солнца, когда на нем нет пятен и вспышек, постоянно и на миллиметровых и сантиметровых волнах исходит из хромосферы, а на метровых - из короны. Но стоит только появиться большим пятнам, произойти вспышке, как на фоне спокойного радиоизлучения возникают сильные радиовсплески... И тогда радиоизлучение Солнца скачкообразно возрастает в тысячи, а то и в миллионы раз!
Физические процессы, приводящие к возникновению солнечных вспышек, очень сложны и еще мало изучены. Однако сам факт появления солнечных вспышек почти исключительно в больших группах пятен свидетельствует о родственных связях вспышек с сильными магнитными полями на Солнце. И вспышка - это, по-видимому, не что иное, как грандиознейший взрыв, вызванный внезапным сжатием солнечной плазмы под давлением сильного магнитного поля. Именно энергия магнитных полей, каким-то образом освобождаясь, порождает солнечную вспышку.
Излучения солнечных вспышек нередко достигают нашей планеты, оказывая сильное воздействие на верхние слои земной атмосферы (ионосферу). Они же приводят к возникновению магнитных бурь и полярных сияний.
Последствия солнечных вспышек
23 февраля 1956 года станции Службы Солнца отметили на дневном светиле мощнейшую вспышку. Взрывом невиданной силы были выброшены в околосолнечное пространство гигантские облака раскаленной плазмы - каждое во много раз больше Земли! И со скоростью более 1000 км/с они устремились в сторону нашей планеты. Первые отзвуки этой катастрофы быстро докатились до нас через космическую бездну. Примерно через 8,5 минут после начала вспышки сильно возросший поток ультрафиолетовых и рентгеновских лучей достиг верхних слоев земной атмосферы - ионосферы, усилил ее разогрев и ионизацию. Это привело к резкому ухудшению и даже временному прекращению радиосвязи на коротких волнах, ибо вместо того, чтобы отражаться от ионосферы, как от экрана, они стали ею усиленно поглощаться...
Иногда же, при очень сильных вспышках, радиопомехи длятся по нескольку суток подряд, пока беспокойное светило не "приходило в норму". Зависимость прослеживается здесь настолько четко, что по частоте таких помех можно судить об уровне солнечной активности. Но главные возмущения, вызываемые на Земле вспышечной активностью светила, впереди.
Следом за коротковолновым излучением (ультрафиолетовым и рентгеновским) нашей планеты достигает поток высокоэнергичных солнечных космических лучей. Правда, магнитная оболочка Земли достаточно надежно защищает нас от этих смертоносных лучей. Но для космонавтов, работающих в открытом космосе, они представляют весьма серьезную опасность: облучение может легко превысить допустимую дозу. Вот почему около 40 обсерваторий мира постоянно участвуют в патрульной Службе Солнца - ведут непрерывные наблюдения за вспышечной активностью дневного светила.
Дальнейшего развития геофизических явлений на Земле можно ожидать через день или через два дня после вспышки. Именно такое время - 30-50 часов - требуется для того, чтобы облака плазмы достигли земных "окрестностей". Ведь солнечная вспышка - это нечто вроде космической пушки, стреляющей в межпланетное пространство корпускулами - частицами солнечного вещества: электронами, протонами (ядрами атомов водорода), альфа-частицами (ядрами атомов гелия). Масса корпускул, извергнутых вспышкой в феврале 1956 года, составляла миллиарды тонн!
Едва облака солнечных частиц столкнулись с Землей, как заметались стрелки компасов, а ночное небо над планетой украсили разноцветные сполохи полярного сияния. Среди больных резко участились сердечные приступы, возросло число дорожных катастроф.
Да что там магнитные бури, полярные сияния... Под напором исполинских корпускулярных облаков содрогнулся буквально весь земной шар: во многих сейсмических зонах произошли землетрясения. И как бы в довершение всего скачкообразно изменилась продолжительность суток на целых 10... микросекунд!
Космические исследования показали, что земной шар окружен магнитосферой, то есть магнитной оболочкой; внутри магнитосферы напряженность земного магнитного поля преобладает над напряженностью межпланетного поля. И чтобы вспышка могла оказать воздействие на земную магнитосферу и саму Землю, она должна произойти в то время, когда активная область на Солнце расположена вблизи центра солнечного диска, то есть ориентирована в сторону нашей планеты. В противном случае все вспышечные излучения (электромагнитное и корпускулярное) промчатся стороной.
Плазма, которая устремляется с поверхности Солнца в космическое пространство, обладает определенной плотностью и способна оказывать давление на любые встречающиеся на ее пути препятствия. Таким существенным препятствием является магнитное поле Земли - ее магнитосфера. Она оказывает противодействие потокам солнечного вещества. Наступает момент, когда в этом противоборстве оба давления уравновешиваются. Тогда граница земной магнитосферы, поджатая потоком солнечной плазмы с дневной стороны, устанавливается на расстоянии примерно 10 земных радиусов от поверхности нашей планеты, а плазма, не имея возможности двигаться прямо, начинает обтекать магнитосферу. При этом частицы солнечного вещества вытягивают ее магнитные силовые линии, и на ночной стороне Земли (в противоположном от Солнца направлении) у магнитосферы образуется длинный шлейф (хвост), который простирается за орбиту Луны. Земля же со своей магнитной оболочкой оказывается внутри этого корпускулярного потока. И если обычный солнечный ветер, постоянно обтекающий магнитосферу, можно сравнить с легким бризом, то стремительный поток корпускул, порожденных мощной солнечной вспышкой, подобен страшному урагану. Когда такой ураган налетает на магнитную оболочку земного шара, она еще сильнее сжимается с подсолнечной стороны и на Земле разыгрывается магнитная буря.
Таким образом, солнечная активность влияет на земной магнетизм. С ее усилением частота и интенсивность магнитных бурь возрастает. Но связь эта достаточно сложная и состоит из целой цепи физических взаимодействий. Главным связующим звеном в этом процессе является усиленный поток корпускул, возникающий во время солнечных вспышек.
Часть энергичных корпускул в полярных широтах прорывается из магнитной ловушки в земную атмосферу. И тогда на высотах от 100 до 1000 км быстрые протоны и электроны, сталкиваясь с частицами воздуха, возбуждают их и заставляют светиться. В результате наблюдается полярное сияние.
Периодические "оживления" великого светила - явление закономерное. Так, например, после грандиозной вспышки на Солнце, наблюдавшейся 6 марта 1989 года, корпускулярные потоки взбудоражили буквально всю магнитосферу нашей планеты. В результате на Земле разразилась сильнейшая магнитная буря. Она сопровождалась поразительным по своему размаху полярным сиянием, которое в районе Калифорнийского полуострова достигло тропического пояса! Через три дня произошла новая мощная вспышка, а в ночь с 13 на 14 марта жители южного побережья Крыма тоже любовались феерическими сполохами, распростершимися в звездном небе над скалистыми зубцами Ай-Петри. Это было неповторимое зрелище, похожее на зарево пожара, охватившее сразу полнеба.
Эти солнечные вспышки характеризуются колоссальным энергетическим выбросом, воздействующим на планетарную погоду, а также поведение и здоровье живых организмов. Но их нельзя наблюдать без особых технологий. Здесь вы можете узнать состояние вспышек на в реальном времени в режиме онлайн . Также можно проверить прогноз солнечной погоды на сегодня, чтобы осознавать, к чему подготовиться.
Благодаря графику ниже, вы можете узнать какие вспышки на произошли сегодня.
Вспышек класса С и выше на не было.
Индекс активности солнечных вспышек за сутки и месяц
Вспышки на Солнце вчера
Вспышек класса С и выше на не было
Что такое солнечная вспышка?
Солнечная вспышка – внезапное, стремительное и интенсивное изменение уровня яркости. Она появляется, когда возникшая в солнечной атмосфере магнитная энергия высвобождается. Лучи выходят по всему электромагнитному спектру. Энергетический запас приравнивается к миллионам водородных бомб с одновременным взрывом в 100 мегатонн! Первую вспышку зафиксировали 1 сентября 1859 года. Ее независимо отслеживали Ричард Каррингтон и Ричард Ходжсон.
С выбросом магнитной энергии, электроны, протоны и тяжелые ядра прогреваются и ускоряются. Обычно энергия достигает 10 27 эрг/с. Крупные события поднимаются до 10 32 эрг/с. Это в 10 миллионов раз больше, чем при извержении вулкана.
Солнечная вспышка делится на 3 этапа. Сначала отмечают предшествие, когда выпускается магнитная энергия. Можно зафиксировать событие в мягком рентгеновском излучении. Далее протоны и электроны ускоряются до энергии выше 1МэВ. На импульсном этапе высвобождаются радиоволны, гамма-лучи и жесткие рентгеновские волы. На третьем видно постепенное возрастание и распад мягких рентгеновских лучей. Длительность охватывает от нескольких секунд до часа.
Вспышки распространяются в солнечной короне. Это внешний атмосферный слой, представленный сильно разреженным газом, прогретым до миллиона градусов Цельсия. Внутри температура вспышки поднимается до 10-20 миллионов Кельвинов, но может вырасти до 100 миллионов Кельвинов. Корона выглядит неравномерной и огибает экватор в виде петли. Они объединяют области мощного магнитного поля – активные области. В них находятся солнечные пятна.
