Б.В. Сомов, доктор фізико-математичних наук, Державний астрономічний інститут ім. П.К. Штернберга, МГУ
Під час великої спалаху потік жорсткого електромагнітного випромінювання Сонця зростає в багато разів. В невидимих ​​для нас ультрафіолетових (УФ), рентгенівських і гамма-променях наше світило стає "яскравіше тисячі сонць ". Випромінювання досягає орбіти Землі через вісім хвилин після початку спалаху. Через кілька десятків хвилин приходять потоки заряджених частинок, прискорених до гігантських енергій, а через дві-три доби - величезні хмари сонячної плазми. На щастя, озоновий шар атмосфери Землі захищає нас від небезпечного випромінювання, а геомагнітне поле - від частинок. Однак навіть на Землі, тим більше в космосі, сонячні спалахи небезпечні і необхідно вміти їх завчасно прогнозувати. Що ж таке сонячний спалах, як і чому вона виникає?
Сонце і ми
Найближча до нас зірка - Сонце - народилася близько 5 млрд. років тому. Всередині неї йдуть ядерні реакції, завдяки яким існує життя на Землі. Побудовані на основі сучасних спостережень теоретичні моделі будови і еволюції Сонця не залишають сумнівів у тому, що воно буде сяяти ще мільярди років.
Сонячне випромінювання - головне джерело енергії для земної атмосфери. Фотохімічні процеси в ній особливо чутливі до жорсткого УФ-випромінювання, яке викликає сильну іонізацію. Тому коли Земля була молодою, життя існувало тільки в океані. Пізніше, приблизно 400 млн. років тому, з'явився озоновий шар, поглинаючий іонізуюче вивчення, і життя вийшла на сушу. З тих пір озоновий шар захищає нас від руйнівного впливу жорсткого УФ-випромінювання.
Магнітне поле Землі, її магнітосфера перешкоджає проникненню до Землі швидких заряджених часток сонячного вітру (Земля і Всесвіт, 1974, № 4; 1999, № 5). Коли його пориви взаємодіють з магнітосферою, частина частинок таки висипається поблизу магнітних полюсів Землі, породжуючи полярні сяйва.
жаль, гармонію наших відносин з Сонцем порушують сонячні спалахи.
Спалахи на Сонці
Останні десятиліття відразу декілька космічних обсерваторій пильно вдивляються в "Розгніване" Сонце за допомогою спеціальних рентгенівських і УФ-телескопів. Зараз таких космічних апаратів чотири: американські "SOHO" (Solar and Heliospheric Observatory - сонячна геліосферной обсерваторія; Земля і Всесвіт, 2003, № 3), "TRACE" (Transition Region and Coronal Explorer - дослідник корони і перехідного шару), "RHESSI" (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager - сонячний спектральний телескоп високоенергічних випромінювання ім. Рамат) і російський супутник "Коронас-Ф" (Земля і Всесвіт, 2002, № 6).
Величезний інтерес до спалахів на Сонці не випадковий. Великі спалаху роблять сильний вплив на навколоземний космічний простір. Потоки частинок і випромінювання небезпечні для космонавтів. Крім того, вони можуть пошкодити електронні прилади космічних апаратів, порушити їх роботу.
УФ- і рентгенівські промені від спалаху раптово збільшують іонізацію у верхніх шарах атмосфери Землі, в іоносфері. Це може призводити до порушень радіозв'язку, збоїв у роботі радіонавігаційних приладів кораблів і літаків, радіолокаційних систем, довгих ліній електропостачання. Частинки високих енергій, проникаючи у верхню атмосферу Землі, руйнують озоновий шар. Вміст озону зменшується з року в рік. Наукову дискусію викликає питання про вірогідною зв'язку спалахової активності Сонця з кліматом на Землі.
Ударні хвилі і викиди сонячної плазми після спалахів сильно обурюють магнітосферу Землі, викликають магнітні бурі (Земля і Всесвіт, 1999, № 5). Важливо, що збурення магнітного поля на поверхні Землі можуть впливати на живі організми, на стан біосфери Землі (Земля і Всесвіт, 1974, № 4; 1981, № 4), хоча цей вплив здається пренебрежимо малим у порівнянні з іншими факторами нашого повсякденного життя.
Прогнозування спалахів
Необхідність прогнозування сонячних спалахів виникла давно, але особливо гостро у зв'язку з пілотованими космічними польотами. Тривалий час майже незалежно і практично безрезультатно розроблялися два підходи до вирішення цієї проблеми. Їх можна умовно назвати синоптичним і каузальним (причинним). Перший - схожий з прогнозами погоди - базувався на вивченні морфологічних особливостей предвспишечних ситуацій на Сонце. Другий метод має на увазі знання фізичного механізму спалаху і, відповідно, розпізнавання предвспишечной ситуації шляхом її моделювання.
До початку космічних досліджень, протягом багатьох років, спостереження спалахів велися переважно в оптичному діапазоні електромагнітного випромінювання: в лінії водню Нa і в "білому світі" (безперервному спектрі видимого випромінювання). Спостереження в магніточутливих лініях дозволили встановити тісний зв'язок спалахів з магнітними полями на поверхні Сонця (фотосфері). Часто спалах видно як збільшення яскравості хромосфери (шар безпосередньо над фотосферою) у вигляді двох світяться стрічок, розташованих в областях магнітних полів протилежної полярності. Радіоспостереження підтверджували цю закономірність, що має принципове значення для пояснення механізму спалаху. Однак його розуміння залишалося на чисто емпіричному рівні, а теоретичні моделі (навіть самі правдоподібні) здавалися абсолютно не переконливими (Земля і Всесвіт, 1974, № 4).
Рис. 1 - Сонячна спалах (рентгенівський бал Х5.7), зареєстрована 14 липня 2000 з супутників "TRACE" і "Yohkoh". Видна аркада спалахової петель: зліва в УФ (195 А); в центрі - в м'якому рентгенівському випромінюванні; праворуч - джерела жорсткого рентгенівського випромінювання (53 - 94 кеВ), розташовані уздовж спалахової стрічок - підстави аркади. NL - фотосферного нейтральна лінія.
Вже перший позаатмосферні спостереження за допомогою космічних апаратів показали, що сонячні спалахи являють собою корональні, а не хромосферні явище. Сучасні багатохвильові спостереження Сонця з космічних і наземних обсерваторій свідчать про те, що джерело енергії спалаху розташований над аркадою спалахової петель (світлі смуги на малюнку ліворуч) у короні, спостережуваних в м'якому рентгенівському і УФ-випромінюванні. Аркади спираються на хромосферні спалахової стрічки, які розташовані по різні сторони лінії роздягнула полярності фотосферного магнітного поля, або фотосферної нейтральною лінії.
Енергія спалаху
Сонячна спалах - наймогутніший з усіх проявів активності Сонця. Енергія великий спалаху досягає (1-3) x1032 ерг, що приблизно в сто разів перевищує теплову енергію, яку можна було б отримати при спалюванні всіх розвіданих запасів нафти і вугілля на Землі. Ця гігантська енергія виділяється на Сонці за кілька хвилин і відповідає середній (за час спалаху) потужності 1029 ерг/с. Однак це менше сотих часток відсотка від потужності повного випромінювання Сонця в оптичному діапазоні, рівний 4x1033 ерг/с. Вона називається сонячної постійної. Тому при спалаху не відбувається помітного збільшення світності Сонця. Лише найбільші з них можна помітити в безперервному оптичному випромінюванні.
Звідки і як черпає свою величезну енергію сонячний спалах?
Джерело енергії спалаху - магнітне поле в атмосфері Сонця. Воно визначає морфологію і енергетику тієї активної області, де відбудеться спалах. Тут енергія поля багато більше, ніж теплова і кінетична енергія плазми. Під час спалаху відбувається швидке перетворення надлишкової енергії поля в енергію частинок і зміни плазми. Фізичний процес, що забезпечує таке перетворення, називається магнітним перез'єднання.
Що таке перез'єднання?
Розглянемо найпростіший приклад, який демонструє явище магнітного перез'єднання. Нехай два паралельних провідника розташовані на відстані 2l один від одного. По кожному з провідників тече електричний струм. Магнітне поле цих струмів складається з трьох різних магнітних потоків. Два з них - Ф1 і Ф2 -...
