Более ста лет назад деятели науки определили, что активность нашего светила напрямую влияет на многие процессы, происходящие на планете, в том числе и на здоровье человека. Одно из самых значимых явлений – вспышки, регулярно происходящие на поверхности Солнца.
Почему случаются вспышки на солнце
Как и остальные звезды, наше светило являет собой громадный шар, состоящий из раскаленного газа. Эта субстанция обращается вокруг невидимой оси, но несколько по другим законам, в отличие от твердых тел. Различные области звезды имеют разную скорость вращения. На полюсах это движение происходит с меньшей скоростью, а на экваторе вращение осуществляется быстрее. В процессе вращение магнитное поле звезды закручивается особым образом и поднимается над ее поверхностью, увлекая за собой раскаленную плазму. В таких местах активность увеличивается и образуются вспышки.
Другими словами, вращательная энергия светила преобразуется в магнитное состояние. Вспышки – это места высвобождения особенно большого скопления такой энергии. Проще представить этот процесс, если вспомнить, как светится обычная лампа накаливания. При слишком большом значении напряжения в сети лампа перегорит.
В процессе вспышки происходит высвобождение колоссального объема энергии. Любая такая вспышка эквивалентна взрыву миллиарда килотонн тротила. Этот объем энергии превышает энергию из всех известных на данное время запасов топлива на нашей планете одновременно.
Вспышка заставляет образовываться облакам плазмы, которые направляются в сторону нашей планеты под воздействием солнечного ветра. Этот процесс вызывает геомагнитные возмущения, называемые бурями. Они оказывают сильное воздействие на все, находящееся на планете.
Чем грозят вспышки на Солнце
Под воздействием устремляющейся от поверхности светила к Земле массы частиц Солнца происходит деформация электромагнитного поля Земли, что вызывает магнитную бурю. При этом от размера вспышки напрямую зависит объем энергии, посылаемой в направлении Земли и воздействие, оказываемое ею.
Учеными определено, что природные катастрофы и катаклизмы связаны с периодами активности Солнца. Было выяснено, что чаще всего тайфуны, землетрясения и ураганы образуются как раз в период активности светила. На основании периодичности вспышек на светиле строят прогнозы природных катастроф.
Негативное воздействие оказывается еще и на технику. После солнечных вспышек ухудшается в значительной степени качество связи, часто ломается космическое навигационное оборудование. Возникают сбои в функционале самолетов, спутников и GPS-навигации.
Особенно опасны солнечные вспышки для космонавтов, если они в это время находятся в открытом пространстве космоса. Под воздействием мощнейшего потока частиц протонов уровень радиоактивного воздействия многократно повышается. Жителей планеты от ее губительного воздействия защищает атмосфера. Космонавты же такой защиты лишены и могут подвергаться сильнейшему радиационному излучению. Подобный заряд излучения, но в меньшей степени, получают и пассажиры, находящиеся в реактивных самолетах.
Но есть у вспышек на Солнце и приятные явления, например, жители северных широт могут любоваться красивым полярным сиянием. При особенно сильных вспышках его можно наблюдать и в более южных районах.
Как влияют вспышки на солнце на человека
Последствия повышенной активности Солнца в той или иной степени чувствуют на себе все жители. Но в большей степени от нее страдают метеозависимые люди и некоторые возрастные группы:
- Дети в дни активности светила становятся особенно нервозными и плаксивыми, часто капризничают. Именно таким образом воздействуют губительные лучи на эмоциональное состояние малышей. В такие дни снижается иммунная защита , что может стать причиной развития самых разных болезней. В такие дни детям необходимо давать витамины фрукты и много воды.
- Пожилые люди ощущают активность ухудшением сердечной деятельности. Особенно опасно такое состояние при высоком артериальном . Солнечная активность ухудшает коронарное кровообращение, увеличивает концентрацию в крови холестерина. Правильным действием в такие моменты будет прием таблетки аспирина, разжижающего кровь. К тому же это лекарство снимет боль. Люди, перенесшие инсульты, инфаркты, больные ишемией и аритмией должны держать в зоне доступности прописанные лечащим врачом препараты.
- Водители автотранспортных средств также находятся в группе риска. Дело в том, что активность светила сказывается повышенной усталостью, потерей концентрации и внимания. В результате все реакции находящегося за рулем автотранспортного средства человека становятся медленнее. Поэтому лучше всего в такие дни не садиться за руль, а по возможности провести его дома.
Солнечная активность сказывается не только на физическом здоровье, но и психическом самочувствии человека. Даже абсолютно здоровые люди в такие дни испытывают повышенную нервозность, возбудимость и агрессию. Другие люди быстро утомляются, впадают в депрессию. У выбросы солнечной энергии вызывают обострение болезней. При этом рецидив продолжается и после окончания воздействия вспышки еще несколько дней.
Вспышки на солнце: видео
«Это одно из самых загадочных событий, которые Солнце когда-либо произвело за историю наблюдений с Земли», – заявил газете ВЗГЛЯД астрофизик Сергей Богачев, комментируя серию мощных вспышек, произошедших на Солнце за последние дни. Он рассказал, какие последствия от этих вспышек можно ожидать на Земле.
В пятницу на Солнце была зафиксирована новая мощная вспышка, ее максимум пришелся на 11.00 мск, следует из графика солнечной активности лаборатории «Рентгеновская астрономия Солнца» Физического института имени Лебедева Российской академии наук (ФИАН). На Земле возникла мощнейшая магнитная буря, которая оценивается в четыре единицы по пятибалльной шкале.
Представитель ФИАН признал, что сила магнитной бури оказалась в десять раз больше, чем предсказывалось. Последствия ее трудно предсказать. В частности, в Северном полушарии начались сильные полярные сияния на нехарактерных для них широтах. Кроме того, сообщалось, что во время вспышки по солнечной поверхности распространялись сейсмические волны – «солнцетрясение».
По данным ученых, направление магнитного поля выброса является неблагоприятным для нашей планеты – поле направлено противоположно земному и в настоящий момент «сжигает линии поля» Земли.
О том, опасно ли для землян такое «сжигание», в интервью газете ВЗГЛЯД рассказал главный научный сотрудник лаборатории «Рентгеновская астрономия Солнца», член ученого совета ФИАН, доктор физико-математических наук, астрофизик Сергей Богачев.
ВЗГЛЯД: Сергей Александрович, как долго продлится еще эта магнитная буря на Земле?
Сергей Богачев: Во-первых, стоит отметить, что вспышки были еще в среду, 6-го числа. Соответственно, облака плазмы, которые выбрасываются во время вспышки, дошли до нас только в пятницу. «Удар» действительно был сильный, вспышка крупная и скорости высокие, в ночь на пятницу произошла магнитная буря очень высокой мощности – четыре балла по пятибалльной шкале, практически максимальная. Днем в пятницу активность уже спала. Магнитная буря еще продолжается, магнитное поле Земли все еще возмущено, но баллы ее постепенно снижаются.
Солнечная активность носит цикличный характер, и этот цикл хорошо изучен. По сути, он уже 300 лет наблюдается уже и все 300 лет работал как часы. Раз в 11 лет Солнце переходит в состояние максимума активности. Но сейчас мы находимся в минимуме, поэтому сам факт необычен.
С другой стороны, Солнце – это все-таки не часы, не механизм, а сложный физический объект, который мы тем более не до конца понимаем. В каком-то смысле этот факт просто подтверждает нашу беспомощность.
ВЗГЛЯД: Одну из вспышек классифицировали как экстремально сильную – как говорят ученые, класса X9.3. Насколько такое редко бывает?
С. Б.: В нашей истории были события, может быть, в полтора раза более мощные. Но по сочетанию факторов такая крупная вспышка и тот факт, что она произошла при минимуме солнечной активности, – это одно из самых загадочных событий, которые Солнце когда-либо произвело за историю наблюдений с Земли.
ВЗГЛЯД: Говорят, она «сжигает силовые линии» Земли. Звучит страшновато. Но что это значит на самом деле?
С. Б.: Это образное выражение. Дело в том, что магнитное поле, если представить визуально, то это такие стрелки, направленные, скажем, вверх. Представьте, что есть другое поле, стрелки которого направлены вниз. Можно первое поле назвать плюсом, а второе – минусом. Эти поля при таком взаимодействии начинают как бы аннигилировать друг друга. Вот и получается, что поле выброса «сжигает», уничтожает какие-то части магнитного поля Земли. Вещество от выброса, которое обычно полем Земли блокируется, получает возможность проникнуть более глубоко в те слои атмосферы, в которые обычно плазма от Солнца не проникает.
Соответственно, радиационные пояса Земли насыщаются плазмой от Солнца. Это объясняет полярное сияние, которое в Канаде наблюдали в момент «удара», – очень сильное, на широтах до 40 градусов.
ВЗГЛЯД: Влияет ли это как-то на технику?
С. Б.: Полярное сияние можно увидеть, а бури – в каком-то смысле почувствовать. Вспышки сильно влияют на верхние слои атмосферы. В частности, у Земли есть ионосфера, это внешняя оболочка атмосферы, которая содержит нейтральные газы и квазинейтральную плазму. Ионосфера существенно влияет на коротковолновую радиосвязь. По сути, короткие радиоволны просто отражаются от ионосферы. Соответственно, радиолюбителям известно, что при солнечных вспышках, при высокой солнечной активности меняется характер радиосвязи. Она может улучшиться за счет того, что ионосфера становится более плотной, или ухудшиться, если ионосфера колеблется.
Взаимодействие со спутниками затрудняется, потому что в окружающем Землю космическом пространстве сейчас находится множество плазмы, которая преломляет и блокирует сигналы.
Магнитные бури способны влиять на глобальные электрические сети, вызывать в них избыточные токи, скачки напряжения. Однако в последние годы уровень защиты так усилился, что представить себе выход из строя электрических сетей теперь невозможно.
Надо понимать, что мы живем, в некотором смысле, на дне воздушного океана. Можно провести параллель. Наверху 10-балльный шторм на море, тонут корабли, а где-то на глубине нескольких километров плавает рыба и ничего не замечает. Так что на наземную технику вспышки слабо влияют.
ВЗГЛЯД: А здоровье людей?
С. Б.: Метеочувствительные люди замечают перепады давления, какие-то сезонные эффекты. Ряд людей говорят, что чувствуют влияние геомагнитного фона. Я к этой группе не отношусь, поэтому верить, не верить – это личное дело каждого. Здоровье человека – вещь сложная, формулами не описывается. Я ведь не врач, я занимаюсь физикой.
Магнитные бури носят планетарный характер. Нет такого места, куда можно было бы уехать, спрятаться. Если у людей метеочувствительность, надо просто принять обычные меры предосторожности. Знающие про свою склонность к таким эффектам люди понимают это.
ВЗГЛЯД: В ближайшее время вы ожидаете новых вспышек?
С. Б.: Наблюдения показывают, что энергия Солнца пока не исчерпана, продолжаются вспышки. Вместе с тем группа солнечных пятен, которая является центром этой активности, из-за вращения Солнца сейчас все больше уходит в сторону – условно говоря, в сторону солнечного горизонта. Думаю, через день-два она уже окажется совсем «на краю» Солнца, откуда влияние на Землю вообще невозможно. Потом вообще уйдет на другую его сторону.
Если эта серия вспышек снова приведет к какому-то крупному рекорду, скорее всего, это случится уже на другой стороне Солнца. Мы о нем даже не узнаем.
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.
Солнечные вспышки представляют собой уникальные по своей силе и мощности выделения тепловой, кинетической и световой энергии в атмосфере солнца. Продолжительность солнечных вспышек не превышает всего лишь нескольких минут, но колоссальный объем выбрасываемой энергии оказывает непосредственное влияние на Землю и на нас с вами.
Последствия вспышек на солнце
Эти процессы на солнце являются мощными взрывами, образующимися поблизости больших групп солнечных пятен. Показатель энергии одной вспышки приблизительно в десять раз превышает энергию одного вулкана. При этом солнце выбрасывает со своей поверхности особое вещество, которое состоит из заряженных частиц. Оно имеет сверхзвуковую скорость и, двигаясь в межпланетном пространстве, создает ударную волну, которая при столкновении с нашей планетой вызывают магнитные бури.
Организм каждого из нас по-разному реагирует на солнечные вспышки. Много людей «чувствуют» их практически сразу, испытывая недомогание, сильные головные боли, проблемы в работе сердечнососудистой системы, а также нарушение психоэмоционального фона: раздражительность, повышенная чувствительность и нервозность. Вторая группа людей обладают так называемой «замедленной реакцией»: они реагируют на солнечные вспышки спустя 2-3 дня после их возникновения.
Солнечные вспышки — это вспышки энергии в атмосфере солнца, на которые люди реагируют по-разному.
Наиболее резко на вспышки на солнце реагируют больные и ослабленные люди, страдающие скачками артериального давления. Известно, что в дни активности солнца увеличивается число аварий и катастроф, причиной которых является человеческий фактор. Дело в том, что вспышки на солнце снижают внимание человека и притупляют его мозговую деятельность.
Как спрогнозировать вспышки на солнце, и вредны ли они для человека?
Интенсивность солнечной активности имеет 28-суточный цикл, это цифра связана в вращением «горячего светила» вокруг своей оси. В течение этого периода происходит сложнейшая взаимосвязь циклов высшего и низшего порядка. Этим фактом ученые и объясняют то, что вспышки на солнце, и как их следствие — магнитные бури, наиболее часто возникают в марте и апреле, а также в сентябре и октябре.
Солнечная активность оказывает влияние на умственные способности людей. Когда на солнце спокойно, то творческие люди испытывают подъем и вдохновение, а когда светило вырабатывает вспышки, внимание людей притупляется, и они находятся в подавленном состоянии, близком к депрессии.
Исследователи обнаружили интересный факт — оказывается землетрясения, ураганы и тайфуны образуются как раз в момент вспышек на солнце. Поэтому в большинстве случаев ученые прогнозируют эти природные катаклизмы, исходя их периодичности вспышек на солнце.Какие последствия вспышек на солнце влияют на человека?
В результате вспышек на солнце, на Земле наблюдается следующая реакция на деятельность светила:
- — инфразвук, который возникает в высоких широтах, в областях северных сияний;
- — микропульсации нашей планеты, представляющие собой короткопериодические изменения магнитного поля Земли, именно они отрицательно влияют на работу человеческого организма;
- — в результате вспышек на солнце меняется интенсивность ультрафиолетового излучения, приходящего к поверхности нашей планеты.
Вследствие таких реакций природы на вспышки на солнце изменяются биоритмы не только человека, но и всего живого на Земле.
В настоящее время вопросами изучения влияния вспышек на солнце на человеческий организм и нашу планету в целом занимаются многие научно-исследовательские институты, обсерватории и лаборатории. Возможно, детальное изучение поведения солнца поможет нам обратить его «сюрпризы» себе во благо.
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.