Новый метод изучения «космической погоды»

07.12.2018
Новый метод изучения «космической погоды»
В атмосфере Солнца выдвигаются перепутанные петли, которые содержат в себе солнечное вещество, и они могут выброситься в виде вспышек и корональных выбросов масс и достичь Земли
Naked Science

Международная группа ученых разработала метод анализа возникновения и динамики сильных выбросов энергии на Солнце. Полученные результаты могут помочь в понимании и прогнозировании экстремальных космических погодных явлений, оказывающих прямое влияние на работу технологических систем в космосе и на Земле. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

В исследовании участвовал большой коллектив из шести стран: Грацского университета имени Карла и Франца и обсерватории Канцельхох (Австрия), Сколковского института науки и технологий, Национального управления океанических и атмосферных исследований и Кооперативного института исследований по проблемам окружающей среды (США), Космической научной лаборатории Мулларда (Англия), Института экспериментальной и прикладной физики и Института физики и астрономии (Германия), обсерватории Хвара и Загребского университета (Хорватия). Ученые провели широкомасштабное исследование событий 2017 года, когда произошла мощнейшая за последние 12 лет вспышка на Солнце. Они предложили новый метод изучения выбросов на Солнце, который поможет в предсказании подобных явлений в будущем, сообщает пресс-служба Сколтеха.

«Мы предполагаем, что возникновение и распространение опасных для техники и человека солнечных высокоэнергетических частиц, заполняющих всю гелиосферу, область пространства вокруг Солнца, заполненную солнечным ветром и солнечными магнитными полями, может быть связано с экстремально быстрым распространением пузыря плазмы в ширину и инициированной им ударной волной», — рассказала первый автор исследования, руководитель научной группы по солнечной и гелиосферной физике в Грацском университете и директор обсерватории Канцельхох профессор Астрид Верониг.

Был разработан новый и эффективный способ автоматического детектирования коронального выброса масс и его распространения от Солнца в межпланетное пространство c экстремальной скоростью, достигающей 3500 км/c. Анализ уникальных данных, получаемых из космоса, показал, что корональный выброс масс Солнца экстремально быстро распространяется в ширину, а также инициирует мощную ударную волну плазмы, солнечное цунами, скорость которого достигает 1100 км/c. Пик ускорения пузыря в радиальном направлении составил 5,3 км/с2, а в ширину достиг 10,1 км/с2 — самой большой величины в истории наблюдений за Солнцем.

«Анализ экстремально быстрых эруптивных событий на Солнце 10 сентября 2017 года позволил нам получить новое знание о распространении и морфологии коронального выброса массы Солнца в межпланетное космическое пространство, что очень важно для понимания и прогнозирования экстремальных космических погодных явлений. И какие бы ни бушевали бури, мы желаем вам хорошей космической погоды!» — сказала соавтор исследования профессор Сколтеха Татьяна Подладчикова.

Самые мощные и энергичные события в нашей Солнечной системе — это солнечные вспышки и корональные выбросы массы Солнца, гигантские магнитные облака плазмы, которые выбрасываются в межпланетное пространство из атмосферы Солнца со скоростью от 100 до 3500 км/с. В течение одного–пяти дней выбросы гигантского облака солнечной плазмы и связанной с ним мощной ударной волны могут достичь Земли и вызвать сильные геомагнитные бури. Во время вспышки на Солнце также выделяется колоссальная энергия, эквивалентная взрыву десятков миллионов водородных бомб. Высвобождается энергия больше, чем за год вырабатывает на Земле вся электроэнергетика. Выбросы энергии оказывают влияние на работу электроприборов и на самочувствие людей.

Истории известно множество примеров того, как события на Солнце отразились на жизни людей. В 1859 году сильнейшая геомагнитная буря вывела из строя телеграф в Северной Америке и Европе. В 1972 мощнейший корональный выброс массы Солнца инициировал самопроизвольное срабатывание морских мин Военно-морского флота США во время Вьетнамской войны. В 1989-м геомагнитная буря привела к отключению электричества в Канаде, почти на сутки без тепла, света и радиосвязи остались шесть миллионов человек. А в октябре и ноябре 2003 года мощные геомагнитные бури привели к фактически мгновенному сбою радиокоммуникаций по всему миру, сбою работы GPS и телевидения, отключению сотовой связи в некоторых странах мира. Десятого сентября 2017 года мощнейшая за последние 12 лет вспышка на Солнце вынудила членов экипажа МКС переместиться в расположенное на борту станции укрытие, чтобы защититься от радиации. В этот день солнечные высокоэнергетические частицы, которые несут большую угрозу здоровью космонавта и электронике спутников в космосе, фактически заполнили всю гелиосферу, и мощная радиация достигла Земли.

В прошлом году ученые из Сколтеха, Грацского университета имени Карла и Франца и Королевской обсерватории Бельгии разработали метод, который позволяет заблаговременно прогнозировать силу одиннадцатилетнего цикла солнечной активности, а именно на этапе максимума текущего цикла. Это означает, что текущий солнечный цикл на этапе своего пика уже несет в себе знание о силе будущего одиннадцатилетнего цикла.

Очень интересна история открытия этого феномена. После изобретения телескопа астрономы Галилео Галилей, Томас Хэрриот, Кристоф Шейнер и Ян Фабрициус независимо обнаружили, что на диске Солнца появляются пятна, пишет журнал «Популярная механика». Однако потребовалось почти 250 лет, чтобы понять, что поведение Солнца подчиняется определенному расписанию с периодом в одиннадцать лет. Одиннадцатилетнюю периодичность солнечной активности случайно открыл в XIX веке немецкий аптекарь Генрих Швабе. Он увлекался астрономией и с помощью любительского телескопа стремился обнаружить гипотетическую малую планету внутри орбиты Меркурия. Планету он так и не нашел, но благодаря систематическим наблюдениям открыл циклы солнечной активности. Сейчас такие наблюдения за солнечными пятнами проводятся два раза в день на протяжении всего года обсерваториями по всему миру, а прогнозирование одиннадцатилетнего солнечного цикла имеет первостепенное значение во многих областях человеческой деятельности в космосе и на Земле.

Выдающийся русский ученый Александр Чижевский в начале XX века предложил идею о космической погоде и заложил основу для возникновения новой отрасли науки, исследующей солнечно-земные взаимосвязи. Он говорил, что Земля постоянно находится в объятиях Солнца. И настроение Солнца передается Земле через эти объятия. Из солнечной короны, атмосферы Солнца, постоянно истекает солнечный ветер, поток заряженных частиц, который обдувает Землю и другие планеты Солнечной системы. Солнечный ветер переносит в себе энергию Солнца, растягивает и уносит с собой солнечное магнитное поле в космическое пространство. В итоге вся Солнечная система заполняется солнечным ветром и солнечным магнитным полем. А поскольку Солнце вращается, то магнитное поле в межпланетном пространстве приобретает форму волнистых спиральных складок наподобие многослойной юбки балерины. А Земля и все планеты Солнечной системы обитают в этих складках.

Солнечный цикл начинается с зарождения пятен на полюсах, с развитием цикла появляется все больше пятен, которые движутся с полюсов к экватору Солнца. В минимуме солнечной активности, когда пятна на Солнце практически отсутствуют, магнитное поле Солнца выглядит как обычный магнит, с круговыми магнитными линиями и двумя полюсами. Поскольку экватор Солнца вращается быстрее, чем полюса, то во время вращения Солнца магнитное поле как бы запутывается, как клубок ниток. По мере приближения к максимуму солнечной активности привычное магнитное поле с двумя полюсами превращается во множество локальных магнитных полей на поверхности Солнца, в атмосфере Солнца выдвигаются перепутанные петли, которые содержат в себе солнечное вещество, и они могут выброситься в виде вспышек и корональных выбросов масс и достичь Земли. Следовательно, в максимуме солнечной активности количество активных событий на Солнце существенно увеличивается. С другой стороны, на пике своей активности магнитное поле Солнца настолько сильное, что выметает галактические космические лучи из Солнечной системы, которые представляют большую опасность для технологических систем в космосе. Каждые одиннадцать лет полюса Солнца меняются местами, южный оказывается на месте северного, и наоборот. Это сложный процесс, который до конца не изучен, и модель солнечного динамо — одна из наиболее сложных нелинейных задач математической физики.