Солнечная активность: вспышки, пятна и космическая погода
Linas JuozėnasПоделиться
Арка знаний · Вселенная · Глава 08 / Статья 02
Когда Солнце взбудораживает наше небо.
Занавес полярного сияния раскрывает связь, простирающуюся через космос. Проследите за меняющимся магнетизмом Солнца, различите его извержения и узнайте, как солнечная активность затрагивает жизнь в мире технологий.
Окрестности Земли – активная среда
Солнце может казаться спокойным, пока в его атмосфере накапливается магнитная энергия. Когда эта энергия высвобождается, последствия зависят от того, что покидает Солнце и как достигает нас.
Космическая погода описывает меняющиеся условия космической среды и их влияние на планеты, космические аппараты и технологии. Солнечная активность – одна из её основных причин.[1]
В предыдущей статье мы проследили за энергией, благодаря которой сияет Солнце. Здесь мы проследим за его магнитной активностью, распространяющейся наружу, – от тёмных пятен до сияющего неба и систем, помогающих предсказывать бурю.
Почему Солнце становится беспокойным?
Солнце в основном состоит из плазмы – вещества, содержащего заряженные частицы. Его вращение и конвективные движения перемещают это электропроводящее вещество и помогают восстанавливать магнитные поля. Этот процесс называется солнечным динамо. Дифференциальное вращение – когда экватор вращается быстрее полюсов – помогает растягивать поле, а вращающаяся конвекция также формирует его. Механизм работы динамо всё ещё активно изучается.[2]
Солнечные пятна делают магнетизм видимым
Сильные магнитные поля могут подавлять обычную конвекцию тепла у поверхности, создавая сравнительно прохладные солнечные пятна. На фоне более яркой фотосферы они выглядят тёмными, но всё же излучают много света. Сформировавшееся пятно состоит из более тёмной центральной тени и окружающей её волокнистой полутени. Магнитные поля в полутени обычно слабее и сильнее наклонены к горизонтали, чем в области тени.[3]
Неравномерный ритм длительностью около одиннадцати лет
Число солнечных пятен увеличивается и уменьшается в течение примерно одиннадцатилетнего цикла активности. Циклы различаются по продолжительности и интенсивности. Полярность между соседними циклами меняется на противоположную, поэтому магнитный цикл длится около 22 лет. Солнечный максимум обычно означает больше активных областей и извержений, а минимум - снижение активности, но не бездействие звезды.[4], [2]
Что на самом деле покидает Солнце?
Магнитные поля активной области могут натягиваться и высвобождать энергию в результате магнитного пересоединения - перестройки поля. Одно извержение может породить несколько сигналов. Вспышки и выбросы корональной массы часто происходят одновременно, но одно может произойти и без другого.[6]
Излучение вспышки: внезапное усиление света
Солнечная вспышка - это всплеск электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн. Её свет достигает Земли примерно через восемь минут после излучения. Вспышка может длиться от минут до часов; её продолжительность отличается от времени, за которое свет достигает Земли. Когда расположенный у Земли прибор обнаруживает вспышку, эти фотоны уже здесь.[7]
Высокоэнергетические частицы: гораздо более быстрая популяция
Высокоэнергетические солнечные частицы разгоняются до энергий, намного превышающих энергии обычных частиц солнечного ветра. Их может ускорять магнитное пересоединение, а ударные волны, возникающие из-за быстрых CME, особенно важны при крупных продолжительных событиях с частицами. Это не просто передний край основного вещества CME.[8]
Первые очень быстрые частицы могут достичь окрестностей Земли за несколько десятков минут или быстрее, а прибытие остальных растягивается на более длительное время. Радиационная буря может продолжаться часами или днями.[9]
Выбросы корональной массы: вещество, несущее магнитные поля
Выброс корональной массы, или CME, - это расширяющееся облако плазмы и магнитного поля. Очень быстрые направленные к Земле CME могут достичь её примерно за 15–18 часов; более медленным на это могут потребоваться несколько дней. Чтобы напрямую повлиять на Землю, CME должен пересечь её окрестности, а его магнитные свойства помогают определить последствия.[10]
Насколько сильное солнечное событие?
Класс вспышки измеряет лишь одну составляющую события
Вспышки классифицируют по максимальному потоку рентгеновского излучения, измеренному у Земли в диапазоне длин волн 0,1–0,8 нанометра. Классы обозначаются буквами A, B, C, M, X. При одинаковом числовом значении каждая следующая буква означает поток в десять раз больше: поток M1 в десять раз больше, чем C1. В одном классе максимальный поток X2 вдвое больше, чем X1. У класса X нет верхнего предела.
Это измерение описывает максимальный поток рентгеновского излучения. Оно не измеряет ни общую энергию выброса, ни скорость выброса корональной массы (CME), ни будущее геомагнитное возмущение.[7]
| Шкала | Что описывает | Основа оценки |
|---|---|---|
| R · Нарушения радиосвязи | Нарушения высокочастотной радиосвязи, связанные со вспышками, на освещённой Солнцем стороне Земли. | Максимальный поток солнечного рентгеновского излучения. |
| S · Солнечные радиационные бури | Повышенный поток протонов высокой энергии. | Поток протонов с энергией выше заданного порога. |
| G · Геомагнитные бури | Возмущения магнитной среды Земли. | Планетарный индекс магнитной активности Kp. |
Каждая оценка по шкале NOAA варьируется от 1 (слабая) до 5 (экстремальная). Оценки описывают разные опасности, а не последовательные этапы одной бури.[11]
Почему Земля иногда реагирует так сильно?
Магнитное поле Земли формирует окружающую её область, называемую магнитосферой. Солнечный ветер сжимает обращённую к Солнцу сторону и вытягивает длинный хвост с противоположной стороны. Геомагнитная буря возникает, когда необычно интенсивная передача энергии от солнечного ветра нарушает эту систему.
Важны скорость и напряжённость магнитного поля, но важно и его направление. Длительно сохраняющаяся направленная на юг составляющая магнитного поля в приходящем потоке может способствовать эффективному пересоединению с магнитным полем дневной стороны Земли. Через это соединение энергия передаётся в магнитосферу, а электрические токи усиливаются. Поэтому по одному лишь впечатляющему изображению выброса нельзя предсказать силу бури на Земле.[12]
Полярные сияния показывают, сколько энергии достигает атмосферы
Полярные сияния возникают, когда частицы высокой энергии, часто электроны, движутся вдоль линий магнитного поля в верхние слои атмосферы. Сталкиваясь с этими частицами, атомы кислорода и азота возбуждаются и излучают энергию в виде света. При высокой активности область полярных сияний может значительно расшириться за пределы полюсов.[13]
Корональные дыры — ещё один источник возмущений
Корональные дыры — это области с открытым магнитным полем, из которых исходят потоки быстрого солнечного ветра. Когда быстрый поток догоняет более медленный ветер, движущийся впереди, их взаимодействие сжимает вещество и магнитные поля, что может вызвать геомагнитную активность. Долгоживущие корональные дыры могут появляться снова по мере вращения Солнца; они часто встречаются в периоды минимума солнечной активности, поэтому космические погодные явления не исчезают даже при снижении активности солнечных пятен.[14]
Как космическая погода влияет на технологии?
Радиосвязь
Рентгеновское излучение вспышек усиливает ионизацию в нижней части ионосферы на освещенной Солнцем стороне Земли. В результате могут поглощаться сигналы высокочастотной радиосвязи, которые иначе обеспечивали бы связь на больших расстояниях. Высокоэнергичные солнечные протоны вызывают другой тип поглощения в полярных регионах, поэтому могут пострадать маршруты, использующие радиосвязь в высоких широтах.[15]
Спутниковая навигация
Сигналы навигационных спутников проходят через ионосферу, прежде чем достигнуть приемника. Из-за небольших неоднородностей плотности электронов их интенсивность и фаза могут колебаться. Этот процесс называется сцинтилляцией. Сильные колебания могут мешать приемникам надежно отслеживать сигнал, из-за чего определение местоположения становится менее точным или вовсе невозможным.[16]
Спутники на низкой околоземной орбите
Нагрев, связанный с бурями, может расширять верхние слои атмосферы и увеличивать плотность газа на высотах орбит спутников. В результате повышенное аэродинамическое сопротивление меняет движение по орбите и затрудняет точные прогнозы. Это реакция атмосферы: спутник может испытывать большее сопротивление, даже не сталкиваясь с твердым объектом.[17]
Электросети на Земле
Резкие изменения магнитного поля индуцируют электрические поля в грунте. Они могут вызывать токи в протяженных проводящих сетях, включая линии электропередачи, увеличивая нагрузку на трансформаторы и затрудняя управление электросетью. Воздействие зависит от местных изменений магнитного поля, электропроводности грунта и устройства сети, а не только от общей оценки бури.[18]
Электроника космических аппаратов и люди за пределами атмосферы
Заряженные частицы также могут вызывать накопление электрического заряда на поверхности или внутри космических аппаратов, отдельные сбои электроники и способствовать долговременному радиационному повреждению. Эти механизмы отличаются от воздействия атмосферного сопротивления и зависят от энергии частиц, орбитальной среды, радиационной защиты и конструкции.[19]
Атмосфера Земли надежно защищает людей на поверхности. Для астронавтов, а во время сильных событий с частицами — и для людей, летящих на большой высоте, особенно вблизи полюсов, облучение представляет другую опасность. Поэтому мониторинг радиации и планирование миссий направлены на решение иной задачи, чем предотвращение сбоев в наземной электросети.[9]
Как специалисты по прогнозированию узнают, что приближается?
Прогнозирование начинается с наблюдений за Солнцем. На изображениях видны активные области и выбросы, а карты магнитного поля показывают поле на видимой поверхности. Коронографы заслоняют яркий диск Солнца, чтобы можно было следить за расширяющимся наружу веществом. Эти наблюдения помогают оценить направление, ширину и скорость коронального выброса массы (CME).[10]
Модели помогают оценить распространение
Модели распространения, такие как WSA–Enlil, объединяют данные о фоновом солнечном ветре с оценочными начальными условиями CME. Они рассчитывают, как возмущение распространяется в направлении Земли и других объектов. Неточность исходных измерений и упрощённое представление геометрии выброса приводят к неопределённости времени прибытия, поэтому прогноз следует считать постоянно уточняемой оценкой.[20]
Расположенные перед Землёй приборы измеряют приближающийся поток
Приборы, расположенные перед Землёй по ходу солнечного ветра, измеряют скорость, плотность и направление магнитного поля. Они показывают, создаёт ли приближающееся поле условия для сильной геомагнитной реакции. В зависимости от скорости солнечного ветра предупреждение обычно можно получить за несколько минут или несколько десятков минут.[13]
Универсального заблаговременного срока предупреждения о «солнечной буре» не существует. Свет, высокоэнергетические частицы и основная масса плазмы прибывают в разное время, поэтому для каждого из этих явлений нужны отдельные наблюдения. Полезный прогноз указывает и на то, чего ожидать, и на степень уверенности в этом ожидании.
Чему нас научили сильные бури?
| Событие | Что было зафиксировано | Что это помогает понять |
|---|---|---|
| 1859 г. · Бури времён Кэррингтона | Широко наблюдавшиеся полярные сияния, магнитные возмущения и сбои телеграфных систем. | Солнечная активность могла воздействовать на протяжённые электропроводящие сети ещё до появления современной электроники.[21] |
| Март 1989 г. · Квебек | Геомагнитная буря привела к сбою энергосистемы «Hydro-Québec». | Важны не только глобальные индексы бурь, но и быстрые локальные изменения магнитного поля, а также реакция электросети.[22] |
| 2003 г. · Хеллоуинские бури | Последовательность выбросов затронула космические аппараты, радиосвязь, навигацию и деятельность на Земле. | Несколько выбросов могут вызвать длительный период, когда одновременно возникают различные перекрывающиеся угрозы.[23] |
| Май 2024 г. · Интенсивная активность | Необычно широко наблюдавшиеся полярные сияния сопровождались расширением атмосферы и трудностями для операторов спутников. | Буря может быть впечатляющим зрелищем и одновременно менять среду, в которой движутся космические аппараты на орбите.[24] |
Называя событие «похожим на событие Каррингтона», можно скрыть неопределённость. Исторические измерения неполны, а оценки силы бури 1859 года различаются. Эта неопределённость влияет и на оценки того, как часто происходят экстремальные события подобного масштаба. Имеющиеся данные говорят о том, что к мощным событиям следует относиться серьёзно, но не позволяют надёжно определить дату следующего такого события.[25]
Эти случаи показывают практическую значимость науки. Измерения, инженерные решения и оперативные действия взаимосвязаны: важно понимать, как конкретная система реагирует на конкретное возмущение.
Как космическая погода проявляется за пределами Земли?
То же активное Солнце влияет и на другие планеты, однако реакция каждой из них зависит от её атмосферы и магнитного окружения. У Марса нет глобального магнитного поля, подобного земному. Поэтому солнечные частицы могут воздействовать на гораздо большую часть его атмосферы.
Во время высокой солнечной активности в мае 2024 года космический аппарат NASA MAVEN наблюдал ультрафиолетовые полярные сияния по всему Марсу, а марсоход «Кьюриосити» зафиксировал повышенный уровень радиации на поверхности. Эти наблюдения связали вспышку на Солнце с измерениями на другой планете.[26]
При исследовании космоса за пределами Земли понимание взаимодействий Солнца и планет помогает интерпретировать научные измерения и планировать работу космических аппаратов и экипажей. Исследования NASA в области космической погоды охватывают и эти более широкие области применения в Солнечной системе.[1]
Так мы возвращаемся к уже знакомому принципу: результат определяется не только расстоянием. Важны также магнитные поля, атмосферы, путь возмущения и система, с которой оно взаимодействует.
Источники и дополнительная литература
Первичные научные исследования и подготовленные учреждениями разъяснительные материалы, подтверждающие описанные в этой статье физические процессы, методы прогнозирования и исторические примеры.
- NASA – Космическая погодаВлияние Солнца на космическую среду, технологии и исследование космоса.
- Центр Маршалла NASA – Солнечное динамоКак потоки электропроводящей плазмы, дифференциальное вращение и конвекция восстанавливают магнитное поле Солнца; динамо по-прежнему остается предметом активных исследований.
- Центр Маршалла NASA – Структуры фотосферыТени и полутени солнечных пятен, их температуры и магнитные поля, а также грануляция, видимая в фотосфере.
- Центр Маршалла NASA – Цикл солнечных пятенПримерно одиннадцатилетний цикл солнечных пятен и широтные полосы, смещающиеся к экватору на диаграмме-бабочке.
- NASA – Вызывает ли Солнце глобальное потепление?Различия между изменчивостью Солнца и причинами недавнего глобального потепления.
- NASA – Солнечные бури и вспышкиИллюстрированное введение, объясняющее различия между светом вспышек, высокоэнергетическими частицами и корональными выбросами массы, а также разную продолжительность их распространения.
- Центр прогнозирования космической погоды NOAA – Солнечные вспышки (перебои радиосвязи)Длительность и классификация вспышек от A до X в зависимости от максимального потока рентгеновского излучения, измеряемого GOES в диапазоне длин волн 0,1–0,8 нанометра.
- Дэвид В. Римс – Высокоэнергетические солнечные частицы (2017)Описание для специалистов ускорения частиц в результате магнитного пересоединения и ударных волн, вызванных CME, включая данные о происхождении крупномасштабных событий с частицами.
- Центр прогнозирования космической погоды NOAA – Радиационная буря на СолнцеВысокоэнергетические солнечные протоны могут достигнуть Земли за несколько десятков минут или быстрее, а бури частиц могут длиться от нескольких часов до нескольких дней.
- Центр прогнозирования космической погоды NOAA – Корональные выбросы массыРасширяющиеся облака плазмы и магнитного поля, время их путешествия до Земли и ударные волны, способные ускорять заряженные частицы.
- NOAA – Шкалы космической погодыОтдельные шкалы R, S и G описывают нарушения радиосвязи, солнечные радиационные бури и геомагнитные бури.
- NOAA – Геомагнитные буриПередача энергии солнечного ветра, направленные на юг магнитные поля, высокоскоростные потоки и изменения магнитного окружения Земли.
- NOAA – Введение в полярные сиянияОбразование свечения полярных сияний, повторяющиеся возмущения солнечного ветра и различия в ограничениях краткосрочных и долгосрочных прогнозов.
- Центр прогнозирования космической погоды NOAA – Корональные дырыОбласти открытого магнитного поля служат источниками быстрых потоков солнечного ветра; долгоживущие корональные дыры часто встречаются вблизи минимума солнечной активности.
- NOAA – Коротковолновая (HF) радиосвязьПоглощение радиоволн на дневной стороне Земли из-за рентгеновского излучения вспышек и поглощение в высоких широтах из-за высокоэнергичных солнечных протонов.
- NOAA — Ионосферная сцинтилляцияМелкомасштабная структура плотности электронов изменяет радиосигналы и может нарушать спутниковую навигацию.
- NOAA — Атмосферное сопротивление, испытываемое спутникамиНагрев верхних слоёв атмосферы, увеличение плотности на высоте полёта спутников и изменения на низких околоземных орбитах.
- NOAA — Передача электроэнергииКак меняющиеся магнитные поля индуцируют токи в электропроводящих сетях и как их воздействие зависит от свойств грунта и электросети.
- NOAA — Экспертная система аномалий в работе космических аппаратов, вызванных космической погодой — в реальном времениРазличает поверхностную и внутреннюю электризацию, сбои из-за одиночных частиц и кумулятивное воздействие радиации.
- NASA CCMC — Модель WSA–Enlil в центре SWPCМагнитные карты и параметры корональных выбросов массы (CME), полученные по данным коронографов, используются как входные данные модели распространения солнечного ветра; ее прогнозы по-прежнему сопряжены с неопределенностью входных данных и геометрии.
- Green и Boardsen (2006) — Продолжительность и масштаб великой бури полярных сияний 1859 годаИсторические наблюдения полярных сияний, магнитного поля и работы телеграфа во время возмущений 1859 года.
- Boteler (2019) — Магнитная буря в марте 1989 года с точки зрения XXI векаВосстанавливается ход бури и ее воздействие на систему Hydro-Québec и другие электросети.
- NOAA — Вспоминая мощные солнечные бури на ХэллоуинОбзор вспышек 2003 года и их воздействия на космические аппараты, связь и инфраструктуру.
- ESA — Солнечная буря в мае 2024 года: ответы на ваши вопросыОбъясняются полярные сияния, расширение атмосферы и проблемы в работе во время бури.
- Love и др. (2024) — О неопределенности оценки интенсивности бури Кэррингтона 1859 годаПоказано, как неопределенность интенсивности исторических бурь влияет на оценку частоты экстремальных событий.
- NASA наблюдает, как Марс озаряется во время мощной солнечной буриИзмерения радиации и обширных марсианских сияний во время солнечной активности в мае 2024 года.
Динамика и будущее Солнечной системы
- Строение Солнца и жизненный цикл
- Солнечная активность: вспышки, пятна и космическая погода · Вы здесь
- Орбиты планет и резонансы
- Столкновения с астероидами и кометами
- Климатические циклы планет
- Фаза красного гиганта: судьба внутренних планет
- Пояс Койпера и облако Оорта
- Потенциально обитаемые зоны за пределами Земли
- Исследования человечества: прошлое, настоящее и будущее
- Долгосрочная эволюция Солнечной системы