Сонячна активність: спалахи, плями та космічна погода
Linas JuozėnasПоділитися
Арка знань · Всесвіт · Розділ 08 / Стаття 02
Коли Сонце збурює наше небо.
Завіса полярного сяйва відкриває зв’язок, що простягається крізь космос. Простежте за мінливим магнетизмом Сонця, розрізняйте його викиди й дізнайтеся, як сонячна активність впливає на життя у світі технологій.
Простір навколо Землі – активне середовище
Сонце може здаватися спокійним, поки в його атмосфері накопичується магнітна енергія. Коли ця енергія вивільняється, наслідки залежать від того, що залишає Сонце і як досягає нас.
Космічна погода описує мінливі умови космічного середовища та їхній вплив на планети, космічні апарати й технології. Сонячна активність – одна з її головних причин.[1]
У попередній статті ми простежили за енергією, завдяки якій сяє Сонце. Тут ми простежимо, як його магнітна активність поширюється назовні – від темних плям до сяйного неба й систем, що допомагають передбачати бурі.
Чому Сонце стає неспокійним?
Сонце переважно складається з плазми– речовини, що містить заряджені частинки. Його обертання та конвективні рухи переміщують цю електропровідну речовину й допомагають відновлювати магнітні поля. Цей процес називається сонячним динамо. Диференціальне обертання – коли екватор обертається швидше за полюси – допомагає розтягувати поле, а обертальна конвекція також формує його. Увесь механізм роботи динамо досі активно досліджують.[2]
Сонячні плями роблять магнетизм видимим
Сильні магнітні поля можуть пригнічувати звичайне конвективне перенесення тепла до поверхні, утворюючи порівняно холодні сонячні плями. На тлі яскравішої фотосфери вони здаються темними, але все одно випромінюють багато світла. Зріла пляма має темнішу центральну умбру та оточену волокнами півтінь. Магнітні поля півтіні зазвичай слабші й більше нахилені до горизонталі, ніж в умбрі.[3]
Netolygus maždaug vienuolikos metų ritmas
Saulės dėmių skaičius didėja ir mažėja per maždaug vienuolikos metų aktyvumo ciklą. Ciklai skiriasi trukme ir stiprumu. Poliškumo raštas tarp gretimų ciklų apsiverčia, tad magnetinis ciklas trunka apie 22 metus. Saulės maksimumas paprastai reiškia daugiau aktyvių sričių ir išsiveržimų, o minimumas – sumažėjusį aktyvumą, ne neveiklią žvaigždę.[4], [2]
Kas iš tikrųjų palieka Saulę?
Aktyvios srities magnetiniai laukai gali įsitempti ir išlaisvinti energiją per magnetinį persijungimą– lauko persitvarkymą. Vienas išsiveržimas gali sukurti kelis signalus. Žybsniai ir vainikinės masės išmetimai dažnai vyksta kartu, tačiau vienas gali įvykti ir be kito.[6]
Žybsnio spinduliavimas: staigus šviesos padidėjimas
Saulės žybsnis – tai elektromagnetinio spinduliavimo pliūpsnis daugelyje bangos ilgių. Jo šviesa pasiekia Žemę maždaug per aštuonias minutes nuo išspinduliavimo. Žybsnis gali trukti nuo minučių iki valandų; jo trukmė skiriasi nuo šviesos kelionės laiko. Kai prie Žemės esantis prietaisas aptinka žybsnį, tie fotonai jau yra čia.[7]
Didelės energijos dalelės: daug greitesnė populiacija
Didelės energijos Saulės dalelės pagreitinamos iki daug didesnių energijų nei įprastos Saulės vėjo dalelės. Jas gali greitinti magnetinis persijungimas, o greitų CME sukeltos smūginės bangos ypač svarbios dideliuose, ilgalaikiuose dalelių įvykiuose. Jos nėra vien priekinis pagrindinės CME medžiagos kraštas.[8]
Pirmosios labai greitos dalelės gali pasiekti Žemės apylinkes per keliasdešimt minučių ar greičiau, o kitų dalelių atvykimas išsitęsia ilgesniam laikui. Radiacinė audra gali tęstis valandas ar dienas.[9]
Vainikinės masės išmetimai: magnetinius laukus nešanti medžiaga
Saulės vainikinės masės išmetimas, arba CME, – tai besiplečiantis plazmos ir magnetinio lauko debesis. Itin greiti į Žemę nukreipti CME gali atskrieti maždaug per 15–18 valandų; lėtesniems gali prireikti kelių dienų. Kad tiesiogiai paveiktų Žemę, CME turi kirsti jos aplinką, o jo magnetinės savybės padeda nulemti padarinius.[10]
Наскільки потужна сонячна подія?
Клас спалаху вимірює лише одну складову події
Спалахи класифікують за максимальним потоком рентгенівського випромінювання, виміряним поблизу Землі у діапазоні довжин хвиль 0,1–0,8 нанометра. Класи позначаються A, B, C, M, X. За однакового числового значення кожна наступна літера означає потік, удесятеро більший: потік M1 удесятеро більший за C1. У межах одного класу максимальний потік X2 удвічі більший за X1. Клас X не має верхньої межі.
Цей показник характеризує максимальний потік рентгенівського випромінювання. Він не є ані показником загальної енергії викиду, ані швидкості викиду корональної маси (CME), ані прогнозом майбутнього геомагнітного збурення.[7]
| Шкала | Що характеризує | Основа оцінювання |
|---|---|---|
| R · Перебої радіозв’язку | Порушення високочастотного радіозв’язку на освітленому Сонцем боці Землі, пов’язані зі спалахами. | Максимальний потік рентгенівського випромінювання Сонця. |
| S · Сонячні радіаційні бурі | Підвищений потік високоенергетичних протонів. | Потік протонів з енергією вище встановленого порога. |
| G · Геомагнітні бурі | Збурення магнітного середовища Землі. | Планетарний індекс магнітної активності Kp. |
Кожна оцінка за шкалою NOAA коливається від 1 (слабка) до 5 (екстремальна). Оцінки характеризують різні небезпеки, а не послідовні етапи однієї бурі.[11]
Чому Земля іноді реагує сильно?
Магнітне поле Землі формує область навколо неї, що називається магнітосферою. Сонячний вітер стискає її бік, повернутий до Сонця, а з протилежного боку витягує довгий хвіст. Геомагнітна буря виникає, коли незвично інтенсивне передавання енергії від сонячного вітру порушує цю систему.
Важливі швидкість і напруженість магнітного поля, але важливий і його напрямок. Тривала спрямована на південь складова магнітного поля у потоці, що надходить, може сприяти ефективному перез’єднанню з магнітним полем денного боку Землі. Через це з’єднання енергія передається до магнітосфери, а електричні струми посилюються. Тому сам по собі вражаючий вигляд викиду не дає змоги передбачити силу бурі на Землі.[12]
Полярні сяйва виявляють енергію, що досягає атмосфери
Полярні сяйва виникають, коли високоенергетичні частинки, часто електрони, рухаються вздовж ліній магнітного поля до верхніх шарів атмосфери. Зіткнення з цими частинками збуджують кисень і азот, які випромінюють енергію у вигляді світла. За високої активності область полярних сяйв може значно розширитися за межі полюсів.[13]
Корональні діри - ще одне джерело збурень
Корональні діри — це ділянки з відкритим магнітним полем, звідки виходять потоки швидкого сонячного вітру. Коли швидкий потік наздоганяє повільніший вітер попереду, їхня взаємодія стискає речовину й магнітні поля, що може спричинити геомагнітну активність. Довготривалі корональні діри можуть з’являтися знову, коли обертається Сонце; вони поширені в період мінімуму сонячної активності, тому космічні погодні явища не зникають навіть за меншої активності сонячних плям.[14]
Як космічна погода впливає на технології?
Радіозв’язок
Рентгенівське випромінювання спалахів посилює іонізацію в нижній частині іоносфери на освітленому Сонцем боці Землі. Через це можуть поглинатися сигнали високочастотного радіозв’язку, які інакше забезпечували б далеке сполучення. Високоенергетичні сонячні протони спричиняють інший тип поглинання в полярних регіонах, тому це може впливати на маршрути, що покладаються на радіозв’язок у високих широтах.[15]
Супутникова навігація
Сигнали навігаційних супутників проходять крізь іоносферу, перш ніж досягти приймача. Через дрібні неоднорідності густини електронів можуть коливатися їхня сила та фаза. Цей процес називається сцинтиляцією. Сильні коливання можуть заважати приймачам надійно відстежувати сигнал, через що визначення місця стає менш точним або й зовсім неможливим.[16]
Супутники на низькій навколоземній орбіті
Нагрівання, пов’язане з бурями, може розширювати верхні шари атмосфери й збільшувати густину газу на висотах орбіт супутників. Унаслідок цього збільшений аеродинамічний опір змінює орбітальний рух і ускладнює точні прогнози. Це реакція атмосфери: супутник може зазнавати більшого опору, навіть не стикаючись із твердим об’єктом.[17]
Електромережі на Землі
Раптові зміни магнітного поля індукують електричні поля в ґрунті. Вони можуть спричиняти струми в протяжних провідних мережах, зокрема в лініях електропередач, збільшуючи навантаження на трансформатори й ускладнюючи керування електромережею. Вплив залежить від місцевих змін магнітного поля, електропровідності ґрунту та структури мережі, а не лише від загальної оцінки бурі.[18]
Електроніка космічних апаратів і люди за межами атмосфери
Заряджені частинки також можуть спричиняти накопичення електричного заряду на поверхні чи всередині космічних апаратів, поодинокі збої електроніки та з часом призводити до радіаційного пошкодження. Ці механізми відрізняються від впливу атмосферного опору та залежать від енергії частинок, орбітального середовища, радіаційного захисту й конструкції.[19]
Земна атмосфера надійно захищає людей на землі. Для астронавтів, а під час сильних подій із частинками — і для людей, які летять на великій висоті, особливо поблизу полюсів, радіаційне опромінення становить іншу загрозу. Тому моніторинг радіації та планування місій спрямовані на іншу загрозу, ніж збої наземної електромережі.[9]
Як прогнозисти дізнаються, що наближається?
Прогнозування починається зі спостережень за Сонцем. На зображеннях видно активні області й викиди, а карти магнітного поля показують поле на видимій поверхні. Коронографи закривають яскравий сонячний диск, щоб можна було відстежувати речовину, що розширюється назовні. Ці спостереження допомагають оцінити напрямок, ширину та швидкість коронального викиду маси (КВМ).[10]
Моделі допомагають оцінити поширення
Моделі поширення, такі як WSA–Enlil, поєднують дані про фоновий сонячний вітер з оцінками початкових умов КВМ. Вони обчислюють, як збурення поширюється в напрямку Землі та інших місць. Невизначеність початкових вимірювань і спрощене представлення геометрії викиду зумовлюють невизначеність часу прибуття, тому прогноз слід розглядати як оцінку, що постійно уточнюється.[20]
Прилади перед Землею вимірюють потік, що наближається
Прилади спостереження, розташовані перед Землею в потоці сонячного вітру, вимірюють швидкість, густину та напрямок магнітного поля. Вони показують, чи створює наближення поля умови для сильної геомагнітної реакції. Залежно від швидкості сонячного вітру попередження зазвичай можна отримати за кілька хвилин або кілька десятків хвилин.[13]
Немає єдиного універсального часу завчасного попередження про «сонячну бурю». Світло, високоенергетичні частинки й основна маса плазми прибувають у різний час, тому для кожного з цих явищ потрібні окремі спостереження. Корисний прогноз указує і на те, чого очікувати, і на те, наскільки надійне це очікування.
Чого навчили нас сильні бурі?
| Подія | Що було зафіксовано | Що це допомагає зрозуміти |
|---|---|---|
| 1859 р. · Бурі часів Каррінгтона | Полярні сяйва, видимі на великій території, магнітні збурення та перебої в роботі телеграфних систем. | Сонячна активність могла впливати на протяжні електропровідні мережі ще до появи сучасної електроніки.[21] |
| Березень 1989 р. · Квебек | Геомагнітна буря спричинила збій енергосистеми «Hydro-Québec». | Важливі не лише глобальні індекси бур, а й швидкі локальні зміни магнітного поля та реакція електромережі.[22] |
| 2003 р. · Гелловінські бурі | Послідовність викидів вплинула на космічні апарати, радіозв’язок, навігацію та діяльність на Землі. | Кілька викидів можуть спричинити тривалий період, коли одночасно виникають різні небезпеки, що накладаються одна на одну.[23] |
| Травень 2024 р. · Інтенсивна активність | Незвично широко видимі полярні сяйва супроводжувалися розширенням атмосфери та труднощами для операторів супутників. | Буря може бути вражаючим видовищем і водночас змінювати середовище, у якому рухаються орбітальні космічні апарати.[24] |
Називаючи подію «подібною до події Керрінгтона», можна приховати невизначеність. Історичні вимірювання неповні, а оцінки інтенсивності бурі 1859 року різняться. Ця невизначеність впливає і на оцінки того, як часто трапляються екстремальні події подібного масштабу. Наявні дані свідчать, що до потужних подій слід ставитися серйозно, але не дають змоги надійно визначити дату наступної такої події.[25]
Ці випадки показують практичне значення науки. Вимірювання, інженерія та оперативні рішення взаємопов’язані: на практиці важливо запитати, як конкретна система реагує на конкретне збурення.
Як космічна погода проявляється за межами Землі?
Те саме активне Сонце впливає й на інші планети, але реакція кожної з них залежить від її атмосфери та магнітного середовища. Марс не має глобального магнітного поля, подібного до земного. Тому сонячні частинки можуть впливати на значно більшу частину його атмосфери.
Під час високої сонячної активності, у травні 2024 року, космічний апарат NASA MAVEN спостерігав ультрафіолетові полярні сяйва над усім Марсом, а марсохід «Curiosity» зафіксував підвищений рівень радіації на його поверхні. Ці спостереження пов’язали сонячний спалах із вимірюваннями на іншому світі.[26]
Досліджуючи космос за межами Землі, розуміння взаємодії Сонця й планет допомагає інтерпретувати наукові вимірювання та планувати діяльність космічних апаратів і екіпажів. Дослідження NASA у сфері космічної погоди охоплюють і ці ширші напрями застосування в Сонячній системі.[1]
Так ми повертаємося до вже знайомого принципу: самою лише відстанню результат не визначається. Важливі також магнітні поля, атмосфери, шлях збурення та система, з якою воно взаємодіє.
Джерела та додаткова література
Первинні наукові дослідження та підготовлені установами пояснювальні матеріали, що підтверджують фізичні процеси, методи прогнозування та історичні приклади, описані в цій статті.
- NASA – Космічна погодаВплив Сонця на космічне середовище, технології та дослідження космосу.
- Центр NASA імені Маршалла – Сонячний динамо-механізмЯк потоки електропровідної плазми, диференціальне обертання та конвекція відновлюють магнітне поле Сонця; динамо-механізм залишається предметом активних досліджень.
- Центр NASA імені Маршалла – Утворення фотосфериТіні та півтіні сонячних плям, їхні температури й магнітні поля, а також грануляція, видима у фотосфері.
- Центр NASA імені Маршалла – Цикл сонячних плямПриблизно одинадцятирічний цикл сонячних плям і смуги широт, які на діаграмі-метелику зміщуються до екватора.
- NASA – Чи спричиняє Сонце глобальне потепління?Розмежування сонячної мінливості та причин нещодавнього глобального потепління.
- NASA – Сонячні бурі та спалахиІлюстрований вступ, що пояснює відмінності між світлом спалахів, високоенергетичними частинками та викидами корональної маси, а також різний час їхнього поширення.
- Центр прогнозування космічної погоди NOAA – Сонячні спалахи (порушення радіозв’язку)Тривалість спалахів і класифікація від A до X за максимальним потоком рентгенівського випромінювання, виміряним GOES у діапазоні довжин хвиль 0,1–0,8 нанометра.
- David V. Reames – Високоенергетичні сонячні частинки (2017)Опис для фахівців прискорення частинок унаслідок магнітного перез’єднання та ударних хвиль, спричинених CME, зокрема дані про походження масштабних частинкових подій.
- Центр прогнозування космічної погоди NOAA – Сонячна радіаційна буряВисокоенергетичні сонячні протони можуть долетіти за кілька десятків хвилин або швидше, а частинкові бурі можуть тривати від кількох годин до кількох днів.
- Центр прогнозування космічної погоди NOAA – Викиди корональної масиХмари плазми й магнітного поля, що розширюються, час їхньої подорожі до Землі та ударні хвилі, здатні прискорювати заряджені частинки.
- NOAA – Шкали космічної погодиОкремі шкали R, S і G описують порушення радіозв’язку, сонячні радіаційні бурі та геомагнітні бурі.
- NOAA – Геомагнітні буріПередавання енергії сонячного вітру, спрямовані на південь магнітні поля, високошвидкісні потоки та зміни магнітного оточення Землі.
- NOAA – Вступ до полярних сяйвУтворення сяйва полярних сяйв, повторювані збурення сонячного вітру та різні обмеження короткострокових і довгострокових прогнозів.
- Центр прогнозування космічної погоди NOAA – Корональні діриВідкриті ділянки магнітного поля є джерелами швидких потоків сонячного вітру; довготривалі корональні діри часто трапляються поблизу мінімуму сонячної активності.
- NOAA – Радіозв’язок у короткохвильовому діапазоні (HF)Поглинання радіохвиль на денному боці Землі через рентгенівське випромінювання спалахів і на високих широтах через високоенергетичні сонячні протони.
- NOAA — Іоносферна сцинтиляціяДрібномасштабна структура щільності електронів змінює радіосигнали та може порушувати супутникову навігацію.
- NOAA — Атмосферний опір, якого зазнають супутникиНагрівання верхніх шарів атмосфери, збільшення її щільності на висоті польоту супутників і зміни на низьких навколоземних орбітах.
- NOAA — Передавання електроенергіїЯк змінні магнітні поля індукують струми в електропровідних мережах і як їхній вплив визначають властивості ґрунту та електромережі.
- NOAA — Експертна система для аномалій роботи космічних апаратів, спричинених навколишнім середовищем — у реальному часіРозрізняє поверхневе заряджання, внутрішнє заряджання, збої, спричинені окремими частинками, і сукупний вплив радіації.
- NASA CCMC — Модель WSA–Enlil у центрі SWPCМагнітні карти та параметри корональних викидів маси (CME), визначені за даними коронографів, використовуються як вхідні дані моделі поширення сонячного вітру; її прогнози залишаються невизначеними через вхідні дані та геометрію.
- Green і Boardsen (2006) — Тривалість і масштаб великої бурі сяйв 1859 рокуІсторичні спостереження за сяйвами, магнітним полем і роботою телеграфу під час збурень 1859 року.
- Boteler (2019) — Магнітна буря березня 1989 року з погляду XXI століттяВідтворено перебіг бурі та її вплив на систему Hydro-Québec і інші електромережі.
- NOAA — Згадуємо великі сонячні бурі на ГелловінОгляд спалахів 2003 року та їхнього впливу на космічні апарати, зв’язок і інфраструктуру.
- ESA — Сонячна буря у травні 2024 року: відповіді на ваші запитанняПояснюються сяйва, розширення атмосфери та операційні виклики під час бурі.
- Love та ін. (2024) — Про невизначеність оцінки інтенсивності бурі Керрінгтона 1859 рокуПоказано, як невизначеність інтенсивності історичних бур впливає на оцінки частоти екстремальних подій.
- NASA спостерігає, як Марс сяє під час потужної сонячної буріВимірювання радіації та масштабних марсіанських сяйв під час сонячної активності у травні 2024 року.
Динаміка та майбутнє Сонячної системи
- Будова Сонця та його життєвий цикл
- Сонячна активність: спалахи, плями та космічна погода · Ви тут
- Орбіти планет і резонанси
- Удари астероїдів і комет
- Кліматичні цикли планет
- Фаза червоного гіганта: доля внутрішніх планет
- Пояс Койпера та хмара Оорта
- Потенційно придатні для життя зони за межами Землі
- Дослідження людства: минуле, сучасне й майбутнє
- Довгострокова еволюція Сонячної системи