Причины вспышек на солнце. Учёные предупредили о последствиях вспышки на Солнце: К чему готовиться жителям Земли? Опасность для космонавтов и пассажиров реактивных самолетов
В первой половине среды, 6 сентября 2017 года, ученые зарегистрировали самую мощную за последние 12 лет солнечную вспышку. Вспышке присвоен балл X9.3 - буква означает принадлежность к классу экстремально больших вспышек, а число - силу вспышки. Выброс миллиардов тонн материи произошел почти в районе AR 2673, практически в центре солнечного диска, поэтому земляне не избежали последствий случившегося. Вторая мощная вспышка (балла X1.3) зафиксирована вечером в четверг, 7 сентября, третья - сегодня, в пятницу, 8 сентября.
Солнце выбрасывает огромную энергию в космос
Солнечные вспышки в зависимости от мощности рентгеновского излучения делятся на пять классов: A, B, C, M и X. Минимальный класс A0.0 соответствует мощности излучения на орбите Земли в десять нановатт на квадратный метр, следующая буква означает увеличение мощности в десять раз. В ходе самых мощных вспышек, на которые способно Солнце, в окружающее пространство уходит огромная энергия, за несколько минут - около сотни миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте. Это примерно пятая часть энергии, излучаемой Солнцем за одну секунду, и вся энергия, которую выработает человечество за миллион лет (при условии ее производства современными темпами).
Ожидается мощная геомагнитная буря
Рентгеновское излучение доходит до планеты за восемь минут, тяжелые частицы - за несколько часов, облака плазмы - за двое-трое суток. Корональный выброс от первой вспышки уже достиг Земли, планета столкнулась с облаком солнечной плазмы диаметром около ста миллионов километров, хотя ранее прогнозировалось, что это произойдет к вечеру пятницы, 8 сентября. Геомагнитная буря уровня G3-G4 (пятибалльная шкала варьируется от слабых G1 до экстремально сильных G5), спровоцированная первой вспышкой, должна завершиться вечером в пятницу. Корональные выбросы от второй и третьей солнечных вспышек еще не достигли Земли, возможные последствия стоит ожидать в конце текущей - начале следующей недели.
Последствия вспышки давно понятны
Геофизики прогнозируют полярное сияние в Москве, Санкт-Петербурге и Екатеринбурге, городах, расположенных на сравнительно низких для авроры широтах. В американском штате Арканзас его уже заметили. Еще в четверг операторы в США и Европе сообщали о некритичных перебоях со связью. Уровень рентгеновского излучения на околоземной орбите незначительно повысился, военные уточняют, что спутникам и наземным системам, а также экипажу МКС прямой угрозы нет.
Изображение: NASA / GSFC
Все же существует опасность для низкоорбитальных и геостационарных спутников. Первые рискуют выйти из строя из-за торможения о разогревшуюся атмосферу, а вторые, удалившись от Земли на 36 тысяч километров, могут столкнуться с облаком солнечной плазмы. Возможны перебои с радиосвязью, но для окончательной оценки последствий вспышки необходимо дождаться как минимум конца недели. Ухудшение самочувствия людей из-за изменений геомагнитной обстановки научно не доказано.
Возможно усиление солнечной активности
Последний раз подобная вспышка наблюдалась 7 сентября 2005 года, однако самая сильная (с баллом Х28) произошла еще раньше (4 ноября 2003 года). В частности, 28 октября 2003 года из строя вышел один из высоковольтных трансформаторов в шведском городе Мальмё, обесточив на час весь населенный пункт. От бури пострадали и другие страны. За несколько дней до событий сентября 2005 года была зафиксирована менее мощная вспышка, и ученые полагали, что Солнце успокоится. То, что происходит в последние дни, сильно напоминает ту ситуацию. Подобное поведение светила означает, что рекорд 2005 года в ближайшее время все еще может быть побит.
Изображение: NASA / GSFC
Однако за последние три века человечество пережило и еще более мощные солнечные вспышки, чем произошедшие в 2003 и 2005 годах. В начале сентября 1859 года геомагнитная буря привела к отказу телеграфных систем Европы и Северной Америки. Причиной назвали мощный выброс корональной массы, достигший планеты за 18 часов и наблюдаемый 1 сентября британским астрономом Ричардом Кэррингтоном. Также имеются исследования, подвергающие сомнению последствия солнечной вспышки 1859 года, ученые , что магнитная буря затронула только локальные области планеты.
Солнечные вспышки трудно поддаются количественному описанию
Последовательной теории, описывающей формирование солнечных вспышек, пока не существует. Вспышки возникают, как правило, в местах взаимодействия солнечных пятен на границе областей северной и южной магнитных полярностей. Это приводит к быстрому высвобождению энергии магнитного и электрического полей, которая затем идет на разогрев плазмы (увеличение скорости ее ионов).
Наблюдаемые пятна - это участки поверхности Солнца с температурой примерно на две тысячи градусов Цельсия ниже температуры окружающей ее фотосферы (примерно 5,5 тысячи градусов Цельсия). На самых темных участках пятна линии магнитного поля перпендикулярны поверхности Солнца, на более светлых они ближе к касательной. Напряженность магнитного поля у таких объектов превышает его земное значение в тысячи раз, а сами вспышки связаны с резким изменением локальной геометрии магнитного поля.
Солнечная вспышка произошла на фоне минимума солнечной активности. Вероятно, таким образом светило сбрасывает энергию и скоро успокоится. Подобного рода события происходили и ранее в истории звезды и планеты. То, что сегодня это привлекает внимание общественности, говорит не о внезапной угрозе человечеству, а о научном прогрессе - несмотря ни на что, ученые постепенно все лучше понимают процессы, происходящие со звездой, и сообщают об этом налогоплательщикам.
Где следить за ситуацией
Информацию о солнечной активности можно почерпнуть из множества источников. В России, например, - с сайтов двух институтов : и (первый на момент написания статьи вывесил прямое предупреждение об опасности для спутников из-за солнечной вспышки, второй содержит удобный график вспышечной активности), которые используют данные американских и европейских служб. Интерактивные данные о солнечной активности, а также оценку текущей и будущей геомагнитной ситуации можно найти на сайте
Идея о том, что Солнце влияет на живой и неживой мир нашей планеты не нова. Да и странно было бы обратное - Солнце освещает и согревает Землю, без этого была бы невозможна жизнь на ней не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце – самый главный (хотя и не единственный) двигатель происходящих на Земле процессов.
Каналов передачи энергии от Солнца к Земле два – электромагнитное и корпускулярное излучение. Электромагнитное излучение – основной канал, именно по нему к Земле поступает большая часть солнечной энергии, передающаяся в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Изменения этого потока не превышают долей процента, благодаря чему он даже носит название солнечная постоянная.
Но мы же знаем о том, что на Солнце постоянно происходят многочисленные активные процессы – солнечные вспышки, корональные выбросы массы, появляются различные пятна и протуберанцы – почему же говорят о солнечной постоянной? Дело в том, что при развитии этих активных процессов значительные изменения претерпевает электромагнитное излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне.
А в этом диапазоне Солнце излучает относительно мало – даже когда во время сильнейших солнечных вспышек поток рентгеновского излучения возрастает в тысячу раз, суммарный поток энергии остается в миллион раз меньше солнечной постоянной. Не стоит забывать и о том, что рентгеновское излучение Солнца практически полностью поглощается земной атмосферой.
Второй канал – корпускулярное излучение – на несколько порядков слабее по величине переносимой энергии, но при этом является ключевым в «космической погоде». Это тот самый солнечный ветер, который представляет собой поток заряженных частиц (электронов, протонов и ионов), летящих со скоростью 300-1200 км/с. Ветер этот «дует» постоянно, а во время солнечных вспышек происходит его усиление.
По сути, солнечный ветер – это радиация. Хорошо то, что Земля имеет собственное магнитное поле и не дает этой радиации проникать к поверхности планеты (солнечный ветер как бы огибает Землю). А плохо то, что у солнечного ветра тоже есть магнитное поле, интенсивность и полярность которого меняется в зависимости от происходящих на Солнце процессов.
В общем случае между этими двумя магнитными полями наблюдается равновесие – ветер давит на землю, земля давит на ветер. Граница, на которой давление ветра уравновешивается давлением земли называется магнитопауза.
Магнитное поле Земли обычно отклоняет солнечные заряженные частицы, формируя магнитосферу, область пространства, напоминающее формой каплю. Граница этой области - магнитопауза - находится на расстоянии около 60 тыс. км от нашей планеты.
Но «ветер меняется», и когда полярность его магнитного поля становится противоположной полярности магнитного поля земли (а это, кстати, случается не всегда) то возможны три сценария их взаимодействия:
1. Сила ветра слабее силы геомагнитного поля – ничего не происходит, магнитосфера остается невозмущенной.
2. Сила ветра превышает силу геомагнитного поля – происходят суббури (возмущения магнитного поля в полярных областях), а мы с вами, находясь на полюсе, можем любоваться северными сияниями.
3. Сила ветра сильно превышает силу геомагнитного поля – происходят долгожданные магнитные бури, магнитное поле возмущается не только в полярных областях, но и вблизи экватора. В таком случае полярные сияния могут наблюдаться и на низких широтах (например, ночью 30 октября 2003 г ими можно было насладиться в Москве)
Снимок полярного сияния на Юго-Западе Москвы 30.10.2003 1:26:11. Автор - Игорь Кузнецов
Так, с каналами передачи энергии (а, стало быть, с тем, какими путями Солнце может повлиять на Землю) вроде разобрались. Теперь – к солнечным вспышкам.
Солнечные вспышки - это быстрые (как правило, в пределах нескольких минут) процессы выделения большого количества энергии в атмосфере Солнца. Солнечные вспышки в зависимости от яркости производимого ими рентгеновского излучения делятся на пять классов: А, B, C, M, X. Самые сильные вспышки – Х класса, последующий в 10 раз слабее предыдущего (класс M в 10 раз слабее Х, С в 10 раз слабее M и тд). Для Земли считаются опасными вспышки класса М и более. В настоящее время источником данных о вспышках являются, главным образом, спутники GOES.
«Каналы влияния» на Землю у вспышки те же – электромагнитный и корпускулярный.
Электромагнитное излучение по сравнению со среднем уровнем излучения Солнца меньше на 5-6 порядков (меньше в миллионы раз), соответственно его влияние исключается.
Остается опосредованное влияние вспышки через солнечный ветер (кстати, не забываем, что скорость солнечного ветра гораздо меньше скорости света, поэтому существует задержка между временем, когда мы зафиксировали солнечную вспышку и временем, когда до Земли дошли «результаты» оной. Величина этой задержи составляет от 35 часов до 5 суток).
Как мы помним, для появления магнитной бури необходимо несколько условий – сила солнечного ветра должны быть выше некоего порога и полярность магнитного поля ветра должна быть противоположна земной. Такие условия отсутствуют в обычном солнечном ветре, но они (условия) могут образоваться, если вспышка выбросит вещество в нашем направлении. В этом кроется источник еще одной проблемы - наблюдать выбросы корональной массы, двигающиеся к Земле, достаточно сложно чисто технически. Вспомним картинки со спутника SOHO – область Солнца, направленная прямо на нас закрыта кружком, дабы не травмировать прибор. А выбросы, фиксируемые им, находятся, как правило, перпендикулярно линии Солнце-Земля и поэтому «летят мимо», никак не влияя на геомагнитное поле.
Конечно, есть спутники GOES с установленным на нем приборами для измерения рентгеновского излучения. И когда выброс, идя от Солнца к Земле, достигает спутников и те фиксируют увеличение радиации, то прогнозировать магнитную бурю (или хотя бы суббурю) можно с большой долей вероятности. Только вот время этого прогноза всего несколько десятков минут – слишком близко (по космическим меркам) к Земле висят спутники.
Итак, что бы на земле случилась магнитная буря, «выстрел» солнечной вспышки должен быть:
1. направленным в сторону Земли;
2. достаточно своеобразным, что бы поменять полярность солнечного ветра (и сохранить это изменение на время полета до Земли)
3. достаточно мощным, что бы сделать солнечный ветер сильнее магнитного поля земли (и сохранить это изменение на время полета до Земли)
Следовательно, далеко не каждая вспышка на Солнце приводит к каким-либо возмущениям магнитосферы (а тем более, к магнитным бурям) - таких вспышек всего 30-40 процентов от общего числа (оговорюсь – это не значит, что 30-40% вспышек вызывают бури, а 30-40% вспышек приводят к возмущениям магнитосферы, которые не обязательно являются бурями). И, соответственно говорить, что каждая вспышка приводит к ухудшению самочувствия – неправильно и даже вредно, особенно для мнительных людей.
Магнитные бури являются неотъемлемой частью того мира, который окружает человека с момента появления «хомо сапиенса» на Земле и не представляет серьезной опасности для его здоровых собратьев. Те же факторы, которые угрожают здоровью ослабленных людей и нормальному функционированию чувствительной техники, современная наука активно изучает и учится заранее предсказывать. Прогресс в понимании солнечно-земных связей и в космической технике в конце концов даст человечеству такой «зонтик», который поможет справляться с любым ненастьем «космической погоды».
Автор выражает благодарность д.ф.-м.н. Ю.И. Ермолаеву и к.ф-м.н А.А. Петруковичу из института космических исследований РАН, а также к.ф-м.н Мягковой И.Н. из института ядерной физики МГУ за помощь в написании статьи.
Эти таинственные вспышки
Вспышки на Солнце, как и солнечные пятна, – одна из характеристик его активности. Каждая «вспышка» - внезапное кратковременное (взрывообразное) локальное физическое явление, происходящее в области хромосферы Солнца, сопровождающееся резким увеличением яркости его излучения, выделением огромной величины энергии (до 1032 Эрг) в виде электромагнитного и корпускулярного излучений с появлением потоков «солнечных» космических лучей.
«Сейчас предполагается, - пишет в монографии о Солнце астрофизик Э. Гибсон, что сильные магнитные поля на Солнце способны собирать и запасать энергию … Детали механизмов накопления, сохранения и освобождения энергии неизвестны. Очень важны также, хотя и непонятны, механизмы выброса и ускорения частиц до исключительно высоких энергий» (курсив автора).
В решении проблемы солнечных вспышек сложилась парадоксальная ситуация, которую отметил отечественный астрофизик Ю.И. Витинский в своей монографии «Солнечная активность»: «… за последние 15 – 20 лет мы узнали о вспышках больше, чем о солнечных пятнах за 200 с лишним лет … Чем больше исследователи Солнца бьются над решением этой проблемы, тем больше возникает в ней новых вопросов. Поэтому было бы легкомысленным с нашей стороны изложить здесь даже самые главные и притом нередко противоречивые результаты попыток построить теорию солнечных вспышек» (курсив автора).
Именно в связи с отсутствием результатов, Национальная академия США направила в 2006 г. на близкую к Солнцу орбиту космическую лабораторию для получения дополнительных сведений о солнечны вспышках.
Поскольку Э. Гибсон сформулировал вопросы, на которые необходимо ответить при решении проблемы солнечных вспышек, а Ю.И. Витинский обосновал отсутствие целесообразности изложения разработанных противоречивых теорий их объяснения, перейдём сразу к изложению своей концепции.
Сплошные «почему»
Предварительно, обратим внимание на следующее: о Солнце известно множество фактов, но большинству из них (несмотря на многолетние попытки учёных разных стран) до сих пор не дано объяснений.
Почему постепенное уменьшение температуры с 15 млн. градусов в центре Солнца до 6 тысяч градусов на его видимой поверхности, начинает по мере дальнейшего удаления от неё повышаться до 2 млн. градусов в солнечной короне?
Почему водородная корона Солнца обогащена ионами атомов всех химических элементов?
Почему скорость «солнечного ветра», состоящего из ионов солнечной короны, не уменьшается, как это должно быть в результате притяжения Солнца, а увеличивается по мере удаления от него?
Чем объясняется изменение параметров перечисленных явлений с изменением солнечной активности?
И ещё множество вопросов.
Кризис «физики Солнца»
Оценка, данная Витинским «теориям» солнечных вспышек, и многочисленный «почему», касающиеся других «солнечных проблем», свидетельствуют о кризисе «физики Солнца». Пытаться строить новые теории, не разобравшись в причине или причинах указанного кризиса - бессмысленно, поскольку идущие по ошибочному пути не могут достичь своей цели. В чём же ошибочность выбранного учёными пути?
Физика Солнца, вещество которого находится в состоянии плазмы (существенная часть составляющих хромосферу атомов - ионизирована), одновременно является и «физикой плазмы». Из теории физики плазмы (обстоятельно и в то же время ясно изложенной академиком Л.А. Арцемовичем в его книге «Элементарная физика плазмы» известно, что если в плазме имеется перемещающееся в пространстве или изменяющееся по величине напряжённости магнитное поле, неизбежно возникают электрические токи, обусловленные воздействием поля на составляющие плазму ионы атомов и электроны. То есть, по существу возникает нагрев и движение этой части плазмы в целом.
Уже в первых научных работах по теории солнечных вспышек, выполненных нашим соотечественником С.И. Сыроватским, возникновение солнечных вспышек объяснялось якобы возможным процессом «пересоединения» магнитных силовых линий при взаимодействии перемещающихся относительно друг друга двух или более локальных магнитных полей. Именно такая ситуация и имеет место в хромосфере Солнца, за исключением самой возможности процесса «пересоединения».
Все последующие «теории» опирались, в том или ином виде, именно на движение в пространстве и изменение во времени напряжённости локальных магнитных полей. В этом не было ничего удивительного, так как солнечные вспышки возникают только в плазме, находящейся в этих полях. Однако не было учтено одно обстоятельство – низкая скорость движения локальных магнитных полей относительно друг друга и медленное изменение величины их напряжённости в сопоставлении с продолжительностью процесса самой вспышки в рентгеновских и гамма лучах (одна – пять минут) без учёта последующего так называемого процесса «высвечивания» плазмы, продолжающегося (из-за грандиозного масштаба явления) десятки минут, а иногда и несколько часов (в зависимости от радиуса сферы, заключающей объём плазмы, охваченный вспышкой).
Следовательно, изложенный «механизм» вспышки (посредством процесса пересоединения) не может иметь лавинообразного характера течения процессов, позволяющих обеспечить её кратковременность и высокую мощность.
Физиков можно понять – не видно никакой другой альтернативы, если рассматривать процессы на Солнце в отрыве от процессов в Солнечной системе, а в данном случае – и от процессов во Вселенной в целом. К сожалению, чаще всего, как и в данном конкретном случае, именно так и поступают. Иначе чем объяснить такое количество нерешённых проблем в «физике Солнца», да и в физике в целом?
Поиск альтернативы
Отвергая «активную» роль магнитных полей в процессах солнечных вспышек, не отвергается их роль целиком. Ведь не случайно же вспышки происходят в локальных объёмах хромосферы, охваченных магнитными полями солнечных пятен. Возникает естественный вопрос: какой вид энергии собирают, запасают впрок и сохраняют до момента начала вспышек локальные магнитные поля, создаваемые солнечными пятнами в хромосфере? Кто «обладатель» этой энергии?
Правильные ответы на эти два «ключевые» для решения проблемы солнечных вспышек вопроса позволят ответить и на все остальные.
Прежде всего, ответим на первый вопрос – какого вида эта энергия? В соответствии с различными «формами» происходящих процессов, говорят и о различных видах энергии: механической (кинетической), тепловой, химической, электромагнитной, гравитационной, ядерной и т.д. Эти разграничения имеют условный характер. Все виды энергии могут быть отнесены или к кинетической энергии, или к энергии связи, или одновременно – в равной мере – и к той, и к другой.
То обстоятельство, что магнитные поля взаимодействуют с частицами, имеющими электрический заряд, а магнитные поля особой формы (конфигурации) даже обладают свойствами улавливать (захватывать) такие частицы в объёмы пространства, в котором они присутствуют (магнитные «ловушки») склонило чашу весов в пользу кинетической энергии частиц, имеющих электрический заряд. Другое обстоятельство – громадная величина энергии солнечной вспышки (до 1032 Эрг), достаточная до нагрева или миллиарда тонн плазмы до температуры 40 млн. градусов (при такой температуре становится возможной термоядерная реакция синтеза «тяжёлых» ядер химических элементов из «лёгких» ядер) или до температуры кипения всю воду океанов Земли заставило сделать выбор в пользу космических лучей, обладающих самой высокой величиной кинетической энергии на одну частицу (до 1019 электрон-Вольт (эВ)), которые состоят, в основном, из ядер водорода.
Если считать, что каждое такое ядро-протон имеет энергию 6 1018 эВ или 107 Эрг, то для обеспечения самой мощной солнечной вспышки с энергией в 1032 Эрг потребуется всего 1025 протонов. Учитывая, что 1 грамм водорода содержит 6 1023 атомов (число Авогадро), масса, требуемых для солнечной вспышки ядер водорода (в виде частиц космических лучей) составит всего 16,7 грамма. Если же принять за величину энергии частиц галактических космических лучей, проникающих в пространство Солнечной системы, не максимальное, а среднее их значение (5 1014 эВ), то в этом случае потребуется всего 200 кг.
Признаемся, с трудом верится в эту невероятную реальность.
Есть ли основания подозревать, что в «деле» солнечных вспышек «замешаны» частицы космических галактических лучей? Да, есть! По крайней мере, два.
Первое – в периоды максимума солнечной активности, когда количество солнечных пятен, а, соответственно и число магнитных полей высокой напряжённости (5000 Гаусс) в хромосфере, способствующих эффективности «захвата» Солнцем космических лучей из космоса, приводит к резкому (в 5 – 10 раз и более) уменьшению их потока на границе земной атмосферы.
Второе – громадная масса Солнца и соответствующее ей гравитационное притяжение, действующее в пространстве сферы, имеющей радиус 15 млрд. км.
Найденные ответы на два «ключевых» вопроса позволили найти решение проблемы солнечных вспышек. Это даёт возможность ответить и на остальные вопросы, изложенные в начале статьи.
Физический механизм Солнечных вспышек
Следующий вопрос, касающийся рассматриваемой проблемы – как локальное магнитное поле, создаваемое парой солнечных пятен противоположной полярности собирает, запасает и сохраняет энергию до момента вспышки. Это осуществляется точно так же, как и магнитным полем Земли в отношении частиц космических лучей и частиц, «выбрасываемых» из Солнца при солнечных вспышках. Наличие в «окрестностях» Земли двух радиационных поясов и полярных сияний в районе её полюсов свидетельствует о высокой эффективности «механизма захвата» этих частиц магнитными полями, приводящего к концентрации частиц и их кинетической энергии в локальном объёме пространства, заполненного плазмой.
Аналогичные процессы происходят в импульсных термоядерных реакторах синтеза ядер гелия из ядер дейтерия («тяжёлого» водорода), оснащённых магнитными ловушками, конфигурация магнитного поля в которых подобна конфигурации локального магнитного поля, создаваемого парами солнечных пятен, имеющих противоположную полярность их полюсов.
Различие состоит только в том, что нагрев плазмы в термоядерных реакторах осуществляется посредством кратковременного электрического разряда вдоль магнитных силовых линий, а на Солнце - посредством частиц космических лучей, «захватываемых» из космоса сильными (до 5000 Гаусс) локальными магнитными полями солнечных пятен.
Закономерный поступательно-возвратный винтообразный характер движения «захваченных» частиц космических лучей вдоль силовых линий локального магнитного поля с магнитными отражающими «зеркалами»-«пробками» вызывает в результате столкновений точно такое же движение и у ионов и электронов солнечной плазмы, содержащихся в этом же магнитном поле.
Разделение в пространстве и по направлению винтообразного движения положительно заряженных ионов и электронов, обусловленного противоположным знаком их электрических зарядов и тысячекратным отличием массы частиц, существенно затрудняет процесс рекомбинации («деионизации»), а если она осуществляется, то кратковременно, с сохранением высокого уровня возбуждения. Благодаря этому и наличию постоянного воздействия на эти возбуждённые атомы фотонов излучения фотосферы (видимой поверхности Солнца) и частиц космических лучей («циркулирующих» в этом же объёме пространства), закономерное движение повторно ионизируемых атомов солнечной плазмы фактически не прерывается. Не прерывается до момента вспышки и процесс поступления сюда же дополнительного числа частиц и солнечной плазмы, и космических лучей.
В связи с этим в каждом локальном магнитном поле число частиц, а, соответственно, и плотность плазмы более чем в сто раз превышают те же параметры плазмы в окружающем пространстве. Особенно очевидно это проявляется в области расположения нейтральной плоскости локального магнитного поля, равноудалённой от создающей его пары солнечных пятен, что обусловлено так называемым процессом автофокусировки около нейтральной плоскости в магнитном поле такой «бочкообразной» формы.
Именно здесь постепенно формируются (наблюдаемые в хромосфере, где располагаются локальные магнитные поля солнечных пятен) «тёмные» волокна, в которых часть излучения фотосферы, проходящего сквозь них, расходуется на увеличение энергии электронов возбуждённых атомов до уровня, достаточного для их повторной ионизации.
Таким образом, уровень кинетической энергии, который частицы космических лучей имели при «захвате» магнитной «ловушкой», до момента вспышки изменяется незначительно.
Накопление частиц солнечной плазмы и космических лучей в локальных магнитных полях Солнца продолжается в течение всего времени между двумя солнечными вспышками, происходящими в одном и том же месте. Периодичность вспышек – одна за сутки или за несколько суток. Вспышка происходит, когда концентрация частиц достигает некоторой критической величины. Примером является необходимая для взрыва атомной бомбы определённая так называемая «критическая» величина массы радиоактивного урана для обеспечения цепной разветвляющейся реакции распада, инициируемой самими же «продуктами» этого распада.
Приближение момента начала солнечной вспышки визуально фиксируется появлением двух постепенно увеличивающих яркость областей, равноудалённых от нейтральной плоскости локального магнитного поля к его полюсам, где происходит закономерное изменение направления поступательно-возвратного движения частиц космических лучей.
По существу, эти две области «сияния» аналогичны областям возникновения северного и южного полярных сияний на Земле, также вызываемых захваченными частичками космических лучей. Приближение концентрации частиц солнечной плазмы и космических лучей в локальном магнитном поле к некоторому «критическому» уровню сопровождается увеличением частоты столкновения этих частиц друг с другом и соответствующему более быстрому уменьшению средней энергии частиц космических лучей, что приводит к уменьшению длины пути поступательно-возвратного их движения. Это фиксируется визуально сначала как медленное, но постепенно ускоряющееся приближение двух светящихся областей к нейтральной плоскости локального магнитного поля, завершающееся солнечной вспышкой, поскольку частота взаимодействия частиц космических лучей с частицами плазмы приобретает лавинообразный характер.
Такой характер взаимодействия объясняется тем, что кинетическая энергия частиц плазмы становится сопоставимой с уменьшающейся кинетической энергией частиц космических лучей, в результате чего уже и они, как частицы космических лучей, начинают перераспределять свою возросшую энергию между другими частицами солнечной плазмы.
При этом развитие процесса вспышки происходит аналогично процессу возникновения в земной атмосфере широких атмосферных ливней, называемых «ливнями Оже», представляющих собой поток ионов атомов кислорода и азота с высоким уровнем кинетической энергии (образующимися в результате воздействий проникающих сюда частиц космических лучей с энергией 1012 – 1013 эВ), вызывающих «каскадную» электронно-фотонную лавину.
Именно благодаря её возникновению, непосредственно сам процесс солнечной вспышки имеет, как уже отмечалось, очень малую продолжительность, чем и объясняется его высокая мощность. В результате этого и давление плазмы, и её температура при особо мощных вспышках, называемых «протонными», достигают таких значений, что регистрируются даже частицы, возникающие при ядерных реакциях синтеза ядер гелия из ядра водорода.
В связи с наличием в солнечной плазме и в космических лучах ядер «тяжёлых» химических элементов (более 4 а.е.) тормозное излучение в момент вспышки соответствует жёсткому рентгеновскому спектру с энергией квантов более 105 эВ. При высокой интенсивности рентгеновского излучения в указанном диапазоне, в котором энергия кванта сопоставима с величиной произведения массы электрона на квадрат скорости света (mэ c2) взаимодействие излучения с электроном сопровождается так называемым «комптоновским рассеянием» кванта на электроне. При этом уменьшается частота рентгеновского излучения из-за передачи части энергии кванта электрону, который приобретает дополнительную скорость.
При мощных солнечных вспышках поток рентгеновского излучения смещает электроны плазмы в направлении распространения излучения. Возникающее в результате этого электрическое поле вызывает движение ионов плазмы в этом же направлении. Поскольку рентгеновское излучение продолжается 2 – 5 минут, столько же продолжается и процесс ускорения ионов и ядер атомов, так как скорость распространения света всегда больше скорости ускоряемых частиц.
Так частицы постепенно ускоряются до значений скорости, соответствующей энергии частиц «солнечных» космических лучей.
Подведём итог
Разработанная концепция происхождения солнечной вспышки логично и обоснованно объясняет всю цепь процессов в хромосфере Солнца, составляющих это грандиозное физическое явление. Она начинается постепенным накоплением локальным магнитным полем частиц космических лучей и солнечной плазмы до критической плотности, обеспечивающей повышение частоты и эффективности их столкновений друг с другом до значений, соответствующих лавинообразному характеру взаимодействия, как это имеет место при цепных разветвляющихся реакциях взрывчатых веществ.
Взаимодействие («столкновение») каждой частицы космических лучей с энергией 1012 эВ приводит к возникновению десяти частиц (протонов) с энергией 1011 эВ, каждая из этих, в свою очередь, приводит к возникновению десяти частиц с энергией 1011 эВ и т.д.
Таким образом, в солнечной плазме, заключённой в локальном магнитном поле, в результате захвата и накопления частиц космических лучей происходит развитие ядерно-каскадного процесса.
Параллельно с каскадно-ядерным процессом развивается инициируемый им (возникающими гамма-лучами) электронно-фотонный каскадный процесс, протекающий особенно бурный в связи с вовлечением в него большой массы солнечной плазмы. Возникающие при этом кванты рентгеновского и ультрафиолетового «тормозного» излучения (энергия квантов которых сопоставима с величиной произведения массы электрона на квадрат скорости света) в результате так называемого «комптоновского» их рассеяния на электронах, передают им часть своей энергии. Движение этих электронов в направление внешней среды (в космос) вызывает и соответствующее движение протонов (ядер водорода), имеющих положительный электрический заряд. Большая плотность потока рентгеновских и ультрафиолетовых лучей за время солнечной вспышки «разгоняет» электроны, а, следовательно, и протоны до скорости, соответствующей средней величине энергии 109 эВ, которые достигают орбиты Земли за время в 5 – 10 раз большее, чем излучение вспышки в видимом диапазоне.
Вот такой является альтернативная теория солнечной вспышки.
Проведённый оценочный расчёт подтвердил возможность возникновения частиц «солнечных» космических лучей с максимальной энергией 5 1011 эВ (из «выброшенного» при мощной солнечной вспышки «облако» солнечной плазмы) в результате пятиминутного последовательного воздействия на каждую частицу квантов «жёсткого» рентгеновского излучения, возникших в очаге солнечной вспышки при торможении частиц галактических космических лучей с максимальной энергией 1019 эВ (захваченных Солнцем в его локальное магнитное поле). Величина отношения максимальных значений энергий частиц «солнечных» и «галактических» космических лучей соответствует числу 5 10-8.
По существу, это число представляет собой коэффициент полезного действия процесса преобразования одних космических лучей в другие. Совершенно очевидно, что величина КПД этого процесса вполне реальна. Ещё в большей мере этот вывод относится к соотношению суммарных величин их энергий.
Имеются все основания предполагать, что именно за счёт высокой энергии частиц космических лучей, захватываемых общим магнитным полем Солнца, происходит не объяснённое до сих пор явление инверсии температуры в солнечной атмосфере, когда её уменьшение по мере удаления от центра Солнца сменяется повышением температуры плазмы солнечной короны до миллиона градусов, а в периоды максимума солнечной активности – ещё в два раза выше.
Владимиров Е.А. и Владимиров А.Е.
Подготовлено по материалам http://planeta.moy.su/
6 сентября на Солнце произошли две мощнейшие вспышки, причем вторая из них оказалась самой мощной за 12 лет, с 2005 года. Это событие вызвало нарушения радиосвязи и приема сигналов GPS на дневной стороне Земли, продолжавшиеся около часа.
Однако основные проблемы еще впереди
Солнечные вспышки — катастрофические явления на поверхности Солнца, вызванные пересоединением (перезамыканием) магнитных силовых линий, «вмороженных» в солнечную плазму. В какой-то момент экстремально скрученные линии магнитного поля обрываются и пересоединяются в новой конфигурации, при этом выделяется колоссальное количество энергии,
производящее дополнительный нагрев ближайших участков солнечной атмосферы и разгон заряженных частиц до околосветовых скоростей.
Солнечная плазма представляет собой газ электрически заряженных частиц и, стало быть, обладает своим собственным магнитным полем, причем солнечные магнитные поля и магнитные поля плазмы согласованы между собой. Когда плазма изгоняется из Солнца, концы ее магнитных линий остаются «привязанными» к поверхности. В результате магнитные линии сильно вытягиваются, пока, наконец, не порвутся от напряжения (подобно резинке, которую слишком сильно растянули) и не перезамкнутся заново, образовав новую конфигурацию, заключающую в себе уже меньшее количество энергии, — собственно, этот процесс и зовется пересоединением линий магнитного поля.
В зависимости от интенсивности солнечных вспышек ведется их классификация, причем в данном случае речь идет о самых мощных вспышках — X-класса.
Энергия, выделяемая при таких вспышках, эквивалентна взрывам миллиардов мегатонных водородных бомб.
Событие, классифицированное как X2.2, случилось в 11:57, а еще более мощное, X9.3, спустя всего три часа — в 14:53 (см. на сайте Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН )
Самая сильная солнечная вспышка, зафиксированная в современную эпоху, произошла 4 ноября 2003 года, и она была классифицирована как X28 (ее последствия не были столь уж катастрофичными, поскольку выброс не был направлен прямо на Землю).
Экстремальные солнечные вспышки могут сопровождаться также мощнейшими выбросами вещества из солнечной короны, так называемыми корональными выбросами массы. Это немного другое явление, для Земли оно может представлять и большую, и меньшую опасность — в зависимости от того, направлен ли выброс непосредственно на нашу планету. В любом случае последствия этих выбросов сказываются через 1-3 дня. Речь идет о миллиардах тонн вещества, летящего со скоростью сотен километров в секунду.
Когда выброс достигает окрестностей нашей планеты, заряженные частицы начинают взаимодействовать с ее магнитосферой, вызывая ухудшение «космической погоды». Высыпающиеся вдоль магнитных линий частицы вызывают полярные сияния в умеренных широтах, магнитные бури приводят к нарушению работы спутников, телекоммуникационного оборудования на Земле, ухудшению условий распространения радиоволн, метеозависимые люди страдают от головных болей.
Наблюдателям, особенно в высокоширотных регионах, в ближайшие дни советуют следить за небом и ждать особенно величественных авроральных явлений.
К тому же само Солнце еще может выдать новый фокус и разразиться новыми вспышками. Та же группа солнечных пятен, которая вызвала вспышки в среду, — ее ученые обозначают, как активную область 2673 — во вторник вызывала умеренную вспышку M-класса, которая также способна генерировать полярные сияния.
Впрочем, нынешним событиям далеко до так называемого события Кэррингтона — мощнейшей за всю историю наблюдений геомагнитной бури, разразившейся в 1859 году. С 28 августа по 2 сентября на Солнце наблюдались многочисленные пятна и вспышки. Британский астроном Ричард Кэррингтон наблюдал 1 сентября самую мощную из них, которая, вероятно, и вызвала крупный корональный выброс массы, достигший Земли за рекордное время — 18 часов. К сожалению, тогда еще не было современных приборов, однако последствия были наглядны для всех и без этого —
от интенсивных полярных сияний в районе экватора до искрящих телеграфных проводов.
Удивительно то, что нынешние события происходят на фоне понижения уровня солнечной активности, когда происходит завершение естественного 11-летнего цикла, когда уменьшается количество солнечных пятен. Впрочем, многие ученые напоминают, что именно на период снижения активности зачастую и приходятся мощнейшие вспышки, разражающиеся как бы напоследок.
«Нынешние события сопровождались интенсивным радиоизлучением, что указывает на возможные корональные выбросы массы, — заявил в интервью Scientific American Роб Стинберг из Space Weather Prediction Center (SWPC). — Тем не менее, нужно подождать, пока мы не получим дополнительно изображения с коронографа, которые захватили бы это событие. Тогда можно будет дать окончательный ответ».
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.
Источник: Газета.Ru
Как вспышки на Солнце влияют на людей и на экономику
Начало нынешней осени сопровождается целой чередой мощных солнечных вспышек. Очередная, уже четвертая по счету произошла 10 сентября. Ученые отнесли ее к классу X, высшему из пяти возможных. Индекс вспышечной активности в этот раз достиг 9,8 балла из 10 возможных.
По словам ученых из Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца Физического института РАН имени Лебедева, ссылающихся на данные спутника GOES-15, новый взрыв на Солнце относится к высшему классу X с баллом X8.2. Для сравнения, в среду, 6 сентября, произошла мощнейшая за 12 лет вспышка с баллом X9.3.
Первые две мощнейшие вспышки произошли еще 6 сентября. Следующая вспышка, которой был присвоен наивысший класс активности - X9.3, произошла 7 сентября вечером. Еще одна - уже в пятницу, 8 сентября, в 11 утра по белорусскому времени.
Солнечные вспышки - катастрофические явления на поверхности Солнца, вызванные пересоединением (перезамыканием) магнитных силовых линий, «вмороженных» в солнечную плазму. В какой-то момент экстремально скрученные линии магнитного поля обрываются и пересоединяются в новой конфигурации, при этом выделяется колоссальное количество энергии.
В зависимости от интенсивности солнечных вспышек ведется их классификация, причем в данном случае речь идет о самых мощных вспышках - X-класса. Энергия, выделяемая при таких вспышках, эквивалентна взрывам миллиардов мегатонных водородных бомб.
Самая сильная солнечная вспышка, зафиксированная в современную эпоху, произошла 4 ноября 2003 года, и она была классифицирована как X28. Но ее последствия не были катастрофичными, поскольку выброс не был направлен прямо на Землю.
Экстремальные солнечные вспышки могут сопровождаться мощнейшими выбросами вещества из солнечной короны, так называемыми корональными выбросами массы. Для Земли оно может представлять и большую, и меньшую опасность - в зависимости от того, направлен ли выброс непосредственно на нашу планету. В любом случае последствия этих выбросов сказываются через 1-3 дня. Речь идет о миллиардах тонн вещества, летящего со скоростью сотен километров в секунду.
В этот раз огромная масса вещества оказалась как раз на пути к Земле. Об этом свидетельствовали данные с солнечных коронографов, наблюдающих внешние слои солнечной атмосферы. Как и предполагалось, чрезвычайная активность Солнца уже вызвала на Земле сильнейшую магнитную бурю, которой присвоили четвертый уровень по пятибалльной шкале.
Источник: Газета.Ru
Опасность солнечных вспышек
С ходу можно назвать только одну отрасль экономики, которая однозначно выигрывает от солнечных катаклизмов, - это медиаиндустрия. Потому что, когда некое событие оказывается в центре всеобщего внимания, на нем всегда зарабатывают СМИ.
А вот некоторым другим отраслям приходится намного хуже. Нынешняя серия вспышек на Солнце может вызвать отказы в работе космической техники, а также систем связи. С таким предупреждением выступил руководитель Центра космической погоды Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Пушкова РАН Сергей Гайдаш.
Уже в среду, когда произошли первые две вспышки, они вызвали нарушения радиосвязи и приема сигналов GPS на дневной стороне Земли, продолжавшиеся около часа. Однако земляне на этот раз, можно сказать, легко отделались.
В начале 2017 года Всемирный экономический форум в своем «Докладе о глобальных рисках» назвал проблемы с погодой более важными, чем наплыв мигрантов и зависимость от технологий. По мнению экспертов Форума, погода может существенно повредить экономике, а солнечный шторм и вовсе привести к всемирной катастрофе.
О том, что мощный солнечный шторм может привести к серьезному коллапсу в мировой экономике, говорится и в отчете, опубликованном в журнале Space Weather. Ученые описали четыре сценария влияния массированных вспышек на Солнце на земную инфраструктуру - даже при наиболее благополучном из них экономика США, к примеру, потеряет за день около $6,2 млрд, 15% дневного ВВП.
А при наихудшем сценарии Соединенные Штаты лишатся $41,5 млрд за день - всего, что за это же время производит экономика страны.
Авторы отчета предупреждают, что последствия блэкаута массового отключения электричества - это лишь прямой экономический ущерб, а косвенный, который обычно не учитывается, обходится примерно в ту же сумму (а иногда и больше).
В последнем «Докладе о глобальных рисках», подготовленном Всемирным экономическим форумом, природные катастрофы и экстремальные погодные условия названы более опасными и вероятными событиями, чем социальное расслоение и зависимость от информационных технологий (больший эффект возымеет лишь применение оружия массового уничтожения, но вероятность этого события крайне невелика).
По данным Национального центра информации об окружающей среде США (National Centers for Environmental Information, NCEI), в целом связанные с погодой проблемы в 2016 году обошлись американской экономике в $46 млрд. Наибольший ущерб нанесли наводнения, в частности в августе в Луизиане и на всем Восточном побережье после урагана «Мэттью»: на устранение последствий каждого из них потребовалось по $10 млрд. Кроме того, с каждым годом погода становится все теплее, и ученые призывают обратить на это внимание тех, кто управляет экономикой.
Последствия сильного солнечного шторма могут отличаться - в худшую сторону - даже от самых мощных наводнений. Например, корональные выбросы массы могут затронуть все спутники системы глобального позиционирования, из-за чего перестанут работать автомобильные навигаторы и многие другие электронные сервисы. Впрочем, наиболее уязвимыми будут даже не спутники, а наземная электрическая сеть: ее перегрузка приведет к повреждению трансформаторов, одновременно заменить которые сложно и дорого. Многие высоковольтные трансформаторы могут просто взорваться из-за изменений магнитного поля, и на замену каждого потребуется около пяти месяцев.
Источник: Газета.Ru
Прогноз солнечной погоды
Исследование, опубликованное в ноябре 2016 года Кембриджским центром исследования рисков, оценивает ущерб мировой экономике от солнечного шторма в $140-613 млрд в течение следующих пяти лет, в зависимости от мощности выбросов. Мир без электричества - из-за поврежденных трансформаторов - погрузится в экономическую стагнацию.
Такое дорогостоящее оборудование сложно починить и заменить за короткий срок. Неспособность системы справиться с потерей этих активов приведет к нестабильности и каскаду катастрофических проблем в инфраструктурных системах - транспорте, коммуникациях, медицине - по всему миру, - отмечают авторы исследования.
Предотвратить солнечный шторм или уклониться от него невозможно, однако власти разных стран могут направить средства на развитие систем раннего предупреждения о мощных вспышках на Солнце. Это уже сделали правительства, например, Великобритании и США. В ноябре в Европе завершился проект объединения собранных данных более чем из 20 лабораторий по всему континенту - это также должно улучшить прогнозирование.
Кроме того, министры стран Евросоюза одобрили выделение $478 млн на финансирование разработки спутника, который будет следить за вспышками прямо в космосе. Однако на орбиту этот аппарат отправится не раньше 2023 года.
«Нам повезло, что пока нас не затрагивало что-то по-настоящему мощное. Но это точно случится, вопрос только в том, когда именно», - предупреждает Юха-Пекка Лунтама из Европейского космического агентства.