Мало какое из небесных тел может похвастаться столь пристальным вниманием человечества, как Солнце. И все-таки, ученые до сих пор так и не смогли до конца разгадать причины появления одного из наиболее загадочных явлений – вспышек на Солнце.. Разгадать – значит не только понять физику исследуемого явления, но и уметь предсказывать появление вспышек и их мощность, а, следовательно, и последствия для Земли. В работах по моделированию солнечных вспышек ученые ФИАН совместно с коллегами из Института астрономии РАН (ИНАСАН) приблизились к решению одной из важнейших для человечества проблем.
Пожалуй, Солнце является одним из самых притягательных для исследования объектов. Столь пристальное внимание естественно, ведь влияние солнечной активности на Землю очень велико.
Поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории физики Солнца и космических лучей ФИАН А.И. Подгорный: «Солнечная вспышка представляет собой сложное физическое явление. Энергия вспышки высвобождается сразу несколькими путями: это и нагрев плазмы до высоких температур и формирование рентгеновского излучения, и образование так называемых солнечных космических лучей – релятивистских протонов с энергией до 20 ГэВ. Важным проявлением вспышки являются также выбросы вещества, масса которых достигает 1016 грамм, а скорость – 1000 км /c. Корональный выброс, достигая орбиты Земли, вызывает возмущение магнитосферы нашей планеты – возникают магнитные бури и полярные сияния, нарушается радиосвязь, происходят аварии в системах энергоснабжения. Долговременный прогноз этих явлений требует понимания процессов, происходящих на Солнце.»
Наибольший интерес для исследования представляют наиболее мощные вспышки класса Х, при которых мощность излучения, приходящегося на 1 см2 Земли, достигает 0,1 эрг/с и выше. Ученые, однако, так до сих пор и не могут сказать, какие же условия необходимы для возникновения крупных вспышек, не говоря уже о возможности их предсказания.
А.И. Подгорный: «Наша цель – понять механизм солнечной вспышки, понять, что ей предшествует и что происходит на Солнце непосредственно во время вспышки.
В основном, в настоящее время ученые решают эту задачу «от обратного», т.е. на основании той или иной теории строится модель вспышечного процесса, а затем путем наблюдений оценивается ее соответствие реальной ситуации. Мы же пытаемся моделировать механизм солнечной вспышки, не делая никаких предварительных предположений, только исходя из наблюдений. Это позволяет нам изучать реальный механизм вспышки»
Необходимо понять каким образом происходит накопление энергии для вспышки. В настоящее время обсуждается несколько основных возможных механизмов вспышек:
– рассмотренная советским ученым С. И. Сыроватским возможность накопления энергии в магнитном поле так называемого токового слоя;
– образование и выброс магнитного жгута;
– мощный импульсный разряд – пинч;
– аннигиляция сильно скрученных линий магнитного поля.
Совместная группа ученых ФИАН и ИНАСАН предложила свою модель, в основе которой лежит механизм пересоединения магнитных линий, а также идеи С.И. Сыроватского о медленном накоплении энергии в токовом слое до некоего критического значения с последующим взрывным высвобождением. Численное моделирование показало, что вспышка происходит не на поверхности Солнца, а в токовом слое, расположенном в короне. В ходе наблюдений, а также моделирования предвспышечных и вспышечных процессов, удалось выявить закономерность между величиной магнитного поля активной области и возможностью возникновения вспышки класса Х: величина магнитного потока активной области должна перейти пороговое значение в 1022 Мкс. Однако, анализ магнитных потоков в мощных активных областях показывает, что это условие является необходимым, но не достаточным. Магнитный поток активной области может превзойти 1022 Мкс, но большая вспышка так и не произойдет.
В результате дальнейшего моделирования было показано, что еще одним необходимым условием возникновения больших вспышек является сложное распределение магнитного поля в активной области. Локальные источники магнитных полей разной направленности должны быть расположены хаотично. Только в этом случае в короне Солнца может образоваться токовый слой, в магнитном поле которого запасается энергия для будущей вспышки. Благоприятным фактором для вспышки является также сильный градиент магнитного поля поперек линии инверсии полярности магнитного поля. На последнее условие еще в 1982 г. указывал советский исследователь В.Е. Степанов.
Однако, самый неожиданный результат наблюдения солнечной активности был получен при анализе магнитного поля активной области во время вспышки.
Профессор И.М. Подгорный, ведущий научный сотрудник ИНАСАН: «Благодаря запуску космической обсерватории НАСА (SDO) в 2010 году, мы получили прекрасную возможность анализа изменений магнитных потоков и конфигурации магнитного поля активных областей на протяжении всего вспышечного процесса – от зарождения до самой вспышки – с 45-секундным интервалом регистрации данных. Попытки обнаружить изменения магнитного поля привели к потрясающим результатам: вспышка происходит, при этом выделяется колоссальная энергия, а на солнечной поверхности – тишина, поле остается без изменений!»
По мнению, исследовательской группы ФИАН-ИНАСАН, обнаруженное явление еще раз подтверждает, что энерговыделение вспышки происходит высоко в короне, т. е. нет никаких оснований считать вспышку хромосферным событием. При этом во вспышке реализуется энергия, накопленная в короне на стадии, предшествующей вспышке.
Впереди еще предстоит серия экспериментов по численному моделированию солнечных вспышек с учетом различных начальных параметров. Эти эксперименты должны подтвердить уже полученные на сегодняшний день результаты, а также могут выявить новые закономерности и еще больше приблизить ученых к пониманию механизма возникновения солнечных вспышек. А это, в свою очередь, даст человечеству возможность предсказания вспышек и возможности по предотвращению последствий от их нежелательного воздействия.
А.И. Подгорный: «Наши сегодняшние исследования направлены на детальное изучение механизма солнечной вспышки, что даст возможность с достаточно хорошей вероятностью предсказать, будет ли вспышка в течение нескольких суток или нет, а также оценить какова ее предполагаемая мощность. Конечно, это весьма ценно для науки, но не только.
Для чего еще это нужно? Во-первых, в результате возникающего выброса, если, конечно, он идет к Земле, возникает магнитная суббуря. При этом меняются магнитные поля, в том числе и на поверхности Земли. Для человека они большого вреда не приносят, но могут привести к выводу из строя технику. Сильное радиоизлучение в дециметровом диапазоне, которое также сопровождает вспышку, оказывает большое влияние на навигационные приборы. Поэтому, важно заранее предсказать возможность такого события, чтобы избежать катастроф. Еще одно немаловажное проявление вспышки – рентгеновское облучение и его воздействие на состояние атмосферы Земли. Возможность прогноза потоков жесткого излучения в первую очередь важна для космонавтов, а также для тех, кто работает в полярных условиях, где защита озонового слоя намного ниже.
Уметь предсказывать космическую угрозу, которая хотя и не столь разрушительна как падение больших метеоритов, но носит повседневный характер, позволит разработать эффективные меры противодействия ей. А это одно из важнейших условий продолжения нормальной жизни на Земле.»
Е. Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»
