Астрономия
Условия возникновения солнечной вспышки
А.И. ПОДГОРНЫЙ,
доктор физико-математических наук
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
И.М. ПОДГОРНЫЙ,
доктор физико-математических наук
Институт астрономии РАН
Солнечная вспышка возникает в короне Солнца над активной областью, представляющей собой сосредоточение источников магнитного поля противоположной полярности. Вспышке, длящейся несколько десятков минут, предшествует возрастание магнитного потока активной области в течение нескольких дней. При большой вспышке выделяется энергия, соответствующая взрыву миллионов водородных бомб. Единственным источником энергии в короне может быть магнитное поле. Однако во время вспышки магнитный поток в активной области поверхности Солнца остается постоянным, и распределение магнитного поля в активной области практически
не меняется. Выделяемая при вспышке энергия поступает не из активной области, но аккумулируется перед вспышкой в корональной токовой системе. Магнитогидроди-намическое численное моделирование показало, что токовой системой, образующейся в пред-вспышечном состоянии
в короне над активной областью, является токовый слой. В его магнитном поле накапливается необходимая для вспышки энергия. Для образования в короне токового слоя во время эволюции активной области ее магнитное поле должно иметь сложную структуру.
© Подгорный А.И., Подгорный И.М.
3
СОЛНЕЧНЫЙ
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
На протяжении миллионов лет Солнце согревает и освещает нашу планету, обеспечивая протекание многообразных биологических процессов. Благодаря Солнцу на Земле возникла и поддерживается жизнь. В середине прошлого века стало ясно, что источником энергии Солнца служит термоядерная реакция в его недрах. Там при гигантских температурах сгорают атомные ядра водорода. Небольшое количество более тяжелых элементов в качестве катализатора осуществляют синтез гелия при слиянии четырех ядер водорода. Рассматривается несколько вариантов цепочек ядерных реакций, ответственных за солнечный термоядерный процесс. Для термоядерных реакций необходима очень высокая температура, чтобы энергия атомных ядер была достаточна для преодоления сил электростатического отталкивания ядер и их слияния. Однако нагретое до термоядерных температур вещество должно разлететься с колоссальной скоростью, какэто имеет место в термоядерной (водородной) бомбе. Взрывному разлету солнечного вещества препятствуют гигантские силы гравитации. Они создают условия для
4
Г > ЩдШ'^Щ^Ъ
Солнце 5 января 2013 г. Снимок сделан в крайнем ультрафиолете (304 А) космической обсерваторией "SDO". Фото NASA.
стационарного протекания ядерных реакций в течение миллионов лет. Уже много лет стационарную (управляемую) термоядерную реакцию ученые пытаются провести в лаборатории, используя по предложению доктора физико-математических наук О.А. Лаврентьева электромагнитные силы. Задача эта оказалось слишком трудной, но первые шаги к ее осуществлению были сделаны в знаменитых экспериментах академика Л.А. Арцимовича и его сотрудников.
Итак, солнечный термоядерный реактор обладает удивительной устойчивостью. Многолетний монитор деятельности Солнца показывает неизменность солнечной постоянной (поток энергии на орбите Земли) 0,137 Вт/м2 с точностью до долей процента.
Между тем наблюдения показывают непрерывно протекающие локальные изменения распределения температуры на диске Солнца. С периодом около 11 лет на Солнце возникают центры пониженной температуры -солнечные пятна. Число пятен на диске Солнца принято считать мерой активности нашего светила. В период высокой активности число пятен может превосходить 200 и возникают скопления солнечных пятен, получившие название активных областей. Во время минимума активности солнечные пятна иногда полностью исчезают. В настоящее время наступает очередной максимум активности. Он явно ниже предыдущих, но серьезных оснований для беспокойства нет. Такие события наблюдались неоднократно (Земля и Вселенная, 2006, № 4; 2007, № 2; 2011, № 1).
Главное свойство солнечных пятен - их магнитное поле, которое может достигать тысяч гаусс. Магнитные поля пятен имеют различные полярности. Рядом с пятном одной полярности обычно располагаются пятна противоположной полярности. Таким образом, линии магнитного поля, выходящие из пятна северной полярности, входят в пятно южной полярности, образуя магнитную арку. По-видимому, под поверхностью
График циклов солнечной активности, по данным Брюссельского центра наблюдения Солнца. Зависимость числа пятен на солнечном диске от времени является мерой солнечной активности.
Солнца формируются пучки линий сильного магнитного поля (магнитные трубки), и такой пучок линий всплывает, прорываясь через солнечную поверхность - фотосферу. Плавучесть трубки возникает в результате пониженной в ней концентрации, устанавливающейся из-за баланса магнитного и газового давлений.
Расположенные рядом несколько солнечных пятен различной полярности образуют активную область. В максимуме солнечной активности на диске Солнца может наблюдаться несколько активных областей. Над мощной активной областью возникает множество магнитных арок, и конфигурация магнитного поля в короне над такой областью оказывается чрезвычайно сложной. Измеряя компоненту магнитного поля нашего светила, направленную вдоль луча зрения, снимаются магнитограммы солнечного диска. Для этого пользуются данны-
ми, полученными космическими солнечными обсерваториями, например "ЗОИО" (Земля и Вселенная, 1997, № 2, с. 41-42; 2003, № 3).
Все эти проявления локальной активности Солнца происходят на фоне изменения глобального поля Солнца. Наше светило, как и большинство планет Солнечной системы, обладает ди-польным магнитным полем, но оно не постоянно и меняет свое направление каждые 11 лет. В это время на поверхности Солнца величина поля составляет около 1 Гс. Дипольное магнитное поле нашей звезды отчетливо наблюдается во время солнечных затмений в минимуме активности. Ионизованное вещество короны растекается вдоль магнитных линий диполя, и распределение свечения солнечной короны приобретает форму этих линий. В максимуме активности глобальное магнитное поле Солнца становится более сложным, а
в следующем минимуме активности дипольное поле восстанавливается, но имеет противоположное направление.
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР
При температуре поверхности Солнца около 6000 К происходит испарение солнечного вещества, но его значитель- Ф ная часть удерживается силами гравитации, и вокруг Солнца образуется корона, хорошо наблюдаемая во время солнечных затмений. Солнечная корона состоит в основном из полностью ионизованного водорода (водородной плазмы) с примесью небольшого количества тяжелых элементов, в частности атомов железа, лишенных значительной части своих электронов. Эти не полностью ионизованные атомы обеспечивают свечение короны в видимой области спектра. Замечательное свойство короны - ее высокая температура, достигающая миллиона градусов. На первый
5
взгляд имеется противоречие с законами термодинамики: нагреваемая от поверхности Солнца корона приобретает температуру на два порядка большую, чем температура нагревателя. В действительности никакого противоречия нет, а корона нагревается за счет текущих в ней токов электромагнитных волн, распространяющихся от поверхности Солнца, и/ или стационарных токов короны. При этом часть ионизованного вещества короны не удерживается силой гравитации Солнца, и корона расширяется в космическое пространство. Ускоряемый градиентом давления поток солнечной плазмы приобретает сверхзвуковую скорость. Он получил название солнечного ветра. На орбите Земли концентрация ионов
6
в солнечном ветре составляет несколько частиц в кубическом сантиметре, а скорость около 500 км/с. Существование солнечного ветра было предсказано в 1951 г. немецким ученым Л. Бирманом на основании наблюдения хвостов комет. Ранее происхождение кометных хвостов объяснялось световым давлением Солнца. Теория Бирмана была подтверждена в СССР в лабораторных экспериментах с искусственным солнечным ветром, он был обнаружен измерениями в космосе в январе 1959 г. АМС "Луна-1" (Земля и Вселенная, 2009, № 4). Исследования на космических аппаратах показали, что давление солнечного ветра деформирует дипольное поле Земли. Его изменения ответственны за возникно-
Магнитограммы в максимуме (23 октября 2003 г.) и минимуме (14 ноября 2009 г.) солнечной активности. Темные пятна - южные источники магнитного поля, светлые - северные источники. Большая активная область, показанная стрелкой в Южном полушарии, вызвала гигантскую вспышку класса X17. По данным космической обсерватории "SOHO". NASA.
вения магнитных бурь на Земле.
ВЗРЫВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА СОЛНЦЕ
На фоне устойчивой работы термоядерного реактора Солнца и сохранения неизменной солнечной постоянной неожиданно возникают солнечные вспышки -процессы взрывного выделения энергии, ло-
кализованного около активных областей (Земля и Вселенная, 2002, № 6; 2005, № 2). Неожиданно за несколько минут выделяется 10321033 эрг энергии, что соответствует взрыву миллионов водородных бомб. Существование таких гигантских взрывов долгое время оставалось вне внимания ученых, так как в момент взрыва полная мощность излучения Солнца (3,8 х1026 Вт, или 3,83 х 1033 эрг/с) возрастает на доли процента.
В 1859 г. английский астроном Р. Карингтон обратил внимание на то, что десятиминутное увеличение яркости небольшого участка Солнца Ф через несколько часов
вызвало магнитную бурю на Земле, сопровождавшуюся полярными сияниями. Это явление Р. Ка-рингтон назвал солнечной вспышкой. Позже было установлено, что вспышка всегда наблюдается в том месте на диске Солнца, где расположена активная область, а кандидат физико-математических наук В.Н. Ишков заметил, что перед вспышкой возрастает магнитный поток активной области (Земля и Вселенная, 2001, № 2).
Долгое время солнечная вспышка рассматривалась как явление, возникающее на поверхности Солнца. Появился даже термин "хромосфер-ная вспышка", считалось,
что вспышка разыгрывается в хромосфере -слое несильно нагретой плазмы, примыкающем непоср
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.