Наука і життя // Ілюстрації
Мал. 1. Гігантська спалах 28 жовтня 2003 року неподалік від центру сонячного диска (вид зверху).
Мал. 3. Магнітне поле двох паралельних електричних струмів однакової величини I: а - в початковий момент часу; б - після того як струми були зближені на відстань δ l кожен. Так відбувається перез'єднання в вакуумі.
Мал. 4. Магнітне перез'єднання в плазмі: а і в - відповідно початковий і кінцевий стан, то ж, що на рис. 3; б - проміжний стан з струмовим шаром CL.
Мал. 5. Дві моделі струмового шару.
Мал. 6. Три стану магнітного поля в короні, аналогічні станів, показаним на рис. 4: a - початковий стан; б - стан перед спалахом; в - кінцевий стан після перез'єднання.
Мал. 7. Вихрове протягом зі швидкістю v в фотосфері Ph деформує нейтральну лінію так, що вона набуває форму літери S. Над її S-подібним вигином з'являється топологічно особлива лінія поля - сепаратор X.
Мал. 8. Математичне моделювання спалаху 28 жовтня 2003 року, показаної на рис. 1.
<
>
СОНЦЕ І МИ
Найближча до нас зірка, Сонце, розташована на відстані восьми світових хвилин. Це дуже мало в порівнянні з чотирма світловими роками до другої найближчої зірки - Проксима Центавра. Сонце народилося близько п'яти мільярдів років тому. Усередині нього йдуть ядерні реакції, завдяки яким існує життя на Землі. Побудовані на сучасних спостереженнях моделі будови і еволюції Сонця не залишають сумнівів в тому, що воно буде сяяти ще мільярди років. Температура на поверхні Сонця, в фотосфері, близько шести тисяч градусів, а в його короні перевищує мільйон градусів. Тому Сонце служить яскравим джерелом ультрафіолетових і рентгенівських променів. Крім того, розпечена корона випускає швидкі потоки заряджених частинок - сонячний вітер.
Випромінювання Сонця - головне джерело енергії для земної атмосфери. Фотохімічні процеси, що йдуть в ній, особливо чутливі до жорсткого ультрафіолету, який надає сильне іонізуюче вплив. Однак воно поглинається у верхніх шарах атмосфери, створюючи озон, який служить захистом від ультрафіолету. Тому коли на молодій Землі кисню в атмосфері було мало, а озон був відсутній, життя існувало тільки в океані. Пізніше, приблизно 400 мільйонів років тому, озоновий шар з'явився, завдяки чому життя вийшла на сушу, і з тих пір він захищає нас від руйнівного впливу випромінювання.
Магнітне поле Землі, її магнітосфера, перешкоджає проникненню до Землі частинок сонячного вітру. Коли його пориви взаємодіють з магнітосферою, кілька швидких частинок все-таки висипається поблизу магнітних полюсів Землі, породжуючи барвисте світіння атмосфери - полярні сяйва.
На жаль, гармонію наших відносин з Сонцем порушують сонячні спалахи.
Спалахи НА СОНЦЕ
Наша стурбованість спалахами на Сонці невипадкова. Великі спалахи роблять сильний вплив на навколоземний космічний простір. Потоки частинок і випромінювання небезпечні для космонавтів. Крім того, вони можуть пошкодити електронні прилади космічних апаратів, вплинути на їх роботу (див. "Наука і життя" №№ 5 , 10 , 2001 г.).
Ультрафіолет і рентгенівські промені різко збільшують іонізацію в верхніх шарах атмосфери Землі, в іоносфері. Це може призводити до порушень радіозв'язку, збоїв в роботі радіонавігаційних приладів кораблів і літаків, радіолокаційних систем, аварій на довгих лініях електропередач. Частинки високих енергій, проникаючи в верхню атмосферу Землі, руйнують озоновий шар. Вміст озону зменшується з року в рік. Широку дискусію викликає питання про можливий зв'язок між активністю Сонця і кліматом на Землі (див. "Наука і життя" № 5, 2002 г. ; № 7, 2006 р ).
Ударні хвилі і викиди сонячної плазми після великих спалахів викликають сильні обурення магнітосфери, магнітосферні бурі. Не виключено, що зміни магнітного поля на поверхні Землі можуть впливати на живі організми, на стан біосфери Землі, хоча настільки прямий вплив сонячних спалахів здається дуже незначним в порівнянні з іншими факторами нашого повсякденного життя.
Протягом останніх десятиліть кілька космічних обсерваторій пильно вдивляються в "розгніваний" Сонце за допомогою спеціальних рентгенівських і ультрафіолетових телескопів. Зараз працюють чотири таких космічних апарати: "SOHO" (Solar and Heliospheric Observatory), "TRACE" (Transition Region and Coronal Explorer), "RHESSI" (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) і російський супутник "Coronas-F".
Як передбачити Спалахи
Необхідність прогнозувати сонячні спалахи виникла давно, але особливо гостро вона проявилася в зв'язку з пілотованими космічними польотами. Довгий час, майже незалежно і практично безрезультатно, розроблялися два підходи: синоптичний і казуальний (причинний).
Перший підхід схожий з прогнозом погоди. Він заснований на вивченні особливостей ситуацій на Сонце перед спалахами. Другий передбачає знання фізичного механізму спалаху і відповідно розпізнавання предвспишечной ситуації шляхом її моделювання.
До початку космічної ери протягом багатьох років спостереження спалахів велися переважно у видимому діапазоні випромінювання: в Нa-лінії водню (656, 285 нм, червоне світло), в "білому світі" (безперервному спектрі видимого випромінювання). Спостереження в лініях спектра, чутливих до магнітного поля, дозволили встановити зв'язок спалахів під впливом магнітних полів фотосфері. Часто спалах видно як збільшення яскравості хромосфери (шар безпосередньо над фотосферою) у вигляді двох стрічок, розташованих в областях полів з протилежного полярністю. Радіоспостереження підтверджували цю закономірність, що має принципове значення для фізики спалаху, але її розуміння залишалося на чисто емпіричному рівні.
Уже перші позаатмосферні спостереження Сонця показали, що спалахи є корональної, а не хромосферні явище. Результати сучасних спостережень свідченням ють, що джерело енергії спалаху розташований під аркадою петель в короні, які спостерігаються в ультрафіолетовому випромінюванні (рис. 1). Аркади спираються на хромосферні спалахову стрічки, що тягнуться по різні боки лінії розділу полярності фотосферного магнітного поля. Особливо добре петлі видно у спалахах, що відбуваються поблизу сонячного лімба (рис. 2). Очевидно, в майбутньому прогнозування спалахів буде базуватися на об'єднанні обох цих методів з урахуванням магнітної природи спалаху і її корональної походження.
ЕНЕРГІЯ Спалахи
Спалах - найпотужніше з усіх проявів активності Сонця. Енергія великого спалаху в сотні разів перевищує енергію, яку можна отримати при спалюванні всіх запасів нафти і вугілля на Землі. На Сонці вона виділяється за кілька хвилин. Однак ця гігантська енергія менше сотих часток відсотка від потужності випромінювання Сонця в оптичному діапазоні, званої сонячної постійної. Тому при спалаху не відбувається помітного збільшення видимої яскравості Сонця. Спалахи ми не бачимо.
Звідки і як черпає свою величезну енергію спалах? Її джерело - магнітне поле в атмосфері Сонця. Воно визначає морфологію і енергетику тієї активної області, де відбудеться спалах. Тут енергія поля багато більше, ніж енергія плазми. Під час спалаху енергія поля перетворюється в енергію частинок плазми [1]. Фізичний процес, що забезпечує таке перетворення, називається магнітним перез'єднання.
ЩО ТАКЕ перез'єднання
Розглянемо найпростіший приклад, який демонструє явище магнітного перез'єднання. Два паралельних провідника розташовані на відстані 2 L один від іншого. По кожному з провідників тече електричний струм I. Магнітне поле цих струмів складається з трьох різних магнітних потоків (рис. 3а). Два з них (показані синім і зеленим кольором) належать відповідно верхній і нижній струмів; кожен потік охоплює свій провідник. Вони розташовані всередині лінії поля А1 (сепаратріси), яка утворює "вісімку" з точкою перетину типу букви X (далі Х-точка). Третій потік розташований поза сепаратріси; він належить одночасно обом струмів. Блакитним кольором показана одна з ліній поля загального магнітного потоку двох струмів.
Якщо зблизити провідники на відстань δl, магнітні потоки перерозподіляться. Власні потоки кожного з струмів зменшаться на величину δА, а їх загальний потік, показаний зеленим і синім кольором, збільшиться на ту ж величину. Цей процес і називається магнітним перез'єднання [2]. Він здійснюється наступним чином. Дві лінії поля підходять до Х-точка зверху і знизу, зливаються в ній, утворюючи сепаратріси, і потім з'єднуються так, щоб вийшла нова лінія поля, яка охоплює обидва струму.
Так відбувається перез'єднання в вакуумі. Це реальний фізичний процес, який легко відтворити в лабораторії. Перез'єднання магнітного потоку індукує електричне поле Е, величину якого можна оцінити, розділивши δА на характерний час δt процесу перез'єднання, тобто на час руху провідників. Це поле направлено перпендикулярно площині малюнка. Його можна виміряти приладом. Електричне поле прискорює заряджену частку, якщо ми помістимо її поблизу Х-точка, точніше кажучи Х -лінії, що збігається з віссю z декартової системи координат (рис. 3б).
Плазма сонячної корони відрізняється від вакууму дуже високою електричну провідність. З'явившись, поле Е відразу ж породжує електричний струм, спрямований уздовж Х -лінії. Він набуває форми токового шару, який перешкоджає процесу перез'єднання (рис. 4б). Це призводить до накопичення надлишку магнітної енергії токового шару.
Струмові ШАРИ І Спалахи
Токовий шар являє собою магнітоплазмове структуру, як мінімум двомірну і, як правило, двухмасштабную. Перез'єднання шар в принципі не можна описати одновимірної моделлю, оскільки втеканіе плазми в шар і витікання з шару здійснюються в перпендикулярних напрямках (рис. 5а). Наявність двох масштабів означає, що зазвичай ширина шару 2 b багато більше його товщини 2 a. Це важливо, оскільки, чим ширше шар, тим більшу енергію він може накопичити. Тим часом мала товщина шару відповідає за швидкість дисипації накопиченої енергії. Ці фундаментальні властивості перез'єднання токового шару складають основу моделі сонячного спалаху.
"ВЕСЕЛКА" І "МОЛНИИ" НА СОНЦЕ
Спочатку взаємодія магнітних потоків в атмосфері Сонця розглядалося виключно як результат спливання нового магнітного поля з-під фотосфери в корону (рис. 6). Новий магнітний потік у вигляді пари сонячних плям n і s, піднімаючись зі швидкістю V, взаємодіє з раніше сплив потоком активної області у вигляді плям N і S. Лінія поля А 1 в початковий момент служить сепаратріси (рис. 6а); вона пересоедініть першої в нульовій точці X. Однак спочатку тут утворюється струмовий шар CL (рис. 6б). З ним пов'язано накопичення енергії перед спалахом. В результаті перез'єднання відбудеться спалах, а магнітне поле прийде в кінцевий стан без токового шару (рис. 6в). Така найпростіша схема накопичення і звільнення енергії в сонячної спалаху.
Тим часом взаємодія магнітних потоків в атмосфері Сонця - набагато більш загальне явище. Наприклад, вихрові течії плазми в фотосфері призводять до появи в короні особливих ліній магнітного поля - сепараторів. Сепаратор з'являється над S-подібним вигином фотосферної нейтральної лінії (рис. 7) подібно веселці над вигином ріки. Такі вигини дуже характерні для магнітограми великих спалахів.
За структурою поля сепаратор відрізняється від Х -лінії лише тим, що містить подовжню складову магнітного поля. Поздовжнє поле В |||, зрозуміло, не забороняє процес перез'єднання, так як присутня всередині і поза формується уздовж сепаратора токового шару. Воно впливає тільки на швидкість перез'єднання поперечних складових поля В┴ і, отже, на потужність процесу перетворення енергії поля в теплову і кінетичну енергії частинок. Це дозволяє краще зрозуміти і точніше пояснити особливості виділення енергії у спалаху.
Спалах - швидке магнітне перез'єднання, яке подібно до гігантської блискавки, пролітає вздовж веселки сепаратора. Воно пов'язане з сильним електричним полем Е (більше 10-30 В / см) в високотемпературному (понад 108 К) турбулентному струмовому шарі (ВТТТС, рис. 5б), що несе величезний електричний струм (близько 1011 А). Такі реальні умови в джерелі енергії сонячного спалаху.
МЕХАНІЗМ ПРИСКОРЕННЯ ЧАСТИНОК
Прискорення частинок до високих енергій завжди вважалося найбільш важкою частиною проблеми сонячних спалахів. В рамках теорії ВТТТС загальне аналітичне рішення релятивистского рівняння руху частинки в перез'єднання струмовому шарі демонструє можливість стійкого руху, при якому частка залишається в шарі досить довго. Там вона поступово набирає енергію і залишає його тільки в результаті обмеженості його розмірів - довжини і ширини. З рівнянь знайдені умови стійкості, відповідні досить сильному електричному полю Е при наявності в струмовому шарі поперечної і поздовжньої складових магнітного поля В┴ і В |||, характерних для перез'єднання на сепараторі.
Фізичний сенс цих умов простий. Швидкість частинок в площині шару в напрямку, перпендикулярному до електричного поля, відмінна від нуля, але значно менше швидкості в поздовжньому напрямку. Крім того, в поперечному напрямку частка робить коливальні рухи. Однак головний ефект - прискорення частинок до швидкості близько світловий - спостерігається уздовж електричного поля.
Для випадку магнітного перез'єднання в ВТТТС сонячного спалаху порівняння аналітичних рішень з результатами чисельного інтегрування вихідних рівнянь руху, усереднених за згаданими вище коливань, підтверджує висновки, отримані аналітичним методом. Головний з них полягає в тому, що розраховується режим прискорення вельми ефективний - він дозволяє пояснити прискорення частинок у спалаху до високих енергій.
МІСЦЕ ПРИСКОРЕННЯ ЧАСТИНОК
При прискоренні електричним полем частинки з зарядами різних знаків рухаються в протилежних напрямках. Як наслідок, позитивні і негативні частинки залишають струмовий шар уздовж різних ліній магнітного поля. Цей висновок узгоджується зі спостереженнями супутника "RHESSI", які показали, що джерела жорсткого рентгенівського випромінювання, що викликається прискореними електронами, і джерела гамма-випромінювання, пов'язаного з прискореними іонами, у спалаху 28 жовтня 2003 року просторово розділені (див. Рис. 1).
Стосовно до цієї гігантської спалаху був досліджений питання про місце прискорення електронів та іонів. Була побудована топологічна модель магнітного поля в активній області (рис. 8), де стався спалах. Суть моделювання в тому, що великомасштабне магнітне поле активної області замінюється модельним, джерела якого під фотосферою підбираються так, щоб розраховується магнітограми фотосферного поля найкращим чином відповідала спостереженнями. Модель повинна відтворювати головні особливості фотосферного поля: не менше чотирьох найбільш істотних його джерел (сонячних плям і / або фонових полів), форму кордону областей різної магнітної полярності.
Коли це вдається зробити, модель відтворює топологічні особливості великомасштабного поля в короні, а саме сепаратрісние поверхні і лінії їх перетину - сепаратори. Порівняння рис. 8 і 1 дозволяє зробити висновок, що у спалаху 28 жовтня 2003 року електрони і іони прискорилися одночасно в струмовому шарі поблизу вершини "головного" сепаратора. Цей сепаратор розташований в області найбільш сильних джерел магнітного поля і являє собою лінію поля в короні, що сполучає нульові точки x 1 і x 2 під фотосферою. Прискорені електрони і іони вторгаються в хромосферу в істотно різних місцях (рис. 8). Спостережуване запізнювання гамма-випромінювання щодо жорсткого рентгенівського випромінювання можна пояснити тим, що формування гальмівного випромінювання електронів і лінії 2,2 МеВ, що виникає в процесі синтезу дейтерію, відбувається по-різному. Представлена тут модель відображає загальні фізичні властивості широкого класу великих сонячних спалахів, мабуть, найбільших.
Словничок
Корона - зовнішня частина сонячної атмосфери, яка простягається від сонячного диска на відстань в десятки радіусів Сонця і безпосередньо переходить в міжпланетну середу. Температура корони близько 106 К, але яскравість мала: повний світловий потік від неї за межами 1,3 сонячного радіуса становить не більше 1,3 · 10-6 повного потоку від Сонця і різко спадає з відстанню.
Фотосфера - нижня частина атмосфери Сонця і зірок, звідки виходить практично все випромінювання. Товщина фотосфери Сонця не перевищує 10-3 його радіуса (близько 500 км), температура близько 5000 К.
Хромосфера - шар сонячної атмосфери, що лежить над фотосферою. В порівняно тонкому шарі хромосфери (приблизно 2500 км) відбувається зростання температури від фотосферної (5000 К) до більш високої, аж до 106 К в короні.
Плазма - повністю або частково іонізованних речовина, в якому позитивні і негативні заряди частинок в середньому нейтралізують один одного. В космічних умовах ступінь іонізації плазми (відношення концентрації іонізованих атомів до їх повної концентрації) змінюється від 10-3 в атмосферах холодних зірок до практично повної іонізації в сонячній короні, надрах зірок і гарячих туманностей.
Сепаратріси - лінія поля (поверхня рівного магнітного потенціалу в площині креслення), що охоплює відокремлений провідник або пару провідників при їх зближенні.
Звідки і як черпає свою величезну енергію спалах?
