Космическая погода в 24-м цикле солнечной активности Живая Земля Следим за Солнцем
реклама
Живая Земля Следим за Солнцем Космическая погода в 24-м цикле солнечной активности А.И. Хлыстов, кандидат физико-математических наук, МГУ им.М.В.Ломоносова; В.А. Хлыстова, преподаватель физики Солнце – источник жизни на Земле. Справедливость этой известной истины во многом обусловлена тем, что наше Солнце, как и большинство из примерно 200 миллиардов звёзд Галактики, относится к классу «обычных» звёзд. Главной их характеристикой является практически постоянная в течение миллиардов лет светимость блгодаря термоядерным реакциям синтеза тяжёлых элементов из водорода и гелия. А поскольку запасы ядерного «топлива» колоссальны и его расход на излучение незначителен, поток излучения от Солнца, как показали расчеёы, очень медленно возрастает со временем -- на несколько процентов за миллиард лет. Измерения приходящей от Солнца электромагнитной энергии ( с помощью высокоточных приборов, установленных на ИСЗ) показали, что её вариации за последние примерно 30 лет не превышали 0,1% , что в десятки раз меньше тех величин, которые могли бы представлять опасность для жизни на Земле (перегрев до точки кипения воды при росте потока излучения или понижение температуры до уровня постоянной зимы при недостатке тепла). Однако Солнце -- в значительной степени переменная звезда в гамма, рентгеновском, ультрафиолетовом и радиодиапазонах, у которой эффективная температура излучения иногда в десятки и сотни раз превосходит «оптическую» эффективную температуру. Эта переменность связана с активными процессами в атмосфере звезды. Когда говорят о солнечной активности, то обычно имеют в виду различные процессы, связанные с рождением, развитием и исчезновением пятен на диске Солнце. В начале XX века работами американского астронома Джорджа Хейла была установлена магнитная природа пятен и самого цикл активности. Несмотря на то, что пятна появляются довольно случайно, а распределение их групп по поверхности светила в каждый отдельный момент времени достаточно хаотичное, долгопериодические закономерности солнечной цикличности приводят к выводу о существенно регулярной картине магнитных полей. По современным представлениям, магнитные поля генерируются так называемым механизмом динамо у нижней границы конвективной зоны Солнца на глубине около 200 тыс. км от поверхности. Время от времени отдельные петли магнитного поля выносятся восходящими движениями плазмы в солнечную атмосферу, где магнитные трубки расширяются, образуя широкие арки. Там, где всплывают магнитные трубки, в фотосфере возникают солнечные пятна. Поднимаясь вверх, магнитные петли попадают в высокие слои атмосферы и даже могут выйти в межпланетное пространство. В областях хромосферы и нижней короны, благодаря всплытию крупных магнитных петель, иногда создаются сложные конфигурации магнитного поля, приводящие к возникновению солнечной вспышки – самому мощному нестационарному процессу выделения энергии в атмосфере Солнца, затрагивающему все слои его атмосферы. Энергия сильных вспышек может достигать миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте, а температура плазмы в месте, где началась вспышка, на короткое время достигает десятков и сотен миллионов градусов (температура термоядерных реакций!). Часть этой колоссальной энергии уходит на излучение в рентге1 новском диапазоне, часть -- на ускорение протонов и электронов (солнечные космические лучи), а часть переходит в кинетическую энергию мощных потоков газа, что приводит к формированию так называемых корональных выбросов. Мощные солнечные вспышки и корональные выбросы влияют на физические условия в космическом пространстве, то есть определяют космическую погоду. Как отмечалось в отчёте Национальной академии наук США за 2008 г., «вследствие широкого использования в повседневной жизни современного общества различных систем и приборов на основе высоких технологий, многократно возросла зависимость людей ХХI столетия от космической погоды. Умные энергосистемы, GPS-навигация, компьютеры, обслуживающие Министерство обороны, правительственную связь, банки и разнообразные финансовые услуги, метеорологические спутники, спутники связи и телевизионного вещания, -- всё это может быть одновременно выведено из строя одной мощной солнечной вспышкой». Следует добавить, что после мощных вспышек увеличивается число инфарктов и инсультов, возрастает количество аварий на всех видах транспорта из-за «человеческого фактора», резко подскакивает число убийств и самоубийств [1]. Мощные солнечные вспышки могут также представлять реальную опасность для работающих на космических станциях. Таким образом, людям XXI столетия для безопасного существования уже недостаточно иметь лишь хорошие прогнозы погоды на Земле, но жизненно необходимо прогнозировать и космическую погоду. Современное состояние этой проблемы хорошо выразил Томас Богдан, директор Центра Предсказания космической погоды (NOAA в Боулдере, Колорадо): «Прогноз космической погоды находится всё ещё в младенческом состоянии, но мы делаем быстрые успехи). Поскольку вспышки почти всегда связаны с магнитными полями на Солнце, а пятна являются наиболее легко наблюдаемым их проявлением, можно ожидать, что количество вспышек должно коррелировать с так называемыми числами Вольфа (W) – индикатором пятенной активности. Для проверки этого предположения мы использовали каталог всех мощных рентгеновских вспышек за период с 1976 по 2010 г. (см. табл.2 в [1]). В указанный временной интервал попали три солнечных цикла – с 21-го по 23-й. Оказалось, что только две из всех 30 вспышек каталога пришлись на ветви роста циклов, а остальные наблюдались либо вблизи максимумов циклов, либо на ветви спада. Наблюдаемый ход чисел Вольфа с января 2009 г. по октябрь 2013 г. [2] (рис.1) показал, что максимум текущего 24-го цикла (W= 67), возможно, был пройден в феврале 2012 г. Наблюдавшаяся же величина в максимуме почти точно совпала с нашим прогнозом (W= 63), опубликованным в [1]. Однако мы предсказывали наступление максимума на год позже – в октябре 2013 г. В настоящее время пока трудно сказать, началась ли уже ветвь спада цикла или нас ожидает второй максимум, как это было в предыдущем цикле. 2 Рис. 1. Числа Вольфа в 23-м и 24-м циклах. Серая линия – среднемесячные числа Вольфа, тёмная кривая – сглаженные годовые значения; указан прогноз до 2014 г. Несмотря на то, что вопрос о дате максимума остаётся открытым, допустимо ожидать, что повышенная вспышечная активность может наступить в самое ближайшее время. Пока же в текущем 24-м цикле мощные рентгеновские вспышки (класса X) были довольно редким явлением – их было три: 15 февраля 2011 г., и она же была первой подобного класса с декабря 2006 г., то есть с конца ветви спада 23-го цикла; примерно месяц спустя -- 9 марта 2011 г.; 9 августа 2011 г., то есть за 7 месяцев до максимума цикла, -- третья пока самая мощная в 24-м цикле (по состоянию на конец октября 2013 г.). Вторая по мощности вспышка произошла через месяц после максимума -- 7 марта 2012 г., после чего последовал затяжной спад вспышечной активности, продолжавшийся до середины мая 2013 г. Новый всплеск активности пришёлся на 13--15 мая 2013 г., когда одна активная область за три дня дала четыре вспышки, одна из которых стала третьей по мощности в 24-м цикле. Такая серия вспышек – типичное явление для фазы максимума цикла. Всего до середины мая 2013 г. на Солнце были зафиксированы 51 рентгеновская вспышка (с учётом средних и слабых вспышек), причём около 80% из них сопровождались выбросами коронального вещества [3]. Как уже отмечалось ранее в нашей статье [1], не все такие выбросы являются «геоэффективными», то есть вызывающими магнитные бури на Земле, поскольку лишь часть из них сталкиваются с магнитосферой Земли. В нашем случае «геоэффективными» оказалась примерно половина корональных выбросов (из 42 зафиксированных событий только 20 привели к магнитным бурям). Очередной всплеск вспышечной активности начался 22 октября 2013 г. серией средних по интенсивности вспышек (класса М) , а 25, 28 и 30 октября произошли четыре сильные вспышки (класса Х). Но пока в текущем цикле активности не было ни одной мощной вспышки (т.е. баллов Х 9 и выше -- см. табл. 2 в [1]). Однако не исключено, что такие вспышки могут случится в самое ближайшее время. До конца 2013 г. на Солнце может произойти ещё одно важное событие, теоретически могущее повлиять на космическую погоду -- переполюсовка общего магнитного поля Солнца. Согласно представлениям, разделяемым большей частью исследователей, такой процесс -- один из обязательных этапов в работе механизма динамо. Наблюдаемое разнообразие магнитных полей на Солнце, как по масштабам, так и по напряжённости, в 3 данном механизме объясняется циклически повторяющимся преобразованием слабого меридионального (полоидального) магнитного поля, похожего на магнитное поле Земли, в тысячи раз более сильное магнитное поле, направленное по параллелям (тороидальное поле). В минимуме цикла солнечной активности напряжённость полоидального поля максимальна. Затем, по мере приближения к максимуму, напряжённость поля на полюсах постепенно уменьшается и через один-два года после максимума становится равным нулю, а затем поле меняет свой знак и снова начинает расти, но при этом оно имеет уже другую полярность. Если бы такой процесс происходил на Земле, то мы бы заметили, что стрелки компасов, направленные на север в течение 11 лет, вдруг на короткое время задрожали, а затем все дружно повернулись на 180 градусов и стали показывать на юг в течение следующих 11 лет. Это и есть так называемая переполюсовка солнечного магнитного поля. Процессы переполюсовки инструментально наблюдаются с 1975 г. Последняя произошла в феврале 2001 г. -- примерно через год после максимума 23-го цикла [4], когда южный магнитный полюс Солнца занял положение вблизи северного полюса вращения светила. После новой переполюсовки, которая, как полагают, произойдёт в середине ноября 2013 г., северный магнитный полюс на Солнце расположится вблизи северного же полюса его вращения и останется там примерно до 2025 г. Рис. 2. Полярность меридионального (полоидального) магнитного поля Солнца. Слева – полярность с 2001 по 2013 г., справа – с 2013 по 2025г. (прогноз) Какие последствия для космической погоды можно ожидать от новой переполюсовки? В настоящее время, благодаря исследованиям с помощью космических аппаратов «Пионер-10», «Вояджер-1», «Вояджер-2» и особенно «Улис», мы знаем, что Солнечная система находится внутри гигантского «пузыря», образованного вытягиванием солнечным ветром крупномасштабных магнитных полей Солнца. Эта космическая структура, названная гелиосферой, простирается более, чем на 90 астрономических единиц от Солнца (1 а.е. = 149,5 млн км, среднее расстояние от Земли до Солнца) -- далеко за орбиту Плутона (рис. 3). Подобно магнитосфере Земли, защищающей её от опасных воздействий высокоэнергичных частиц солнечных и галактических космических лучей, гелиосфера тоже играет роль щита, но уже не для одной планеты, а для всей планетной системы, частично блокируя губительный поток галактических космических лучей. 4 Рис. 3. Гелиосфера. В центре – Солнечная система [5] Поскольку Солнце вращается, совершая один оборот за 27 дней, магнитные поля, уносимые солнечным ветром, имеют форму спирали Архимеда. Но их сложная геометрия не позволяет заранее в деталях оценить влияние магнитного поля на поведение гелиосферы. Ясно, однако, что если бы на Солнце имелось только полоидальное поле (как на Земле), то в моменты его переполюсовок поток галактических космических лучей значительно возрастал, что грозило бы катастрофическими последствиями не только для высокотехнологичских систем, но и для всего живого на Земле. Однако после миссии «Улисс», когда космический аппарат за 14 лет (с 1994 г. по 2008 г.) трижды облетел вокруг Солнца по полярной орбите, стало ясно, что вблизи максимумов циклов, когда и происходит переполюсовка, многочисленные активные области и корональные дыры на Солнце создают очень сложные конфигурации магнитных полей, взаимодействие которых с солнечным ветром способствуют поддержанию и сохранению защитных свойств гелиосферы. Таким образом, есть веские основания надеяться, что предстоящая переполюсовка общего магнитного поля Солнца не окажет заметного влияния на общий фон космической погоды. Литература 1. А.И.Хлыстов, В.А.Хлыстова. Что цикл грядущий нам готовит?// Дельфис. 2012. № 1 (69). 2. Центр сбора и обработки солнечных индексов (Брюссель, Бельгия) http://sidc.oma.be/ 3. Центр сбора и обработки солнечных индексов(Боулдер, США) http://www.swpc.noaa.gov/alerts/archive.html 4. А.И.Х лыстов. Следим за Солнцем (ч. 5)// Дельфис. 2001. № 1 (25). 5. Дэвид Уилкок. http://divinecosmos.e-puzzle.ru/3Chapter8.htm 5
