Что мы исследуем на Солнце?

О Солнце много известно. Одна из нерешенных и очень важных проблем – это разгадка природы и детального механизма солнечного цикла. Примерно известно, как работает Солнце и солнечный динамо механизм, ответственный за солнечный цикл. Однако, детали до сих пор не ясны, и сегодня мы не можем с достаточно хорошей достоверностью предсказывать будущие солнечные циклы, и даже, как мы сегодня видим, ближайший солнечный цикл. Никто не предсказал, что будет такой затянувшийся минимум 23 цикла, и так поздно начнет 24-й цикл. Это результат нашего неполного понимания того, как работает Солнце. Это одна из основных задач проводимых исследований и запуска космических аппаратов. Следует отметить, что наблюдавшаяся аномалия в поведении 23 цикла не выпадет из наблюдавшихся в прошлом закономерностей (длительностей) солнечного цикла, так что ничего сверхнового, в общем-то, не произошло. Просто мы в очередной раз не угадали, как поведет себя Солнце.

У теоретиков имеются модели, в рамках которых они могут описывать, почему может меняться длительность солнечного цикла, его амплитуда и т.д., однако, нет экспериментальной проверки этих моделей. Возможно, и очень вероятно, что солнечный цикл – это, в значительной степени, случайный (стохастический) процесс, который в целом нельзя описывать теми моделями, которые применяют теоретики, хотя, многое из того, что ими предложено, дало очень заметный прогресс в нашем понимании цикла. В настоящее время идет интенсивная работа в этом направлении, и здесь решающую роль должны сыграть детальные наблюдения Солнца, его магнитных полей, на что и направлены современные наземные и космические проекты.

Некоторые теоретические соображения о том, почему могут меняться свойства разных солнечных циклов, приведены в ответе на вопрос Давида.

У НАСА имеется большая программа под названием «Жизнь со звездой», в рамках которой работают в космосе на орбитах, готовятся к запуску и разрабатываются различные космические аппараты для наблюдений Солнца и измерений в межпланетной среде (солнечном ветре) – целая флотилия космических аппаратов. Проект SDO – один из них. Задача – понять, как работает Солнце, научиться предсказывать наиболее мощные проявления его активности, разгадать природу и детальный механизм солнечного цикла, обеспечить как можно полный контроль Солнца, воздействий его активности (вспышек, выбросов и т.д.) на околоземное космическое пространство, на Землю, с целью уменьшения наносимого этими явлениями ущерба на различные сферы человеческой деятельности на Земле и в космосе.

В России реализовывалась программа КОРОНАС-Ф, в рамках которой решались аналогичные задачи, и последний (третий) спутник этой серии КОРОНАС-ФОТОН был запущен 30 января 2009 года именно для изучения нового 24-го цикла солнечной активности. Проработав на орбите чуть меньше года, и продемонстрировав работоспособность всего научного комплекса для решения поставленных задач, спутник столкнулся с техническими проблемами в работе служебных систем, которые обеспечивают работу спутника как целого, и в настоящее время специалисты полагают, что спутник, по всей видимости, безвозвратно потерян.

В рамках Федеральной программы России под эгидой Российской академии наук в стадии разработки находится проект «Интергелиозонд» с ориентировочным запуском в 2014 году, а также на предварительной стадии разработки находится проект «Полярно-эклиптический патруль», в рамках которого два космических аппарата одновременно должны наблюдать Солнце на гелиоцентрических внеэклиптических орбитах. В настоящий момент в связи с утерей спутника КОРОНАС-ФОТОН возникли и другие дополнительные предложения по солнечным спутникам, однако, они находятся в стадии рассмотрения в Российской академии наук, и решений пока не принято. Во всяком случае, в течение всей фазы роста нового цикла солнечной активности (до 2014-2016 гг.) российским ученым в изучении Солнца и ее воздействий на Землю придется пользоваться только данными с зарубежных спутников.

Расстояния в 30 000 км от Земли находятся в магнитосфере Земли, которая заполнена разряженной плазмой. Электрические поля в плазме могут возникать в областях, где происходит движение плазмы поперек магнитного поля, и, в частности, в так называемых токовых слоях, относительно тонких образованиях, которые возникают в простейшем случае, когда магнитные поля противоположной направленности сближаются. Примером такого токового слоя является токовый слой хвоста магнитосферы Земли, т.е. части магнитосферы, вытянутой солнечным ветром на ночную сторону Земли (противоположную положению Солнца). Возможно, об измерениях в этих областях магнитосферы и идет речь. Электрические поля в космосе измеряются специальными датчиками или зондами, которые, как правило, устанавливаются на штангах, как можно дальше от металлического корпуса космического аппарата. Электрическое поле не имеет полюсов, оно отличается от магнитного, которое, как мы знаем, может иметь два полюса – северный и южный. Электрическое поле в космической плазме связано с разделением зарядов – электронов и ионов, оно может вызывать направленное движение заряженных частиц или ток. Все мы знаем, что в конденсаторе на одной из обкладок имеется отрицательный заряд, а на другой положительный, а электрическое поле направлено между ними. Аналогичные конденсатору разделения зарядов могут иметь место при движении космической плазмы в магнитном поле, и тогда в ней возникает электрическое поле, которое и измеряют приборы космических аппаратов.

Не являясь очевидцем и не имея подробной информации о событии, затрудняюсь дать исчерпывающий ответ. В связи с чем могут лишь привести ниже найденное в Интернет описание московского события 27 января. От себя лишь добавлю, что наблюдения неба вечером в направлении на запад, т.е. в сторону заката Солнца, довольно часто характеризуются разными эффектами, которые связаны с подсветкой атмосферы и всего, что в ней находится (пыль и пылевые вихри, облака, след самолета или запущенной ракеты и т.д.) лучами Солнца, которого мы уже не видим за горизонтом. Поэтому, могут наблюдаться весьма загадочные явления, а на самом деле довольно просто объяснимые.

Ссылка:

Неожиданно порозовевшая накануне вечером российская столица - это, как выяснилось, дело житейское. Синоптики в случившемся ничего необычного или даже техногенно-промышленного не увидели.

В розовые тона город окрасился по абсолютно естественным причинам, рассказал "Вестям" ведущий специалист центра "Фобос" Леонид Старков.

"Пурпурное сияние хорошо известно метеорологам. Наблюдается каждый закат. Но, в зависимости от метеоусловий (температуры и влажности атмосферы), может меняться. Вчера эффект был сильно выражен за счет низкой температуры и достаточной влажности", - сообщил метеоролог. И добавил: "Кроме того, явление распространилось на все пространство за счет многократного отражения света от высокослоистой облачности, большого количества снежных кристаллов и снежного покрова".

Отметим, что предваряло пурпурный закат еще одно красочное явление - солнечный столб, при котором над почти уже скрывшимся за горизонтом светилом было видно нечто вроде луча, бившего прямо вверх. Это оптическое явление, которое можно увидеть при условии, если морозам сопутствует повышенная влажность воздуха.

Что до розового сияния, то его горожане смогут вновь увидеть уже сегодня, так как погода сохранится практически без изменений. "Пурпурный закат будет точно. Вопрос только в том, насколько этот закат распространится, охватит ли розовый цвет большое пространство", - резюмировал Старков.

Солнечный ветер представляет собой непрерывно истекающий из Солнца поток солнечной плазмы, в связи с чем, состав солнечного ветра отражает известный химический состав солнечной плазмы. Ионизационные и ядерные процессы, которые регулярно происходят в солнечной короне, процессы перемешивания и диффузии, могут приводить к локальным и кратковременным изменениям состава солнечного ветра. Электроны и протоны являются основными компонентами солнечного ветра, их концентрации примерно совпадают, и они уменьшаются при удалении от Солнца. На орбите Земли среднее значение этой концентрации около 7 см-3. Позитроны, наряду с электронами, присутствуют в составе космических лучей, т.е. пронизывают все пространство (протоны около 92%; электроны и позитроны около 1%, наблюдаемое отношение их концентраций около 0,1). Позитроны могут образовываться в ядерных реакциях во время вспышек, большая часть их аннигилирует (электрон + позитрон) в плотной солнечной атмосфере с образованием гамма кванта, что наблюдается, хотя и довольно редко, в виде аннигиляционной линии излучения вблизи энергии 0,511 МэВ, а часть позитронов может выбрасываться в межпланетное пространство, где в силу большой разреженности плазмы аннигиляция идет медленнее и какое-то время позитроны могут существовать и регистрироваться.

Электрон и позитрон это две античастицы, у которых равны массы покоя и противоположный заряд, как и должно быть для античастиц. У фотона массы покоя равна нулю и заряд равен нулю, поэтому антифотон (как античастица фотону) совпадает с самим фотоном. Фотон относится к числу абсолютно нейтральных частиц, у которых квантовые числа, отличающие частицу от античастицы, равны нулю.

Понятие магнитных силовых линий – это абстракция, которая используется для описания магнитного поля и его структуры. Когда в школьном эксперименте мы вокруг магнита насыпаем железные опилки, то они выстраиваются вдоль некоторых линий, которые дают представление о магнитном поле этого магнита, о том, куда направлено магнитное поле в данной точке и о том, какова конфигурация магнитного поля вблизи магнита.

В солнечной атмосфере, в плазме, мы видим магнитные конфигурации в виде петель, арок и т.д., т.е. мы видим светящую плазму в магнитном поле, которая очерчивает конфигурацию этого поля, и это наше представление о том, что мы как бы видим силовые линии магнитного поля, согласуется с тем теоретическим описанием (магнитная гидродинамика), которое применяется для объяснения того, как плазма ведет себя в магнитном поле. Мы знаем, например, что плазма легко перемещается вдоль поля и с трудом – поперек поля. Поэтому, видя, скажем, движение светящейся плазмы в сильном магнитном поле, можно сказать, что оно происходит вдоль магнитного поля, или по силовым линиям магнитного поля, и таким образом, мы делаем заключении о том, как направлено это поле, и какова его структура.

Структура магнитного поля непрерывна, может иметь место концентрация магнитного поля в трубки с довольно резкой границей, и тогда говорят о дискретных (локализованных в пространстве) магнитных структурах. Могут быть довольно резкие скачки поля, типа разрывов, и т.д., все это находит свое описание в рамках классической электродинамики, которую следует отличать от квантовой электродинамики, описывающей квантовые свойства полей.

Солнце является звездой класса G2 V (желтый карлик), и согласно теории эволюции звезд, взрыва Солнца, как звезды, быть не должно. В центре Солнца постепенно происходит выгорание ядерного топлива (водорода, потом гелия и более тяжелых элементов), и на временах эволюции Солнца как звезды (миллиарды лет) современное Солнце постепенно превратится в звезду под названием Красный гигант, с довольно большим радиусом. После истощения внутренних источников энергии Солнце начнет сжиматься и превратится в звезду под названием белый карлик с очень малым радиусом, на чем и закончится его эволюция.

В солнечной атмосфере регулярно происходят взрывы – это солнечные вспышки – самые мощные взрывные явления в Солнечной системе. При этом выделяется огромная по земным масштабам энергия около 10³² эрг. Число таких вспышек возрастает в период максимума солнечной активности, ближайший из которых ожидается примерно в период 2013-2015 гг. Сейчас на Солнце минимум активности, больших вспышек нет, новый солнечный цикл начинает развиваться, и появляются малые и средние вспышки. В среднем в максимуме цикла на Солнце происходит примерно одна вспышка в 1-2 часа. Всего за солнечный цикл (около 11 лет) на Солнце происходит около 37000 вспышек.

Научная аппаратура спутника КОРОНАС-ФОТОН предназначалась для изучения высокоэнергичных явлений на Солнце – вспышек, выбросов, во время которых происходит ускорение частиц и генерация излучения гамма и рентгеновского диапазонов. Число таких явлений и их мощность заметно возрастает вблизи максимума солнечного цикла, на наблюдения которого и был нацелен спутник КОРОНАС-ФОТОН. Начало нового, развивающегося 24-го цикла несколько задержалось и запуск спутника КОРОНОС-ФОТОН и начало его работы пришлись на очень затянувшийся минимум цикла, так что спутник мог наблюдать только те относительно слабые события - вспышки и выбросы, которые имели место в этот период. Солнце предоставляло отсрочку, и можно было отладить работу спутника и научной аппаратуры, перед тем как начнутся основные события. Это в значительной мере и было сделано в части научной аппаратуры, которая показала свою работоспособность и готовность к наблюдениям.

Между тем, возникшие в системах обеспечения спутника технические проблемы не позволили продолжить наблюдения. Тем не менее, на протяжении почти одного года были получены ценные данные по наблюдениям атмосферы спокойного Солнца с высоким пространственным разрешением, по изучению фоновых условий при регистрации солнечной радиации и др. Все это позволяет отметить высокий уровень отечественных разработок в научной аппаратуре и технологии ее изготовления, причем некоторые солнечные приборы, например, комплекс научной аппаратуры ТЕСИС (Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН), ничем не уступают зарубежным образцам, а по ряду характеристик их превосходят.

Это, несомненно, один из важных результатов проекта КОРОНАС-ФОТОН, а с получением большого объема тех ценных данных о Солнце, на которые рассчитывали все, кто занимается исследованиями Солнца, конечно, не повезло. Весь положительный опыт, который был приобретен при работе с научной аппаратурой в проекте КОРОНАС-ФОТОН, будет использован при разработке и изготовлении научной аппаратуры для последующих солнечных космических проектов, которые реализуются в рамках Федеральной космической программы России.

Солнце имеет магнитное поле, которое в среднем, на больших масштабах, описывают полем магнитного диполя. Ось этого диполя меняет свое направление на противоположное каждые примерно 11 лет, что соответствует 11-летнему цикл солнечной активности, который представляет собой цикл солнечных пятен. Их число меняется от минимума до минимума, и от максимума до максимума примерно за 11 лет. Пятна – это темные образования на поверхности Солнца, отождествляемые с локальными выходами концентраций магнитного поля из недр в атмосферу Солнца. Они темные, потому что магнитное поле подавляет конвекцию, которая несет тепло и делает их более холодными, чем окружающая их среда. Солнечные пятна являются маяками динамики магнитного поля Солнца в цикле. Динамика (изменения) магнитного поля Солнца объясняется динамо механизмом, т.е взаимодействием подповерхностных движений плазмы с дипольным магнитным полем. Такое взаимодействие происходит в слое толщиной примерно в одну треть солнечного радиуса под видимой поверхностью Солнца (фотосферой). Эта зона называется конвективной, так как в ней существует конвекция, т.е. циркуляционные движения плазмы в ячейках от дна зоны к ее верху и обратно. Вращение Солнца здесь является дифференциальным, т.е. оно вращается не как твердое тело – более глубокие слои вращаются быстрее, и чем ближе к экватору, тем скорость вращения также выше. В результате дипольное магнитное поле в этой зоне вытягивается дифференциальным вращением и образует тороидальное магнитное поле, которое опоясывает все Солнце. Из этого поля и образуются солнечные пятна, когда трубка магнитного поля (вместе с плазмой она становится легче окружающей среды, как пузырь) всплывает на поверхность Солнца, образуя в солнечной атмосфере видимые магнитные петли. Выходы этой трубки на поверхности Солнца (основания магнитной петли) и образуют солнечные пятна. При подъеме магнитные петли под действием силы Кориолиса (сила, действующая на движущееся тело во вращающейся системе координат) поворачиваются таким образом, что при последующем усреднении в солнечной короне, они дают вклад в общее магнитное (дипольное) поле Солнце с другим знаком. В результате знак дипольного поля в какой-то момент времени изменяется на противоположный, изменяется также и знак тороидального поля, и соответственно, образуемых из него солнечных пятен и т.д. процесс повторяется циклическим образом. Примерно за 22 года, т.е. за два солнечных цикла, магнитные полюса Солнца возвращаются в исходное состояние. Этот 22-х летний цикл называют магнитным циклом Хейла.

В планах исследования Солнца есть такой проект. В течение последних более чем тридцати лет НАСА (США) ведет разработку проекта «Солнечный зонд» (СЗ). Некоторое время назад аналогичные проекты под таким же названием разрабатывались в России и в Европейском космическом агентстве. Первоначально, в проекте СЗ предполагалось, что малый космический аппарат с научными приборами на борту полетит по траектории к Юпитеру, и, используя его гравитационное поле (Юпитер наиболее тяжелая планета) развернет орбиту полета так, что она станет перпендикулярной плоскости эклиптики, в которой вращаются все планеты вокруг Солнца. Далее по этой внеэклиптической орбите СЗ будет приближаться к Солнцу и прилетит на расстоянии 4 солнечных радиуса от его центра (расстояние от Земли до Солнца = 1 астрономическая единица = 150 млн. км = 207 радиусов Солнца).

Рассматривались варианты и падения на Солнце. Здесь следует отметить, что Земля вращается вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км/сек, такую же скорость относительно Солнца имеет и запускаемый с Земли космический аппарат, а для того чтобы попасть в ближайшие окрестности Солнца или чтобы упасть на Солнце необходимо эту скорость погасить. Современные ракеты дают вторую космическую скорость (примерно 11 км/сек или ненамного больше), поэтому, в частности, для разворота вектора скорости и выхода на орбиту вблизи Солнца предполагается использовать Юпитер. Другой вариант сближения с Солнцем - использование многократных гравитационных маневров у Венеры, однако, в силу меньшей ее массы нельзя достичь близких расстояний с Солнцем за относительно короткое время. Положение таково, что для достижения ближайших окрестностей Солнца, либо нужна мощная ракета, которой сейчас нет, либо при современных возможностях ракет в течение длительного времени сближаться с Солнцем. Перелет через Юпитер составляет около 3, 5 лет. В других вариантах время еще больше, до десяти и более лет.

Два года назад в разрабатываемом НАСА проекте «Солнечный зонд» орбита перелета к Солнцу через Юпитер была заменена на эклиптическую орбиту перелета с многократными гравитационными маневрами у Венеры. Примерно за 6,5 лет космический аппарат приблизится на расстояние 9,5 радиусов Солнца. Научная аппаратура будет защищаться от перегрева специальным тепловым экраном. Ставится задача провести измерения солнечной плазмы вблизи Солнца, рассмотреть участки солнечной поверхности с близких расстояний, получить данные для решении таких научных проблем солнечной физики и астрофизики как нагрев солнечной короны, ускорение солнечного ветра и т.д. Предварительный срок запуска СЗ обозначен в 2015 году, однако, ранее этот срок неоднократно переносился по причине того, что требовались новые технические проработки в целях надежности реализации этого по истине эвристического солнечного проекта.