Что мы исследуем на Солнце?

Все процессы в системе «Солнце-Земля» сбалансированы, и эта система находится в устойчивом равновесии, которое подвергается возмущениям и модуляции такими явлениями солнечной активности как сам солнечный цикл, солнечные вспышки, выбросы массы из Солнца и т.д. В этой системе озоновый слой Земли играет исключительно важную роль, так его формирование происходит под действием солнечного излучения и он защищает все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетового излучения. Ученые очень пристально следят за состояние озонового слоя, и любые изменения в сторону его уменьшения вызывают повышенную реакцию в научных и общественных кругах. Наблюдения последних лет свидетельствуют как об уменьшении озонного слоя, так и о его восстановлении. В истории наблюдений и исследований Солнца, в том числе в далеком прошлом, не найдено таких мощных явлений солнечной активности, которые могли бы привести к уничтожению озонового слоя. Соответственно, оценки мощности таких явлений не проводились, хотя, конечно, он могут быть сделаны.
Мы знаем предельное энерговыделение для наиболее мощных проявлений солнечной активности – солнечных вспышек и выбросов массы, которое составляет 1032 -1033 эрг, и более мощные события крайне маловероятны. Солнечные вспышки воздействуют на озоновый слой своим жестким излучением и ускоренными частицами, однако, мы знаем что, это воздействие происходит регулярно на протяжении очень многих лет, и оно сбалансировано, озоновый слой не разрушается. Опасным могло бы быть гипотетическое событие (вспышка, выброс) с энерговыделением, более чем в несколько сот раз превышающим приведенные цифры. Говорить о солнечном событии, которое смогло бы погубить Землю сегодня нет оснований. Здесь, конечно, не следует забывать, что воздействие солнечной активности – вспышек и выбросов, на различные сферы человеческой деятельности на Земле и в космосе, и на среду обитания человека могут быть весьма ощутимыми. Все эти вопросы сегодня изучаются в рамках программ по космической погоде.

Солнечное излучение является главным фактором, образующим ионосферу Земли. Уровень солнечной активности модулирует состояние ионосферы, и так называемые критические частоты, которые влияют на распространение радиоволн, особенно на дальние расстояния. В минимуме солнечной активности ионизация ионосферы пониженная и критические частоты ионосферы также низкие, особенно на ночной стороне трассы распространения, поэтому радиоволны плохо отражаются от ионосферных слоев и прохождение радиоволн на большие расстояния ухудшается. В максимуме солнечной активности наоборот. Во время магнитных бурь, которые наиболее часто происходят в периоды максимума солнечной активности, имеет место высыпание энергичных частиц из магнитосферы в ионосферу, что приводит к сильному затуханию радиоволн вследствие их поглощения нижними слоями ионосферы. По этой причине дальняя радиосвязь практически прекращается. Особенно эти эффекты сильны в полярных и приполярных областях Земли.

В течение последних трех лет Солнце находится в глубоком минимуме своей активности, на нем практически не было солнечных пятен - признаков активности. Соответственно, и выбросов массы, которые, как правило, происходят в активных областях, очень мало, а больших выбросов давно не было (примерно с декабря 2007 года или даже раньше). Геомагнитная активность (возмущенное состояние магнитного поля Земли), которая зависит от частоты появления корональных выбросов, также на самом низком уровне за последние годы, и здесь даже установлены определенные рекорды по числу дней, когда геомагнитная активности была практически на нулевом уровне. С декабря 2008 года на Солнце медленно развивается очередной 24-й цикл солнечной активности, максимум которого может наступить примерно через 4-5 лет. Рост цикла будет сопровождаться ростом числа солнечных пятен, появлением все более сильных активных областей, и возрастанием числа корональных выбросов. По наблюдениям предыдущих циклов в максимуме цикла в среднем происходило около 5-10 выбросов в день.

Все мы знаем закон Фарадея, или закон электромагнитной индукции. Если проводящая рамка (скажем, прямоугольная рамка из проволоки) помещается в магнитное поле, так что поле ее пронизывает, и одна сторона рамки может перемещаться по двум другим ее сторонам, то при изменении площади рамки меняется пронизывающий ее магнитный поток, который равен произведению площади рамки на величину магнитного поля. При этом (т.е. при изменении магнитного потока через рамку), согласно указанному закону, в рамке (в проволоке из которой она состоит) возникает вихревое электрическое поле, приводящее, в свою очередь, к току, который течет по замкнутому контуру, образованному сторонами рамки.

Вспышка на Солнце может привести к магнитной буре на Земле или просто к повышенной геомагнитной активности, когда магнитное поле, пронизывающее всю поверхность Земного шара, начинает изменяться. Представьте, что на поверхности Земли лежит такая рамка (теперь ее площадь не меняется), тогда изменение пронизывающего ее магнитного поля также приведет к изменению магнитного потока сквозь рамку, и в ней также возникнет ток. Такими «рамками» на поверхности Земли могут быть трубопроводы, линии электропередач, линии связи, железнодорожные электролинии и т.д. Токи, которые возникают в них во время геомагнитных возмущений, называются геомагнитно-индуцированными. На Аляскинском трубопроводе (США) во время магнитных бурь величина таких токов может достигать 1000 А. Грозы – это проявление атмосферного электричества. Облака несут в себе заряд, который создает вокруг себя электрическое поле. Если это поле превышает некоторое критическое значение, то возникает пробой, т.е. слабопроводящая (или почти нейтральная) среда ионизуется, в ней возникают заряды, которые под действием электрического поля облака двигаются так, чтобы нейтрализовать заряд облака. Все это происходит за доли секунды. Движение зарядов есть ток, который нагревает среду (плазму) вдоль своего пути, видимого как молния. Пробой может инициироваться космическим лучами, которые способны создать затравочную ионизацию и проводимость среды. Меняющиеся потоки солнечного ветра возмущают магнитосферу Земли, вызывают изменения в ионосфере, способные повлиять на состояние атмосферного электричества, на так называемый глобальный атмосферный электрический контур, в том числе и на грозовую активность. Такое влияние связывают с изменением интенсивности солнечных и галактических космических лучей, с изменением потоков энергичных частиц, поступающих из магнитосферы в ионосферу, с изменениями параметров полярной ионосферы. Во время солнечных вспышек ускоренные в них частицы (солнечные космические лучи), потоки ультрафиолетового и рентгеновского излучения изменяют состояние ионизации атмосферы, и таким образом также влияют на грозовую активность.

Таким образом, многие факторы солнечной активности влияют на грозовую активность, и исследования связи гроз с солнечными вспышками и другими параметрами солнечной активности до конца не закончены, и требуют более детального анализа. В результате многолетних наблюдений установлено, что грозовая активность изменяется в противофазе с уровнем солнечной активности, т.е. с фазой 11-летнего солнечного цикла. Это связывается с модуляцией потока космических лучей магнитным полем Солнца и солнечным ветром: в минимуме солнечной активности поток космических лучей, поступающий в атмосферу Земли, максимален и грозовая активность повышена, а в максимуме солнечной активности наоборот.

1.Солнце является плазменный шаром, который поддерживается в равновесии балансом сил давления газа и гравитации. Это равновесие устойчиво, поэтому, когда по каким-либо причинам (одной из таких причин могут быть движения плазмы в конвективной зоне Солнца) возникает малое отклонение от этого равновесия, то возникают силы, которые возвращают плазменный шар, подобный жидкой капле, в исходное равновесное состояние. При этом возникают колебания давления и плотности плазмы в окрестности этого равновесного состояния.

Когда рассматриваются большие масштабы, сравнимые с размером Солнца, или чуть меньше, то говорят о глобальных колебаниях Солнца, т.е. колебаниях Солнца как целого. Колебания плотности плазмы во всем объеме Солнца в итоге проявляются на его поверхности, что сопровождается колебаниями светимости отдельных участков Солнца с размерами – от сферы-полусферы до малых долей сферы, а также проявляются в поле скоростей движения плазмы на поверхности Солнца в тех же масштабах. Это дает возможность наблюдения глобальных колебаний Солнца, с помощью которого (а также вооружившись теорией, объясняющей колебания) заглянуть в недра Солнца (гелиосейсмология).

Из теории (гидродинамика гравитирующего плазменного шара) известны два типа таких колебаний, это так называемые р-моды, которые прижаты с внутренней стороны к поверхности Солнца, и имеют период вблизи 5 минут, и g–моды, которые прижаты к центру Солнца, и имеют периоды от 30 минут и выше. К последним и относятся колебания с периодом 160 мин., которые одно время, как сообщали некоторые наблюдатели, регистрировались, а впоследствии исчезли. В настоящее время идет поиск этих g-мод, в том числе с помощью наблюдений на космических аппаратах, но пока нет надежных экспериментальных подтверждений их обнаружения. Колебания с периодами около 160 мин найдены также в атмосфере Земли, и так как солнечное излучение проходит через земную атмосферу, и только потом регистрируются наземными приборами, то высказывались соображения, что имевшая, якобы, место регистрация 160-ти минутным колебаний Солнца была связана с модуляцией солнечного излучения колебаниями в земной атмосфере, а не с наблюдениями собственно солнечных колебаний. Такое положение дел, конечно, не исключает существование 160 мин колебаний на Солнце, но, пока, как уже было сказано, нет надежных данных, доказывающих их регистрацию.

2. Как Вы объясняете выход из Солнца "капли", размером с Солнце, заснятый в 1973 году экипажем Скайлэб?

Из Солнца, особенно в периоды повышенной активности, непрерывно выбрасываются массы вещества (плазма). Это так называемые корональные выбросы массы. Они видны в солнечной короне прибором, который называется коронографом – это телескоп, в фокусе которого черный диск закрывает изображение Солнца, так что остается только изображение солнечной короны (внешней атмосферы Солнца), яркость которой в миллион раз меньше яркости Солнца, и она становится видимой именно при закрытии яркого Солнца. Самый лучший коронограф реализуется во время солнечного затмения, когда затмевающим диском является Луна, по счастливой случайности имеющая на небе примерно такой же угловой размер, как и Солнце, и поэтому возможно такое уникальное явление как солнечное затмение, во время которого мы можем видеть солнечную корону. Оптическое свечение солнечной короны, которое мы наблюдаем коронографом, не есть излучение самой короны, а есть рассеянный плазмой (электронами) солнечной короны свет, идущий от фотосферы Солнца, т.е. от самого Солнца, как мы его видим в телескоп.

Рассеяние этого фотосферного излучения на электронах корональной плазмы происходит во все стороны, в том числе и в направлении Земли, поэтому мы и видим этот рассеянный свет, называемый солнечной короной. Рассеяние слабое, т.е. свет отклоняется в разные стороны мало, поэтому его интенсивность в миллион раз меньше, чем от самого Солнца. Когда имеет место корональный выброс массы, т.е. из Солнца в солнечную корону выбрасывается дополнительная масса вещества, то интенсивность рассеянного фотосферного излучения на этой дополнительной массе возрастает, и это повышенное рассеянное излучение как бы очерчивает конфигурацию выброса, и мы его видим. Выбросы могут иметь самую разнообразную форму, в том числе и форму капли, петли, шара и т.д. Возможно, это и наблюдал экипаж Скайлэб.

В России для исследований в области солнечно-земной физики под эгидой Российской академии наук и Федерального космического агентства реализовывалась программа КОРОНАС (Комплексные Околоземные Орбитальные Наблюдения Солнца), в рамках которой три спутника (КОРОНАС-И, 1996-2001, ”http://coronas.izmiran.ru/I/” ; КОРОНАС-Ф, 2001-2005 ”http://coronas.izmiran.ru/F/” , и КОРОНАС-ФОТОН, 2009,”http://iaf.mephi.ru/project.htm») должны были изучать разные фазы солнечного цикла. КОРОНАС-И – фазу подъема 23-го цикла, КОРОНАС-Ф – фазу максимума и фазу спада 23 цикла и КОРОНАС-ФОТОН – фазу подъема 24 цикла.

Спутник КОРОНАС-И проработал несколько месяцев и произошел отказ в системе ориентации спутника.

Спутник КОРОНАС-Ф работал на редкость удачно и в ответе на один из вопросов приведены полученные результаты.

Остаются надежды, что спутник КОРОНАС-ФОТОН после почти годового рабочего периода в апреле месяце может восстановить работоспособность. Такова ситуация с заканчивающейся программой КОРОНАС. Космические исследования остаются одной из сфер деятельности с высокой степенью риска. Во всех космических агентствах сдвиг сроков запуска происходит довольно часто по причине того, что лучше доработать и запустить позже, чем потерять дорогой спутник. И потери спутников тоже происходят не только у нас. На всех спутниках КОРОНАС научная аппаратура работала успешно, в доработке нуждаются служебные системы спутников и это одна из проблем, которую сегодня приходится преодолевать отечественной космической промышленности.

Разработка космических проектов для исследований Солнца продолжается непрерывно, в ней участвуют все те организации и специалисты, которые реализовывали программу КОРОНАС, создан большой задел, есть неудачи, но есть и успехи. Работа будет продолжаться. Как говорят, через тернии – к звездам.

Подобную информацию о работе по проекту КОРОНАС-Ф, удостоенной премии Правительства в области науки и техники можно найти на web-страничке "http://coronas.izmiran.ru/F/prize/" (см. пресс-релиз, буклет).

Кратко можно сказать, что в проекте КОРОНАС-Ф был создан уникальный научный комплекс из 15 приборов, каждый из которых успешно выполнил обширную программу наблюдений, дал большой объем научных данных и результатов. Среди них изучение глобальных колебаний Солнца, детальное изучение морфологии солнечной активности на фазе спада 23-го цикла солнечной активности, включая серии экстремальных событий на Солнце (2003, 2005 гг.) – мощных вспышек выбросов и их проявлений в околоземном космическом пространстве (ОКП).

Уникальность проекта и полученных данных состояла в том, что КОРОНАС-Ф был пока единственным в мире спутником, который одновременно наблюдал Солнце и регистрировал проявления его активности в околоземном космическом пространстве. Были изучены ускорительные процессы в солнечных вспышках, генерация высокоэнергичного излучения и частиц, выполнена спектроскопическая диагностика вспышечных и других процессов. Обнаружены и описаны новые явления в солнечной короне в виде крупномасштабных плазменных образований с температурами в 10-20 раз превышающими температуру солнечной короны. Была изучена деформация магнитосферы Земли и границ проникновения радиации внутрь магнитосферы во время мощных событий на Солнце, изучена картина свечения ночного неба за счет высыпающихся из магнитосферы в ионосферу частиц, поглощающие свойства атмосферы Земли и т.д.

Полученные в результате выполнения проекта данные и знания внедрены в практику работы Центра прогнозов геофизической обстановки ИЗМИРАН ("http://forecast.izmiran.ru/"), который обеспечивает необходимой информацией предприятия, осуществляющие космическую, медицинскую и иную деятельность.

Проект реализовывался широкой кооперацией научных организаций при головной роли ИЗМИРАН ("http://www.izmiran.ru/").

Все, что связано с человеком, в том числе с влиянием на него магнитных бурь относится к медицинской тематике. Мы работаем с медиками в этом вопросе, обеспечивая их необходимыми данными о магнитных бурях, они проводят исследования в клиниках. Медицинская статистика говорит о том, что в периоды повышенной геомагнитной активности возрастает число обращений больных сердечнососудистыми заболеваниями по поводу ухудшения состоянии здоровья. Общее положение, которое здесь высказывается, состоит в том, что человек живет на Земле, и он адаптирован к любым природным изменения среды обитания, в том числе к тем, которые связаны с магнитными бурями. Иначе бы человечество погибло. За один солнечный цикл, примерно за 11 лет, на Земле происходит в среднем около 600 магнитных бурь, из которых около 200 сильных. Каждый может посчитать, сколько магнитных бурь он уже пережил за свою жизнь. Так, что не следует их бояться, но…Больной организм, с ослабленной адаптацией уже реагирует на изменения среды обитания (давление и т.д.), в том числе и на те изменения, которые связаны с магнитными бурями. Например, изменение атмосферного давления из-за магнитных бурь – факт установленный, и это пример косвенного влияния магнитной бури на состояние больного человека.

Прямое же влияние меняющегося во время магнитной бури геомагнитного поля на человека более сложно, и оно до сих пор является предметом пристального исследования со стороны медиков и биофизиков. Величина изменения геомагнитного поля во время магнитной бури ничтожна, она составляет одну трехсотую – одну тысячную от величины самого поля. Поэтому здесь могут работать и рассматриваются резонансные механизмы влияния на человека. В изменениях природной среды (магнитосферы и ионосферы) есть частоты колебаний, которые совпадают (резонируют как струны в музыкальном инструменте) с характерными частотами работы мозга и сердца. В периоды магнитных бурь эти колебания усиливаются, и это может отражаться на состоянии больных сердечнососудистыми заболеваниями.

Мои рекомендации по поводу того, как оградиться от воздействия магнитных бурь состоят в том, что если вы больны, или считаете, что вы чувствуете на себе негативное влияние магнитных бурь, то нужно обратиться к врачам и получить рекомендации по профилактике и лечению. А общая рекомендация – оставаться здоровыми, здоровые люди практически не испытывают на себе влияние магнитных бурь.

Помимо 11-летнего солнечного и 22-летнего магнитного циклов с достаточной степенью достоверности выделяются долговременные циклы солнечной активности – 80-90- летний цикл (иногда называют 100-летним), который модулирует амплитуду 11-летних циклов; 180-230-летний (или примерно 210-летний, двухвековой), а также 2300-2400-летний цикл.

Описание природы солнечного цикла, основанной на теории динамо, приведено в ответе на вопрос Ольги Иноземцевой. В рамках этой теории были сделаны попытки объяснить и минимум Маундера. Это период с 1645 по 1740 г., когда на Солнце практически не было солнечных пятен, т.е. солнечный цикл был выключен. Объяснение основано на влиянии магнитного поля на движения плазмы, которые в свою очередь приводят к генерации магнитного поля (в данном случае речь идет о типе движений среды, которые характеризуются термином спиральность). В этом случае говорят об обратном влиянии, или о нелинейном эффекте, в том смысле, что движения плазмы усиливают магнитное поле, но когда поле становится достаточно сильным, то оно начинает влиять на движения самой плазмы, которые его усиливают. В результате такого влияния характер движений плазмы изменяется таким образом, что усиление поля прекращается, оно ослабевает, и солнечный цикл как бы выключается или становится малозаметным. Такое нелинейное солнечное динамо описано на языке нелинейных уравнений, и для солнечных параметров оно дает колебательное решение для магнитного поля (солнечные циклы), но с редкими заходами этого решения на определенное время в область вблизи нулевых значений магнитного поля (Маундеровский минимум), а затем решение опять возвращается к колебательному, т.е. солнечные циклы восстанавливаются.

Солнечная активность, модулируемая солнечными циклами, влияет на содержание в атмосфере Земли радиоактивного изотопа углерода ¹⁴С. Период полураспада этого изотопа составляет 5730 лет, поэтому его присутствие на Земле объясняется постоянным его образованием под действием галактических космических лучей (ГКЛ) из азота ¹⁴N. Образовавшийся атом ¹⁴C практически мгновенно окисляется в ¹⁴CO, а затем в течение нескольких недель радикалом ОН- в ¹⁴CO₂. В таком виде радиоуглерод обращается на Земле, переходя в результате известных процессов из атмосферы в биосферу, в океан, опять в атмосферу, в осадочные породы и т.д. Поэтому содержание радиоуглерода в атмосфере зависит от многих причин и может изменяться. Одна из причин изменения – солнечная активность, которая модулирует довольно стабильный поток ГКЛ. Интенсивность ГКЛ, попадающих в атмосферу Земли, зависит от уровня солнечной активности. Магнитное поле Солнца и солнечный ветер вытесняют ГКЛ из гелиосферы. Чем выше уровень солнечной активности, тем сильнее магнитное поле Солнца и тем выше скорость солнечного ветра, тем меньше интенсивность ГКЛ, и тем меньше радиоуглерода образуется в атмосфере Земли, и наоборот. Изменения скорости образования радиоуглерода за счет изменения уровня солнечной активности в солнечном цикле составляют около +/-25% от среднего. В периоды аномальных минимумов солнечной активности типа Маундеровского скорость образования радиоуглерода может вырасти на 40-50%.

Корреляция между солнечными циклами и климатом описана в ответе на вопросы Александра и Ольги Иноземцевой.

Солнечный цикл связан с магнитным полем Солнца, и проявляется в том, что число солнечных пятен (это следы на фотосфере выхода магнитных полей в виде трубок из глубин в атмосферу Солнца) меняется от минимума до минимума и от максимума до максимума примерно за 11 лет. От цикла к циклу период и амплитуда изменяются. Диапазон изменений периода составляет примерно от 7 до 14 лет. Природа солнечного цикла объясняется характером движения плазмы в недрах Солнца, точнее в конвективной зоне, которая заключена между двумя сферами – между видимой поверхностью и на глубине примерно 0.7 радиуса Солнца. В этой зоне имеет место дифференциальное вращение Солнца, т.е. плазма вращается там не как твердое тело – угловая скорость зависит как от глубины, так и от широты. Это приводит к тому, что в конвективной зоне образуется тороидальное магнитное поле, которое опоясывает Солнце вокруг оси вращения, оно усиливается и начинает подниматься (всплывать) на поверхность Солнца, образуя солнечные пятна.

Сильные магнитные поля пятен являются основной причиной солнечной активности, с ними связаны солнечные вспышки, выбросы массы и т.д., многое из того, что мы называем солнечной активностью. Постепенно пятна распадаются, связанное с ними магнитное поле рассредоточивается, усредняется, переносится к полюсам меридиональными течениями, образуя полоидальное (дипольное) поле Солнца, из которого дифференциальным вращением образуется новое тороидальное поле, как описано выше, причем в результате такого усреднения образующееся полоидальное поле имеет знак противоположный старому полоидальному полю, из которого происходило образование тороидального поля. В результате, постепенно новое полоидальное поле, имея другой знак, «съедает» старое полоидальное поле, обращая сначала это поле в ноль, а потом меняя его знак. При этом меняется ориентация магнитного диполя Солнца на противоположный. Такая смена знака поля происходит примерно в течение 11 лет, это и есть солнечный цикл. Возвращение к исходной ориентации поля происходит еще за один 11- летний цикл, т.е. примерно за 22 года. Приведенная схема солнечного цикла описывается теорией солнечного динамо – взаимодействием движений плазмы с магнитным полем.

Ответ на вторую часть вопроса содержится в ответе на вопрос, который был задан Александром.