Плямисті бурі

Людство знає про сонячні плями з незапам’ятних часів. При везінні їх можна помітити навіть без жодної оптики. Для цього краще спостерігати за Сонцем при сильній запиленості повітря, що розсіює сонячне світло

Сонячна поверхня живе дуже складним життям. «В середньому» вона світить як рівномірно нагріте абсолютно чорне тіло. Водночас там постійно народжуються і зникають аномальні зони, що викликають коливання сонячного блиску. Найвідоміші з них — це, звичайно, області відносно холодної і тому менш яскравої плазми, сонячні плями.

Судячи з усього, піщана буря, яка саме прийшла з Центральної Азії, дозволила китайським астрологам помітити сонячні плями ще 165 року до н. е. і вперше в історії зафіксувати цей факт у письмових документах (за іншими даними, китайські та корейські зірочки знали про плями куди раніше, близько 800 року до н. е.). У 28 році до н. е. китайські хроністи почали регулярно вносити в свої аннали результати підрахунку сонячних плям, які тривали без малого 17 століть.

У грудні 1610 року плями розгледів у зорову трубу англієць Томас Херріот, який розділяє з Галілео Галілеєм славу винахідника телескопа. Пізніше подібні спостереження виконали сам Галілей і троє німецьких астрономів, батько і син Фабріціуси і Крістоф Шейнер. Галілей підсумував свої результати у творі «Листи про сонячні плями», де, до речі, вперше сформулював принцип інерції.

Надалі спостереження плям зробилося досить рутинним заняттям і астрономів-професіоналів, і любителів. Таким був і німецький аптекар Самуель Генріх Швабе, який у 1826 році почав вести постійний рахунок плямам. Він зауважив, що чотири роки потому їх кількість досягла максимуму, а потім стало вбивати. Швабе продовжував свій регістр ще 13 років і дійшов висновку, що число плям змінюється з десятирічним періодом. Від нього естафету перейняв швейцарець Йоганн Рудольф Вольф, який до того ж зібрав і проаналізував всі відомі відомості про плями, починаючи зі спостережень Херріота. У результаті він дійшов висновку, що типова тривалість циклу становить приблизно 11 років, і відтоді ця оцінка не змінилася. Втім, наразі відомо, що це лише середній показник. Аналіз спостережень, виконаних від початку XVIII століття, показує, що реальна протяжність варіює з 9 до 14 років.

Цикли реєструються за номерами, які їм приписують вже третє століття. Найпершим вважається цикл 1755-1766 років, оскільки саме з нього Вольф почав свою реконструкцію періодів сонячної активності. У січні 2008 року на Сонці було помічено пляму, що знаменує початок чергового, 24-го циклу. Прогнозисти пророкують, що він буде досить масштабним. Очікується, що в його максимумі, який припаде на 2011 або 2012 рік, буде спостерігатися до декількох десятків плям. Для оцінки сонячної активності і кількості плям застосовується число Вольфа, рівне сумі числа плям і помноженої на 10 числа груп плям, помноженої на нормувальний коефіцієнт, залежний від спостерігача і телескопа.

Майже без плям

Хоча усереднений період сонячних циклів стабільний, їх амплітуда змінюється. Це довів молодший сучасник Вольфа англієць Уолтер Маундер. Зокрема, він зауважив, що в 1645-1715 роках кількість плям різко знизилася проти середніх цифр. У максимумі циклу воно часом доходить до декількох десятків, але в ті роки вимірювалося одиницями. Цей провал називають мінімумом Маундера. Його причини поки невідомі. Цікаво, що мінімум Маундера в точності припав на середину різкого похолодання в Європі і Північній Америці, відомого як Малий льодовиковий період. Чи був тут зв’язок, теж не ясно.

Любителем астрономії був і багатий англійський пивовар Річард Каррінгтон, який в середині XIX століття зацікавився рухом плям. Він встановив, що після проходження чергового мінімуму нові плями спочатку з’являються по обидва боки від екватора приблизно на широті 30 градусів, а потім починають виникати і в більш низьких широтах аж до десятиградусної позначки. Маундер проілюстрував цю закономірність за допомогою серії розташованих уздовж часової осі діаграм, що нагадують розпахнуті крила метелика.

Плями і магнетизм

На середину XIX століття припала і перша демонстрація зв’язку між сонячною активністю і магнетизмом. Німецький астроном Йоганн фон Ламонт і англієць сер Едвард Себін помітили, що зміни числа плям добре корелюють з коливаннями величини земного магнітного поля. Більш ніж через півстоліття, в 1908 році, американський астроном Джордж Еллері Хейл відкрив розщеплення спектральних ліній випромінювання атомів водню, що приходить з області плям. Він був знайомий з дослідженнями голландця Пітера Зеємана, який дванадцятьма роками раніше довів, що таке розщеплення має місце в сильних магнітних полях і що світло дублетних ліній поляризований у протилежних напрямках. Хейл почав шукати і знайшов цю поляризацію, після чого вирахував, що поля всередині плям досягають 3000 гауссів (земне магнітне поле не дотягує і до половини гауссу). Він встановив, що новоспечені плями в кожній півкулі, як правило, народжуються парами, причому їх локальні магнітні поля мають протилежну полярність. Він також показав, що ці полярності на кожному новому циклі змінюють знак. Таким чином, якщо враховувати не тільки число плям, але і їх магнітні характеристики, тривалість сонячного циклу подвоюється і він становить 22 роки, а не 11.

Океан плазми

Сонячна система — це гігантський океан плазми, яка поширюється в пронизаному магнітними полями просторі. Саме взаємодія сонячного вітру (плазми з «вмороженим» в неї магнітним полем), сонячних космічних променів і магнітних хмар з магнітним полем Землі і викликає «сонячні бурі».

Але сонячна активність має і позитивну сторону. Сонячний вітер і магнітне поле Сонця захищають Сонячну систему від «вторгнення» галактичних космічних променів (ГКЛ). У періоди підвищеної сонячної активності інтенсивність потоків ГКЛ всередині геліосфери знижується. Тому пілотовані польоти до інших планет поза захисними поясами земної магнітосфери зазвичай планують на періоди максимальної активності Сонця.

Після досліджень Хейла вже не доводилося сумніватися, що плями і їхні цикли безпосередньо пов’язані з сонячним магнетизмом. У ХХ столітті для їх пояснення були придумані моделі, засновані на принципах магнітної гідродинаміки. До повної теорії плям зараз ще далеко, але основні пункти вже встановлені. Не доводиться сумніватися, що вони служать видимими мітками проникнення у фотосферу сильних магнітних полів, що народжуються в конвективній зоні. Ці поля зменшують потік енергії, що виходить з глибин Сонця, і тому в місці їх виходу на поверхню температура падає. Втім, це зниження температури компенсується тим, що поблизу кордонів плями зазвичай виникають перегріті зони, які настільки ж гарячіші середньої температури фотосфери, наскільки плями її холодніші. Тому варіації загальної світності Сонця в максимумах і мінімумах досить малі, всього лише близько десятої частки відсотка.

Сонячне цунамі

Корональні викиди маси (Coronal mass ejections, CME) «вистрілюють» сонячну речовину в міжпланетний простір.

Досягаючи Землі, ці викиди можуть стати причиною обурень магнітосфери. Вони супроводжуються поширенням по поверхні Сонця ударних хвиль (так званих хвиль Мортона) — своєрідним сонячним цунамі.

Сонячні цикли проявляють себе не тільки в періодичності народження плям. З ними скорельовано безліч інших атмосферних процесів — наприклад, частота сонячних спалахів. Загалом, все говорить за те, що цикли викликаються періодичними хвильовими процесами глобальних (якщо цей термін застосуємо до Сонця) масштабів, які протікають в сонячних глибинах, але найсерйознішим чином впливають на динаміку сонячної атмосфери.

Космічна погода

Звичайно, самі плями мало цікавлять кого-небудь, крім астрономів. Однак сонячна активність, що супроводжує їх (поряд з геомагнітною) визначає так звану космічну погоду, яка справляє значний вплив на наше життя.

Фактори сонячних штормів

Взаємодія енергії Сонця і земної магнітосфери призводить до різних ефектів, здатних негативно вплинути на людину і на роботу різної техніки.

Спалахи — потоки фотонів рентгенівського і УФ-діапазону — викликають обурення іоносфери і розігрівають її, що призводить до гальмування низькоорбітальних супутників і порушень у роботі радіозв’язку. Сонячні космічні промені, що складаються із заряджених частинок, викликають пошкодження електронної апаратури і підвищують загальну дозу радіаційного опромінення для космонавтів на МКС, а також для екіпажів літаків, що летять у високих широтах. Магнітні хмари, взаємодіючи з магнітосферою Землі, викликають «електричність» супутників на геостаціонарних орбітах. Обурення геомагнітного поля біля поверхні Землі генерують індуковані струми в трубопроводах, лініях електропередач і залізничних коліях.

Під час сонячних спалахів підвищується рівень рентгенівського та СФ-випромінювання Сонця. До поверхні Землі, правда, воно майже не доходить, поглинаючись іоносферою. «У такі моменти іоносфера розігрівається і» розбухає «, щільність газу на висотах у кілька сотень кілометрів збільшується, при цьому низькоорбітальні супутники» гальмуються «», просідають «і можуть бути втрачені, — пояснює» ПМ «Анатолій Петрукович, завідувач лабораторією динаміки енергійних частинок і космічної погоди Інституту космічних досліджень (ІКІ) РАН — після — СтанПотужних спалахів сонячних смітків. Крім того, відбувається аномальна іонізація іоносфери, яка призводить до порушення радіозв’язку, часом на багато годин «.

Під обстрілом

На супутники постійно впливають різні фактори, що викликаються сонячною активністю. Як розповіли «ПМ» представники компанії Thales Alenia Space, одного з провідних європейських виробників космічних апаратів, після сильних сонячних спалахів орбіту супутників часто доводиться коригувати. Сонячні панелі низькоорбітальних супутників на полярних орбітах необхідно захищати від деградації через вплив потоку заряджених частинок.

Більш серйозну загрозу для сучасної технологічної цивілізації становлять сонячні космічні промені, потоки заряджених частинок, що викидаються Сонцем під час спалахів. Вони відносно повільні — на відміну від рентгена, летять до Землі кілька годин. «Потоки цих частинок в цілому затримуються магнітосферою Землі, — каже Анатолій Петрукович. — Їх вплив проявляється в основному щодо супутників на орбітах вище 1000 км, а також у високих широтах, де вони все-таки досягають іоносфери і викликають додаткову іонізацію і порушення радіозв’язку. На супутниках ці частинки викликають зашумлення різних детекторів, збої в роботі комп’ютерів і деградацію електроніки «.

Чи можна передбачити спалахи

«Довготривалий прогноз — на кілька років — можна зробити тільки на основі періодичності сонячної активності, — говорить Анатолій Петрукович. — З короткостроковим прогнозом — дні і години — складніше. Тут ми діємо майже що дідівськими методами: спостерігаючи за розвитком групи плям на Сонці, можна, скажімо, оцінити ймовірність спалаху, — але про точні передбачення поки мови немає. Складно передбачити і потрапляння Землі в потік більш повільних сонячних космічних променів. Вони поширюються вздовж силових ліній сонячного магнітного поля, структура якого під час спалаху поблизу Сонця дуже складна. Можна зробити тільки дуже приблизний прогноз, чи потрапить Земля в цей потік, — це важливо, наприклад, для космонавтів на МКС. Приблизно таким же чином можна передбачити і прихід магнітних хмар. Найбільш достовірна в цьому плані реєстрація проходу магнітної хмари супутниками SOHO і ACE, що знаходяться в точці лібрації в 1,5 млн кілометрів від Землі. Це дозволяє зробити надійний прогноз про початок магнітної бурі як мінімум за годину (а з урахуванням накопичення енергії — за кілька годин). Причому прогноз не якісний, а кількісний — аж до того, на яких широтах буде видно полярне сяйво «.

Третій фактор — викиди сонячної плазми з «вмороженим» у неї магнітним полем (так звані магнітні хмари). «Вплив магнітної хмари на магнітосферу Землі призводить до її аномального обурення — магнітної бурі, під час якої відбувається накопичення великої кількості дуже гарячих заряджених частинок (протонів, електронів, іонів кисню) в магнітосфері, — пояснює Анатолій Петрукович. — При цьому, наприклад, на геостаціонарній орбіті (що знаходиться в зовнішньому радіаційному поясі) з’являються дуже гарячі. Вони призводять до появи на поверхні супутників електричного заряду з потенціалом до декількох кіловольт. Сусідні деталі супутників можуть при цьому мати істотно різний потенціал, що призводить до електричного пробою і часто до виходу з ладу чутливої електроніки. Крім того, варіації геомагнітного поля біля поверхні генерують індуковані струми в трубопроводах, лініях електропередач або залізничних коліях. Відповідно, це призводить до прискореної корозії труб, порушення роботи енергосистем і залізничної автоматики. Особливо важливо це у високих широтах, тому, наприклад, дуже активно ці ефекти вивчають у Канаді «. Втім, особливо потужні спалахи можуть торкнутися і великої території: скажімо, вважається, що 1 вересня 1851 року сонячна супервишка вибила телеграфні лінії і породила спалахи північного сяйва навіть неподалік від екватора, на Гаваях.