Сотрудники Института космических исследований РАН и Московского физико-технического института проанализировали характеристики вертикального электрического тока и магнитного поля в активных областях Солнца и установили их связь с мощными вспышками.
Результаты исследования будут способствовать развитию прогноза солнечной активности. Работа опубликована в журнале Geomagnetism and Aeronomy.
Активные области на Солнце — это места, где сильное магнитное поле локально выходит из-под фотосферы, концентрируясь в виде пор и пятен. Они характеризуются более интенсивным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением по сравнению с другими областями солнечной короны. В них происходят различные явления солнечной активности, такие как нагрев корональных петель, корональные струи и солнечные вспышки. Поэтому активные области интересны как с точки зрения фундаментальных исследований космической плазмы, так и с точки зрения прикладных исследований — для прогнозирования космической погоды.
Магнитное поле играет ключевую роль в процессах, происходящих в активных областях. Такие мощные явления солнечной активности, как вспышки, представляют собой процессы высвобождения свободной магнитной энергии, запасенной в этих областях в результате выхода магнитных потоков и их движения относительно друг друга за счет локальных течений плазмы. Свободная магнитная энергия, выделяющаяся во время вспышек, связана с электрическими токами, и, как следствие, изучение электрических токов имеет большое значение наряду с изучением магнитных полей в активных областях.
«Цель нашей работы заключается в том, чтобы понять, как развиваются активные области на Солнце. Это области с повышенным магнитным полем, и в них происходит основная часть динамических процессов. Эта тема давно интересует ученых, но пока наши инструментальные данные очень сильно ограничены, поэтому приходится пользоваться косвенными методами. Исследования о том, как развиваются магнитные поля и электрические токи, дают нам представление о том, какая физика лежит под всеми процессами, и позволяют понять, как развиваются активные области, что происходит на этапе их формирования, как они ведут себя в активной фазе и на стадии затухания. В конечном итоге это даст нам возможность формировать более точные и оперативные прогнозы солнечной погоды, солнечных вспышек и выбросов», — рассказала об исследовании первый автор Алёна Нечаева, младший научный сотрудник лаборатории ускорительных процессов в космической плазме и космической погоды ИКИ РАН.
В этой работе на основе фотосферных векторных магнитограмм учёные проанализировали эволюцию ряда характеристик магнитного поля и вертикального электрического тока в трёх активных областях, вызвавших сильные вспышки классов «М» и «X», от их возникновения в восточном полушарии, прохождения через солнечный диск (при вращении Солнца) и исчезновения на западе с шагом в два часа.
«В последние годы мы часто слышим о мощных магнитных бурях на Земле, которые являются следствием крупных солнечных вспышек и сопровождаемых корональных выбросов массы. Это два взаимосвязанных явления — вспышки и выбросы, которые возмущают межпланетную среду, земное магнитное поле и вызывают магнитные бури. Сами вспышки — это краткосрочные эпизоды энерговыделения в солнечной короне, в хромосфере. В результате заряженные частицы получают значительное ускорение, так что в космос выходят повышенные потоки ионизирующего электромагнитного излучения: рентген, гамма, ультрафиолет. Этот поток и взаимодействует с атмосферой Земли, с ионосферой», — прокомментировал второй автор Иван Зимовец, старший научный сотрудник лаборатории ускорительных процессов в космической плазме и космической погоды ИКИ РАН, преподаватель МФТИ.
Такие эффекты вызывают в ионосфере повышенную ионизацию, а также повышенные потоки радиации, которая может существенно повлиять на космонавтов, в особенности если у них запланирован выход в открытое космическое пространство. В этом случае энергичные частицы могут нанести очень существенный вред здоровью. Чтобы этого избежать, необходим краткосрочный прогноз их образования. Это довольно актуальная проблема, но, несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся давно, точного и оперативного прогноза до сих пор не существует.
«Учитывая актуальность данной проблемы, особенно для космонавтики, наша научная группа выполнила работу, которую можно разделить на две части. В первой части мы пытались рассмотреть некоторые характеристики активных областей на Солнце, где образуются вспышки. В ходе наблюдений нам удалось обнаружить достаточно уникальные, на которые до нас никто не обращал внимания. В частности, мы определяли весьма специфический показатель, связанный с электрическими токами на поверхности Солнца, — какая в них содержится энергия (которая затем выделяется во время вспышек). Наша цель — найти характерные маркеры перед мощными вспышками, и для этого необходимо рассмотреть около десятка разных параметров магнитного поля и токов на длительных интервалах времени (несколько суток), в течение которых происходит эволюция активных областей. Мы фиксируем разные количественные характеристики и таким образом находим интересные закономерности», — подчеркнул Иван Зимовец.
Слева — вертикальное магнитное поле. Цветами обозначены контуры высоких токов. Справа — сравнение функций плотностей вертикального тока. Учёные ввели характеристики активных областей. Линией показана отсечка для шума. 3 сентября область зарождалась, 6 сентября уже сформировалась, и в ней произошла мощная вспышка в 11:53 — класс X9.3
Спикер добавил, что благодаря этой скрупулезной работе учёные подтвердили некоторые уже известные факты, в частности, что мощные вспышки происходят, когда интегральный магнитный поток в активной области нарастает быстро и достигает некоторого порогового значения.
«Но для более точного определения интервалов генерации мощных вспышек нам необходимо несколько характеристик, и мы установили одну новую для электрического тока. Если не использовать заумные слова, то мы в своей работе применили специфическую метрику электрического тока, и наши наблюдения подтвердили, что перед вспышками эта метрика зажата в некотором довольно узком диапазоне значений. Это дает нам еще один необходимый фактор», — прокомментировал Иван Зимовец.
Вторая часть работы посвящена проверке одной свежей модели предсказания мощных солнечных вспышек, основанной на наблюдениях не только непосредственно на фотосфере, но и в слоях солнечной атмосферы над ней, где обычно зарождаются вспышки, которые не видны с помощью наблюдений в оптическом диапазоне спектра, видимом глазом. Чтобы понять, что происходит в короне Солнца, необходимо применять специфические методы и подходы. Учёные решили использовать экстраполяцию для восстановления магнитного поля и электрических токов в трёхмерных объёмах в короне. На основе длительной реконструкции магнитных полей и расчёта энергии магнитного поля в трёх эволюционирующих активных областях была сделана оценка точности рассмотренной модели прогноза и продемонстрирована её перспективность.
Таким образом, полученные результаты исследования можно использовать для более точного прогнозирования. В ходе своей работы учёные зафиксировали некоторые закономерности в поведении рассматриваемых характеристик относительно эволюции активных областей и их перехода в режим генерации мощных вспышек.
Текст: Варвара Кравцова.
Источник: «За науку».