Серия «Солнце и космическая погода»

У кого-то уже от одного только этого словосочетания начинает болеть голова. Кого-то, если верить комментариям к новостям о солнечных вспышках, колбасит даже до того, как они случились. А те, кто смотрел фильм "Знамение" с Николасом Кейджем, при каждом упоминании о мощных солнечных вспышках думают: "Ну может это наконец-то те самые? Может пора бы уже?".

Что можно сказать наверняка - так это то, что подавляющее большинство людей о вспышках на Солнце знают лишь поверхностно - то, что они существуют и могут чем-то там навредить, но вопросы "Кому, чем и как?" ставят в тупик. А чаще - вызывают смех с комментарием: "Ну ты тупооой".

В этом посте я подробно расскажу о солнечных вспышках: что это за зверь, откуда берется, кому и чем может грозить (и может ли вообще кому-то причинить вред).

Спойлер для ЛЛ: вам - не может. Вряд ли ЛЛ соберется в космос.

А теперь подробнее.

Солнечная вспышка - это процесс резкого выделения большого количества энергии в широком диапазоне электромагнитного излучения: от рентгеновского до радиодиапазона.

Не вдаваясь подробно в физику процесса, можно сказать, что вспышка происходит тогда, когда солнечная плазма сжимается мощными магнитными полями до критической величины, после чего происходит переконфигурация магнитных полей в активных областях, а плазма высвобождается за небольшой промежуток времени (чаще всего - от 10 до 30 минут, но бывают и длительные вспышки - до полутора-двух часов).

Солнечные вспышки всегда происходят в активных областях - солнечных пятнах.

Солнечные пятна - это области на Солнце, где линии магнитного поля выходят на поверхность, нарушая движение плазмы в гранулах и понижая их температуру и яркость. Именно в этих магнитных полях и накапливается солнечная плазма как основа вспышек.

Далеко не каждое солнечное пятно порождает вспышки. Чем сложнее переплетения магнитных полей в группе пятен - тем выше вероятность вспышек. Солнечные пятна делятся по нескольким категориям в зависимости от магнитной конфигурации:

Альфа - группа пятен одной полярности. Самая простая конфигурация с наименьшей вероятностью вспышек;
Бета - биполярная группа пятен (есть и положительная, и отрицательная области, расположенные отдельно друг от друга);
Гамма - сложная биполярная группа пятен с неравномерно распределёнными пятнами разных магнитных полярностей;
Бета-гамма - сложная биполярная группа пятен с неравномерно распределёнными пятнами и сильными искажениями магнитных полей в группе;
Дельта - пятно, расположенное в полутени более крупного пятна и отличающееся от него магнитной полярностью (по определению такое пятно не может существовать отдельно: их как минимум два и они получают конфигурацию бета-дельта);
Бета-дельта - биполярная группа пятен, имеющая как минимум одно дельта-пятно;
Гамма-дельта - то же, что и гамма, но имеющая в составе как минимум одно дельта-пятно;
Бета-гамма-дельта - то же, что и бета-гамма, но имеющая в составе как минимум одно дельта-пятно. Самая сложная магнитная конфигурация. Такие группы пятен являются самым частым источником мощных вспышек.

Большинство пятен на Солнце имеют альфа- или бета- магнитную конфигурацию. Появление бета-гамма, бета-дельта и бета-гамма-дельта солнечного пятна практически всегда светит возникновением мощных вспышек.

Вернёмся именно к вспышкам. Мощность вспышки определяется по максимальному потоку рентгеновского излучения с Солнца:

А-класс - не более 0,0000001 Вт/кв.м.;
В-класс - не более 0,000001 Вт/кв.м.

На самом деле, А и В классы и вспышками назвать нельзя - слишком слабое у них влияние на околосолнечное пространство. Их чаще считают уровнями фонового солнечного рентгена. А вот дальше уже становится интереснее:

С-класс - поток рентгена не более 0,00001 Вт/кв.м. Являются самыми слабыми солнечными вспышками и при этом - самые частые вспышки;
М-класс - поток рентгена не более 0,0001 Вт/кв.м. Вспышки М-класса являются причинами R1 слабых (при потоке до 0,00005 Вт/кв.м.) и R2 умеренных (от 0,00005 Вт/кв.м. до 0,0001 Вт/кв.м.) радиопомех на солнечной стороне Земли. Рентгеновское излучение увеличивает число ионов в ионосфере, что делает её хорошим проводником электричества, что и приводит к нарушению ВЧ-связи (от 1 до 25 МГц);
Х-класс - поток рентгена более 0,0001 Вт/кв.м. Самые мощные вспышки из возможных. Способны привести к серьезным помехам и даже полному отключению связи в ВЧ и СВЧ-диапазоне (от 30 МГц для вспышек класса Х1 и выше. Чем мощнее вспышка - тем больше верхняя граничная частота радиопомех: R3 сильные помехи - при вспышке от Х1 до Х10, R4 очень сильные помехи - при вспышке от Х10 до Х20 и R5 экстремальные помехи - при вспышке от Х20 и выше).

К примеру: если вспышка классифицирована как М2.4, то значит поток рентгеновского излучения с Солнца в этот момент составляет 0,000024 Вт/кв.м. Поток измеряется со всего солнечного диска: если в один и тот же момент времени наблюдаются две или более вспышек из разных областей - поток рентгеновского излучения будет суммироваться, а вспышка будет зарегистрирована как одна. Так было 23 апреля 2024 года, когда в один момент на Солнце произошли сразу 4 вспышки. Такие события называются симпатическими солнечными вспышками. Они не случайно вспыхивают одновременно: такие пятна связаны между собой.

Вспышки С-, М- и Х-класса могут быть источником выброса корональных масс, причем вспышка С-класса производит выброс крайне редко, вспышка М-класса - только если она длительная (от 20 минут и дольше, и то - не всегда), вспышка Х-класса - очень часто (но тоже не всегда, если вспышка импульсная - выброса корональных масс практически не бывает).

Выброс корональных масс, направленный в сторону Земли - единственная причина возникновения магнитных бурь и, как следствие - полярных сияний (важно: к выбросу корональных масс могут привести не только вспышки. Но об этом мы поговорим в другой раз). Однако выброс не всегда случается даже во время мощных вспышек. Так, вспышка класса Х6.3 22 февраля 2024 года не сопровождалась выбросом корональным масс вообще, а вспышка класса С9 15 марта 2015 года плюнула такой выброс, что уже 17 марта полярные сияние было хорошо видно на широте Москвы.

Корональные выбросы массы обнаруживаются приборами SOHO и STEREO (NASA) и фиксируются программой Cactus.

Кроме магнитных бурь и полярных сияний, выбросы корональных масс ни к чему не приводят. Земная атмосфера хорошо блокирует рентгеновское излучение (эквивалент метрового слоя бетона), поэтому до поверхности Земли ничего не долетает (но влияет на спутники: навигационные спутники могут давать ошибку позиционирования на Земле в несколько метров). При этом рентгеновское излучение - самое мощное электромагнитное излучение, испускаемое вспышками. Всё остальное излучение влияет на Землю слабее, а потому не может нанести серьезный вред.

Но ведь вред есть! Где же та самая опасность, которая не грозит ЛЛ и до которой она не дочитала в полном составе?

Опасность здесь же, в мощных солнечных вспышках. Дело в том, что раньше мы говорили о явлениях, вызванных электромагнитным излучением, практически не учитывая (кроме выбросов корональных масс) потоки частиц высоких энергий. Именно в них кроется одно весомое и очень жирное НО, которое обязательно нужно учитывать.

Вспышки на Солнце могут вызвать солнечный радиационный шторм или протонное событие.

Как видно из гифки, зернистость появляется практически одновременно с появлением изображения выброса корональных масс. Это говорит о том, что частицы, вызывающие зернистость, движутся со скоростью, близкой к скорости света. А значит, эти частицы обладают очень высокой энергией - горааааздо большей, чем несет в себе рентгеновское излучение.

Солнечный радиационный шторм или протонное событие - явление, когда во время вспышки (чаще всего - во время вспышки Х-класса) резко повышается поток протонов высоких энергий (от 10 мегаэлектрон-вольт и выше). Протонное событие всегда сопутствует мощному выбросу корональных масс. Как и рентгеновское излучение, вызывает дополнительную накачку ионами ионосферы со всеми вытекающими помехами для радиосвязи, но при этом:

• Эти помехи сильнее всего накрывают приполярные области, которые хуже всего защищены магнитным полем;

• Помехи могут продолжаться до нескольких суток.

Но это не все проблемы, которые несет в себе протонное событие. Опасность зависит от силы протонного события по шкале от S1 (слабое) до S5 (экстремальное).

1. S1 (слабое протонное событие). Поток протонов от 10 до 100 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Происходит часто. Страдает (но живет) коротковолновая связь в приполярных областях.

2. S2 (умеренное протонное событие). Поток протонов от 100 до 1000 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Происходит достаточно часто. Коротковолновая связь страдает уже сильнее, но при этом еще и страдает бортовая аппаратура спутников.

3. S3 (сильное протонное событие). Поток протонов от 1000 до 10000 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Происходит редко (несколько раз за весь солнечный цикл). Коротковолновая связь в приполярных областях еле работает, навигация немного страдает. В космосе падает эффективность работы солнечных панелей спутников и космических станций, сильно страдает бортовая аппаратура. Космонавтам не рекомендуется выходить в открытый космос, а трансполярные авиарейсы рекомендуется перенаправлять (но последнее - не обязательно: угроза пассажирам минимальна).

4. S4 (очень сильное протонное событие). Поток протонов от 10000 до 100000 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Происходит даже не каждый солнечный цикл (последнее такое событие было в октябре 2003 года). Коротковолновая связь в полярных областях практически неживая, навигация работает с серьёзными ошибками. Солнечные батареи сильно страдают. Космонавтам допускается выходить в открытый космос только в случае крайней необходимости (на борту станции угроза минимальная). Трансполярные авиарейсы по возможности перенаправляются.

5. S5 (экстремальное протонное событие). Поток протонов более 100000 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Еще не было зафиксировано ни разу. Коротковолновая связь в приполярных областях умирает окончательно, навигация не работает. Критическая угроза для всех без исключения спутниковых систем (до полного выхода из строя). Трансполярные авиарейсы запрещены. Выход в открытый космос запрещён, возможна экстренная эвакуация экипажа на Землю.

При всех своих грозных свойствах - протонное событие совершенно не опасно для тех, кто находится на поверхности Земли, даже для сотрудников полярных станций угрозы никакой нет. Вся угроза - только для космонавтов, и та эта угроза настолько редкая, что большую часть времени её можно не учитывать, а даже если она возникнет - протонное событие не убьет мгновенно, а лишь повысит полученную дозу радиации. Даже лучевую болезнь не вызовет. Чем быстрее космонавты покинут станции - тем меньшую дозу они получат, а по-быстрому сделать ноги с той же МКС можно за несколько часов. Но тем не менее - приятного мало.

Больше угроз никаких нет.

А что насчет супервспышек из "Знамения"? Насколько они возможны и возможны ли вообще?

Наше Солнце - звезда типа "желтый карлик". И так уж вышло, что такой тип звёзд - самый распространенный в нашей галактике, поэтому у учёных есть возможность пронаблюдать за "солнцеподобными" звездами практически на всех этапах их эволюции, в том числе на этапах, соответствующих нынешнему этапу жизни Солнца.
Мы же помним, что во время вспышек наблюдается всплеск во всех диапазонах электромагнитного излучения. В том числе и в видимом диапазоне, который мы вполне можем измерить с высокой точностью. Во время мощных вспышек яркость Солнца растет, пусть и незначительно. Но если речь идет о супервспышках - то и изменение яркости будет более заметным. Мы знаем, как меняется яркость Солнца при нынешних вспышках вполне приемлемой мощности, у нас есть взаимосвязь между изменением яркости Солнца во время вспышек в видимом диапазоне и соответствующим ему потоком рентгеновского излучения. Мы можем оценить, какой должен быть поток рентгена, чтобы разрушить атмосферу и убить всё живое на Земле и представляем, как при этом изменится яркость звезды. Так вот: ничего и близкого к таким сильным скачкам яркости солнцеподобных звёзд на современном этапе их эволюции не обнаружено.

Вывод простой: Солнце просто не способно породить столь мощную вспышку, которая могла бы кого-то убить на Земле.

Но мощные вспышки всё-таки (скорее всего) существуют. В 2012 году японская учёная Фуса Мияке обнаружила загадочный скачок углерода-14 (в 3 раза больше обычного) в годичных кольцах деревьев в разных концах света. Последний из таких скачков обнаружен на кольцах, которым чуть больше 1000 лет и датирован 993 годом. Этот скачок может быть вызван бомбардировкой атмосферного азота свободными нейтронами, но у них очень малый срок жизни - всего 15 минут. Единственным приемлемым источником таких нейтронов было названо Солнце. 15 минут от Солнца до Земли - это чуть больше половины скорости света, что для свободных частиц вполне возможно. Но при этом это должна быть вспышка невиданной мощности - ведь за всю историю наблюдения таких вспышек не было зафиксировано. Даже событие Кэррингтона (мощнейшая магнитная буря в истории наблюдений в 1859 году) не вызвало подобных отпечатков в деревьях. Такие теоретически возможные вспышки на Солнце были названы событиями Мияке - в честь учёной, обнаружившей следы такой вспышки. И это самое сильное, что человечество смогло обнаружить.

Но даже такая мощная вспышка не навредила жизни на Земле. А некоторые люди испугались каких-то нескольких тщедушных нынешних вспышек в пределах Х10. Притом что даже самая мощная вспышка последних лет не входит даже в топ-15. Кстати советую заглянуть в ТОП-50 солнечных вспышек - охренеете от того, что творилось в 2001-2003 годах.

Улыбнитесь Солнцу - и оно обязательно улыбнется в ответ :)

В следующем посте мы подробно поговорим о том, как возникают магнитные бури как следствие вспышек на Солнце (и не только их), а после - о полярных сияниях развернуто. Может объединю два поста в один (но это не точно - по сияниям очень много чего можно рассказать).

И добро пожаловать в Астрофотолабораторию! Я познакомлю вас с космосом от первого лица.