Ученые выявили связь параметров активных областей Солнца и мощных вспышек

Исследование динамических процессов в активных областях Солнца, позволившее установить связь характеристик вертикального электрического тока и магнитного поля в этих областях с мощными вспышками, провели ученые Института космических исследований (ИКИ) РАН и МФТИ, 4 июня сообщает журнал МФТИ «За науку».

Результаты исследования, представленные в статье «Эволюция характеристик вертикального электрического тока и магнитного поля в активных областях Солнца и их связь с мощными вспышками», опубликованной в журнале Geomagnetism and Aeronomy, будут способствовать развитию методов прогнозирования солнечной активности.

Активными областями Солнца называют те места в атмосфере нашего светила, где сильное магнитное поле выходит из-под фотосферы в виде пор и пятен, из которых исходит более интенсивное по сравнению с другими областями солнечной короны ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.

Проявлениями солнечной активности таких областей являются нагрев корональных петель, корональные струи и солнечные вспышки, что делает их изучение интересным не только с точки зрения фундаментальных исследований космической плазмы, но имеет и прикладное значение — для прогнозирования космической погоды.

Ключевую роль в процессах, которые происходят в активных областях, играет магнитное поле. При вспышках на солнце происходит высвобождение магнитной энергии, запасенной в этих областях из-за выхода магнитных потоков и их движения относительно друг друга за счет локальных течений плазмы.

Выделяющаяся во время вспышек свободная магнитная энергия связана с электрическими токами, поэтому изучение электрических токов в активных областях имеет такое же большое значение, как и изучение магнитных полей.

Первый автор исследования, младший научный сотрудник лаборатории ускорительных процессов в космической плазме и космической погоды ИКИ РАН Алёна Нечаева рассказала о задачах, которые оно решало:

«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».

Исследователи в своей работе проанализировали на основе фотосферных векторных магнитограмм эволюцию в трех активных областях некоторых характеристик магнитного поля и вертикального электрического тока, которые ранее вызвали вспышки на солнце классов «М» (средние, вызывающие короткие перебои в связи в полярных регионах и иногда небольшие магнитные бури) и «X» (самые большие, могут вызвать радиопомехи на всей планете, а также длительные магнитные бури).

Анализ проводился на данных, полученных с шагом в два часа, от возникновения вспышек в восточном полушарии, прохождения через солнечный диск (при вращении Солнца) и до их исчезновения на западе.

Старший научный сотрудник лаборатории ускорительных процессов в космической плазме и космической погоды ИКИ РАН, преподаватель МФТИ и второй автор исследования Иван Зимовец рассказал, что именно происходит на Солнце в момент мощных вспышек:

«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».

Потоки солнечного излучения вызывают в ионосфере повышенную ионизацию и повышенные потоки радиации, способные значительно повлиять на космонавтов, а при их выходе в открытое космическое пространство эти частицы могут нанести очень существенный вред здоровью.

Во избежание такой ситуации необходимо иметь краткосрочный прогноз возникновения таких вспышек. Однако при том что работы в этом направлении давно ведутся, до сих пор точного и оперативного прогноза 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)», — рассказал Иван Зимовец.

Он подчеркнул, что в исследовании их целью был поиск характерных маркеров, которые возникают перед мощными вспышками. Для этого ученые рассматривали около десятка разных параметров магнитного поля и токов на интервалах времени в несколько суток, в течение которых происходит эволюция активных областей.

Они фиксировали различные количественные характеристики магнитного поля и токов и выявляли существующие закономерности в их динамике. Зимовец добавил, что эта скрупулезная работа принесла свои плоды — ученые подтвердили некоторые уже известные факты, например, что мощные вспышки возникают при быстром возрастании интегрального магнитного потока в активной области до 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 полученные результаты Иван Зимовец.

В их числе установление некоторых закономерностей в поведении рассматриваемых характеристик относительно эволюции активных областей, а также их перехода в режим генерации мощных вспышек.

Вторую часть исследования составила проверка одной из новых моделей предсказания мощных солнечных вспышек, основанная на наблюдениях и фотосферы, и еще слоев солнечной атмосферы над ней, где обычно зарождаются вспышки, которые не видны в оптическом диапазоне спектра. Поэтому для понимания процессов в короне Солнца необходимы специфические методы и подходы.

Учеными для восстановления магнитного поля и электрических токов в трехмерных объемах в короне был выбран метод экстраполяции. Длительная реконструкция магнитных полей и расчет энергии магнитного поля в трех эволюционирующих активных областях позволил оценить точность рассмотренной модели прогноза и показать ее перспективность.

Полученные результаты исследования, таким образом, могут быть использованы для более точного прогнозирования солнечных вспышек.