Объект исследований - Солнце (стр. 1 из 4)

Б.М.Кужевский

Всё, что происходит с Землёй как планетой, включая геологические и климатические процессы на ней, зарождение жизни, её эволюция от примитивного уровня до "homo sapiens", духовная и психическая жизнь, как отдельного человека, так и целых народов - все связано с "жизнью" самого Солнца.

В определенном смысле можно утверждать, что мы живем в атмосфере Солнца.

Вот почему всестороннее исследование нашего небесного светила чрезвычайно важно, особенно изучение процессов происходящих в его атмосфере. Связанные с сильнейшим, хотя и пространственно-локальным, сравнительно кратковременным выделением энергии, они сопровождаются генерацией нейтральных и заряженных частиц, а также мощнейшего электромагнитного излучения, которые пронизывают межпланетное пространство, эффективно воздействуют на его объекты, в том числе и на Землю.

Поэтому физические процессы, происходящие в ней для нас чрезвычайно важны.

Активные процессы в атмосфере Солнца

С древнейших времен люди замечали на поверхности Солнца темные пятна. Они принимали разные формы, имели различную площадь, и число их изменялось во времени. С появлением телескопа наблюдения за Солнцем привели к созданию глубокой и разносторонней науки. Сейчас мы хорошо знаем, что солнечные пятна это внешнее проявление глубинных активных процессов на Солнце. Наблюдение за ними позволило установить существование цикличности в активности Солнца, которая проявляется не только в периодическом изменении различных параметров, характеризующих солнечные пятна. Периодические изменения наблюдаются и в электромагнитном излучении Солнца. Наиболее изученный цикл это, так называемый, 11- летний период солнечной активности. Другим впечатляющим явлением, которое было открыто более 100 лет тому назад, стала хромосферная вспышка - спорадическое выделение в части солнечной атмосферы в так называемой хромосфере, огромного количества энергии, равного одновременному взрыву 100 миллионов ядерных бомб в одну килотонну каждая.

Рис.1 Солнечная вспышка 15 июня 1991г. Светлые пятна над поверхностью светила - выброс его вещества. Петлеобразные структуры - вспышечная плазма в магнитном поле.

В дальнейшем стало ясно, что так называемая хромосферная вспышка простирается далеко за пределы собственно хромосферы, охватывая области более низкие - фотосферу Солнца и области более высокие - корону Солнца. В настоящее время употребляют термин - солнечная вспышка. При этом по выделившейся во время вспышки энергии можно создать классификацию вспышек. Так по яркости вспышки в оптическом диапазоне излучения разработана одна из первых классификаций, получившая название балл вспышки. Частота вспышек разной бальности также испытывает 11 - летнюю цикличность.

Выделение во вспышках колоссальной энергии происходит различным способом. Как в виде газодинамических движений плазмы солнечной атмосферы, так и в виде электромагнитного излучения в широчайшем диапазоне - от радиоволн до гамма-квантов с энергией в сотни миллионов электрон - вольт и генерации частиц солнечных космических лучей (СКЛ) с энергией до десятков миллиардов электрон-вольт, (энергетический спектр СКЛ). Относительная концентрация разных ядер в СКЛ определяется тремя условиями: химическим составом атмосферы Солнца, особенностями процесса ускорения и ядерными реакциями между ускоренными частицами и веществом солнечной атмосферы. К настоящему времени в различных по энергетике (как принято у специалистов по бальности) вспышках, возникающих в разных по мощности активных процессах в солнечной атмосфере, эксперимент ально наблюдались ядра элементов от водорода до железа, (зарядовый спектр СКЛ). Естественно, что абсолютный поток энергичных частиц и диапазон энергетического спектра СКЛ связаны с мощностью вспышки. Но всегда волновал вопрос. Неужели большие потоки ускоренных частиц от солнечной вспышки возникают внезапно, и не предваряются менее значительными, как по величине, так и по диапазону энергий, потоками частиц?

Рис 2. Эволюция активной области на Солнце. Событие 26 марта 1991г. Видны солнечные пятна и нейтральные линии магнитного поля (светлые линии). Время - по Гринвичу

Согласно современным представлениям эволюция активной области сопровождается увеличением плотности магнитной энергии в ней и усложнением её геометрии. В конце концов, происходит стремительное разрушение сложной конфигурации активной области, сопровождающееся генерацией СКЛ. Было трудно представить, чтобы процесс накопления энергии в активной области до плотностей, когда наступает "переливание" одного вида энергии в другой, например, магнитной энергии в энергию ускоряемых частиц происходил бы "спокойно". И действительно, когда в межпланетном пространстве удалось осуществить длительные наблюдения, было обнаружено, что перед вспышкой СКЛ, в среднем в течение суток, регистрируются частицы относительно малых энергий. Это явление получило в дальнейшем название "предвспышечное возрастание".

Предвспышечные возрастания частиц в межпланетном пространстве

Развитие экспериментальных исследований в космических условиях позволило установить целый ряд новых моментов в нашем понимании такого явления, как солнечная активность.

Если по наблюдениям на поверхности Земли можно было регистрировать и изучать частицы с энергией, сотни миллионов электрон-вольт и выше, то с выносом научной аппаратуры в межпланетное пространство с помощью космических кораблей и спутников стало возможным регистрировать частицы малых энергий от Солнца, вплоть до единиц и десятков тысяч электрон-вольт. Потоки таких частиц от Солнца регистрировались значительно чаще, чем потоки частиц высоких энергий.

Более того, наблюдения за временным поведением частиц в межпланетном пространстве привели к открытию явления, - предвспышечного возрастания. Суть его в том, что в межпланетном пространстве задолго (от десятков часов до нескольких суток) перед регистрацией частиц с энергией в десятки и сотни МэВ отмечается возрастание частиц малых энергий, порядка 1 МэВ и меньше.

Рис.3 Пример предвспышечного возрастания потока малоэнергичных частиц в межпланетном пространстве, зарегистрированного ИСЗ "Прогноз" 29 октября 1972г. Скорости счета протонов с энергией 1-30 МэВ. Внизу - движение по диску Солнца активной области, связанной с предвспышечным возрастанием.

Впервые факт возрастания частиц малых энергий перед появлением в межпланетном пространстве высокоэнергичных частиц от солнечной вспышки был осознан и сформулирован как явление характерное для эволюции активной области, в которой возникают условия для генерации энергичных частиц, сотрудниками Отдела космофизических исследований Института ядерной физики МГУ в начале восьмидесятых годов прошлого столетия. Предвпышечные возрастания потока частиц в межпланетном пространстве наблюдались и на советских спутниках "Прогноз", и на американских спутниках "IMP", и на европейских спутниках "Гелиос".

Временное поведение частиц предвспышечного возрастания различно для разных событий. Поток этих частиц может монотонно возрастать до самого прихода частиц СКЛ, либо он возрастает на определенную величину за относительно короткое время и затем практически не меняется до появления частиц СКЛ. Поток малоэнергичных частиц как бы выходит на плато. Явление предвспышечного возрастания наблюдалось как в протонной и электронной компоненте, так и в потоке ядер гелия. Несомненно, оно существует и в потоке тяжелых ядер. Хотя для таких наблюдений требуются приборы с большей, чем до сих пор применялись, светосилой. Наблюдения за предвспышечными возрастаниями малоэнергичных частиц можно использовать для повышения достоверности прогноза радиационной обстановки в межпланетном пространстве. Первые работы в этом направлении дали существенное улучшение прогноза, вероятность точного прогноза возросла до 85-90 %.

Обнаружение явления предвспышечного возрастания частиц малых энергий подтвердило мнение многих исследователей Солнца о том, что процессы ускорения частиц в атмосфере Солнца протекают практически непрерывно. Варьируется лишь мощность активного процесса. Поэтому понятия "спокойное" или "активное" Солнце относительны и не точно отражают реальную жизнь Солнца.

Прежде чем выйти в "пустое" межпланетное пространство энергичные частицы СКЛ, двигаясь в солнечной атмосфере, вступают в ядерное взаимодействие с частицами составляющими её. В результате этого химический и изотопный состав СКЛ на выходе в межпланетное пространство может заметно отличаться от состава в источнике, то есть от состава в области ускорения частиц.

Анализ изотопного состава СКЛ, таким образом, позволяет получить ценную информацию о количестве вещества, которое набирают энергичные частицы с момента их генерации до выхода в межпланетное пространство, о характере движения ускоренных частиц в солнечной атмосфере ( диффузия или конвективный перенос ), о времени нахождения энергичных частиц в достаточно плотной атмосфере Солнца.

Изотопный состав солнечных космических лучей

Анализ результатов взаимодействия энергичных частиц СКЛ с ядрами химических элементов солнечной атмосферы, детально осуществленный впервые российскими исследователями, сотрудниками Института ядерных исследований МГУ и американскими исследователями, сотрудниками НАСА, существенно изменил ранее имевшийся взгляд на роль этого процесса в формировании изотопного и элементного состава СКЛ.