Солнечные факторы, определяющие состояние космической погоды, и задачи их прогнозирования (стр. 1 из 4)

В.П. Максимов

Изменения космической погоды происходят под действием высокоскоростных потоков плазмы и связанных с ними межпланетных ударных волн, потоков высокоэнергичных заряженных частиц, повышенного излучения во всем диапазоне длин волн электромагнитного излучения. В процессе становления и развития солнечно-земной физики взгляды на роль солнечных источников, ответственных за эти возмущения, неоднократно менялись. Менялись и представления о физической природе самих этих источников. Процесс переосмысления громадного количества данных, полученных в наземных и спутниковых наблюдениях, продолжается и в настоящее время. Продолжается поиск новых подходов и решений, создание количественных моделей процессов и явлений, которые необходимы для выполнения основной цели программы космической погоды: обеспечение безопасности наземных и бортовых космических систем, предотвращение угрозы здоровью и жизни людей.

Важными моментами для оценки состояния активной области и прогноза ее развития является разработка методов количественного описания ситуации в активной области, основанных на измерениях магнитных полей, характеристик микроволнового излучения, слежение за динамикой этих параметров, создание прогностических программ и оценка их эффективности.

Введение

В результате длительной и кропотливой работы рядом правительственных ведомств США в 1995 г. была разработана программа, названная Национальной Программой «Космическая Погода» (National Space Weather Program, NSWP). Цели и задачи этой программы сформулированы в документе «Стратегический план Национальной Программы «Космическая Погода» [1]. В этом документе впервые дано определение понятия «космическая погода» - это изменения условий на Солнце, в солнечном ветре, магнитосфере и ионосфере, которые могут повлиять на работу и надежность бортовых и наземных технологических систем и угрожать здоровью и жизни людей. В 1999 г. усилиями Европейского космического агентства была создана Европейская программа космической погоды [2]. Существует национальная программа Японии, разрабатываются национальные программы России и Китая.

Основной набор солнечных факторов, определяющих состояние космической погоды, так или иначе присутствует во всех перечисленных программах. Развитие приоритетов обусловлено, в основном, отличиями во взглядах разработчиков программ на природу солнечных явлений и их роль в изменениях космической погоды. Если ограничиться временными масштабами от нескольких минут до нескольких суток, то в качестве основных солнечных факторов рассматривают:

эруптивные протуберанцы,

солнечные вспышки,

корональные дыры.

Хронологически первыми были обнаружены протуберанцы. Есть основания предполагать, что они изображены на некоторых памятниках Древнего Египта. Письменные упоминания о протуберанцах встречаются в летописях, в частности, в Лаврентьевской летописи, в которой описано полное затмение Солнца 1 мая 1185 г. в Новгороде.

Первые научные описания протуберанцев были сделаны во время солнечных затмений 1706, 1733 и 1778 гг. Долгое время полагалось, что протуберанцы связаны с Луной. Их считали извержениями лунных вулканов, углублениями лунного края, сквозь которые проходят лучи Солнца, миражем в лунной атмосфере.

В 1868 г. Жансен и Локьер создали спектрогелиограф, позволивший проводить наблюдения протуберанцев вне затмений. Уже в первых наблюдениях была установлена связь между протуберанцами и темными волокнами на диске Солнца.

1 сентября 1859 г. Кэррингтон и Ходжсон впервые наблюдали в белом свете мощную солнечную вспышку [3]. Вначале она получила название хромосферной вспышки и обозначала внезапное кратковременное усиление излучения в сильных хромосферных линиях. Представления о природе этих солнечных явлений прошли долгий путь от падения комет на поверхность Солнца, гравитационного воздействия планет, электрических разрядов, подфотосферных источников до процессов накопления и внезапного выделения энергии при пересоединении магнитных полей в токовых слоях.

Однако начальный момент зарождения науки о солнечно-земных связях следует, по-видимому, отнести на несколько лет назад - в 1843 г., когда Швабе открыл 11-летнюю цикличность в пятнообразовательной деятельности Солнца [4]. Позднее эта цикличность была обнаружена и в частоте появления других проявлений солнечной активности: солнечных факелов и флоккулов, протуберанцев и темных волокон на диске, солнечных вспышек, а также в форме солнечной короны.

Уже в 1848 г. Вольф предложил индекс для характеристики солнечной активности - так называемое число Вольфа или относительное цюрихское число солнечных пятен, определяемое по формуле

где f - общее число пятен на видимой полусфере Солнца,

g - число групп пятен,

k - коэффициент (обычно < 1), учитывающий суммарный вклад условий наблюдений, тип телескопа, и приводящий наблюдаемые величины к стандартным цюрихским числам.

Подобная цикличность была обнаружена и в явлениях в околоземном космическом пространстве, например, в частотах появления полярных сияний и возмущений геомагнитного поля. Какие проявления солнечной активности являются причиной этих возмущений оставалось неясным до 1896 г., когда Биркеланд [5] высказал предположение, что полярные сияния и геомагнитные бури вызываются приходом энергичных частиц от Солнца. В последующих исследованиях вначале основные усилия были направлены на изучение статистических связей между явлениями на Солнце и Земле, так как практически ничего не было известно об условиях в пространстве между Солнцем и Землей.

Наряду со спорадическими в геомагнитном поле были открыты рекуррентные возмущения. Долгое время солнечный источник этих возмущений был неизвестен. Бартельс назвал их М-областями [6]. В попытках идентифицировать гипотетические М-области исторически сформировалось два различных подхода. Сторонники одного связывали рекуррентные геомагнитные возмущения со специфическими центрами солнечной активности, например, молодыми активными областями. Вторые считали, что повторяющиеся геомагнитные возмущения связаны со спокойными областями на Солнце и с униполярным магнитным полем.

Начавшаяся в 1960-х гг. с запуском первых космических аппаратов новая эра кардинально изменила многие представления о структуре и динамике геомагнитного поля и магнитных полей в явлениях солнечной активности и процессах взаимодействия движений плазмы и магнитных полей. К известному ряду солнечных факторов космической погоды добавились связанные с солнечными вспышками и эруптивными протуберанцами выбросы корональной массы, были открыты корональные дыры, отождествленные с М-областями. Прямые космические измерения дали принципиальную возможность проследить явление и его причинные связи на всем пути от Солнца через межпланетное пространство до магнитосферы и ионосферы Земли.

Корональные дыры

В корональных дырах - областях с открытыми силовыми линиями магнитного поля - создаются высокоскоростные потоки солнечного ветра, которые могут быть причиной рекуррентных геомагнитных бурь, обычно не очень интенсивные. С точки зрения космической погоды представляет интерес работа Браво и др. [7] , в которой по статистическим исследованиям трех циклов солнечной активности был сделан вывод о том, что большие геомагнитные бури в этот период происходили в то время, когда вблизи находящейся вблизи центрального меридиана корональной дыры (на расстоянии < 20o) возникали солнечные вспышки. Мак-Алистер и Книпп [8] высказали предположение, что геомагнитная буря в ноябре 1993 г. была связана с рекуррентной корональной дырой, пересекшей центральный меридиан 4 ноября. Во время предыдущего оборота высокоскоростной поток от этой дыры вызвал только слабую геомагнитную бурю. Большая геомагнитная буря 3 ноября, возможно, возникла в результате наложения двух процессов: высокоскоростного потока от корональной дыры и выброса корональной массы, связанного с небольшой вспышкой рентгеновского класса С.

Известно, что границы сформировавшихся корональных дыр могут изменяться при эрупции близлежащих протуберанцев, а короткоживущие корональные дыры могут возникать при эрупциях протуберанцев и вспышек. Вебб и др. [9] определили, что 70 % всех эрупций протуберанцев вблизи сформировавшихся корональных дыр происходили через день после крупномасштабных изменений границ дыры. Почти при всех изменениях уменьшалась площадь дыры.

Эрупция протуберанцев, удаленных от существующей дыры, может приводить к возникновению короткоживущих малых корональных дыр. Вспышки также могут приводить к появлению подобных транзиентных дыр.

Черток и др. [10] описали случай возникновения и эрупции темного волокна внутри корональной дыры. Эта эрупция сопровождалась повышенным рентгеновским и ультрафиолетовым излучением и выбросом корональной массы.

Таким образом, в связи между мощными геомагнитными бурями и корональными дырами появились новые, заслуживающие внимания аспекты.

Солнечные вспышки и эруптивные протуберанцы

Длительное время считалось бесспорным, что основным солнечным источником, ответственным за геомагнитные бури, является мощная солнечная вспышка и генерируемые ею потоки плазмы и высокоэнергичных заряженных частиц. И только немногие исследователи поддерживали предположение о геоэффективности эруптивных протуберанцев или внезапно исчезающих темных волокон на диске Солнца.

Такая ситуация существовала до конца 1993 г., когда появилась статья Гослинга «Миф солнечной вспышки». По наблюдениям на орбите Земли Гослинг [11] пришел к выводу, что большие нерекуррентные геомагнитные бури, ударные волны и большие события с энергичными частицами обусловлены выбросами корональной массы. При этом утверждалось, что все эти три явления не имеют фундаментальной связи (в смысле причины и следствия) с солнечными вспышками. Предполагалось, что межпланетные выбросы корональной массы вызываются быстрыми выбросами корональной массы, наблюдаемыми с помощью коронографов белого света вблизи Солнца. Из работы Гослинга можно сделать вывод, что выброс корональной массы является вполне самостоятельным явлением солнечной активности. В середине 1995 г. Американский Геофизический Союз организовал специальную сессию для обсуждения выдвинутой Гослингом новой парадигмы причины и следствия в солнечно-земной физике. В течение ряда последующих лет был опубликован целый ряд работ, в которых прямо или косвенно выражалось отношение авторов к этой парадигме. Подавляющее число участников дискуссии соглашалось с утверждением Гослинга, что причиной больших нерекуррентных геомагнитных бурь и межпланетных ударных волн являются выбросы корональной массы. Наиболее острые расхождения возникли по связи выбросов корональной массы со вспышками.