Ученые из Обсерватории Хвара (Хорватия), Грацского университета (Австрия) и Сколтеха (Россия) совместно с коллегами из США, Бельгии и Китая исследовали необычную солнечную бурю, которая произошла 8 марта 2019 года. Группа, целиком состоящая из женщин-ученых, установила, как сначала двойная структура вырвалась из Солнца, что привело к целому ряду явлений, наблюдаемых во всем электромагнитном спектре, а затем слилась в единую структуру, которая устремилась к Земле. Полученные результаты позволят точнее предсказывать опасные явления космической погоды.
Исследование представлено в статье, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics.
Солнечные бури, возникающие под действием энергии магнитного поля Солнца − самые мощные извержения в Солнечной системе. Выбрасываемые Солнцем потоки намагниченной плазмы распространяются в межпланетное пространство, создавая радиационную опасность для космонавтов и вызывая помехи в работе технических систем как в космосе, так и на Земле.
Для того чтобы прогнозировать такие опасные явления, необходимо понимать лежащие в их основе физические механизмы, а также природу и влияние на Землю сопутствующих явлений:
● Солнечные вспышки – всплески электромагнитного излучения Солнца, способные всего за несколько минут выработать больше энергии, чем все электростанции на Земле вместе взятые за год. В результате солнечной вспышки происходит нагрев земной атмосферы, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и спуску космических аппаратов на более низкие орбиты.
● Корональные выбросы массы (КВМ), которые часто происходят вместе с солнечными вспышками, представляют собой гигантские облака плазмы, выбрасываемые Солнцем со скоростью от 100 до более 3000 километров в секунду. Достигнув нашей планеты за 1–5 дней, они вызывают сильные геомагнитные бури и создают угрозу для космонавтов и технических систем.
● Радиовсплески − интенсивное радиочастотное излучение Солнца, связанное с солнечными вспышками и КВМ. Радиовсплески приводят к нарушениям в работе систем радиосвязи и спутниковых систем позиционирования. Кроме того, радиовсплески II типа имеют большое значение для определения характеристик КВМ.
● Волна в крайнем ультрафиолетовом диапазоне наблюдается при выбросах КВМ, которые, подобно сверхзвуковому самолету, способны создавать ударную волну. КВМ и ударные волны вызывают не только ускорение потока опасных заряженных частиц, но и сжатие магнитного поля Земли, лишая геостационарные спутники их естественной защиты.
● Корональные димминги − следы КВМ на поверхности Солнца, имеющие вид разрывов в интенсивности излучения в крайнем ультрафиолетовом диапазоне и являющиеся результатом потери вещества солнечной короны – верхнего слоя атмосферы Солнца, состоящего из плазмы.
Эти явления чаще всего возникают при сильных солнечных бурях и служат индикатором для их изучения с помощью дистанционного зондирования в различных диапазонах электромагнитного спектра: видимом, радиочастотном, ультрафиолетовом и рентгеновском.
Когда сильная буря проходит в межпланетном пространстве через датчики космического аппарата, данные дистанционного зондирования дополняются прямыми измерениями скорости распространения бури, а также направлением и силой ее магнитного поля. Если буря движется в сторону Земли, сила магнитного поля такой бури определяется по степени ее воздействия на магнитное поле Земли.
В рамках исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics, ученые провели комплексный анализ взрывных событий 8 марта 2019 года с использованием данных дистанционного зондирования и непосредственных спутниковых измерений и выявили тонкие физические механизмы в основе формирования солнечных бурь. Исследователи описывают целый ряд явлений, сопровождавших солнечную бурю 8 марта 2019 года: солнечная вспышка с двумя пиками интенсивности; два так называемых «петлевых» выброса, которые эволюционировали в КВМ, летящий на Землю; две непосредственно следующие друг за другом волны в крайнем ультрафиолетовом диапазоне; двухступенчатые корональные димминги, возникшие одновременно со вспышкой и всплесками радиоизлучения II и III типов.
Видео. Солнечная буря 8 марта 2019 г. Слева: два эпизода в процессе выброса энергии солнечной вспышки (изображения SDO/AIA NASA); справа: две связанные между собой волны крайнего ультрафиолетового диапазона (яркие фронты) и двухступенчатые корональные димминги (темные области) на обработанных изображениях. Видео: Dumbović et al., 2021
«Эта солнечная буря с самого начала выглядела очень необычно. Она сопровождалась множеством явлений, которые можно было наблюдать на поверхности Солнца и которые, как правило, характерны лишь для очень сильных возмущений. Но проблема в том, что в данном случае вспышка была не столь мощной! – рассказывает ведущий автор исследования, научный сотрудник обсерватории Хвара Матея Думбович. – В физике Солнца принято самым необычным солнечным бурям давать названия в соответствии с датой, когда они произошли. Например, есть бури, названные в честь Хэллоуина и дня взятия Бастилии, а теперь появилась буря, получившая свое название в честь Международного женского дня».
«Мы показали, что 8 марта 2019 года на Солнце произошли два последовательных взрыва в виде двух систем магнитных полей со сдвигом и круткой, которые в верхних слоях солнечной атмосферы слились в одно и в дальнейшем развивались в виде единой структуры. Мы также продемонстрировали, что крупномасштабное магнитное поле оказывает существенное влияние на эту структуру как на ранней стадии ее развития, так и в процессе ее дальнейшей эволюции в межпланетном пространстве. Во время первого взрыва произошло нарушение стабильности вышележащего поля, что и послужило толчком для второго взрыва», – рассказывает один из авторов исследования, профессор Грацского университета Астрид Верониг.
«Покидая атмосферу Солнца, солнечный ветер в виде непрерывного потока заряженных частиц уносит за собой часть солнечного магнитного поля. В итоге вся солнечная система заполнена солнечным ветром и солнечным магнитным полем. Экватор Солнца вращается быстрее его полюсов, поэтому, распространяясь по Солнечной системе, магнитное поле Солнца закручивается в спираль Архимеда и создает самую крупную структуру в нашей Солнечной системе – гелиосферный токовый слой, разделяющий солнечный ветер на две области: в одной магнитное поле направлено к Солнцу, а в другой – от него. Токовый слой опоясывает солнечный экватор подобно тому, как балетная пачка охватывает талию танцовщицы. Земля и все остальные планеты Солнечной системы оказываются внутри этих волнистых спиральных складок. В нашей работе мы показали, что расположение гелиосферного токового слоя между активной областью на Солнце и Землей, по всей вероятности, повлияло на распространение и эволюцию структур, образованных солнечной вспышкой 8 марта 2019 года. И какие бы ни бушевали бури, мы желаем всем хорошей космической погоды!», – добавляет соавтор исследования, старший преподаватель Космического центра Сколтеха Татьяна Подладчикова.
Исследование солнечной бури, названной в честь Международного женского дня, проводилось международной группой женщин-ученых из стран Европы, России, США и Китая. В состав группы вошли 10 исследователей, в числе которых были как аспиранты, находящиеся в самом начале своей научной карьеры, так и опытные профессора и обладатели престижной международной медали им. Александра Чижевского за исследования в области космической погоды и космического климата: Матея Думбович (Загребский университет, Хорватия), Татьяна Подладчикова (Сколтех, Россия) и Джулия Тальманн (Грацский университет, Австрия). В работе также принимали участие специалисты компании NorthWest Research Associates (США), Научного центра солнечно-земной физики SIDC, Королевской обсерватории Бельгии, Центра математической астрофизики плазмы Лёвенского католического университета (Бельгия) и Школы наук о Земле и космосе при Университете науки и технологий Китая.
*****
Сколтех — негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
