Магнитные бури. Пятна на Солнце. Солнечная активность и циклы

Магнитные бури давно замечены человеком. Еще в средние века мореплаватели отметили, что в некоторые дни стрелка компаса внезапно начинает совершать беспорядочные колебания, делая инструмент абсолютно непригодным для любых навигационных расчетов, и продолжается это от нескольких часов до нескольких суток. Именно это явление моряки назвали магнитной бурей. Однако лишь в 18 в. французским астрономом Лемонтом была замечена взаимосвязь - интенсивность и частота магнитных бурь тем больше, чем больше на Солнце пятен. Именно это стало первым открытием связи земных явлений с активностью солнца.

В наше время космические аппараты проводят непрерывный мониторинг «погодных условий» в космосе. На основании данных этого наблюдения наука уже вполне хорошо представляет цепочку солнечно-земных связей, которые приводят к возникновению магнитных бурь. Магнитные бури возникают вследствие взаимодействия высокоскоростных потоков намагниченной солнечной плазмы (протонов и электронов) с магнитосферой Земли. Поскольку температура верхних слоев атмосферы Солнца (корона) около миллиона градусов, атомы водорода и гелия (основные ее составляющие) приобретают такие громадные скорости, что при столкновениях выбивают друг у друга электроны и оказываются буквально «голыми». Благодаря этой так называемой «столкновительной ионизации» в короне Солнца остаются только «голые» ядра атомов — протоны и выбитые из атомов электроны. Эта смесь частиц и есть плазма. В результате многочисленных столкновений некоторые частицы развивают такие большие скорости, что им удается преодолеть притяжение Солнца и навсегда уйти в окружающее космическое пространство. Происходит «испарение» протонов и электронов. Эти потоки плазмы, берущие свое начало в короне Солнца и двигающиеся в обычных условиях со скоростью около 300 км/с, получили название «солнечный ветер».

Солнечный ветер сравнительно недавно был обнаружен космическими аппаратами даже у самых границ Солнечной системы. Когда плазма солнечного ветра встречает на своем пути магнитное поле Земли (как известно, оно напоминает поле плоского магнита), она, повинуясь законам физики, сначала сжимает магнитные силовые линии, а затем начинает обтекать Землю, как поток воды обтекает твердое препятствие. На обращенной к Солнцу стороне Земли граница обтекания устанавливается на расстоянии 10—12 радиусов Земли (примерно 70 тыс. км). На ночной стороне магнитное поле вытягивается в виде шлейфа, похожего на хвост кометы, до расстояний около 1000 радиусов Земли (примерно 6 млн. км). Вся эта область, в которой заключено магнитное поле и околоземная плазма, называется магнитосферой Земли.

Пока «дует» регулярный солнечный ветер со скоростью около 300 км/с, никаких возмущений в магнитосфере Земли не происходит, это так называемый геомагнитный «штиль». Но вот на Солнце появилась большая группа пятен, представляющая собой всплывшее из недр Солнца сильно намагниченное вещество (магнитное поле пятен в тысячи раз сильнее магнитного поля Земли). При случайном сближении пятен с различной магнитной полярностью происходит нечто похожее на гигантское «короткое замыкание» с выделением поистине космического количества энергии. Оно сравнимо с извержением 10 миллионов вулканов или взрывом нескольких десятков водородных бомб. Это явление называется солнечной вспышкой.

Чаще всего вспышки происходят вблизи максимума 11-летнего цикла солнечной активности. В предыдущем цикле больше всего вспышек наблюдалось в 1991 г. В цикле, начавшемся в 1996 г., максимум числа вспышек пришелся на период с 2001 по 2003 г. До недавнего времени самыми мощными за 25 лет наблюдений были вспышки 16 августа 1989 г. и 2 апреля 2001 г. Они имели рентгеновский балл Х20. Однако 4 ноября 2003 г. произошла, по-видимому, самая мощная за всю историю наблюдательной астрономии вспышка в Х28 балла.

заметку: энергии вспышки с рентгеновским баллом X28 согласно расчетам, хватило бы для снабжения электроэнергией города, сравнимого с Москвой, в течение 200 млн лет!!!

Установлено, что во время вспышки происходит взрывное преобразование магнитной энергии пятен в энергию гамма-излучения, рентгеновского излучения и излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. В это время также происходит выброс высокоскоростных потоков заряженных частиц — электронов и протонов. Когда этот возмущенный солнечный ветер, несущий с собой магнитное поле, встречает на своем пути магнитосферу Земли, в месте контакта начинают происходить беспорядочные и порой очень сильные изменения напряженности магнитного поля Земли, Это и составляет суть магнитной бури.

Поскольку скорость такого возмущенного солнечного ветра от вспышек колеблется в диапазоне от 500 до 1000 км/с, магнитная буря обычно начинается через сутки — двое после вспышки на Солнце. Именно столько времени требуется плазме, чтобы пройти 150 млн км от Солнца до Земли. Однако не всякая вспышка обязательно дает магнитную бурю. Как выяснилось, траектория движения выброшенного вспышкой вещества напоминает так называемую спираль Архимеда, в результате чего «геоэффективными» оказываются только вспышки, происходящие в западном полушарии Солнца в течение примерно пяти суток после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца Оказалось, что довольно часто магнитные бури происходят и в такие периоды, когда на Солнце вспышки не наблюдаются. В середине XX в., когда за Солнцем велись только наземные наблюдения, эти факты ставили астрономов в тупик. Была даже выдвинута гипотеза, что на Солнце есть невидимые загадочные М-области, вызывающие магнитные бури

К концу XX в., когда на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) стали работать рентгеновские телескопы. С поверхности Земли такие наблюдения невозможны, поскольку земная атмосфера полностью поглощает рентгеновское излучение. Тогда и было установлено, что временами на Солнце образуются громадные области, протяженностью в сотни тысяч километров, где силовые линии общего магнитного поля Солнца (напоминающего магнитное поле Земли) попросту разорваны. Это приводит к тому, что заряженным частицам здесь значительно легче покидать Солнце, чем в областях с регулярным магнитным полем. Такие области, откуда непрерывно вытекают высокоскоростные потоки солнечного ветра, получили название «корональные дыры». Обычно они «живут» в течение нескольких оборотов Солнца (2, 3 и более месяцев) и на каждом обороте обязательно вызывают магнитные бури.

Сегодня уже понятны некоторые физические механизмы, лежащие в основе воздействия магнитных бурь на технические, биологические и природные объекты. Так, лабораторные эксперименты показали, что во время магнитных бурь на поверхности металлических конструкций возникают наведенные электрические токи. Они-то и становятся причиной пожаров и взрывов на нефте- и газопроводах и повреждений в линиях электропередач. Наведенные токи на поверхности искусственных спутников Земли иногда вызывают сбои в работе гироскопов стабилизации, что приводит к их сходу с орбит и гибели в плотных слоях атмосферы. Сильные вариации магнитного поля Земли во время магнитных бурь создают наведенные токи не только в металлических проводниках, но также и на поверхности Земли. Во время мощных вспышек поток ультрафиолетового излучения возрастает в десятки раз, что вместе с выброшенным вспышкой веществом приводит к разогреву верхних слоев земной атмосферы. Атмосфера при этом расширяется и начинает тормозить движение ИСЗ, что приводит к их незапланированному преждевременному сходу с орбиты. Одновременно быстрый разогрев атмосферы приводит к резкому изменению режима циркуляции воздушных потоков, что вполне может стать причиной катастрофических природных процессов.