На юго-западе Китая стартовала опытная эксплуатация крупнейшего в мире солнечного радиотелескопа. За активностью нашего светила будет следить массив из 313 шестиметровых антенн, расположенных по кругу диаметром 3,14 км. Приближается пик очередного максимума солнечной активности, и китайские учёные готовятся встретить его во всеоружии.

Источник изображений: VCG

Для изучения активности Солнца Китай создаёт сеть наблюдения «Меридиан». Впрочем, новые инструменты будут также наблюдать другие объекты во Вселенной — от пульсаров до околоземных астероидов. Но главной целью для изучения будет оставаться Солнце. Удивительно, но только в 70-х годах прошлого века мы узнали о таком явлении, как коронарный выброс массы Солнца. Засечь с Земли выброс вещества Солнца обычными средствами наблюдения нельзя и, тем более, невозможно сразу определить, в каком направлении стартовала солнечная плазма.

Для околоземных объектов — спутников и космических экипажей — поток высокоэнергичных частиц солнечного ветра и коронарной массы может представлять опасность. К примеру, это уже не раз сбивало спутники Starlink с орбиты — они испытывали торможение в потоке солнечных частиц и сходили с орбиты. Наконец, от солнечной погоды зависит качество связи и управление и, в перспективе, от неё будут сильно зависеть длительные экспедиции, например, к Марсу.

Комплекс антенных решёток Daocheng Solar Radio Telescope (DSRT) в уезде Даочэн на плато в провинции Сычуань построен и сдан в эксплуатацию в конце прошлого года. До лета он проходил настройку приборов и формально введён в работу 14 июля. Массив 6-метровых антенн работает как одно большое радиозеркало диаметром 3,14 км. Все антенны согласованы по фазе, и алгоритм собирает сигналы с каждой из них в одно изображение высокого разрешения.

Учёные из Университета Торонто подсчитали, что продолжительность земных суток к настоящему моменту могла бы увеличиться до 60 часов, если бы не приливные силы Луны и Солнца.

Источник изображения: Guillaume Preat / pixabay.com

Может показаться, что земные сутки, то есть период полного оборота планеты вокруг собственной оси — показатель стабильный. Но всего столетие назад они были на 1,8 мс длиннее, чем сейчас: Луна постепенно удаляется от Земли, из-за чего скорость вращения планеты замедляется. За всю историю Земли сутки имели разную продолжительность. Вскоре после формирования Луны около 4,5 млрд лет назад они длились всего 10 часов. А ближе к концу эпохи динозавров, примерно 70 млн лет назад, сутки увеличились до почти привычных нам 23,5 часа.

Учёные Университета Торонто считают, что такая скорость изменений не вполне соответствует действительности. Если бы сутки продолжили удлиняться с прежней скоростью, то сегодня они бы составляли около 60 часов — это была бы совсем другая Земля с иными биоритмами у животных и иной культурой у человека. По мнению исследователей, реализации этого сценария помешал набор факторов, определяемых Землёй, Луной и Солнцем.

Луна «несёт ответственность» за океанские приливы: её гравитация «вытягивает» массу воды в «выпуклости». Вращение Земли замедляется лунной гравитацией, а также её последствиями — трением, которое возникает между водой во время приливов и морским дном. Но на вращение Земли воздействует не только Луна. Аналогичные «выпуклости», только уже в земной атмосфере, создаёт и Солнце, но оно не замедляет, а ускоряет вращение планеты.

Сегодня воздействие Луны примерно в 10 раз сильнее солнечного — спутник побеждает в «перетягивании каната», и вращение Земли всё-таки замедляется. Но, по версии исследователей, примерно 2,2 млрд лет назад эти два фактора пребывали в равновесии. В то время температура воздуха была выше, и облёт солнечного прилива вокруг Земли занимал 10 часов. К тому времени планета делала полный оборот вокруг собственной оси за 20 часов — два прилива оказались в резонансе 1:2, что усиливало солнечный фактор. В итоге Солнце и Луна уравновесили друг друга, и продолжительность суток расти перестала, задержавшись на отметке в 19,5 часа на 1,6 млрд лет. Без этой затянувшейся паузы у нас бы теперь были 60-часовые сутки и совсем другой образ жизни.

По мере того, как Солнце приближается к пику своего текущего солнечного цикла, наша звезда становится всё более активной. И, по мнению учёных, пик такой активности может наступить раньше, чем предполагалось.

Источник изображения: NASA / SDO

Приблизительно каждые 11 лет Солнце переживает периоды низкой и высокой солнечной активности, что связано с количеством солнечных пятен на его поверхности. Эти тёмные области, некоторые из которых могут достигать размеров Земли или даже больше, приводятся в движение сильным и постоянно меняющимся магнитным полем Солнца.

В течение солнечного цикла Солнце переходит от спокойного к интенсивному и активному периоду. Во время пика активности, называемого солнечным максимумом, магнитные полюса Солнца меняются местами. Затем, во время солнечного минимума, на Солнце снова наступает спокойствие. Первоначально прогнозировалось, что пик активности начнётся в июле 2025 года. Теперь эксперты считают, что циклический пик, скорее всего, придётся на середину или конец 2024 года.

Текущий солнечный цикл, известный как 25-й солнечный цикл, был очень активным, более активным, чем ожидалось. Учёные из Центра прогнозирования космической погоды Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA / NWS) в Боулдере, штат Колорадо, уже отследили больше солнечных пятен, чем было насчитано на пике предыдущего цикла.

«Нет двух одинаковых солнечных циклов», — сказал Марк Миш (Mark Miesch), научный сотрудник Центра прогнозирования космической погоды (SWPC). «Этот солнечный максимум — эквивалент сезона ураганов в космической погоде. Именно в это время мы наблюдаем самые сильные штормы. Но в отличие от сезона ураганов, который длится несколько месяцев, солнечный максимум длится несколько лет».

Повышенная активность также включает в себя сильные солнечные вспышки, выбросы корональной массы и магнитные поля, которые вырываются из внешней атмосферы Солнца. Солнечные бури, порождаемые Солнцем, могут влиять на работу электросетей, GPS и авиации, а также спутников на низкой околоземной орбите. Эти явления также вызывают отключения радиосвязи и даже представляют опасность для пилотируемых космических полётов.

2 октября 2022 г. на Солнце произошла вспышка Х1, запечатлённая Обсерваторией солнечной динамики NASA (SDO). События X-класса — это самые интенсивные вспышки, и они могут повлиять на системы связи на Земле. Источник изображения: NASA / SDO

Известный пример: 29 января 2022 г. на Солнце произошла серия выбросов корональной массы, и это привело к нагреву и расширению внешней атмосферы Земли. В результате этого расширения сгорели 38 из 49 спутников Starlink, запущенных компанией SpaceX.

Но в увеличении активности нет ничего необычного, и оно будет продолжаться по мере приближения солнечного максимума. Солнечные пятна будут формироваться всё чаще, что приведёт к росту активности. «Это абсолютно нормально», — сказал Алекс Янг (Alex Young), помощник директора по науке научного отдела NASA по гелиофизике в Центре космических полётов имени Годдарда (GSFC) в Гринбелте, штат Мэриленд. «То, что мы наблюдаем, в целом вполне ожидаемо. По мере приближения к солнечному максимуму Вы видите, что все больше солнечных пятен появляются в виде сгустков. Иногда эти скопления будут больше и дольше».

На этом изображении показан выброс корональной массы. Магнитное солнечное явление может послать в космос миллиарды тонн плазмы, которая может достичь Земли в период от одного до трёх дней, воздействуя на электронные системы как на спутниках, так и на Земле. Источник изображения: NASA

«По мере того, как мы становимся все более зависимыми от технологий, от электросетей, от спутников, от самолётов и GPS, влияние космической погоды возрастает, поскольку именно эти системы подвержены влиянию солнечных бурь. Хотя этот конкретный цикл не является чем-то выдающимся с точки зрения Солнца, с нашей точки зрения он является таковым», — сказал Миш.

Новые прогнозы солнечного максимума были сделаны под руководством Скотта Макинтоша (Scott McIntosh), заместителя директора Национального центра атмосферных исследований (NCAR), и Роберта Леамона (Robert Leamon), младшего научного сотрудника Института планетарной гелиофизики Годдарда (GPHI), а также их соавторов. Институт представляет собой партнёрство Университета Мэриленда (UMB), округ Балтимор, Университета Мэриленда (UMD), Колледж Парк и Американского университета (AU) с NASA.

Вместо того, чтобы отслеживать солнечные пятна, исследователи сосредоточили внимание на так называемом «терминаторе» — точке, когда активность одного солнечного цикла исчезает с поверхности Солнца, после чего следует резкое увеличение солнечной активности в новом цикле. Солнечные пятна считаются ключевым моментом в прогнозировании солнечных циклов, но Леамон сказал, что он и его коллеги считают, что отслеживание магнитной активности, которая приводит к появлению солнечных пятен, может дать более точные прогнозы. После достижения солнечного максимума активность может сохраняться в течение многих лет.

По словам Леамона, после максимума количество вспышек на Солнце достигает пика. Увеличение происходит на фазе подъёма чётных солнечных циклов и на фазе спада нечётных циклов. «Пик последствий для Земли наступает после максимума, поэтому наибольшие последствия на ближайшие пару лет гарантированы. Именно после максимума ожидается самый большой фейерверк. Даже если солнечных пятен станет меньше, они будут более продуктивными», — сказал он.

Учёные использовали компьютерные модели и данные Обсерватории солнечной динамики NASA (SDO), чтобы создать вид сложного магнитного поля Солнца 10 августа 2018 года. Источник изображения: NASA / GSFC / SDO

«Хотя переход от солнечного минимума к солнечному максимуму обычно занимает около четырёх лет, простого пика для максимума не существует, поскольку Солнце очень изменчиво», — говорит Миш. По словам Янга, иногда во время некоторых солнечных циклов возникают два пика, когда северное и южное полушария Солнца рассинхронизируются. Это может произойти, когда количество солнечных пятен в одном полушарии достигает максимума в другое время, чем в другом полушарии, что приводит к удлинению максимума. «Солнечный максимум может длиться около двух лет, прежде чем всё пойдёт на спад, что означает, что вероятность солнечных бурь может оставаться высокой дольше, чем фактический пик», — считает Миш.

Более позитивным побочным эффектом повышенной солнечной активности являются авроры, «танцующие» вокруг полюсов Земли, известные как северное сияние (aurora borealis) и южное сияние (aurora australis). Когда заряженные частицы из выбросов корональной массы достигают магнитного поля Земли, они взаимодействуют с газами в земной атмосфере, создавая в небе разноцветное свечение.

Гигантское солнечное пятно размером почти 128748 км в поперечнике появилось на Солнце 23 октября 2014 года. Источник изображения: NASA / SDO

Геомагнитные бури, вызванные Солнцем в феврале и апреле, привели к тому, что авроры стали видны там, где их редко можно увидеть, в том числе на юге, в Нью-Мексико, Миссури, Северной Каролине и Калифорнии в США, а также на юго-востоке Англии и в других частях Великобритании. По словам Янга, в зависимости от местности, авроры не всегда видны над головой, но они могут вызывать красочное зрелище на горизонте. По словам Янга, тем, кто хочет увидеть более интенсивные авроры в будущем, возможно, стоит отправиться на Аляску, в Канаду, Исландию, Норвегию, Скандинавию или на верхний полуостров штата Мичиган. «Я видел авроры — это одно из самых удивительных явлений, которые я когда-либо наблюдал», — сказал он.

Хотя наиболее вероятным временем возникновения солнечных бурь является период максимума, они могут произойти в любой момент цикла, сказал Миш. Специалисты Центра прогнозирования космической погоды (SWPC) используют данные наземных и космических обсерваторий, магнитные карты солнечной поверхности и ультрафиолетовые наблюдения за внешней атмосферой Солнца, чтобы определить, когда на Солнце наиболее вероятны солнечные вспышки, выбросы корональной массы и другая космическая погода, которая может повлиять на Землю.

По словам Билла Муртаха (Bill Murtagh), координатора программ центра, прогнозы, наблюдения, предупреждения и оповещения предоставляются тем, кого затрагивает космическая погода, как можно скорее, от нескольких часов до нескольких недель. Солнечные вспышки могут повлиять на связь и GPS практически сразу, поскольку они нарушают ионосферу Земли, или часть верхней атмосферы. Высокоэнергетические частицы, высвобождаемые Солнцем, могут также вывести из строя электронику на космических аппаратах и воздействовать на астронавтов, не имеющих надлежащей защиты, в течение от 20 минут до нескольких часов.

Частицы, посылаемые с большой скоростью от Солнца во время выбросов корональной массы, могут достичь Земли за 30-72 часа, вызывая геомагнитные бури, которые влияют на спутники и создают электрические токи в верхних слоях атмосферы, которые проходят через Землю, оказывая влияние на электросети.

Согласно исследованиям Геологической службы США (USGS), регионы к востоку от Аппалачских гор, на верхнем Среднем Западе и на Тихоокеанском Северо-Западе более подвержены нарушениям в работе электросетей, поскольку земля в этих районах проводит ток по-разному в зависимости от её состава. Бури также влияют на схемы полётов коммерческих авиакомпаний, которым предписано держаться подальше от полюсов Земли во время геомагнитных бурь из-за потери связи или сбоев навигации.

Солнечная вспышка среднего размера и выброс корональной массы вырвались из крупной активной области 14 июля 2017 г. Витки — это частицы, вращающиеся по спирали вдоль линий магнитного поля, которые образовались после взрыва. Изображения были получены в диапазоне длин волн экстремального ультрафиолетового света. Источник изображения: NASA / GSFC / SDO

Предсказать, когда следующая большая солнечная буря повлияет на Землю, довольно сложно. Экстремальные бури случались и раньше, например, одна из них вывела из строя электросеть в Квебеке в 1989 году. «Событие Кэррингтона» 1859 года остаётся самой интенсивной геомагнитной бурей из когда-либо зарегистрированных, в результате которой телеграфные станции искрились и загорались, а небо светилось арктическим сиянием даже в тропических широтах. Если подобное событие произойдёт сегодня, оно может причинить ущерб на триллионы долларов и вывести из строя некоторые электросети на долгое время. «Мы не знаем, когда произойдёт следующая крупная катастрофа. Она может произойти через пару недель или через 50 лет», — сказал Муртаг.

Солнце и его тайны очаровывали человечество на протяжении тысячелетий. Солнце является якорем нашей Солнечной системы и обеспечивает тепло и свет, необходимые жизни для выживания, однако остаётся много вопросов о его внутренних процессах, которые определяют его магнитную активность. Разгадка оставшихся секретов Солнца с помощью таких миссий, как Parker Solar Probe NASA и Solar Orbiter Европейского космического агентства (ESA), может улучшить прогнозы. А у учёных будет шанс изучить Солнце во время полного солнечного затмения 8 апреля 2024 года.

Европейский зонд Solar Orbiter (SolO) впервые позволил получить изображение коронарного дождя на Солнце. Это явление было предсказано учёными, но до сих пор не наблюдалось. Из недр звезды вырывались сгустки плазмы, которые поднимались в атмосферу Солнца, остывали там и опадали огненным дождём — такого мы ещё не видели.

Источник изображений: Patrick Antolin; ESA/Solar Orbiter EUI/HRI

В целом коронарные дожди похожи на земные. В обоих случаях происходят похожие процессы. Восходящие потоки поднимают вещество вверх, где оно остывает и опадает обратно. Кроме того, коронарный дождь отчасти повторяет физику звёздных дождей — метеоров. Последние раскаляются в атмосфере Земли и взрываются под воздействием давления или температуры. Переданные зондом SolO данные также показали, что под «каплями» падающей обратно на Солнце сгустков плазмы атмосфера звезды локально нагревается сильнее и возникают области повышенного давления.

Учитывая размеры отдельных «капель» коронарного дождя, которые в поперечнике достигали 250 км, а скорость их падения приближалась к 150 км/с, неудивительно, что они вносили заметный вклад в нагрев атмосферы Солнца. Это, кстати, одна из нерешённых до конца загадок, почему атмосфера Солнца примерно на миллион градусов по Цельсию горячее его поверхности. Данные зонда SolO позволяют с уверенностью сказать, что коронарный дождь вносит в этот процесс свой вклад.

Проанализированные учёными данные получены в марте 2022 года, когда зонд Solar Orbiter прошёл на удалении 48 млн км от поверхности Солнца. Поскольку миссия SolO продолжается и зонд сближается со звездой каждые полгода, данных будет всё больше, что поможет уточнить физику нашей звезды. Ниже видео показывает симуляцию коронарного дождя художниками NASA.

Важным отличием коронарного дождя от обычного земного дождя можно считать движение сгустков плазмы по «коридорам» силовых линий магнитного поля Солнца, которые выходят из его поверхности и уходят в неё. Также магнитные линии не дают образоваться хвостам из плазмы, как это происходит во время падения на Землю дождей из метеоров. В коронарном дожде на Солнце плазма вылетает едва ли неаккуратными сгустками и точно так же падает обратно. Интересно, увидим ли мы когда-нибудь фотографию фонтана брызг при падении такого шарика обратно на Солнце?

Добавим, об исследовании учёные сообщили на ежегодном Национальном астрономическом собрании Королевского астрономического общества Великобритании. Препринт работы доступен на сайте arXiv и готовится для публикации в журнале Astronomy & Astrophysics.

2 июля 2023 года в 19:14 по восточному стандартному времени США (3 июля в 02:14 мск), на Солнце произошла вспышка самого мощного X-класса. Измеренная мощность вспышки была на уровне X1, что далеко от зафиксированного в истории наблюдений максимума X28. Выброс энергии не сопровождался выбросом коронарной массы, но всё равно вызвал последствия в виде нарушения радиосвязи на стороне Земли, обращённой к Солнцу.

Источник изображения: NASA/SDO

Отключение радиосвязи было коротким, но интенсивным. Более сильный выброс энергии способен вызвать сбои в системе навигации, в спутниковой связи и в энергосетях. Последнее вполне способно привести к серьёзным авариям и выходу силового оборудования из строя. Поэтому так важно знать и уметь прогнозировать космическую погоду — вспышки на Солнце и динамику, а также распространение солнечного ветра — заряжённых частиц или солнечной плазмы.

В настоящий момент Солнце проходит восходящий период на траектории своего 11-летнего цикла активности. Пик интенсивности ожидается в июле 2025 года. Ранее учёные прогнозировали общее снижение активности Солнца в текущем 25-м цикле по сравнению с активностью в 24-цикле. Однако то, что мы наблюдаем в последние месяцы явно расходится с этим прогнозом.

Вспышка произошла из пятна AR3354. Выброс плазмы был бы в сторону Земли

Так, эксперты НАСА и NOAA прогнозировали, что пик 25-го цикла будет относительно спокойным и будет сопровождаться примерно 115 солнечными пятнами в момент солнечного максимума. Но уже сейчас по данным Королевской обсерватории Бельгии, количество солнечных пятен достигло 21-летнего максимума, а среднее число солнечных пятен в июне составило 163 в день. Учёные опасаются, что в ближайшие два года Солнце может преподнести нам сюрпризы. Наука почерпнёт в этом много интересного, но простым гражданам сюрпризы от Солнца вряд ли нужны.

22 июня зонд NASA Parker Solar Probe в 16-й раз сблизился с Солнцем на предельно близкое расстояние — менее 9,6 млн км. На такой высоте температура солнечной короны достигает миллиона градусов Цельсия. Тепловой экран зонда толщиной 11,4 см позволяет научным приборам аппарата работать при комфортной температуре порядка 30 °C и собирать уникальные данные, которые иначе никак не получить.

Источник изображения: NASA

Удивительно, но мы до сих пор не знаем тонкости происходящих внутри Солнца физических процессов. Например, даже самые лучшие телескопы на Земле или на орбите не позволяют собрать полные данные о процессах в короне Солнца. Зонд Parker черпает информацию непосредственно из источника, если так можно сказать, фиксируя места зарождения, направления движения и уровни энергий покидающих Солнце заряжённых частиц. В один из минувших пролётов вблизи Солнца зонд смог увидеть, как и где зарождается солнечный ветер, раскрыв для науки загадку этого явления.

Научная программа зонда рассчитана на 24 сближения с Солнцем. Запущенный в 2018 году аппарат должен собрать множество данных, которые позволят учёным лучше прогнозировать космическую погоду, что повысит надёжность работы спутниковых группировок, земной связи и пилотируемых полётов. Нам ещё лететь на Марс, и успех миссии также будет зависеть от добытых знаний о космических штормах и штилях.

Помимо 24 запланированных погружений в солнечную атмосферу зонд Parker Solar Probe должен был совершить 7 близких пролётов вблизи Венеры. Пять таких пролётов он уже проделал и осталось два. Пролёт рядом с Венерой помогает аппарату совершить гравитационный манёвр, включая некоторое торможение. Попутно аппарат собирает данные по Венере, которые никогда не будут лишними. 21 августа этого года Parker в шестой раз сблизится с Утренней звездой, а 17-е по счёту сближение с Солнцем состоится 27 сентября.

Стало известно, что 19 июня на Солнце произошли две сильные вспышки, из-за чего частично нарушалась коротковолновая радиосвязь на Земле. Об этом пишет информационное агентство ТАСС со ссылкой на данные Гелиогеофизической службы ФГБУ «Институт прикладной геофизики».

Источник изображения: NASA/Solar Dynamics Observatory

«19 июня в 06:37 мск в рентгеновском диапазоне зарегистрирована вспышка M1.4 (S12E89) продолжительностью 21 минута, в 15:14 мск в рентгеновском диапазоне зарегистрирована вспышка M1.1 (S12E81) продолжительностью 12 минут. Вспышки сопровождались нарушением КВ-радиосвязи», - говорится в сообщении.

По данным мониторинга космической погоды, влияние солнечных рентгеновских всплесков на ионосферу Земли по шкале из пяти уровней (R5 — максимальный, R1 — слабый) в настоящее время соответствует уровню R1. При таком воздействии наблюдаются нарушения низкочастотной радиосвязи, что влияет на определение местоположения кораблей и самолётов.

В апреле этого года была зафиксирована мощнейшая вспышка класса M1.7/2N с выбросом корональной массы в сторону Земли со скоростью 1100 км/с. Она привела к возникновению самой сильной и продолжительной магнитной бури на Земле. Напомним, в зависимости от мощности рентгеновского излучения солнечные вспышки делятся на пять классов: A, B, C, M и X. Минимальный класс A0.0 соответствует мощности излучения на орбите Земли в 10 нановатт на квадратный метр. Переход к следующей букве означает увеличение мощности в 10 раз. Обычно вспышки сопровождаются выбросами солнечной плазмы, облака которой достигают нашей планеты и могут провоцировать магнитные бури.