Смотрите, как плазма скользит по выступу, как американские горки!
Наше Солнце, несмотря на то, что выглядит как совершенно горячая сфера, совсем не однородно. Присмотревшись к фотосфере, мы начинаем видеть, насколько сложны ее несовершенства. В дополнение к солнечным пятнам - областям Солнца, которые настолько холоднее среднего, что они кажутся человеческому глазу темными областями - Солнце также разделено на серию взбалтываемых ячеек на своей поверхности, с горячими плазменными "пятнами" между ними. Но, возможно, самой выдающейся особенностью нашего Солнца являются эти петли и нити плазмы, вытянутые высоко над внешней поверхностью Солнца, отслеживающие сильное, но хаотичное магнитное поле Солнца.
Эти плазменные петли и лежащие в их основе магнитные поля хранят огромное количество энергии. Когда возникают правильные условия, эти петли могут разорваться в критический момент, воссоединяясь с другими элементами магнитного поля, обнаруженными по всему Солнцу, или даже простираясь в солнечную корону. Солнечный протуберанец может вызвать корональный выброс массы: сильное явление космической погоды, способное вызвать полярные сияния и нарушение электросети по всему земному шару. Но недавно был обнаружен особенно интересный «неудачный» выброс корональной массы, и его свойства могут просто помочь нам понять, почему одни солнечные события бурлят, а другие полностью затухают.
Сценарий кошмара, конечно, чем-то сродни великому Кэррингтонскому событию 1859 года. В середине 19-го века солнечная астрономия как наука находилась в зачаточном состоянии, когда астроном Ричард случайно наблюдал за особенно большим набором солнечных пятен - увидел что-то впечатляющее. Всего несколько минут вдоль этих солнечных пятен плясала «вспышка белого света», которую можно было увидеть даже на фоне подавляющей яркости Солнца, за которой последовала внезапная остановка. Хотя в то время мы этого не знали, только что произошел корональный выброс массы.
Примерно через 17 часов на Земле начали проявляться последствия этого коронального выброса массы. Полярные сияния зашкаливали, появляясь по всему земному шару, даже на экваториальной широте. Это заставило рабочих на ночной стороне Земли проснуться, поскольку свет был достаточно ярким, чтобы сбить людей с толку надвигающимся рассветом. И, возможно, самое пугающее, наши ранние устройства, работающие от электричества, такие как телеграфы, начинали активироваться автоматически, даже когда они были полностью отключены от источника питания. Кое-где телеграфные аппараты стучали так сильно, что бумага, на которой записывались их сигналы, загоралась.
В то время то, что происходило, не получило должного внимания, но теперь мы широко признаем то, что произошло, как пример огромного влияния космической погоды на Землю. Две определяющие характеристики Земли:
- относительно плотная атмосфера, не позволяющая даже энергетически заряженным частицам, исходящим от нашего Солнца, достичь поверхности Земли,
- и его магнитное поле, которое функционирует как большой магнитный диполь, заставляя заряженные частицы, которые попадают под влияние нашего магнитного поля, в основном отклоняться прочь, и лишь небольшая часть из них перенаправляется под действием земного магнетизма. чтобы создать «кольцо» столкновений частиц вокруг северного и южного магнитных полюсов.
Когда Солнце спокойно, то есть на нем не происходят какие-либо серьезные выбросы, поток частиц от Солнца относительно постоянен: солнечный ветер. Однако эти подобные вспышкам события, когда они происходят, могут не только усиливать солнечный ветер, но и создавать более быстрые и энергичные частицы, которые могут нарушать и даже проникать в собственное магнитное поле Земли.
Хотя мы обычно думаем о Солнце как о чем-то в некоторой степени локализованном в космосе, большая правда заключается в том, что солнечная корона - и магнитное поле Солнца - на самом деле простираются очень далеко в космос, даже охватывая всю Землю. Когда Солнце посылает энергетическое событие, такое как выброс корональной массы, солнечное магнитное поле и магнитное поле Земли могут взаимодействовать, и если они соединяются правильным (или неправильным, в зависимости от вашей точки зрения) образом, это может создать воронку. Подобный эффект приводит к тому, что эти частицы в большом количестве падают вокруг магнитных полюсов Земли.
Эти быстро движущиеся заряженные частицы по-прежнему не достигают поверхности, но они могут значительно изменить магнитное поле на поверхности Земли за короткие промежутки времени. Изменение магнитных полей везде, где у вас есть петля или катушка проводов (особенно с большой площадью), будет индуцировать токи в этих проводах, что может вызвать:
- скачки напряжения,
- электрические разряды,
- массовые перепады напряжения,
- пожары,
и многие другие пагубные последствия для нашей инфраструктуры. В то время как прямая опасность для людей от такого явления космической погоды невелика, вторичная опасность в результате пожаров, отключения электроэнергии и повреждения нашей жизненно важной инфраструктуры может стоить несколько триллионов долларов. Если сегодня произойдет событие, подобное Кэррингтону, мы недостаточно подготовлены; худшие из этих последствий не будут смягчены каким-либо значимым образом.
Но не каждое солнечное извержение приводит к выбросу корональной массы. На самом деле существует три основных типа солнечных извержений, и корональные выбросы массы - лишь один из них: самый крупный и мощный, но ни в коем случае не единственный вариант. На самом деле корональные выбросы массы могут быть самыми редкими из этих солнечных извержений.
Чаще всего это более мелкие и менее энергичные события, известные как джеты. Они превращаются в маленькие тонкие столбики плазмы, которые попадают в солнечный ветер; они оказывают лишь незначительное влияние на космическую погоду Земли. Кажется, что они происходят из более мелких и слабых плазменных петель и не состоят из большого количества энергичных, быстро движущихся частиц. По сравнению с «нормальным» солнечным ветром струйное событие добавляет лишь небольшое усиление.
Но есть и третий тип событий: неудавшиеся извержения протуберанца. Это места, где большие красивые плазменные петли - обычно наблюдаемые как солнечные протуберанцы - простираются далеко от фотосферы Солнца и могут даже проникать в солнечную корону. Однако вместо небольших джетов или больших выбросов корональной массы мы наблюдаем неудачное извержение: плазма просто испаряется и в конечном итоге падает обратно на Солнце.
Вопрос, конечно, почему?
Чтобы понять это, вы должны понять, что происходит, когда у вас есть успешный выброс корональной массы. Есть несколько способов сделать это, но между ними есть общие черты.
- Они всегда связаны с магнитными полями из разных частей Солнца, создающими большие петли, за которыми следует горячая солнечная плазма.
- Эти поля из разных частей будут взаимодействовать и в критический момент снова соединиться друг с другом.
- В зависимости от точной геометрии магнитных полей и точного способа воссоединения силовых линий из разных частей можно получить несколько различных механизмов: поворот к нему), извержения торо-нестабильности (другой тип магнитного пересоединения) или солнечные прорывы (альтернатива любому механизму нестабильности), когда поля воссоединяются внутри Солнца и вызывают вспышечное извержение.
На данный момент мы не можем с уверенностью сказать, какой из трех механизмов ответственен за большинство крупных извержений, но мы можем с абсолютной уверенностью сказать, что не все массивные петли протуберанца мы видим, закончится извержением.
Предыдущая работа была сосредоточена на наблюдении за тем, как протуберанцы, которые выглядели так, как будто они могут взорваться, вместо этого терпят неудачу, что выявило ряд интересных подсказок. Во-первых, когда они исследовали шипы нитей - пресловутые «хребты» этих протуберанцев - они не обнаружили значительного вращения или скручивания в протуберанцах, которые не смогли прорваться. Кроме того, то, как нити падали обратно на Солнце после того, как им не удалось извергнуться, указывало на то, что движущим фактором была гравитация, а не какая-либо электромагнитная сила.
Но в 2016 году группа исследователей увидела новую неудавшуюся известность, и подсказки просто не сошлись. Основываясь на всех характеристиках, которые там были, включая размер и величину протуберанца, тот факт, что произошло магнитное пересоединение, и тот факт, что он имел горячую плазменную «шапку» (или купол) поверх более холодного кольца плазмы протуберанца, они полностью ожидал выброса корональной массы. Но вместо этого произошло хныканье: горячая плазменная шапка просто мягко оторвалась, создав широкую версию слабой струи, в то время как более холодный протуберанец вообще не извергся, а просто стекал по нити на поверхность Солнца.
По словам доктора Эмили Мейсон, ведущего автора недавней статьи, в которой анализируется это неудавшееся извержение, вместе со Спиро Антиохосом и Ангелосом Вурлидасом, «Трое из нас, которые написали статью, потратили 18 месяцев, глядя на это событие, споря о механизмах, отбрасывая его, а затем возвращаясь назад через несколько месяцев. Это просто не оставит нас в покое; оно сталкивает нас с вопиющими пробелами в наших знаниях о Солнце, но также дразнит нас надеждой, что если мы сможем просто объяснить это событие, мы добьемся реального прогресса».
Большое неизвестное, к сожалению, заключается в том, чтобы выяснить, что именно происходит с хребтом этих нитей в магнитном поле, поскольку подробности событий магнитного пересоединения, вероятно, приводят (или не приводят в действие) к потенциальному извержению. это произойдет. Странная вещь в этом конкретном неудачном выступе заключается в том, что он выглядит так, как будто позвоночник вырывается наружу на ранней стадии извержения. Магнитное поле движется? Или он просто переносит горячую плазму, а само поле остается неподвижным? Оба варианта имеют проблемы, и оба остаются жизнеспособными; это все еще нерешенный вопрос.
Тем не менее, это наблюдение впервые предлагает фантастический потенциал для понимания трех явлений в единой структуре. Помните, когда этот протуберанец не взорвался, верхняя горячая шапка действительно отлетела от Солнца, но только мягко, медленно и в широком, а не коллимированном виде. Между тем, нижняя, более холодная часть не просто падала вниз, как если бы гравитация была доминирующей силой, но скользила назад по той же нити - и, вероятно, тому же магнитному полю - , которое прослеживало протуберанец ранее. По словам авторов, более холодная плазма скользила назад, как автомобили по дорожке американских горок.
Это позволяет нам создать единую модель струй, неудавшихся извержений и корональных выбросов массы одного типа. Джеты - это самые маленькие структуры, в которых есть только холодная плазма, очерчивающая крохотный выступ; когда происходит магнитное пересоединение, происходит лишь небольшое извержение. Корональные выбросы массы являются самыми большими, соединяя фотосферу с короной, где повторное соединение может вызвать огромное выделение энергии. И теперь у нас есть эти неудавшиеся извержения, которые, кажется, находятся между ними, демонстрируя некоторые черты джетов и выбросов корональной массы, но где преобладающим эффектом является откат более холодной плазмы.
Следующими шагами в этом исследовании будет масштабирование компьютерных моделей, попытка понять, какие основные магнитные структуры и процессы воссоединения могут успешно воспроизвести эту своеобразную динамику такого неудавшегося извержения. В конце концов, события, которые приводят к джетам, относительно изолированы с точки зрения их магнитных свойств. Корональные выбросы массы, однако, сложны, и в настоящее время борются за приведение в действие большинства из них три различных механизма. Но неудавшиеся извержения находятся где-то посередине, и теперь загадка состоит в том, чтобы выяснить, как именно.
Как объяснил Мейсон, «если мы сможем существенно увеличить то, что мы уже знаем о струйных извержениях, мы также можем получить важные сведения о том, как извергаются КВМ». Тайна пока остается неразгаданной, но человечество получит новый научный инструмент в свой солнечный арсенал всего через 5 месяцев: когда солнечный телескоп Даниэля К. Иноуэ начнет свою полноценную научную работу. Благодаря прибору Cryo-NIRSP для наблюдения за короной и способности экстраполировать конфигурации магнитного поля в нижней части короны все три группы извержений вскоре могут быть полностью объяснены. Если мы сможем в достаточной степени измерить и понять взаимодействие магнитных полей с солнечной плазмой, вспышками и корональными событиями, возможно, следующее событие, подобное Кэррингтону, не станет таким сюрпризом для человечества, дав нам ключевой ингредиент, который нам нужно подготовить.: время.
Starts With A Bang написан Итаном Сигелом, доктором философии, автором книг Beyond The Galaxy и Treknology: The Science of Star Trek от Tricorders до Warp Drive.