К вопросу об опасности экстремальных солнечных вспышечных явлений и возможности их прогноза

Ссылка: Информация 120106(2012), Вестник ОНЗ РАН, 4, url: http://onznews.wdcb.ru/news12/info_120106.html
^ Главная страница

В последнее время в средствах массовой информации часто сообщается о гигантских выбросах солнечного вещества, мощных солнечных вспышках, происходящих на Солнце и даже о гигантской солнечной вспышке, которая положит конец нашей цивилизации в конце 2012 г. Оставим на совести журналистов эти не научные "страшилки" и кратко рассмотрим, что известно в настоящее время об экстремальных явлениях на Солнце и в околоземном космическом пространстве.

Нет сомнения, что солнечные вспышечные события, а это собственно большие солнечные вспышки в активных областях и выбросы солнечных волокон — облаков замагниченной плазмы, локализующихся на линиях раздела магнитных полярностей на высотах 10 – 100 тысяч км, воздействуя на околоземное космическое пространство, могут приводить к разного рода нарушениям радиосвязи, работы аппаратуры и приборов космических аппаратов, транспортных систем, линий электропередач, к ухудшению здоровья людей.

В настоящее время воздействие солнечных активных явлений на околоземное космическое пространство принято оценивать в пятибалльной шкале по трем позициям [NOAA, 2000], причём экстремальные события в околоземном космическом пространстве имеют высшую бальность в соответствующем виде воздействия:

  BLACKOUT                SPЕ MAGNETIC STORMS
Балл возмущения
R
X-ray class
(Intensity)
S
Pr >10 МэВ
(Intensity)
G
MS – Aр
(Intensity)
1. малое ≥М1 (10-5Вт/м2) ≥10 pfu ≥48 nT   (Кр 5)
2. умеренное ≥М5 (5х10-5Вт/м2) ≥100 pfu ≥80 nT   (Кр 6)
3. большое ≥X1  (10-4Вт/м2) ≥1000 pfu ≥140 nT Кр 7
4. очень большое ≥X10 (10-3Вт/м2) ≥10 000 pfu ≥240 nT Кр8, 9–
5 экстремальное ≥X20 (2х10-3Вт/м2) ≥100 000 pfu ≥400 nT Кр 9

— электромагнитный удар (BLACKOUT) — воздействие электромагнитного излучения во время развития солнечной вспышки в основном на ионосферу (R5 — радиомолчание на несколько часов);
— солнечные протонные события (SPЕ) — приход в околоземное космическое пространство солнечных заряженных частиц, которые воздействуют в основном на радиационную обстановку в окрестности Земли, вызывают рост электронной концентрации над полярными шапками, нарушая радиосвязь на полярных трассах (S5 — поток протонов с энергией больше 10 МэВ ≥105 частиц на кв. м — до настоящего времени такой поток протонов не наблюдался, максимальный поток протонов был отмечен в августе 1972 года — 8,6·104 частиц на кв. м);
— возмущения геомагнитного поля (MAGNETIC STORMS) — следствие прихода в околоземное космическое пространство потоков солнечной плазмы повышенной плотности, скорости частиц и температуры с усиленным магнитным полем (G5 — магнитная буря с Ар>400 nT).

Таким образом, естественно было бы определить солнечные экстремальные события как большие мощные вспышечные явления, вследствие которых в околоземном космическом пространстве осуществляются максимальные геофизические возмущения по всем трем позициям. Однако солнечные протонные события и возмущения геомагнитного поля сильно зависят от локализации солнечного вспышечного события на видимом диске Солнца. От самой мощной вспышки вблизи лимбов Солнца геомагнитные возмущения и поток высокоэнергичных частиц будут минимальны, так как вся энергия коронального выброса вещества этой вспышки уйдет мимо Земли.

Даже просто большая вспышка со сложной структурой выделения энергии, например, два или более моментов энерговыделения, сопровождающихся корональными выбросами вещества, могут привести к тому, что взаимодействующие межпланетные возмущения усилят друг друга и вызовут экстремальную по интенсивности магнитную бурю. Самый выразительный пример - самая экстремальная по интенсивности магнитная буря прошедшего 23 цикла солнечной активности 20 ноября 2003 года, источником которой была большая солнечная вспышка с двумя средними по мощности рентгеновскими всплесками балл М.

Впервые понимание того факта, что мощные солнечные события значимо влияют на нашу жизнь пришло в середине XIX века, когда 28 августа 1859 г. на видимом диске Солнца наблюдали прохождение очень большой солнечной группы пятен. Английский астроном-любитель Р. Кэррингтон 1 сентября 1859 г. вел обычные зарисовки солнечных пятен, и, в какой-то момент времени, его внимание привлекли четыре небольших ярких пятнышка в упомянутой большой группе пятен. Это было первое наблюдение очень мощной солнечной вспышки [Carrington, 1860]. Через 17 часов 40 мин. в Америке и Европе были зарегистрированы серьезные нарушения проводной телеграфной связи (подводная и подземная кабельная сеть), которые продолжались несколько часов. Этой же ночью полярные сияния наблюдались в Риме, в Гаване и на Гавайях. При известном достаточно точном времени максимума вспышки (узлы вспышки в "белом" свете видны в моменты максимального выделения энергии вспышки) можно сказать, что время распространения возмущения от данной вспышки до Земли было рекордно малым. По общему мнению, это была самая мощная за всю историю наблюдений солнечная вспышка, которая к тому же произошла в удобном месте солнечного диска для максимального влияния на Землю. Следует отметить, что 28 августа 1859 г. на Земле было отмечено ещё более сильное полярное сияние, которое наблюдалось практически на экваторе в Венесуэле. Это были единственные случаи, когда полярное сияние наблюдалось вблизи экватора, и, таким образом, активная область произвела не менее двух экстремальных вспышечных событий. В дальнейшем подобные экстремальные солнечные вспышки регистрировались неоднократно, в общей сложности после 1942 г. — около 40 раз. Разумеется, они все были несколько слабее, чем вспышка 1859 г., но и они были весьма мощными. Соответствующие экстремальные события в околоземном космическом пространстве (магнитные бури, солнечные протонные события) вызвали далеко не все упомянутые солнечные вспышечные события, а только те из них, которые локализовались на видимом диске Солнца в удобном для влияния на Землю интервале долгот. В целом, ни к каким глобальным катастрофическим событиям они не привели.

В настоящее время балл солнечных вспышек оценивается по величине максимального потока мягкого рентгеновского излучения в диапазоне (1–8 Å = 12.5–1 кэВ). Величина больших солнечных вспышек должна превышать 104 вт/м2 (рентгеновский балл Х) и самая экстремально большая солнечная вспышка прошлого 23 цикла СА 4 ноября 2003 года имела рентгеновский балл Х≥17.5. По весьма приблизительным оценкам её расчётный рентгеновский балл может быть Х28, а вспышки 1859 г. — Х40. Если учитывать время насыщения детекторов рентгеновского излучения и их пороги, наиболее интенсивными за всё время наблюдения были рентгеновские вспышки 1 и 6 июня 1991 г. Время запирания прибора достигало 26 мин., а ещё у трех вспышек этой же активной области оно было ≥17 мин. Поэтому для всех них был указан балл Х>12.5 с указанием времени запирания рентгеновского фотометра. Кроме того, в данной активной области осуществилась вспышка балла Х10.0. Эта область является несомненным лидером по количеству и мощности солнечных вспышек за всю историю наблюдения Солнца. Второе и третье место занимают активные области октября 2003 г. и марта 1989 г. К ним следует добавить активную область сентября — октября 1989 г., в которой произошла серия мощных вспышек с одним из самых больших потоков солнечных протонов, создавших серьёзные проблемы для космонавтов, находившихся в это время на борту орбитальной станции МИР.

Несколько слов о реальных возможностях прогноза больших солнечных вспышек. Появление больших солнечных вспышек представляет собой самостоятельный процесс внутри общей эволюции активной области. Этот физический процесс имеет вполне конкретное начало — всплытие нового магнитного потока (ВМП) внутри активной области, максимум — период осуществления вспышек большой и средней мощности и конец после полной реализации энергии ВМП. Ограниченный по времени, такой процесс может ускорить эволюцию активной области, но, в общем случае, такое влияние можно считать несущественным. На всех фазах развития активной области могут происходить всплытия новых магнитных потоков, магнитное поле которых, взаимодействуя со старым полем, вызывает повышение вспышечной активности. Для осуществления больших солнечных вспышек важна не сложность магнитной конфигурации, а динамика, быстрая эволюция нового ВМП, т.е. необходимо сильное изменение структуры магнитного поля активной области, причём наиболее статистически обоснованным временем подготовки вспышечной серии является интервал времени не более 3 суток с момента появления первых признаков нового магнитного потока. Любое всплытие нового магнитного потока приводит к увеличению вспышечной активности, но для осуществления больших геоэффективных вспышек необходимо, чтобы новый ВМП был достаточно большим (> 1013 Вб) и скорость его всплытия была не менее 109 Вб/сек [Ишков, 1999]. С учётом этих наблюдательных фактов в ИЗМИРАН была разработана методика прогноза больших солнечных вспышек, работающая в реальном времени и прошедшая успешную проверку при работе российских космических обсерваторий ГРАНАТ, ГАММА, КОРОНАС-И и КОРОНАС-Ф, КОРОНАС-ФОТОН.

Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что процесс осуществления больших солнечных вспышек, особенно самых мощных, может происходить только в солнечных активных областях, в сложных группах пятен при взаимодействии нового всплывающего магнитного потока с магнитным полем самой группы пятен. Характерное время осуществления взаимодействия этих полей от первых признаков появления нового магнитного потока до начала реализации вспышечной серии не более 3 суток, что и определяет заблаговременность прогноза. Поэтому указание точной даты вспышки более чем за 3 года до её возникновения может представлять собой только плод большой фантазии или намеренный обман.

Наблюдения магнитного поля Солнца и звёзд показали, что всё эволюционное многообразие магнитных образований можно рассматривать как следствие всплытия магнитных потоков, от величины которых зависят размеры и времена существования магнитных структур. На рисунке приведена зависимость магнитных потоков на поверхности Солнца и солнцеподобных звёзд, на которых отмечены очень мощные вспышечные события, от светимости в диапазоне мягкого рентгеновского излучения [Pevtsov, 2003]. Из рисунка следует, что существующие магнитные потоки на Солнце, по всей видимости, не могут обеспечить реализацию более мощных вспышек (>1033 эрг), чем те, которые мы уже наблюдали. Поэтому можно считать, что вспышка 1:09:1859 г. была близка к пределу мощности, которая возможна на Солнце. Следует, однако, заметить, что современная техническая цивилизация стала гораздо более чувствительной к последствиям мощной вспышки на Солнце и поэтому опасность не следует ни недооценивать, ни переоценивать. Возможные отказы технических систем при мощном событии не исключены и следует заблаговременно разрабатывать возможные пути их устранения.

Текущий 24-й цикл солнечной активности начался в январе 2009 г. после беспрецедентно длительного спада солнечной активности за всю историю научных наблюдений Солнца. За три года развития, текущий солнечный цикл развивается достаточно медленным темпом и только вошёл в фазу роста. Уже можно предположить, что точка максимума текущего 24-го солнечного цикла, наступит не ранее февраля — июля 2013 г., и сам цикл будет одним из самых низких со времени достоверных наблюдений Солнца (с 1849 г. — середина солнечного цикла 9). До сих пор это место уверенно занимает солнечный цикл 14 (1902-1913 г.) с относительным числом солнечных пятен W* = 64.2. За почти 3 года развития текущего солнечного цикла на Солнце произошло 22 большие вспышки, и лишь одну из них, балла Х6.9/2В 8 августа 2011 г. можно отнести к разряду мощных, но отнюдь не экстремальных. Все вспышки балла Х произошли на уже в 2011 году на фазе роста, как и следует из статистических исследований прошедших достоверных циклов СА: наиболее мощные солнечные вспышки можно ожидать в период времени фазы роста и (наиболее вероятно) после 2014 г. с наступлением фазы спада цикла СА. Более точный прогноз пока невозможен, из-за отсутствия адекватной модели развития и малой статистики солнечных циклов.


В. Н. Ишков, ИЗМИРАН

Литература: