Солнечная вспышка — это относительно интенсивный, локализованный выброс электромагнитного излучения в атмосферу Солнца . Вспышки происходят в активных регионах и часто, но не всегда, сопровождаются выбросами корональной массы , событиями солнечных частиц и другими эруптивными солнечными явлениями . Частота солнечных вспышек меняется в зависимости от 11-летнего солнечного цикла .
Считается, что солнечные вспышки происходят, когда накопленная магнитная энергия в атмосфере Солнца ускоряет заряженные частицы в окружающей плазме . Это приводит к излучению электромагнитного излучения по всему электромагнитному спектру .
Экстремальное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение от солнечных вспышек поглощается дневной стороной верхней атмосферы Земли, в частности ионосферой , и не достигает поверхности. Это поглощение может временно увеличить ионизацию ионосферы, что может помешать коротковолновой радиосвязи . Прогнозирование солнечных вспышек является активной областью исследований.
Вспышки происходят и на других звездах, в таких случаях применяется термин « звездная вспышка» .
Солнечные вспышки — это выбросы электромагнитного излучения, возникающие в атмосфере Солнца. [1] Они затрагивают все слои солнечной атмосферы ( фотосферу , хромосферу и корону ). [2] Плазменная среда нагревается до >107 Кельвина , в то время как электроны , протоны и более тяжелые ионы ускоряются до скорости, близкой к скорости света . [3] [ 4] Вспышки испускают электромагнитное излучение по всему электромагнитному спектру , от радиоволн до гамма-лучей . [2]
Вспышки происходят в активных регионах , часто вокруг солнечных пятен , где интенсивные магнитные поля проникают в фотосферу, чтобы связать корону с внутренней частью Солнца. Вспышки питаются внезапным (в масштабах от нескольких минут до десятков минут) высвобождением магнитной энергии, хранящейся в короне. Те же самые высвобождения энергии могут также вызывать корональные выбросы массы (CME), хотя связь между CME и вспышками не очень хорошо изучена. [5]
С солнечными вспышками связаны вспышечные брызги. [6] Они вызывают более быстрые выбросы материала, чем эруптивные протуберанцы , [7] и достигают скорости от 20 до 2000 километров в секунду. [8]
Вспышки происходят, когда ускоренные заряженные частицы, в основном электроны, взаимодействуют с плазменной средой. Данные свидетельствуют о том, что явление магнитного пересоединения приводит к этому экстремальному ускорению заряженных частиц. [9] На Солнце магнитное пересоединение может происходить на солнечных аркадах — типе протуберанца, состоящем из серии близко расположенных петель, следующих за магнитными силовыми линиями. [10] Эти силовые линии быстро пересоединяются в нижнюю аркаду петель, оставляя спираль магнитного поля не связанной с остальной частью аркады. Внезапное высвобождение энергии при этом пересоединении является источником ускорения частиц. Несвязанное магнитное спиральное поле и материал, который оно содержит, могут бурно расширяться наружу, образуя выброс корональной массы. [11] Это также объясняет, почему солнечные вспышки обычно извергаются из активных областей на Солнце, где магнитные поля намного сильнее.
Хотя существует общее согласие относительно источника энергии вспышки, задействованные механизмы не очень хорошо изучены. Неясно, как магнитная энергия преобразуется в кинетическую энергию частиц, и неизвестно, как некоторые частицы могут быть ускорены до диапазона ГэВ (10 9 электрон-вольт ) и выше. Существуют также некоторые несоответствия относительно общего числа ускоренных частиц, которое иногда кажется больше общего числа в корональной петле. [12]
После извержения солнечной вспышки, пост-изверженные петли , состоящие из горячей плазмы, начинают формироваться поперек нейтральной линии, разделяющей области противоположной магнитной полярности вблизи источника вспышки. Эти петли простираются от фотосферы вверх в корону и формируются вдоль нейтральной линии на все больших расстояниях от источника с течением времени. [14] Считается, что существование этих горячих петель продолжается за счет длительного нагревания, присутствующего после извержения и во время стадии затухания вспышки. [15]
В достаточно мощных вспышках, как правило, класса C или выше, петли могут объединяться, образуя удлиненную аркообразную структуру, известную как пост-эруптивная аркада . Эти структуры могут существовать от нескольких часов до нескольких дней после первоначальной вспышки. [14] В некоторых случаях над этими аркадами могут образовываться темные плазменные пустоты, движущиеся к Солнцу, известные как над-аркадные нисходящие потоки . [16]
Частота возникновения солнечных вспышек меняется в зависимости от 11-летнего солнечного цикла . Обычно она может варьироваться от нескольких в день во время солнечных максимумов до менее одной в неделю во время солнечных минимумов . Кроме того, более мощные вспышки случаются реже, чем более слабые. Например, вспышки класса X10 (сильные) происходят в среднем около восьми раз за цикл, тогда как вспышки класса M1 (слабые) происходят в среднем около 2000 раз за цикл. [17]
Эрих Ригер с коллегами в 1984 году открыл приблизительно 154-дневный период возникновения гамма- излучения солнечных вспышек, по крайней мере, с солнечного цикла 19 . [18] Период с тех пор был подтвержден в большинстве гелиофизических данных и межпланетном магнитном поле и широко известен как период Ригера . Резонансные гармоники периода также были зарегистрированы в большинстве типов данных в гелиосфере .
Частотные распределения различных вспышечных явлений можно охарактеризовать с помощью степенных распределений . Например, пиковые потоки радиоизлучения, экстремального ультрафиолета, жесткого и мягкого рентгеновского излучения; полная энергия; и длительность вспышек (см. § Длительность) были обнаружены, чтобы следовать степенным распределениям. [19] [20] [21] [22] : 23–28
Современная система классификации солнечных вспышек использует буквы A, B, C, M или X в соответствии с пиковым потоком в ваттах на квадратный метр (Вт/м2 ) мягкого рентгеновского излучения с длиной волны от 0,1 до 0,8 нанометра (от 1 до 8 ангстрем ), измеренным спутниками GOES на геосинхронной орбите .
Сила события в пределах класса обозначается числовым суффиксом от 1 до 10, но не включая его, который также является фактором для этого события в пределах класса. Таким образом, вспышка X2 в два раза сильнее вспышки X1, вспышка X3 в три раза мощнее X1. Вспышки класса M в десять раз меньше вспышек класса X с тем же числовым суффиксом. [23] Вспышка X2 в четыре раза мощнее вспышки M5. [24] Вспышки класса X с пиковым потоком, превышающим 10−3 Вт /м2 , могут обозначаться числовым суффиксом, равным или большим 10.
Эта система была первоначально разработана в 1970 году и включала только буквы C, M и X. Эти буквы были выбраны, чтобы избежать путаницы с другими оптическими системами классификации. Классы A и B были добавлены в 1990-х годах, поскольку приборы стали более чувствительными к более слабым вспышкам. Примерно в то же время начали использоваться бэкронимы «умеренный» для вспышек класса M и «экстремальный» для вспышек класса X. [25]
Более ранняя система классификации, иногда называемая важностью вспышки , была основана на спектральных наблюдениях H-альфа . Схема использует как интенсивность, так и излучающую поверхность. Классификация по интенсивности является качественной, ссылаясь на вспышки как: слабые (f), нормальные (n) или блестящие (b). Излучающая поверхность измеряется в миллионных долях полушария и описана ниже. (Общая площадь полушария A H = 15,5 × 10 12 км 2 .)
Затем вспышка классифицируется по S или числу, которое обозначает ее размер, и букве, которая обозначает ее пиковую интенсивность, например: Sn — это обычная солнечная вспышка. [26]
Общепринятой мерой продолжительности вспышки является время полной ширины на половине максимума (FWHM) потока в мягких рентгеновских диапазонах.0,05–0,4 и 0,1–0,8 нм, измеренные GOES. Время FWHM охватывает период, когда поток вспышки впервые достигает середины между максимальным потоком и фоновым потоком, и когда он снова достигает этого значения по мере затухания вспышки. Используя эту меру, продолжительность вспышки колеблется от приблизительно десятков секунд до нескольких часов со средней продолжительностью приблизительно 6 и 11 минут вПолосы от 0,05 до 0,4 и от 0,1 до 0,8 нм соответственно. [27] [28]
Вспышки также можно классифицировать на основе их продолжительности как импульсные или долгосрочные события ( LDE ). Временной порог, разделяющий эти два события, четко не определен. SWPC рассматривает события, требующие 30 минут или более для спада до половины максимума, как LDE, тогда как Бельгийский центр передового опыта в области солнечно-земных исследований рассматривает события продолжительностью более 60 минут как LDE. [29] [30]
Электромагнитное излучение, испускаемое во время солнечной вспышки, распространяется от Солнца со скоростью света с интенсивностью, обратно пропорциональной квадрату расстояния от области его источника . Известно, что избыточное ионизирующее излучение , а именно рентгеновское и экстремальное ультрафиолетовое (XUV) излучение, влияет на планетарные атмосферы и имеет отношение к исследованию человеком космоса и поиску внеземной жизни.
Солнечные вспышки также влияют на другие объекты в Солнечной системе. Исследования этих эффектов в основном были сосредоточены на атмосфере Марса и, в меньшей степени, на атмосфере Венеры . [31] Воздействия на другие планеты Солнечной системы изучены сравнительно мало. По состоянию на 2024 год исследования их воздействия на Меркурий были ограничены моделированием реакции ионов в магнитосфере планеты , [32] а их воздействие на Юпитер и Сатурн изучалось только в контексте обратного рассеяния рентгеновского излучения от верхних слоев атмосферы планет. [33] [34]
Усиленное XUV-излучение во время солнечных вспышек может привести к увеличению ионизации , диссоциации и нагреванию в ионосферах Земли и планет земного типа. На Земле эти изменения в верхней атмосфере, в совокупности называемые внезапными ионосферными возмущениями , могут мешать коротковолновой радиосвязи и глобальным навигационным спутниковым системам (GNSS), таким как GPS , [35] а последующее расширение верхней атмосферы может увеличить сопротивление спутников на низкой околоземной орбите, что со временем приведет к их орбитальному спаду . [36] [37] [ необходимы дополнительные ссылки ]
Связанные со вспышками XUV-фотоны взаимодействуют с нейтральными компонентами планетарных атмосфер и ионизируют их посредством процесса фотоионизации . Электроны, которые освобождаются в этом процессе, называемые фотоэлектронами , чтобы отличать их от окружающих ионосферных электронов, остаются с кинетической энергией, равной энергии фотона сверх порога ионизации . В нижней ионосфере, где воздействие вспышек является наибольшим, а явления переноса менее важны, недавно освобожденные фотоэлектроны теряют энергию в основном за счет термализации с окружающими электронами и нейтральными частицами и за счет вторичной ионизации из-за столкновений с последними, или так называемой ионизации под действием фотоэлектронов . В процессе термализации фотоэлектроны передают энергию нейтральным частицам, что приводит к нагреванию и расширению нейтральной атмосферы. [38] Наибольшее увеличение ионизации происходит в нижней ионосфере, где поглощаются длины волн с наибольшим относительным увеличением облученности — высокопроникающие длины волн рентгеновского излучения, соответствующие слоям E и D Земли и слою M 1 Марса . [31] [35] [39] [40] [41]
Временное увеличение ионизации дневной стороны атмосферы Земли, в частности слоя D ионосферы , может мешать коротковолновой радиосвязи, которая зависит от уровня ионизации для распространения небесной волны . Небесная волна, или пропуск, относится к распространению радиоволн, отраженных или преломленных от ионизированной ионосферы. Когда ионизация выше нормы, радиоволны деградируют или полностью поглощаются, теряя энергию из-за более частых столкновений со свободными электронами. [1] [35]
Уровень ионизации атмосферы коррелирует с силой связанной с ней солнечной вспышки в мягком рентгеновском излучении. Центр прогнозирования космической погоды , часть Национального управления океанических и атмосферных исследований США , классифицирует радиоблэкауты по пиковой интенсивности мягкого рентгеновского излучения связанной с ней вспышки.
В условиях отсутствия вспышек или солнечного спокойствия электрические токи протекают через дневной слой E ионосферы, вызывая суточные вариации геомагнитного поля малой амплитуды. Эти ионосферные токи могут усиливаться во время крупных солнечных вспышек из-за увеличения электропроводности , связанного с повышенной ионизацией слоев E и D. Последующее увеличение индуцированной вариации геомагнитного поля называется эффектом солнечной вспышки ( sfe ) или исторически как магнитный крючкообразный . Последний термин происходит от французского слова crochet, означающего крючок , отражающего крючкообразные возмущения напряженности магнитного поля, наблюдаемые наземными магнитометрами . Эти возмущения имеют порядок нескольких нанотесл и длятся несколько минут, что относительно незначительно по сравнению с теми, которые возникают во время геомагнитных бурь. [42] [43]
Для астронавтов на низкой околоземной орбите ожидаемая доза облучения от электромагнитного излучения, испускаемого во время солнечной вспышки, составляет около 0,05 грея , что само по себе не является немедленно смертельным. Гораздо большую озабоченность для астронавтов представляет собой излучение частиц , связанное с событиями солнечных частиц. [44] [ требуется лучший источник ]
Воздействие солнечной радиации вспышек на Марс имеет отношение к исследованию и поиску жизни на планете . Модели ее атмосферы показывают, что наиболее энергичные солнечные вспышки, зарегистрированные ранее, могли обеспечить острые дозы радиации, которые были бы почти вредны или смертельны для млекопитающих и других высших организмов на поверхности Марса. Более того, вспышки, достаточно энергичные, чтобы обеспечить смертельные дозы, хотя еще не наблюдались на Солнце, как полагают, происходят и наблюдались на других звездах, подобных Солнцу . [45] [46] [47]
Вспышки производят излучение по всему электромагнитному спектру, хотя и с разной интенсивностью. Они не очень интенсивны в видимом свете, но могут быть очень яркими в определенных спектральных линиях . Обычно они производят тормозное излучение в рентгеновских лучах и синхротронное излучение в радиодиапазоне. [48]
Солнечные вспышки были впервые независимо обнаружены Ричардом Каррингтоном и Ричардом Ходжсоном 1 сентября 1859 года, проецируя изображение солнечного диска, полученное оптическим телескопом, через широкополосный фильтр. [50] [51] Это была необычайно интенсивная вспышка белого света , вспышка, излучающая большое количество света в визуальном спектре . [50]
Поскольку вспышки производят обильное количество излучения на H-альфа , [52] добавление узкого (≈1 Å) полосового фильтра, центрированного на этой длине волны, к оптическому телескопу позволяет наблюдать не очень яркие вспышки с помощью небольших телескопов. В течение многих лет Hα был основным, если не единственным, источником информации о солнечных вспышках. Также используются другие полосовые фильтры. [ необходима цитата ]
Во время Второй мировой войны 25 и 26 февраля 1942 года британские операторы радаров наблюдали излучение, которое Стэнли Хей интерпретировал как солнечное излучение. Их открытие не было обнародовано до конца конфликта. В том же году Саутворт также наблюдал Солнце в радиодиапазоне, но, как и в случае с Хеем, его наблюдения стали известны только после 1945 года. В 1943 году Грот Ребер был первым, кто сообщил о радиоастрономических наблюдениях Солнца на частоте 160 МГц. Быстрое развитие радиоастрономии выявило новые особенности солнечной активности, такие как штормы и всплески , связанные со вспышками. Сегодня наземные радиотелескопы наблюдают за Солнцем в диапазоне от 15 МГц до 400 ГГц.
Поскольку атмосфера Земли поглощает большую часть электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем с длинами волн короче 300 нм, космические телескопы позволили наблюдать солнечные вспышки в ранее не наблюдавшихся высокоэнергетических спектральных линиях. С 1970-х годов серия спутников GOES непрерывно наблюдает Солнце в мягком рентгеновском диапазоне, и их наблюдения стали стандартной мерой вспышек, что снизило важность классификации H-альфа. Кроме того, космические телескопы позволяют наблюдать чрезвычайно длинные волны — до нескольких километров — которые не могут распространяться через ионосферу.
Самой мощной из когда-либо наблюдавшихся вспышек считается вспышка, связанная с событием Кэррингтона 1859 года. [54] Хотя в то время не было проведено никаких измерений мягкого рентгеновского излучения, магнитный крючок, связанный со вспышкой, был зарегистрирован наземными магнитометрами, что позволило оценить силу вспышки после события. Используя эти показания магнитометра, ее класс мягкого рентгеновского излучения был оценен как более X10 [55] и около X45 (±5). [56] [57]
В наше время самая большая солнечная вспышка, измеренная с помощью приборов, произошла 4 ноября 2003 года . Это событие переполнило детекторы GOES, и из-за этого его классификация является лишь приблизительной. Первоначально, экстраполируя кривую GOES, она была оценена как X28. [58] Более поздний анализ ионосферных эффектов предложил увеличить эту оценку до X45. [59] [60] Это событие дало первое четкое свидетельство нового спектрального компонента выше 100 ГГц. [61]
Современные методы прогнозирования вспышек проблематичны, и нет никаких определенных указаний на то, что активная область на Солнце произведет вспышку. Однако многие свойства активных областей и их солнечных пятен коррелируют со вспышкой. Например, магнитно-сложные области (основанные на магнитном поле прямой видимости), называемые дельта-пятнами, часто производят самые большие вспышки. Простая схема классификации солнечных пятен, основанная на системе Макинтоша для групп солнечных пятен или связанная с фрактальной сложностью области [62], обычно используется в качестве отправной точки для прогнозирования вспышек. [63] Прогнозы обычно формулируются в терминах вероятностей возникновения вспышек выше M- или X-класса в течение 24 или 48 часов. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) выпускает прогнозы такого рода. [64] MAG4 был разработан в Университете Алабамы в Хантсвилле при поддержке Группы анализа космической радиации в Центре космических полетов Джонсона (NASA/SRAG) для прогнозирования вспышек класса M и X, корональных выбросов массы, быстрых корональных выбросов массы и событий, связанных с солнечными энергичными частицами. [65] Основанный на физике метод, который может предсказывать неминуемые крупные солнечные вспышки, был предложен Институтом исследований окружающей среды космоса и Земли (ISEE) при Университете Нагои. [66]