В физике Солнца событие солнечных частиц ( SPE ), также известное как событие солнечных энергетических частиц или солнечная радиационная буря , [a] [1] — это солнечное явление , которое происходит, когда частицы, испускаемые Солнцем , в основном протоны , либо ускоряются, либо в атмосфере Солнца во время солнечной вспышки или в межпланетном пространстве в результате коронального выброса массы . Другие ядра, такие как ионы гелия и HZE, также могут ускоряться во время этого события. Эти частицы могут проникать через магнитное поле Земли и вызывать частичную ионизацию ионосферы . Энергичные протоны представляют значительную радиационную опасность для космических кораблей и астронавтов .
СПС возникают, когда заряженные частицы в атмосфере Солнца ускоряются до чрезвычайно высоких скоростей. Эти заряженные частицы, называемые солнечными энергетическими частицами , могут уходить в межпланетное пространство, где они следуют за межпланетным магнитным полем .
Когда солнечные энергетические частицы взаимодействуют с магнитосферой Земли , они направляются магнитным полем Земли к Северному и Южному полюсам, где они могут проникнуть в верхние слои атмосферы. [2]
Физический механизм ускорения солнечных энергетических частиц, приводящий к СПС, в настоящее время обсуждается. Однако SPE обычно можно разделить на два класса в зависимости от их механизмов ускорения. [ нужна цитата ]
Считается, что постепенное СПС связано с ускорением частиц ударными волнами , вызванными корональными выбросами массы в верхней части короны . Они связаны с радиовсплесками типа II и характеризуются содержанием элементов, зарядовыми состояниями и температурами, близкими к температуре окружающей короны. Эти события производят самую высокую интенсивность частиц вблизи Земли.
Считается, что импульсивные СПС связаны с ускорением частиц в основном за счет процессов, связанных с магнитным пересоединением и взаимодействием волн и частиц в местах солнечных вспышек . Они связаны с кратковременными вспышечными выбросами на малых высотах и радиовсплесками III типа . У Земли они менее интенсивны, чем постепенные события. Был идентифицирован дополнительный гибридный класс, который включает в себя характеристики как постепенных, так и импульсивных событий. [3] [4]
Протоны, ускоренные во время СПС, обычно имеют недостаточную энергию для проникновения в магнитное поле Земли. Однако во время необычайно сильных вспышек протоны могут ускоряться до энергии, достаточной для достижения магнитосферы и ионосферы Земли вокруг Северного и Южного полюсов .
Энергичные протоны, направляемые в полярные регионы, сталкиваются с составляющими атмосферы и высвобождают свою энергию в процессе ионизации. Большая часть энергии сосредоточена в крайней нижней области (D-области) ионосферы ( около 50–80 км на высоте). Эта область особенно важна для ионосферной радиосвязи, поскольку именно здесь происходит большая часть поглощения энергии радиосигнала. Усиленная ионизация, создаваемая прибывающими энергичными протонами, увеличивает уровни поглощения в нижней ионосфере и может привести к полной блокировке всей ионосферной радиосвязи через полярные регионы. Такие события известны как события поглощения полярной шапки. Эти события начинаются и продолжаются до тех пор, пока энергия входящих протонов с энергией примерно более 10 МэВ (миллионов электрон-вольт) не превысит примерно 10 pfu (единиц потока частиц или частиц ср -1 см -2 с -1 ) на геостационарных спутниковых высотах.
Поглощение полярной шапки и связанное с этим отключение ВЧ-радиосвязи создают уникальные проблемы для коммерческой и военной авиации. Маршруты, проходящие через полярные регионы , особенно выше 82 градусов северной широты, могут полагаться только на ВЧ-радиосвязь. Следовательно, если события поглощения полярной шапки продолжаются или прогнозируются, коммерческие авиакомпании должны перенаправить свои маршруты так, чтобы ВЧ-связь оставалась жизнеспособной. [5] [6]
Чрезвычайно интенсивные СПС, способные производить энергичные протоны с энергией более 200 МэВ, могут увеличить скорость счета нейтронов на наземных уровнях за счет эффектов вторичного излучения. Эти редкие события известны как улучшения уровня земли (или GLE). [7] На данный момент известно 73 события GLE. [8] Самое сильное известное событие GLE было обнаружено 23 февраля 1956 года. [9] Некоторые события производят большое количество ионов HZE, хотя их вклад в общее излучение невелик по сравнению с уровнем протонов. [10]
Считается, что события солнечных частиц ответственны за события Мияке : наблюдалось резкое увеличение концентрации определенных изотопов, обнаруженных в древесных кольцах. Эти события, открытые физиком Фусой Мияке, позволили датировать ряд прошлых СПС определенными годами.
Полеты коммерческих трансполярных самолетов на большой высоте зафиксировали увеличение радиации во время этих событий. В 2019 году Международная организация гражданской авиации представила Центры космической погоды, которые публикуют рекомендации по космической погоде, имеющие отношение к международной аэронавигации, с описанием воздействия космической погоды на авиацию и возможных мер по смягчению последствий. [11] Полеты самолетов за пределы полярных регионов с гораздо меньшей вероятностью ощутят воздействие СПС.
Значительному воздействию протонного излучения могут подвергнуться космонавты, находящиеся за пределами защитного щита магнитосферы Земли, например космонавт, направляющийся на Луну или находящийся на ней. Однако последствия можно свести к минимуму, если астронавты будут находиться на низкой околоземной орбите и оставаться в наиболее защищенных областях своего космического корабля. Уровни протонного излучения на низкой околоземной орбите увеличиваются с увеличением наклона орбиты. Следовательно, чем ближе космический корабль приближается к полярным регионам, тем больше будет воздействие энергичного протонного излучения.
Энергичные протоны от SPE могут электрически заряжать космический корабль до уровня, который может повредить электронные компоненты. Они также могут привести к нестабильному поведению электронных компонентов. Например, твердотельная память космического корабля может быть изменена, что может привести к загрязнению данных или программного обеспечения и привести к выполнению неожиданных (фантомных) команд космического корабля. Энергичные протонные бури также снижают эффективность солнечных панелей , которые предназначены для сбора и преобразования солнечного света в электричество. За годы воздействия энергичной протонной активности Солнца космический корабль может потерять значительное количество электроэнергии, что может потребовать отключения важных приборов.
Когда энергичные протоны ударяются о чувствительную оптическую электронику космического корабля (например, звездные трекеры и другие камеры), на снимаемых изображениях возникают вспышки. Эффект может быть настолько выраженным, что во время экстремальных явлений невозможно получить качественные изображения Солнца или звезд. Это может привести к тому, что космический корабль потеряет ориентацию, что имеет решающее значение, если наземные диспетчеры хотят сохранить контроль.
Крупные СПС могут быть связаны с геомагнитными бурями, которые могут вызвать широкомасштабные нарушения в работе электрических сетей . Однако сами по себе протонные события не несут ответственности за возникновение аномалий в энергосистемах и не за возникновение геомагнитных бурь. Электрические сети чувствительны только к колебаниям магнитного поля Земли.