Электромагнитное и корпускулярное излучения

Б. Ф. Гордиец, М. Н. Марков, Л. А. Шелепин

Подавляющее большинство процессов на Земле обусловлено энергией, поступающей от Солнца. Эта энергия высвобождается в недрах Солнца за счет термоядерных реакций. До расстояний ~0,8 солнечного радиуса происходит лучистый перенос энергии, обусловленный поглощением излучения и последующим переизлучением. Перенос же энергии во внешние слои Солнца (солнечную атмосферу) осуществляется путем конвекции. Конвективная зона, состоящая из отдельных конвективных ячеек, имеет толщину ~105 км. В результате конвекции энергия, вырабатываемая внутри недр Солнца, попадает в нижний слой солнечной атмосферы — фотосферу. Фотосфера, имеющая толщину 100 — 300 км, представляет собой сильно ионизованный газ с плотностью 1016—1017 см–3, излучающий как абсолютно черное тело при температуре 6000 К. Она излучает практически всю энергию, исходящую от Солнца. Кроме фотосферы, солнечная атмосфера включает в себя еще два слоя, расположенных выше: хромосферу (толщиной ~104 км) и корону. За счет того, что в газе малой плотности, из которого состоят эти слои, теряют энергию различные волны, возникающие ниже, в конвективной зоне, температура здесь существенно выше, чем в фотосфере. Так, температура на внешней границе хромосферы достигает ~106 К, а в короне — еще выше. Из верхнего слоя солнечной атмосферы — короны непрерывно истекает корпускулярный поток, т. е. поток частиц, в основном электронов и протонов. Все околосолнечное пространство заполнено этими частицами (водородной плазмой), движущимися радиально от Солнца. Это корпускулярное излучение получило название солнечного ветра. Для спокойных условий средняя скорость этого ветра ~400 км/с, плотность в окрестности орбиты Земли — 1—2 частицы в 1 см3; энергия его составляет миллионную долю в общем энергетическом балансе солнечного излучения.

Обычно в качестве характеристики солнечной энергии используют так называемую солнечную постоянную — величину потока энергии, который падает на площадку в 1 см2, находящуюся на среднем расстоянии от Земли до Солнца, составляющую 1,4 · 106 эрг/см2 · с.

Хотя общий поток энергии и остается практически постоянным, сами процессы на Солнце отличаются значительной нестабильностью. Время от времени в атмосфере Солнца возникают так называемые активные области (их иногда образно называют солнечными бурями). Эти области прежде всего характеризуются возмущенностью магнитного поля. Так, в спокойной части атмосферы Солнца напряженность магнитного поля обычно не превосходит 1 эрстед, а в активных областях она увеличивается в десятки, сотни и даже тысячи раз. Сравнительно небольшое возрастание напряженности поля способствует росту в этом месте потерь энергии волн, приходящих из конвективной зоны, и, следовательно, разогреву, что приводит к большей яркости на общем фоне. Такая зона активной области называется факелом.

При значительном возрастании напряженности магнитное поле начинает препятствовать движению плазмы, а значит, и конвективному переносу энергии. Это приводит к понижению температуры в данной области. Центр ее может оказаться «холоднее» окружающей фотосферы почти на 2000 К. Поэтому такие области выглядят темными пятнами на более ярком фоне солнечного диска.

Пятна на Солнце являются наиболее характерным проявлением солнечной активности. Они наблюдались еще много веков назад. Пятна обычно располагаются группами по обе стороны солнечного экватора (от 5 до 35° широты). Размеры пятен варьируются от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров. В каждой группе имеются два главных, самых больших пятна. В центре пятна силовые линии магнитного поля почти перпендикулярны к поверхности Солнца. Максимальная напряженность поля в центре пятна лежит в пределах от 50 до 4000 эрстед и тем больше, чем больше площадь пятна. В каждом из двух главных пятен направления поля противоположны. С магнитными полями связаны и активные образования в хромосфере и короне. Для хромосферы характерными образованиями являются флоккулы — аналоги обычного фотосферного факела. Так же, как и у факела, увеличение их яркости (в ряде дискретных линий солнечного спектра) связано со сравнительно небольшим возрастанием напряженности магнитного поля.

Рост напряженности магнитного поля (но уже крупномасштабный и сильный) обусловливает возникновение грандиозных активных образований в солнечной короне — протуберанцев. За счет протуберанцев, напоминающих при наблюдении языки пламени, происходит обмен веществом между хромосферой и короной.

Все активные образования в солнечной атмосфере являются нестационарными. Они «рождаются», «живут», «умирают». Время жизни пятна — от нескольких часов до месяцев. Поскольку Солнце (его экваториальная часть) совершает один оборот вокруг своей оси за 27 суток, периодическое появление долгоживущих пятен на видимой стороне Солнца обусловливает периодические (рекуррентные) изменения солнечной активности.

Однако в целом по всему диску Солнца количество активных образований меняется периодически со средним периодом 11,3 года (с вариацией периода от 7 до 17 лет). Среди регистрируемых сейчас индексов солнечной активности числа Вольфа являются единственными, записи которых насчитывают уже более двухсот лет. На рис. 1 приведены среднегодовые числа Вольфа за время с 1770 по 1970 г. Интересно, что 1980 г. — год опубликования этой брошюры — приходится на максимум солнечной активности.

Наряду с 11-летним циклом существуют и другие периоды активности, например 90-летний цикл (его можно видеть из рис. 1); имеются указания о наличии 600-летнего цикла.

Механизм формирования 11-летнего цикла до сих пор не вполне ясен. К настоящему времени для объяснения его предложен целый ряд остроумных гипотез, не свободных, однако, от недостатков.

Так, в научной литературе обсуждалась возможность объяснения циклической активности Солнца движением планет и в первую очередь движением самой большой планеты — Юпитера, который имеет довольно вытянутую орбиту и период обращения вокруг Солнца 11,6 лет. Однако, как выяснилось, изменения при этом гравитационной энергии системы Юпитер — Солнце недостаточно для создания колебаний активности. Источник этих колебаний заведомо находится внутри Солнца. (Полностью, однако, влияние движения планет на процесс циклических колебаний активности пока исключить нельзя вследствие возможных неустойчивостей процесса.)

Сейчас уже нет сомнений, что важная, если не определяющая, роль в образовании циклической активности принадлежит магнитному полю. Согласно одной из широко распространенных гипотез формирование 11-летнего цикла связано с периодическим увеличением напряженности магнитного поля в отдельных областях, что обусловлено различными скоростями вращения приполярных и экваториальных частей Солнца и беспорядочными, турбулентными движениями плазмы в конвективной зоне. Согласно другой гипотезе в конвективной зоне на широтах от –35° до +35° в конвективных ячейках, расположенных слоями друг над другом, постепенно накапливаются мелкомасштабные магнитные поля — зародыши будущих активных областей. При достижении некоторой напряженности поля из-за возрастания магнитных сил давления ячейки начинают увеличиваться в размерах, что приводит к появлению архимедовой силы плавучести, стремящейся оторвать верхний слой ячеек от нижележащих слоев. Наиболее легко при этом отрываются и всплывают в фотосферу, образуя активные области, ячейки, расположенные у краев пояса. На распад всего верхнего слоя ячеек пояса уходит 11 лет, а затем весь процесс начинается заново. Таким образом, солнечная активность представляет собой периодический релаксационный процесс высвобождения накапливаемой магнитной энергии.

До сих пор мы рассматривали явления солнечной активности, протекающие сравнительно медленно и почти равновесно. Существуют, однако, мощные возмущения, носящие взрывной характер, в результате которых в хромосфере за время от нескольких минут до нескольких часов происходит высвобождение большой энергии. Такие процессы называются хромосферными вспышками. При очень мощной вспышке может высвободиться до 1032 эрг, что эквивалентно взрыву двух миллиардов водородных бомб с тротиловым эквивалентом в 1 мегатонну. Вспышки происходят чаще всего вблизи солнечных пятен в областях, где магнитные поля резко меняют свою напряженность и обладают неустойчивой конфигурацией. Из-за развития неустойчивости под действием сил магнитного давления может происходить сильное (в сотни и тысячи раз) сжатие плазмы и повышение ее температуры. Это приводит в конечном счете к выбросу вещества из хромосферы и резкому увеличению потока электромагнитного излучения в отдельных областях спектра.

Таким образом, наряду с долгопериодными циклическими изменениями важно знать солнечную активность в каждый заданный момент времени, т. е. конкретную солнечную «погоду». Эта «погода» определяется состоянием солнечной атмосферы: наличием и расположением активных областей, количеством и энергией вспышек. Отметим, что в годы повышенной солнечной активности может происходить по нескольку десятков вспышек в день. В эпоху минимума вспышек существенно меньше, и обычно они более слабые (хотя далеко не всегда, бывают очень мощные вспышки на спокойном фоне).

Благодаря прогрессу в изучении космического пространства, достигнутого с помощью ракет и спутников, оказалось возможным провести детальный анализ электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца. Было показано, что при постоянстве общего потока энергии в результате возрастания солнечной активности может происходить значительное увеличение интенсивности электромагнитного излучения в диапазоне длинных (радиоволн) и коротких (далекого ультрафиолета и рентгена) волн, а также резкое увеличение потока корпускулярного излучения. (Подавляющая же часть энергии Солнца приходится на инфракрасное и видимое излучения и ближний ультрафиолет.) Так, мощность радиоизлучения на волне 10,7 см может возрастать в 10 — 103 раз. При переходе от минимума солнечной активности к максимуму наблюдалось увеличение мощности электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне: 60 —20 Å — в 7 раз, 20 — 8 Å — в 60 раз, короче 8 Å — в 600 раз. Общий поток энергии в области длин волн короче 1026 Å возрастал от 2 до ~8 эрг/см2 · с. Поток же корпускулярного излучения при хромосферных вспышках может возрастать от 0,5 эрг/см2 · с в спокойные дни до ~ 100 эрг/см2 · с, т. е. более чем в 100 раз, при этом скорости движения корпускул могут увеличиться от ~400 км/с до 1000 км/с.

Для определения солнечной «погоды» на текущий момент времени оказывается весьма удобным использовать индекс, соответствующий мощности солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см. Дело в том, что это радиоизлучение Солнца легко может быть зарегистрировано и измерено наземными приборами и в то же время интенсивность его хорошо коррелирует с интенсивностью коротковолнового и корпускулярного излучений, поглощаемых в атмосфере Земли на высотах, обычно больших 90 км. Но именно знание этих излучений и их прогнозирование являются чрезвычайно существенными для изучения солнечно-земных связей (а также и для космических полетов, поскольку резкое повышение радиации небезразлично для космонавтов). Следует, однако, отметить, что задача прогнозирования солнечной «погоды» еще далека от своего решения. При этом, если иметь в виду влияние этой «погоды» на земные процессы, следует указать еще на одно обстоятельство. Для многих процессов на Земле, «откликающихся» на солнечную активность, важным является не состояние солнечной атмосферы, т. е. не солнечная активность сама по себе, а такие проявления ее на Земле, как величины возмущений геомагнитного поля и потока энергии заряженных частиц, непосредственно достигающих атмосферы Земли. Так вот, оказалось, что нет прямой и однозначной связи между состоянием солнечной атмосферы и указанными проявлениями солнечной активности на Земле. Это объясняется сложным характером взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли, наличием определенных неустойчивостей для заряженных частиц, движущихся в околоземном космическом пространстве. Остановимся на этом вопросе несколько подробнее.