Хронология вспышек на солнце: Сильные солнечные и катастрофические звездные вспышки

Сильные солнечные и катастрофические звездные вспышки

Борис Штерн
«Троицкий вариант — Наука» № 23(317), 17 ноября 2020 года

Может ли цивилизация погибнуть от аномально мощной солнечной вспышки? Этот вопрос интенсивно обсуждается в прессе, причем всплеск интереса произошел в конце прошлого года после публикации одной из цитируемых ниже работ.

Для начала определимся с пониманием того, что такое солнечная вспышка. Солнце — мощный генератор магнитного поля, причем с двумя глобальными модами, между которыми идет перекачка энергии туда-сюда с периодом 22 года: тороидальной и дипольной (полоидальной) составляющими. В этом описании очень важны два обстоятельства:

  1. Магнитное поле вморожено в вещество Солнца из-за огромной проводимости солнечной плазмы. Любое поперечное движение силовых линий относительно вещества индуцирует токи, которые компенсируют это движение. Двигающееся вещество, будь то глобальное движение или хаотичная турбулентность, тянет поле за собой.
  2. Солнце вращается вовсе не как твердое тело. Экватор и низкие широты вращаются быстрей, чем высокие широты. Из-за этого меридиональное поле наматывается витками по широте — в результате в толще Солнца образуются два глобальных обруча по сторонам от экватора (рис. 1), мы наблюдаем их эффект как цепи солнечных пятен над ними.

Максимум солнечной активности — это максимальная мощность этих магнитных обручей при минимальной дипольной составляющей. Плазма с магнитным полем в равновесии легче, чем без поля, — оно дает дополнительное давление. Поэтому магнитное поле стремится всплыть и всплывает в виде огромных петель. Там, где у этих петель «ноги», возникают солнечные пятна: магнитное поле препятствует передаче тепла, и поверхность охлаждается до 4000°K. И когда сходятся «ноги» двух петель противоположной полярности, они начинают пересоединяться — это и есть солнечная вспышка.

Магнитное поле, заключающее в себе огромную энергию, аннигилирует: из двух петель получается одна. Высвободившаяся энергия передается частицам, через них — гамма- и рентгеновским квантам. Они прилетают через 8 минут после начала вспышки, которая обычно продолжается от нескольких минут до нескольких десятков минут.

Сами частицы больших энергий распирают петлю и улетают — это называется корональный выброс. Облако частиц достигает Земли через пару дней и плющит нашу магнитосферу. Происходит то, что называется «магнитной бурей»: пропадает радиосвязь, а в линиях передач индуцируется скачок напряжения.

Это, в общем, рутинные события, мелкие неприятности. Однако по крайней мере одна вспышка за всю историю наблюдений и последовавшая за ней магнитная буря вышли далеко за рамки рутины. Это хорошо известное Квебекское событие, когда в большей части канадской провинции Квебек на несколько дней отрубилось электричество — именно из-за индукционных наводок в линиях передач.

Другая знаменитая вспышка, вызвавшая сильнейшую геомагнитную бурю, произошла в 1859 году — так называемое Событие Каррингтона, по имени описавшего ее астронома. В тот раз полярное сияние наблюдалось вплоть до Кубы, вышел из строя телеграф, а если бы в то время существовали электросети, то вышли бы из строя и они. Современные оценки ущерба от подобной геомагнитной бури дают цифру 2–3 трлн долл. (только для США). Полное энерговыделение сильнейших «исторических» вспышек — порядка 1032 эрг. Это существенно меньше, чем Солнце выделяет за секунду (4 · 1033 эрг/с), но производит большой эффект из-за жесткости выделенного излучения и ускоренных частиц.

Событие Каррингтона — самая сильная вспышка за время инструментальных наблюдений, но далеко не самая сильная в исторические времена. В 775 году произошел подброс содержания радиоактивного изотопа 14С в кольцах деревьев (дуб и кедр) и изотопа 10Ве в годовых слоях гренландского льда. Эта вспышка была по меньшей мере в 40 раз сильней, чем любая из вспышек, зарегистрированных в космическую эпоху, и превосходила по энерговыделению 1033 эрг.

Илья Усоскин (Университет Оулу, Финляндия) в своем обзоре [2] утверждает, что это — самое сильное событие в голоцене, начавшемся 11 тыс. лет назад. Он же в частном сообщении высказал мнение, что это вообще близко к теоретическому пределу мощности солнечной вспышки; по его словам, этот предел с некоторым усилием можно дотянуть до 1034 эрг, но не более того. Тем не менее существуют молодые звезды класса Солнца (класс G), чьи вспышки выделяют до 1036 эрг, и более старые, вращающиеся с той же скоростью, что и Солнце, со вспышками до 1035 эрг. То есть существуют аналоги Солнца со вспышками почти в тысячу раз сильней рекордсменов последних 50 лет. Эти вспышки видят в данных космического телескопа «Кеплер», который был нацелен на поиск экзопланет, но принес массу другой ценной информации.

«Кеплер» видит вспышки большого числа звезд. Конечно, он наблюдает только достаточно сильные события, причем видит их не в рентгене, а в оптике. Примеры вспышек, взятые из статьи [3], показаны на рис. 3. Можно в очередной раз отметить потрясающее качество данных: «Кеплер» прекрасно видит колебания блеска из-за неравномерного распределения пятен на поверхности звезды, так что можно оценить суммарную площадь пятен.

В обстоятельной статье [4] авторы задаются вопросом: есть ли среди «супервспышечных» звезд, обнаруженных «Кеплером», медленно вращающиеся звезды, подобные Солнцу? При этом они использовали данные космического телескопа Gaia, нацеленного на астрометрические измерения и наблюдения на наземном телескопе. Ответ оказался положительным.

Звездные супервспышки вместе с измеренными солнечными вспышками показаны на рис. 4. Облако событий «Кеплера» лежит достаточно далеко и отделено от облака солнечных вспышек большим промежутком. Эти облака представляют разные явления или одно и то же, искаженное наблюдательной селекцией? Может ли распределение интерпретироваться так, что «Кеплер» не видит слабых вспышек, а наблюдения за Солнцем слишком коротки по времени, чтобы на нем произошли сильные? Пожалуй, нет. Скорее всего, это все-таки разные явления, но распространяется ли второе из них, катастрофическое, на звезды типа Солнца и, может быть, на наше Солнце?

На рис. 5 показано распределение мощности вспышек в зависимости от скорости вращения звезды. Слева — молодые, быстро вращающиеся звезды класса G, справа — медленно вращающиеся, старые. Период обращения Солнца — 24 дня. Видно, что есть отрицательная корреляция между периодом вращения и мощностью супервспышек, но всё равно последние дотягивают до 1035 эрг и у медленно вращающихся звезд. Данные Gaia и наземного телескопа APO 3.5 m не демонстрируют какого-либо отличия тех звезд от Солнца.

Что произойдет, если Солнце взбрыкнет подобным образом? Если бы аномальная вспышка произошла до середины XIX века, не случилось бы ничего плохого, разве что пострадал бы озоновый слой Земли. Зато люди подивились бы чудесному сиянию неба. Произойди вспышка типа 1035 эрг сейчас, цивилизация понесла бы тяжелейший урон, большие человеческие потери, а потом много лет бы восстанавливалась. Для этого даже не нужно такой мощности: события 775 года вполне могло бы хватить.

А что произойдет в прогнозируемом технологическом будущем, когда человек будет сильнее зависеть от искусственной среды, — даже представить страшно. Мои собственные фантазии на эту тему (не претендующие на статус научного прогноза) можно прочесть в книге «Феникс сапиенс» [5]. Однако, на мой взгляд, человечеству не стоит забывать о возможности такой сильной вспышки. Необходимо подумать о том, как к ней подготовиться. Предупрежден — вооружен.

Литература
1. Augustson et al. Grand Minima and Equatorward Propagation in a Cycling Stellar Convective Dynamo // The Astrophysical Journal. 2015. arXiv:1410.6547.
2. Usoskin I. G. A history of solar activity over millennia // Living Rev. Sol. Phys. 2017. 14:3.
3. Maehara et al. Statistical properties of superflares on solar-type stars based on 1-min cadence data // Earth, Planets and Space. 2015. 67:59.
4. Yuta Notsu et al. Do Kepler Superflare Stars Really Include Slowly Rotating Sun-like Stars? — Results Using APO 3.5 m Telescope Spectroscopic Observations and Gaia-DR2 Data // The Astrophysical Journal. 1 May 2019. 876:58.
5. Штерн Б. Феникс сапиенс. Троицк: Троицкий вариант, 2020.

График солнечного цикла | Солнечная активность

График солнечного цикла

Графики на этой странице отображают динамику активности Солнца в период текущего солнечного цикла. Таблицы обновляются каждый месяц SWPC с последними прогнозами ISES. Наблюдаемые значения представляют собой временные значения, которые заменяются конечными данными, когда они доступны. Все графики на этой странице могут быть экспортированы в виде файлов JPG, PNG, PDF или SVG. Каждый набор данных может быть включен или выключен, щелкнув соответствующее описание под каждым графом.

История солнечных циклов

Количество солнечных вспышек C, M и X-класса в год

На этом графике показано количество солнечных вспышек C, M и X-класса, которые произошли в течение заданного вами года. Это дает представление о количестве солнечных вспышек по отношению к числу солнечных пятен. Таким образом, это еще один способ увидеть как эволюционирует солнечный цикл с течением времени. Эти данные поступают из SWPC NOAA и обновляются ежедневно.

На приведенном ниже графике показано количество солнечных вспышек C, M и X-класса, которые произошли в течение последнего месяца вместе с количеством солнечных пятен каждого дня. Это дает представление о солнечной активности в течение последнего месяца. Эти данные поступают из SWPC NOAA и обновляются ежедневно.

The Butterfly Diagram

Throughout the solar cycle, the latitude of sunspot regions varies with an interesting pattern. The graph below shows the latitude of all sunspot regions of the last 22 years versus the time (in years). Sunspots are typically confined between -35° south and +35 degrees north latitude. At the beginning of a new solar cycle, sunspot regions are formed at a higher latitudes, but as the cycle progresses towards the maximum, the sunspot regions gradually form at lower latitudes. When nearing the solar minimum, the sunspot regions appear around the solar equator and as a new cycle starts again, sunspots of the new cycle will start to emerge at a high latitude. This recurrent behaviour of sunspots give rise to the ‘Butterfly’ pattern and was first discovered by Edward Maunder in 1904. The graph is updated every month.

Количество безупречных дней в году

В периоды низкой солнечной активности на поверхности Солнца могут полностью отсутствовать солнечные пятна, такое состояние Солнца считается безупречным. Это часто бывает во время солнечного минимума. На графике показано количество дней в течение определенного года, когда на поверхности Солнца отсутствовали пятна.

Кол-во дней в году когда наблюдались геомагнитные бури

На этом графике показано количество дней в году когда наблюдалась геомагнитные бури и насколько сильными были эти бури. Это дает представление о том, в какие годы было много геомагнитных бурь и динамика их интенсивности.

Вернуться к началу