Космическо време, смущения на слънчевия вятър и радиоизблици

Слънчевият вятър, потокът от електрически заредени частици, излъчвани от външния атмосферен слой на Слънцето (короната), представлява заплаха за формите на живот и за съвременното човешко общество, основано на електрически технологии. Магнитното поле на Земята осигурява защита срещу входящия слънчев вятър, като го отклонява. Драстични слънчеви събития, като изхвърляне на маса от електрически заредена плазма от короната на Слънцето, създават смущения в слънчевия вятър. Следователно, изучаването на смущенията в условията на слънчевия вятър (наречени космическо време) е наложително. Коронарното изхвърляне на маса (CME), наричано още „ слънчеви бури“ или „ космически бури“, е свързано със слънчевите радиовзривове . Изследването на слънчевите радиовзривове в радиообсерваториите може да даде представа за CME и условията на слънчевия вятър. Първото статистическо проучване (публикувано наскоро) на 446 регистрирани радиовзривове тип IV, наблюдавани през последния слънчев цикъл 24 (всеки цикъл се отнася до промяната в магнитното поле на Слънцето на всеки 11 години), установи, че по-голямата част от дълготрайните радиослънчеви изблици тип IV са били съпроводени от коронално изхвърляне на маса (CME) и смущения в условията на слънчевия вятър.

Точно както времето на Земята се влияе от смущенията във вятъра, така и „ космическото време“ се влияе от смущенията в „слънчевия вятър“. Но приликата свършва дотук. За разлика от вятъра на Земята, който е съставен от въздух, състоящ се от атмосферни газове като азот, кислород и др., слънчевият вятър се състои от прегрята плазма, състояща се от електрически заредени частици като електрони, протони, алфа частици (хелиеви йони) и тежки йони, които непрекъснато се излъчват от слънчевата атмосфера във всички посоки, включително и в посока на Земята.

Слънцето е основният източник на енергия за живота на Земята и затова е почитано в много култури като дарител на живот. Но има и друга страна. Слънчевият вятър, непрекъснатият поток от електрически заредени частици (т.е. плазма), произхождащи от слънчевата атмосфера, представлява заплаха за живота на Земята. Благодарение на магнитното поле на Земята, което отклонява по-голямата част от йонизиращия слънчев вятър (от Земята), и земната атмосфера, която абсорбира по-голямата част от останалата радиация, като по този начин осигурява защита от йонизиращото лъчение. Но има и нещо повече - освен заплахата за биологичните форми на живот, слънчевият вятър представлява заплаха и за съвременното общество, основано на електричество и технологии. Електронните и компютърните системи, електропреносните мрежи, нефтопроводите и газопроводи, телекомуникациите, радиокомуникациите, включително мобилните телефонни мрежи, GPS, космическите мисии и програми, сателитните комуникации, интернет и др. - всички те могат потенциално да бъдат нарушени и спрени от смущения в слънчевия вятър ^{1. Астронавтите и космическите кораби са особено изложени на риск. В миналото е имало няколко случая на това, например} „Квебекското затъмнение “ през март 1989 г. в Канада, причинено от масивно слънчево изригване, което силно повреди електропреносната мрежа. Някои спътници също са претърпели щети. Следователно е наложително да се следят условията на слънчевия вятър в близост до Земята – как неговите характеристики като скорост и плътност, сила и ориентация на магнитното поле и нива на енергийни частици (т.е. космическо време) ще окажат влияние върху формите на живот и съвременното човешко общество.

Подобно на „прогнозата за времето“, може ли да се предскаже и „ космическото време“? Какво определя слънчевия вятър и неговите условия в близост до Земята? Могат ли сериозни промени в космическото време да бъдат известни предварително, за да се предприемат превантивни действия за минимизиране на вредното въздействие върху Земята? И защо изобщо се образува слънчевият вятър?

Слънцето е топка от горещ електрически зареден газ и следователно няма определена повърхност. Слоят на фотосферата се третира като повърхност на слънцето, защото това е, което можем да наблюдаваме със светлина. Слоевете под фотосферата навътре към ядрото са непрозрачни за нас. Слънчевата атмосфера е изградена от слоеве над повърхността на фотосферата на слънцето. Това е прозрачният газообразен ореол, обграждащ Слънцето. По-добре видима от Земята по време на пълното слънчево затъмнение, слънчевата атмосфера има четири слоя: хромосфера, слънчев преходен регион, корона и хелиосфера.  

Слънчевият вятър се образува в короната, вторият слой (отвън) на слънчевата атмосфера. Короната е слой от много гореща плазма. Докато температурата на повърхността на Слънцето е около 6000K, средната температура на короната е около 1-2 милионаK. Наречен „Парадокс на короналното нагряване“, механизмът и процесите на нагряване на короната и ускоряване на слънчевия вятър до много висока скорост и разширяване в междупланетното пространство все още не са добре разбрани, ² въпреки че в скорошна статия изследователите се опитват да решат този проблем чрез фотони с произход от аксиони (хипотетичната елементарна частица на тъмната материя) ³.

Понякога огромно количество гореща плазма се изхвърля от короната в най-външния слой на слънчевата атмосфера (хелиосферата). Наричани коронални масови изхвърляния (CME), масовите изхвърляния на плазма от короната генерират големи смущения в температурата, скоростта, плътността и междупланетното магнитно поле на слънчевия вятър. Те създават силни магнитни бури в геомагнитното поле на Земята ⁴ . Изригването на плазма от короната включва ускорение на електрони, а ускорението на заредени частици генерира радиовълни. В резултат на това короналните масови изхвърляния (CME) се свързват и с изблици на радиосигнали от Слънцето ⁵ . Следователно, изследванията на космическото време биха включвали изучаване на времето и интензивността на масовите изхвърляния на плазма от короната във връзка със свързаните с тях слънчеви изблици, което е радиовзрив от тип IV с продължителна продължителност (повече от 10 минути).

Появата на радиоизблици в по-ранните слънчеви цикли (периодичния цикъл на магнитното поле на Слънцето на всеки 11 години) във връзка с короналните масови изхвърляния (CMEs) е изследвана в миналото.  

Едно скорошно дългосрочно статистическо проучване на Аншу Кумари и др. от Университета в Хелзинки върху радиовзривове, наблюдавани през 24-ия слънчев цикъл, хвърля допълнителна светлина върху връзката на дълготрайните радиовзривове с по-широка честота (наречени изблици тип IV) с коронални масови изригвания (CME). Екипът установи, че около 81% от изригванията тип IV са последвани от коронални изхвърляния на маса (CME). Около 19% от изригванията тип IV не са придружени от CME. Освен това само 2.2% от CME са придружени от радиовзривове тип IV ⁶.

Разбирането на времето на дълготрайните изблици от тип IV и короналните масови изблици (CMEs) по постепенен начин ще помогне при проектирането и определянето на времето на текущите и бъдещите космически програми, така че да се намали тяхното въздействие върху подобни мисии и в крайна сметка върху формите на живот и цивилизацията на Земята.

***

DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2102111

***

Литература:    

1. Бял SM., nd. Слънчеви радиоизбухвания и Космос Метеорологично време. Университет на Мериленд. Предлага се онлайн на https://www.nrao.edu/astrores/gbsrbs/Pubs/AJP_07.pdf Посетен на 29 януари 2021 г. 

2. Aschwanden MJ et al 2007. The Coronal Heating Paradox. The Astrophysical Journal, том 659, номер 2. DOI: https://doi.org/10.1086/513070  

3. Русов В.Д., Шарф И.В., и др. 2021. Решение на проблема с короналното нагряване с помощта на аксионни фотони. Физика на тъмната вселена, том 31, януари 2021 г., 100746. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dark.2020.100746  

4. Verma PL., et al 2014. Коронални масови изхвърляния и смущения в параметрите на плазмата на слънчевия вятър във връзка с геомагнитни бури. Journal of Physics: Conference Series 511 (2014) 012060. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/511/1/012060   

5. Gopalswamy N., 2011. Коронални масови изхвърляния и слънчеви радиоемисии. CDAW център за данни на НАСА. Предлага се онлайн на https://cdaw.gsfc.nasa.gov/publications/gopal/gopal2011PlaneRadioEmi_book.pdf Посетен на 29 януари 2021 г.  

6. Kumari A., Morosan DE., and Kilpua EKJ., 2021. Относно появата на слънчеви радиоизблици тип IV в слънчев цикъл 24 и тяхната връзка с коронални масови изхвърляния. Публикувано на 11 януари 2021 г. The Astrophysical Journal, том 906, номер 2. DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abc878  

***