От плазменных торнадо до магнитных бурь: астроном рассказал, как живет Солнце
3 мая во всем мире отмечают День Солнца — праздник в честь звезды, без которой не существовала бы жизнь на Земле. Эксперт Пермского Политеха рассказал, из чего состоит яркий гигант, как его положение в Галактике влияет на нашу стабильность, как на нем возникают огненные торнадо размером с целые планеты, и каким образом его вспышки могут выводить из строя спутники и энергосистемы.
Местоположение во вселенной
Солнце — это наша ближайшая звезда, которой уже около 4,6 миллиарда лет. Ученые предполагают, что оно будет светить еще около 5 миллиардов лет, прежде чем исчерпает свои запасы, пройдя при этом примерно половину своего жизненного пути, говорится в материале пресс-службы Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Солнце состоит в основном из водорода (около 74%) и гелия (около 24%), а также содержит небольшие количества других элементов, таких как кислород, углерод, неон и железо. Ученые Великобритании считают, что в будущем, через несколько миллиардов лет, оно начнет расширяться, превращаясь в красного гиганта, а затем сбросит свои внешние слои, оставив после себя лишь горячее ядро — белый карлик.
— Солнце имеет диаметр около 1,39 миллиона километров, что в 109 раз больше Земли, и является центральным телом нашей планетной системы. Оно расположено в галактике Млечный Путь, примерно в 27 000 световых лет от ее ядра, в одном из спиральных рукавов Ориона. Это место выбрано не случайно: здесь достаточно тяжелых элементов для формирования небесных тел, но при этом отсутствует чрезмерная радиация, — рассказывает преподаватель астрономии, заместитель директора Политехнической школы Пермского Политеха Евгений Бурмистров.
Положение Солнца в «тихом» районе Галактики — одна из причин стабильности жизни на Земле. Если бы мы находились ближе к центру Млечного Пути, где звезды плотнее и чаще вспыхивают сверхновые, или, наоборот, на окраине, где мало тяжелых элементов, развитие жизни могло бы быть невозможным.
Как солнечный ветер формирует космическую погоду
Рождение солнечного ветра происходит в раскаленной короне Солнца, где температура достигает миллионов градусов. Колоссальная тепловая энергия позволяет частицам преодолевать гравитацию звезды и улетать в космос. Особенно интенсивно этот процесс идет в корональных дырах — областях с открытыми магнитными линиями, которые работают как своеобразные «сопла», ускоряющие солнечный ветер.
— Достигая Земли, этот поток встречает первый серьезный барьер — нашу магнитосферу, которая действует как невидимый щит, отклоняя большую часть заряженных частиц. В месте столкновения образуется ударная волна. Это непрерывное взаимодействие определяет погоду вокруг нашей планеты. Именно благодаря этому мы можем осваивать ближний космос с минимальным риском, — пояснил эксперт Пермского Политеха.
Для астронавтов, работающих за пределами защитного «кокона» земной магнитосферы, поток этих частиц представляет серьезную опасность. Главная проблема — радиация. Солнечный ветер состоит из заряженных частиц (в основном протонов и электронов), разогнанных до огромных скоростей. Когда они сталкиваются с материалами космического корабля или скафандра, возникает вторичное излучение, которое может повреждать живые клетки.
Особенно опасны солнечные вспышки и корональные выбросы массы, во время которых интенсивность потока частиц возрастает в сотни раз.
Энергия Солнца в действии: как вспышки запускают магнитные бури
В атмосфере гиганта иногда происходят настоящие взрывы. В активных зонах большой звезды магнитные поля перекручиваются, разрываются и затем снова соединяются, высвобождая заряд. Температура в эпицентре вспышки достигает десятков миллионов градусов, а скорость выброса частиц может составлять до половины скорости света. Излучение охватывает весь спектр, включая радиоволны, рентгеновские и гамма-лучи.
Первыми к нашей планете прилетают рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, которые достигают поверхности всего за 8 минут. Через некоторое время после вспышки Солнце может создать корональный выброс массы — гигантское облако заряженных частиц, движущееся со скоростью от 500 до 3000 км/с. Когда оно достигает Земли, то сталкивается с нашим магнитным полем. Поток, проникая в зоны полюсов, вызывают полярные сияния, скачки напряжения в электросетях, помехи в навигации и угрозу для космонавтов из-за высокой радиации и те самые «магнитные бури», из-за которых у метеозависимых людей часто возникают головные боли.
По словам Евгения Бурмистрова, ученые постоянно следят за Солнцем с помощью спутников, таких как SOHO и Solar Dynamics Observatory. В России за солнечной активностью наблюдает служба «Солнечный патруль», астрономическая станция расположена недалеко от Кисловодска на горе Шат Жад Маз. Технологии могут предупредить о мощной вспышке за несколько дней, однако точность прогнозов пока не идеальна.
Протуберанцы и спикулы: огненные реки и фонтаны Солнца
На Солнце, помимо вспышек и корональных выбросов, существуют удивительные структуры — протуберанцы и спикулы. Эти явления выглядят как гигантские фонтаны и арки раскаленной плазмы, но природа их возникновения различается.
— Протуберанцы — это плотные облака солнечного вещества, которые поднимаются из хромосферы в корону и удерживаются там магнитными полями. Они могут существовать неделями, медленно меняя форму, а затем либо плавно опускаться обратно, либо резко выбрасываться в космос, становясь частью коронального выброса массы. Чаще всего они появляются вдоль линий магнитных полей или рядом с солнечными пятнами — темными областями, которые на 1226 градусов Цельсия ниже фотосферы, — говорит Евгений Бурмистров, преподаватель астрономии, заместитель директора Политехнической школы Пермского Политеха.
Спикулы — это короткоживущие струи плазмы, похожие на тонкие огненные иглы. Они возникают в хромосфере, поднимаются на высоту до 10 000 км и исчезают всего за 5–10 минут. В отличие от протуберанцев, спикулы формируются из-за акустических волн и локальных магнитных возмущений, которые выталкивают плазму вверх, словно миниатюрные извержения.
Оба явления играют важную роль в переносе энергии и вещества в солнечной атмосфере. Протуберанцы помогают изучать устойчивость магнитных структур, а спикулы, вероятно, участвуют в нагреве короны — одной из главных загадок физики Солнца. Наблюдая за ними, ученые лучше понимают, как устроена наша звезда и какие процессы управляют ее активностью.
Плазменные вихри: как рождаются торнадо на Солнце
Одно из удивительных явлений Солнца — гигантские плазменные вихри, напоминающие земные торнадо, но в более крупных масштабах. Эти огненные смерчи, достигающие высоты в десятки тысяч километров, образуются благодаря сложному взаимодействию магнитных полей и раскаленной плазмы.
— Механизм их возникновения связан с особенностями солнечной атмосферы. В областях с сильными и сложными полями плазма — раскаленный ионизированный газ — начинает двигаться по спирали вдоль магнитных линий. Это происходит потому, что заряженные частицы «привязаны» к магнитному полю и вынуждены следовать его изгибам. Когда такие скрученные структуры поднимаются, они создают впечатляющие вихри, — отмечает Евгений Бурмистров.
Скорость вращения в этих торнадо может достигать нескольких тысяч километров в час, а температура — миллионов градусов. В отличие от земных вихрей, которые существуют минуты или часы, солнечные вихри могут сохраняться несколько дней, медленно меняя свою форму.
Солнечная радиация — невидимый источник жизни
Солнце — это не просто источник света и тепла, а целый каскад электромагнитных волн, рождающихся в его недрах. В раскаленном ядре звезды, где бушуют термоядерные реакции, водород превращается в гелий, высвобождая колоссальное количество энергии. Ее часть достигает Земли в виде ультрафиолета и инфракрасного излучения, создавая условия для жизни. Без солнечной радиации наша планета превратилась бы в ледяную пустыню. Солнце нагревает атмосферу, запускает процессы фотосинтеза у растений и влияет на погоду, формируя ветры и океанские течения.
— Ученые измеряют солнечную радиацию с помощью специальных приборов — пиранометров и актинометров, которые улавливают малейшие изменения в потоке энергии. Эти данные помогают предсказывать климатические изменения и даже прогнозировать урожайность. Летом, когда Солнце поднимается высоко над горизонтом, Земля получает в несколько раз больше излучений, чем зимой, что объясняет, почему в июле так жарко, а в январе даже яркое солнце не может растопить снег, — объяснил эксперт Пермского Политеха.