От плазменных торнадо до магнитных бурь: пермские ученые рассказали, как живет Солнце

Где обитает Солнце?

Солнце — это наша ближайшая звезда, которой уже около 4,6 миллиарда лет. Ученые предполагают, что оно будет светить еще около пяти миллиардов лет, прежде чем исчерпает свои запасы, пройдя при этом примерно половину своего жизненного пути. Оно 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 Евгений Бурмистров, преподаватель астрономии, заместитель директора Политехнической школы Пермского Политеха.

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, — поясняет 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 километров секунду. 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 километров 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, — объясняет эксперт Пермского Политеха.

ПНИПУ

1076 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше