За циклите – Слънцето, което (не) познаваме

06 Януари 2021 12:07
За циклите – Слънцето, което (не) познаваме
Автор: Иван Стефанов – магистър по „Астрономия и популяризация на астрономията“, Физически факултет при СУ.

Представете си, че пътувате в метрото към работа, както всеки нормален делничен ден. Спокойно си проверявате електронната поща през смартфона. Внезапно светлините във влака угасват и той рязко спира в тунела. Опитвате се да наберете 112, но телефонът няма сигнал… Кризисна ситуация! Оказва се, че серия от токови удари е поразила цялата електрическа мрежа в много населени места. Телекомуникациите също са блокирани. Но какво се случва?!... Това не е сценарий от екшън филм, а ситуация, която би станала реалност, ако земното магнитно поле бъде атакувано от високо-енергийни частици, освободени при мощно слънчево избухване.

Ето защо не е изненада, че началото на новия – 25-ти – слънчев цикъл предизвика сериозен интерес не само в света на науката. Най-авторитетните научноизследователски институции, сред които НАСА, Европейската космическа агенция (ЕКА) и др. ангажират най-добрите екипи в областта на хелио-физиката, за да проучат и анализират всяко явление и етап от него. В следващите редове ще се опитаме да си отговорим на въпросите – защо този процес е толкова важен за нас? Какви опасности крие нашата звезда? Какво представлява слънчевия цикъл?

Що е то слънчев цикъл?

В цялост той представлява периодично изменение в активността на нашата звезда. Средната продължителност на един цикъл е 11 г. Минимум бива последван от максимум, след което следва нов минимум и т.н. Важна характеристика на този процес е, че той-следва точно определена схема.

По време на минимум повърхността на Слънцето (фотосферата) е с минимален брой петна, като понякога може да изглежда идеално чиста. Тази фаза е с продължителност около 1 година. Определянето на точката на минимум е сложна задача, която включва проследяване изменението в броя на слънчевите петна в рамките на този период. Според НАСА минимумът между 24-ти и 25 цикъл е бил на 15 септември 2020 г1. Но какво следва? Сценарият едва ли ще изненада учените. На ± 30° ширина от екватора започнаха да се появяват първите петна – вестоносци на задаващия се нов цикъл. Постепенно тяхната бройка ще се увеличава, като в същото време те ще се придвижват към екватора, следвайки посоката на въртене на нашата звезда. Според прогнозите максимумът на 25-тия цикъл ще бъде достигнат през месец юли 2025 г. (+/- 8 месеца) и петната ще достигнат максимален брой около 115 (фиг. 1).



Фиг. 1 – Очаква се максимумът на цикъл №25 да не се различава значително от този на №24.
Източник: www.spaceweatherlive.com

След точката на максимум активността на нашата звезда ще започне да намалява постепенно, докато стигне следващия минимум. След това сценарият се повтаря. Повишаването на слънчевата активност, обаче, не се описва само с увеличаване броя на петната. Други явления също стават по-чести – слънчевите протуберанси, коронарните арки и др. Какво е общото между описаните дотук явления? Те са пряк резултат от действието на изключително сложното магнитно поле на нашата звезда – т.нар. слънчево динамо. За да си го представим, ще трябва да се „гмурнем“ под фотосферата – конвективната зона.

В нея поведението на нагорещената плазма е бурно, вихрено, турболентно. Това създава електрически ток, който генерира магнитно поле. То, от своя страна, продължава формирането на електрически ток. И така процесът се повтаря. Съобразявайки това, нека погледнем как би изглеждало глобалното магнитно поле на нашата звезда по време на минимум (фиг. 2 – а). В тази фаза то би могло да бъде сравнено с класически дипол – магнитните линии излизат от северния магнитен полюс, спускат се успоредно по меридиана и се включват в южния. Такъв е и моделът на земното магнитно поле. В този период повърхността на Слънцето изглежда почти изчистена от петна. Такава бе и при наскоро отминалият минимум. Но при хода на звездата към максимум тази картина коренно се променя. Защо? Отговорът е, че Слънцето се върти диференциално – зоните около екватора се завъртат по-бързо в сравнение с тези около полюсите. Именно тази разлика поражда усукване на глобалното магнитно поле по посока успоредна на екватора (фиг. 2 – b и c).



Фиг. 2 – Слънчевото динамо в действие. Източник: http://ase.tufts.edu

Нещо повече – това усукване често води до изскачане на действащите в конвективната зона магнитни полета над повърхността. По този начин се образуват и магнитните примки (magmetic loop) – фиг. 2 – c. Пример за такива явления са коронарните арки, както и примковидните протуберанси (фиг. 3).



Фиг. 3 – Вляво: протуберанс тип „примка“. (Източник: www.nasa.gov). Вдясно: коронарна арка (Източник: TRACE/NASA)

Слънчевите петна са именно участъците, в които магнитните полета излизат над фотосферата. Поради това тези зони ни изглеждат тъмни, защото блокират ефективния пренос на енергия от конвективния слой под тях. Много важна характеристика на слънчевия цикъл е, че петната се появяват по двойки – т.нар. биполярни групи. Формирайки се по този начин, те се придвижват по посока на въртене на нашата звезда. До достигането на слънчев максимум водещото петно във всяка група е с поляритет, който съответства на този на полукълбото, в което се намира. Конкретно за започващия 25-ти цикъл схемата e показана на фиг. 4.:



Фиг. 4 – Очаква се групирането на петната по време на 25-ти цикъл да следва тази схема
Източник: www.lcsd.gov

Сега следва изненада. В точката на слънчев максимум магнитните полюси на Слънцето се обръщат! Тази размяна се случва по време на всеки максимум и все още озадачава света на науката. Първоначалната подредба на петната в групите ще се запази при спускането на Слънцето към минимума, но те постепенно ще се разсейват, след което ще изчезнат напълно.

Какви опасности крие повишената слънчева активност?

Явленията, които съпътстват повишаването на активността на Слънцето, представляват изключителен интерес за науката. Освен това те са зрелищни. Оказва се, обаче, че някои от тях крият сериозна опасност. Особено внимание се отделя на избухванията. Те са резултат от сложното поведение на магнитните полета, които описахме по-горе. Понякога те се разкъсват. Много често тези събития са съпътствани с отделянето на огромно количество високоенергийни йонизирани частици (плазма), които със свръхзвукова скорост биват изстреляни в пространството. Атаката на земното магнитно поле от тези частици може да предизвика мощна геомагнитна буря. До тук този сценарии все още не звучи толкова опасно. Това е така, защото в нашето съвремие не се е случило (все още) избухване подобно на събитието „Карингтън“ – започнало на 28 август 1859 г.

То носи името на астронома Ричард Карингтън, който го регистрира. Това е най-мощното слънчево избухване в историята на наблюденията до момента. То е резултат от разкъсване на огромен протуберанс, като изхвърлената плазма достига Земята за едва 18 часа (според съвременните наблюдения са необходими 2-3 дни). Геомагнитната буря, формирала се в резултат на това събитие, е с огромен мащаб – земното магнитно поле е поставено под много голямо натоварване (фиг. 5). В много страни са регистрирани токови удари, телеграфните съобщения са преустановени, електричеството спира. Нещо повече – полярни сияния са наблюдавани дори в района на Карибските острови…



Фиг. 5. - Избухване подобно на „събитието Карингтън“ би подложило земното магнитно поле под огромно натоварване (www.researchoutreach.org)

Днес избухване с подобна сила, насочено към нас, ще предизвика много по-голям мащаб на щетите. Телекомуникациите, интернетът, гъстата електро-преносна мрежа, GPS навигацията…всички те ще пострадат. Следователно подобно събитие би поставило на сериозен риск въздушния транспорт, корабоплаването, финансовите операции, националната сигурност. Не бива да забравяме и стотиците спътници, без чиято работа не бихме си представили света днес. Всички те са уязвими при евентуално избухване с такива мащаби. Не пропускаме ли нещо? Може би най-важното – здравето и живота на астронавтите в международната космическа станция! Подобно събитие би ги изложило на огромен риск – подлагане на голямо количество радиация. Ето защо циклите на слънчева активност са обект на толкова сериозно внимание от целия свят.

Изграждането на система за прогнозиране на подобни опасни събития би било изключително важно за своевременната защита на всички изброени по-горе системи, както и за опазване здравето на екипажа в международната космическа станция. Те са пряко зависими от състоянието на земната магнитосфера. Оказва се, обаче, че постигането на тази цел е доста далеч в бъдещето. Ние все още не можем да предвидим кога ще се случи избухване и колко мощно ще е то. Дългогодишните наблюдения показват, че Слънцето може да ни изненада по всяко време независимо в кой етап от своята активност се намира. Затова мисиите, свързани с изучаването на нашата звезда, винаги са сред най-амбициозните.

Мисията „Лагранж“

Един от най-интересните проекти в тази област е на Европейската космическа агенция (ЕКА). Той е свързан именно със следене на слънчевото време, като акцентът ще бъде върху опасните за нас явления. Планира се мисията да стартира през 2025 г.3 Програмата включва изстрелването на два апарата, които ще бъдат позиционирани в две от т.нар. „точки на Лагранж“ – първа и пета (фиг. 6)4. Те ще бъдат оборудвани със специални оптични и измервателни уреди, чрез които слънчевото време ще бъде следено непрекъснато.



Фиг. 6 – Точките на Лагранж са зони, където гравитационните сили между две масивни тела (в случая Земята и Слънцето)се изравняват. Веднъж попаднал в точки L4 и L5, апаратът може да престои милиони години.
Източник: www.datagenetics.com

Всеки един от тях ще има конкретни задачи. Апаратът в първа точка на Лагранж ще извършва наблюдения на слънчевия вятър, скоростта му, изменението в неговата плътност, както и силата на пренасяните в космическото пространство магнитни полета. Той ще наблюдава и слънчевата корона, акцентирайки върху заредените частици, които биха могли да бъдат свързани със слънчево избухване и евентуално изхвърляне на маса. Апаратът, който ще бъде позициониран в пета точка на Лагранж, ше допълва измерванията на другия, осигурявайки страничен поглед към разпространието на облаците от плазма в посока към Земята. Реализирането на тази мисия би осигурило своевременно информация за евентуално опасно слънчево избухване. Така операторите биха имали жизненоважно време да предприемат мерки за защита както на наземните и орбитални системи, така и на здравето на астронавтите. Ползите от осъществяването на този проект биха били огромни и от научна гледна точка.

Стремежът на човечеството за опознаването на нашата звезда е неспирен. Но въпреки огромния пробив през последните десетилетия, Слънцето продължава упорито да крие най-съкровените си тайни.
Други новини

Този уебсайт ползва “бисквитки”, за да Ви предостави повече функционалност. Ползвайки го, вие се съгласявате с използването на бисквитки.

Политика за личните данни Съгласен съм Отказ