Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

эрг, до энергии менее чем 1024 эрг. В результате оказывается, что в мощных вспышках суммарно выделяется немного больше энергии, чем в слабых. В частности, это означает, что слабые вспышки не могут являться эффективным механизмом нагрева солнечной короны.

Вспышки чаще происходят вблизи максимумов солнечной активности, поскольку места локализации этих событий связаны с активными областями на Солнце (крайне редко вспышки классов М и Х происходят в местах, где нет крупных пятен). Нередко мощные вспышки связаны с эруптивными протуберанцами, которые приводят к выбросам вещества. Однако зависимость числа вспышек от уровня активности слабее, чем для числа пятен. В минимумах количество вспышек падает не столь сильно, как количество активных областей.

Вспышки коррелируют с другими типами солнечной активности.

Мощные вспышки порождают динамические процессы в солнечной атмосфере. Одним из наиболее впечатляющих феноменов являются так называемые мортоновские волны, получившее свое имя в честь Гейла Мортона (Gail Moreton), который вместе с коллегами открыл и изучил их в конце 1950-х гг. Это явление получило также колоритное название «солнечные цунами»: в результате вспышки крупномасштабная ударная волна в короне порождает движение в более низких слоях. Мортоновские волны наиболее хорошо наблюдаются в хромосфере в спектральных линиях (например, в H?), их скорость составляет около 1000 км/с. Вспышка также вызывает сейсмические волны во внешних слоях Солнца.

Во время вспышки выделяется энергия, запасенная в магнитном поле. В механизме этого процесса остается пока много неясного.

Источником энергии вспышек является магнитное поле, сосредоточенное в основном в солнечной короне. В области пересоединения температура может возрастать до десятков миллионов градусов. Кроме того, частицы ускоряются до высоких энергий, достигающих несколько мегаэлектронвольт. К сожалению, микрофизика начала вспышек остается за пределами наблюдательных возможностей, поэтому для построения моделей в основном используются глобальные свойства вспышек, что приводит к неопределенностям в теоретических сценариях. При компьютерном моделировании одной из проблем является невозможность охватить в расчетах очень разные масштабы: от относительно небольших в фотосфере до очень больших в короне, куда уходят магнитные поля. Соответственно, в физике солнечных вспышек есть ряд нерешенных вопросов. А это, в свою очередь, не позволяет прогнозировать появление сильных вспышек с достаточной точностью.

Вспышки и сопровождающие их выбросы представляют опасность для приборов и людей на космических аппаратах, находящихся за пределами земной магнитосферы. При разработке кораблей для межпланетных пилотируемых полетов даже обсуждаются специальные защитные помещения, позволяющие переждать периоды повышенной радиации, когда аппарат попадает в зону влияния коронального выброса. Кроме того, увеличенная светимость Солнца в жестком УФ-диапазоне во время возросшей активности служит причиной разогрева верхних слоев земной атмосферы (так называемой термосферы). В результате этого космические аппараты на низких околоземных орбитах тормозятся о «вспухшую» атмосферу и без корректировки могут даже преждевременно сойти с орбиты (наиболее известной иллюстрацией является американская орбитальная станция Skylab «Небесная лаборатория»).

Мощные вспышки часто сопровождаются корональными выбросами вещества. Попадание выброса в Землю приводит к сильным магнитным бурям, полярным сияниям и сбоям электронных систем.

Вспышка 13 марта 1989 г. привела к отключению систем электроснабжения в Канаде (влияние вспышек наиболее велико вблизи магнитных полюсов Земли). Событие относилось к классу Х5–Х15, т. е. это одна из самых мощных вспышек за историю серьезных наблюдений. Кроме того, она сопровождалась мощным корональным выбросом в сторону Земли. С тех пор были сделаны соответствующие выводы, что привело к изменениям в устройстве систем электропередач, трубопроводов и другой наземной инфраструктуры.

Данные наблюдений показывают, что звезды типа Солнца могут порождать мощные вспышки.

Могут ли на Солнце происходить гораздо более мощные вспышки? Есть косвенные данные по анализу содержания изотопов в образцах различных возрастов. Они свидетельствуют в пользу того, что наша звезда может давать вспышки на порядок-два мощнее известных, и происходит это примерно раз в 1000 лет. Более подробную статистику удается собрать, наблюдая звезды, похожие на Солнце.

Наилучшую статистику удалось собрать по результатам работы спутника Kepler («Кеплер»), который изучал более 100 000 звезд с целью поиска экзопланет транзитным методом. Мощные вспышки проявляют себя как увеличение яркости звезды. Среди звезд, исследованных Kepler, есть немало объектов, похожих на Солнце как по массе, так и по другим параметрам. Среди этих параметров особое значение имеет темп вращения: чем быстрее вращается звезда, тем выше ее активность.

Возможно, примерно раз в 1000 лет на Солнце происходят вспышки в десятки раз мощнее, чем те, которые наблюдались за последние пару веков.

Наблюдения показали, что на звездах вроде Солнца вспышки с энергией 10

эрг происходят раз в 800 лет, а 10

эрг – раз в 5000 лет. Однако есть еще несколько вопросов, которые пока не имеют четкого ответа. По всей видимости, для мощной вспышки необходимо в одной области сформировать очень большое магнитное поле, чтобы получить большой магнитный поток. Этот процесс требует времени. По оценкам, для подготовки к вспышке с мощностью 10

эрг на Солнце потребуется около 40 лет, а это больше продолжительности солнечного цикла. Поэтому в настоящее время представляется маловероятным, что Солнце в его современном состоянии может производить вспышки с энерговыделением более 10

эрг (а это почти в сто раз больше вспышек Х20–Х30). Но даже вспышки таких энергий потенциально опасны для различной техники.

Очень важно понимать, что столь мощная вспышка не может произойти «на пустом месте». Потребуется время для роста активной области, а кроме того, наибольшая опасность связана с мощным корональным выбросом, а он может пройти мимо Земли. Поэтому, несмотря на то что мощные вспышки представляют вполне реальную опасность, они, по всей видимости, являются наибольшей угрозой для технических устройств, происходят относительно редко и к ним можно успеть подготовиться.

1.8. Эволюция Солнца и жизнь на Земле

Солнце – очень стабильный саморегулирующийся объект. Гравитация уравновешена давлением, связанным с выделением энергии в недрах. При увеличении энерговыделения Солнце немного расширилось бы, что привело бы к падению плотности и температуры в недрах, а тем самым и к падению энерговыделения. Если же, наоборот, энерговыделение уменьшилось, то Солнце бы немного сжалось, увеличив в центральных частях температуру и плотность, стимулируя тем самым термоядерный синтез.

Энергия передается из недр наружу очень медленно, весь процесс занимает многие десятки тысяч лет. Поэтому внезапное временное исчезновение источника энергии в центре сказалось бы на внешних слоях не сразу. Это добавляет стабильности на коротких временных масштабах.

Более того, даже если бы вдруг термоядерные реакции полностью прекратились, резких изменений не произошло бы даже за миллион лет. Это связано с тем, что Солнце обладает дополнительным источником энергии: просто сжимаясь, оно может поддерживать светимость на текущем уровне на протяжении примерно 30 млн лет (это так называемое время Кельвина – Гельмгольца). Разумеется, Солнце не оставалось бы весь этот период абсолютно неизменным: оно становилось бы меньше, изменялись бы его температура и светимость. Однако такая простая оценка показывает, что серьезные изменения нашей звезды возможны лишь на очень большом временном масштабе.

Солнце – очень стабильный источник излучения как на коротких, так и на длительных временных масштабах.

Иногда это характерное время называют ядерным, оно соответствует существенному исчерпанию водорода в ядре Солнца. Полное время жизни Солнца составляет около 12 млрд лет, и более 80 % этого времени оно проводит на Главной последовательности, «пережигая» водород в гелий. Это стабильное состояние, однако небольшие изменения происходят с Солнцем и в этот период. Поскольку условия для существования жизни на Земле заданы достаточно жестко, даже небольшие изменения параметров Солнца на масштабе миллиард лет могут иметь серьезные последствия.

Самым главным вопросом в контексте долговременной эволюции и появления жизни на Земле является так называемый парадокс тусклого молодого Солнца. В 1950-е гг. стало окончательно ясно, что светимость Солнца на стадии Главной последовательности возрастает. Ключевые работы на эту тему опубликовали в 1958 г. Фред Хойл (Fred Hoyle) и Мартин Шварцшильд (Martin Schwarzschild). Сейчас мы знаем, что к моменту окончательного формирования Земли солнечная светимость составляла около 70 % от современной. В 1961 г. Альфред Рингвуд (Alfred Ringwood) отметил, что этот факт должен существенно влиять на ранний климат Земли. В 1972 г. Карл Саган (Carl Sagan) и Джордж Мулен (George Mullen) сделали эту проблему широко известной. В 1975 г. с легкой руки Роджера Ульриха (Roger Ulrich) появился сам термин «парадокс тусклого молодого Солнца» (faint young Sun paradox).

4,5 млрд лет назад светимость Солнца составляла 70 % от современной.

Проблема заключается в том, что у нас есть надежные данные о существовании жидкой воды на поверхности Земли миллиарды лет назад. Однако добиться этого при столь низкой светимости Солнца непросто. Обсуждались самые разные гипотезы, но на сегодняшний день однозначного решения нет. Большинство исследователей склоняется к тому, что причиной теплого климата 3–4 млрд лет назад был парниковый эффект. Наиболее подходящими парниковыми газами считаются метан, углекислый газ и аммиак.