Корональный выброс массы

Корональный выброс массы (КВМ) — это крупномасштабный выброс плазмы и магнитного поля из солнечной короны в межпланетное пространство. КВМ является одним из наиболее мощных проявлений солнечной активности, наряду с солнечными вспышками. В отличие от солнечного ветра, который представляет собой постоянный поток заряженных частиц, КВМ — это дискретное, энергичное событие, выбрасывающее в космос миллиарды тонн вещества со скоростью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров в секунду. При столкновении с магнитосферой Земли КВМ может вызывать геомагнитные бури, полярные сияния и нарушения в работе электронного оборудования.

История открытия и изучения

Первые наблюдения явлений, которые сейчас связывают с КВМ, относятся к середине XIX века. В 1859 году астроном Ричард Кэррингтон зафиксировал яркую солнечную вспышку, после которой на Земле началась сильнейшая геомагнитная буря (событие Кэррингтона). Однако прямая регистрация выбросов вещества стала возможной только с началом космической эры.

В 1971 году с помощью коронографа на борту космической станции «OSO-7» (Orbiting Solar Observatory) были впервые получены изображения выброса плазмы из короны. В 1973 году на станции «Скайлэб» (Skylab) был установлен более совершенный коронограф, который позволил систематически наблюдать КВМ. В 1980-х годах данные с космического аппарата «Solar Maximum Mission» (SMM) подтвердили, что КВМ тесно связаны с солнечными вспышками, но не являются их прямым следствием.

Современный этап изучения КВМ начался с запуском в 1995 году обсерватории SOHO (Solar and Heliospheric Observatory, совместный проект ЕКА и НАСА). Прибор LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) на SOHO обеспечил непрерывное наблюдение короны и позволил зафиксировать тысячи событий КВМ. В 2006 году были запущены аппараты STEREO (Solar TErrestrial RElations Observatory), которые впервые позволили наблюдать КВМ с двух разных точек, что дало возможность строить трёхмерные модели выбросов.

Природа и механизмы возникновения

Магнитное поле Солнца

Основной причиной КВМ является нестабильность магнитного поля Солнца. Солнечная корона пронизана сложными магнитными структурами — петлями, аркадами и шнурами. В этих структурах накапливается магнитная энергия. Когда конфигурация магнитного поля становится неустойчивой (например, из-за пересоединения силовых линий), происходит высвобождение энергии, которое разгоняет плазму и выбрасывает её в космос.

Связь с солнечными вспышками

КВМ часто, но не всегда, сопровождаются солнечными вспышками. Вспышка — это резкое увеличение яркости в определённой области Солнца, вызванное нагревом плазмы. КВМ и вспышка могут быть следствием одного и того же процесса — пересоединения магнитных линий. Однако КВМ может происходить и без заметной вспышки, и наоборот. Крупные вспышки (класса X) почти всегда связаны с мощными КВМ.

Роль солнечного цикла

Частота и мощность КВМ зависят от 11-летнего солнечного цикла. В максимуме активности (например, в 2000, 2012, 2024 годах) количество КВМ может достигать нескольких событий в день. В минимуме активности они происходят редко — иногда по одному в неделю или реже.

Классификация корональных выбросов массы

КВМ классифицируют по нескольким признакам.

По скорости

• Медленные КВМ — скорость менее 500 км/с. Обычно связаны с эрупциями протуберанцев.
• Средние КВМ — скорость от 500 до 1000 км/с.
• Быстрые КВМ — скорость более 1000 км/с. Могут достигать 3000 км/с и вызывать сильные геомагнитные бури.

По форме и структуре

• Галогенные (halo) КВМ — выглядят как расширяющееся кольцо вокруг Солнца, когда выброс направлен прямо на Землю или от неё. Такие события наиболее опасны для земной техносферы.
• Частичные (partial halo) КВМ — охватывают лишь часть короны.
• КВМ с ярким ядром — содержат плотное центральное образование (обычно — выброшенный протуберанец).
• КВМ без яркого ядра — однородные по структуре.

По источнику

• Связанные с активными областями — возникают вблизи солнечных пятен.
• Связанные с эрупциями протуберанцев — происходят в спокойных областях короны.
• Связанные с распадом магнитных структур — наблюдаются в полярных областях.

Структура и состав

Типичный КВМ состоит из трёх основных частей:

1. Фронт ударной волны — область сжатой плазмы и магнитного поля, движущаяся впереди основного выброса.
2. Полость — область пониженной плотности, расположенная за фронтом.
3. Ядро — наиболее плотная часть, часто состоящая из вещества выброшенного протуберанца (холодная плазма с температурой около 10 000 К).

Состав КВМ в основном соответствует составу солнечной короны: водород (около 90% по числу частиц), гелий (около 10%), а также ионы углерода, азота, кислорода, железа и других элементов. В межпланетном пространстве КВМ распространяется как магнитно-плазменное облако, называемое межпланетным корональным выбросом массы (ICME).

Влияние на Землю и космическую погоду

Геомагнитные бури

Когда КВМ достигает магнитосферы Земли, он взаимодействует с её магнитным полем. Если магнитное поле выброса направлено противоположно земному (южная компонента), происходит пересоединение линий, и энергия частиц передаётся в магнитосферу. Это вызывает геомагнитную бурю — резкое колебание магнитного поля Земли. Сильные бури могут длиться от нескольких часов до нескольких суток.

Полярные сияния

Усиление геомагнитной активности приводит к смещению аврорального овала в сторону экватора. При мощных КВМ полярные сияния могут наблюдаться в средних широтах (например, в Москве, Париже, Чикаго).

Техногенные последствия

• Энергетика: геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ) могут выводить из строя трансформаторы и линии электропередач. Крупнейший случай — отключение электроэнергии в провинции Квебек (Канада) в 1989 году, вызванное КВМ.
• Связь: нарушения в работе коротковолновой радиосвязи, сбои в системах GPS и спутниковой навигации.
• Спутники: увеличение сопротивления атмосферы на низких орбитах (из-за нагрева верхних слоёв), что может приводить к преждевременному сходу спутников с орбиты. Повреждение электроники спутников из-за высокоэнергетических частиц.
• Авиация: повышение радиационной нагрузки на экипажи и пассажиров на полярных маршрутах.

Радиационная опасность

Быстрые КВМ генерируют солнечные энергетические частицы (SEP) — протоны и ионы высоких энергий. Они представляют угрозу для космонавтов и астронавтов, а также для электроники космических аппаратов. При планировании длительных пилотируемых миссий (например, на Марс) учёт риска от КВМ является критическим.

Наблюдение и прогнозирование

Наземные методы

Наземные коронографы (например, в обсерватории Мауна-Лоа, Гавайи) позволяют наблюдать корону в видимом свете, но ограничены атмосферными помехами. Радиотелескопы регистрируют радиоизлучение от ударных волн КВМ.

Космические аппараты

• SOHO (запущен в 1995) — основной инструмент для наблюдения КВМ. Коронограф LASCO даёт изображения короны в реальном времени.
• STEREO (2006–2015) — два аппарата, обеспечивавшие стереоскопическое наблюдение.
• SDO (Solar Dynamics Observatory, 2010) — наблюдает Солнце в ультрафиолетовом диапазоне, фиксирует источники КВМ.
• Parker Solar Probe (2018) — пролетает через корону, измеряет параметры плазмы и магнитного поля на месте.
• Solar Orbiter (2020) — изучает полярные области Солнца и КВМ.

Моделирование

Прогнозирование времени прибытия КВМ к Земле осуществляется с помощью моделей распространения, таких как WSA-Enlil (разработана в США) и EUHFORIA (разработана в Европе). Точность прогноза составляет от нескольких часов до суток.

Крупнейшие события

• Событие Кэррингтона (1859) — самый мощный зарегистрированный КВМ. Вызвал геомагнитную бурю, которая вывела из строя телеграфные линии по всему миру. Полярные сияния наблюдались вплоть до Кубы и Гавайев.
• Геомагнитная буря 1989 года — КВМ вызвал отключение электроэнергии в Квебеке на 9 часов, ущерб составил около 2 миллиардов долларов.
• Событие Хэллоуина (2003) — серия мощных КВМ и вспышек, вызвавшая сбои в работе спутников и радиосвязи, а также отключения электроэнергии в Швеции.
• Июль 2012 года — КВМ, прошедший мимо Земли, но по мощности сопоставимый с событием Кэррингтона. Если бы он был направлен на Землю, последствия могли быть катастрофическими для глобальной инфраструктуры.

Интересные факты

• Масса типичного КВМ составляет от 1 до 10 миллиардов тонн (10^12 – 10^13 кг).
• Скорость самого быстрого зарегистрированного КВМ (2000 год) составила около 3000 км/с.
• КВМ могут распространяться на расстояние до 10–15 радиусов Солнца, прежде чем полностью сформироваться.
• При столкновении с магнитосферой Земли КВМ сжимает её с дневной стороны и растягивает с ночной, образуя длинный магнитный хвост.
• На других звёздах также наблюдаются аналоги КВМ — звёздные корональные выбросы массы, которые могут быть в миллионы раз мощнее солнечных.

Источники

• Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) — данные и изображения корональных выбросов массы.
• NASA's Solar Dynamics Observatory (SDO) — наблюдения солнечной активности.
• Space Weather Prediction Center (SWPC, NOAA) — прогнозы космической погоды.
• Госсард Э. (Gosling, J.T.) — «The Solar Wind and Coronal Mass Ejections». Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 1996.
• Чен П. (Chen, P.F.) — «Coronal Mass Ejections: Models and Observations». Living Reviews in Solar Physics, 2011.
• Хадсон Х. (Hudson, H.S.) — «Coronal Mass Ejections and Solar Flares». Space Science Reviews, 2000.