Протуберанец как явление солнечной активности¶

Протуберанец — это крупномасштабное плазменное образование в атмосфере Солнца, наблюдаемое над его поверхностью в виде выступающих или висящих в короне структур. Протуберанцы относятся к проявлениям солнечной активности и представляют собой относительно плотные и холодные (по сравнению с окружающей короной) сгустки плазмы, удерживаемые магнитным полем. Типичная температура вещества протуберанца составляет порядка 6 000–10 000 К, тогда как окружающая корона нагрета до 1–2 млн К, а плотность протуберанца в сотни раз превышает корональную.

¶Общая характеристика

Протуберанец состоит преимущественно из водорода и гелия, находящихся в ионизированном состоянии. Из-за пониженной температуры относительно короны вещество протуберанца интенсивно излучает в линиях водорода, гелия и кальция, что делает его видимым в спектральных линиях, в частности в линии Hα. На фоне яркого диска Солнца протуберанец наблюдается как тёмная волокнистая структура — так называемое волокно (филамент), поскольку он поглощает идущее из-под него излучение фотосферы.

Форма протуберанцев разнообразна: встречаются арки, петли, занавеси, древовидные и струйные образования. Размеры варьируются от нескольких тысяч до сотен тысяч километров в длину; высота подъёма над фотосферой может достигать сотен тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Солнца.

¶История изучения

Первые документальные описания протуберанцев связаны с наблюдениями полных солнечных затмений. Ещё в древности и в Средние века наблюдатели отмечали во время затмений красноватые выступы по краю закрытого Луной диска Солнца, однако природа этих образований оставалась неясной. В XIX веке, после развития спектрального анализа, стало возможно изучать их состав вне затмений. В 1868 году французский астроном Пьер Жюль Сезар Жансен и независимо от него английский учёный Норман Локьер разработали метод наблюдения солнечной хромосферы и протуберанцев в спектральных линиях без ожидания затмения, что положило начало регулярным исследованиям.

В XX веке с появлением внеатмосферных обсерваторий, а затем специализированных космических аппаратов (например, серии «Солнечный максимум», SOHO, Hinode, SDO) изучение протуберанцев перешло на качественно новый уровень: стало возможным наблюдать их в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, отслеживать динамику магнитных структур.

¶Классификация

Общепринятой единой классификации нет, но на практике протуберанцы разделяют по ряду признаков.

По характеру поведения и расположению выделяют:

Спокойные протуберанцы — долгоживущие образования, существующие от нескольких дней до нескольких недель и более, медленно меняющие форму.
Активные протуберанцы — структуры с заметной динамикой, движением вещества вдоль магнитных линий.
Эруптивные (взрывные) протуберанцы — быстро поднимающиеся и разрушающиеся образования, часто сопровождающиеся выбросом корональной массы.
Протуберанцы-вспышки — связанные с солнечными вспышками.

По морфологии различают петлевые, арочные, занавесообразные, древовидные и другие типы. По расположению относительно активных областей — протуберанцы активных областей и протуберанцы спокойных зон (вблизи границ супергрануляции).

¶Механизм образования и устойчивости

Ключевую роль в существовании протуберанца играет магнитное поле. Плазма удерживается в короне благодаря системе магнитных опор — так называемым «магнитным ногам», закреплённым в фотосфере. Равновесие плотного холодного сгустка в горячей разреженной короне обеспечивается балансом сил: силы тяжести, силы Ампера (обусловленной магнитным полем) и градиента давления. Такая конфигурация называется магнитной опорой или «проминенцией» в зарубежной литературе.

Считается, что вещество протуберанца поднимается из хромосферы вдоль магнитных линий либо конденсируется непосредственно в короне в результате тепловой неустойчивости. Устойчивость структуры поддерживается «скрученными» магнитными жгутами (flux ropes), а её разрушение приводит к эрупции — выбросу плазмы в межпланетное пространство.

¶Связь с солнечной активностью

Протуберанцы тесно связаны с другими проявлениями солнечной активности — пятнами, вспышками и корональными выбросами массы. Эруптивные протуберанцы часто сопровождают выбросы корональной массы, которые, достигая Земли, вызывают геомагнитные возмущения и магнитные бури. Такие события влияют на работу спутников, радиосвязь, навигационные системы и энергетические сети, а также на состояние магнитосферы и ионосферы.

Цикличность появления протуберанцев коррелирует с 11-летним циклом солнечной активности: их число и активность возрастают вблизи максимума цикла.

¶Методы наблюдения

Протуберанцы исследуют несколькими способами:

наземными солнечными телескопами с узкополосными фильтрами (линия Hα, линии кальция);
коронографами, создающими искусственное затмение;
космическими обсерваториями в ультрафиолетовом, рентгеновском и радиодиапазонах;
спектральными и спектрополяриметрическими методами для измерения магнитных полей.

В России наблюдения Солнца ведут, в частности, в обсерваториях, оснащённых солнечными телескопами, а данные космических миссий используются для прогнозирования космической погоды.

¶Значение

Изучение протуберанцев важно для понимания физики плазмы и магнитного пересоединения, а также для прогнозирования космической погоды. Поскольку эрупции протуберанцев могут порождать геомагнитные бури, их мониторинг имеет прикладное значение для связи, навигации и энергетики. Кроме того, протуберанцы служат естественной лабораторией для проверки моделей взаимодействия плазмы с магнитным полем.

Источники: астрономические энциклопедии, материалы исследований Солнца, публикации по физике Солнца и космической погоде, данные солнечных обсерваторий.