Протуберанцы в атмосфере Солнца¶

Протуберанец — крупномасштабное плазменное образование в солнечной короне, наблюдаемое над лимбом (краем) диска Солнца как светящаяся структура, а на фоне диска — как тёмная волокнистая полоса (филамент). Представляет собой относительно плотную и холодную по сравнению с окружающей короной плазму, удерживаемую магнитным полем в виде арок, петель, столбов или занавесов. Протуберанцы относятся к проявлениям солнечной активности и тесно связаны с пятнами, магнитными полями и корональными выбросами массы.

¶Общие характеристики

Протуберанец состоит в основном из ионизированного водорода и гелия с примесью других элементов. Типичные параметры:

температура плазмы — от 5 000 до 20 000 K, тогда как окружающая корона нагрета до 1–2 млн K;
концентрация частиц — порядка 10¹⁰–10¹¹ частиц на см³, что на два-три порядка выше, чем в короне;
протяжённость — от десятков тысяч до сотен тысяч километров (до 500 000 км и более);
высота подъёма над фотосферой — от нескольких тысяч до сотен тысяч километров;
время жизни — от нескольких часов до нескольких недель, иногда месяцев.

Из-за более низкой температуры и высокой плотности протуберанец излучает преимущественно в спектральных линиях водорода (Hα), гелия и ионизованного кальция. Именно поэтому его хорошо видно в узкополосных фильтрах на фоне яркого диска и в белом свете во время полных солнечных затмений.

¶История наблюдений

Первые документальные описания протуберанцев относятся к наблюдениям полных солнечных затмений. Ещё в 1185 году в русских летописях и в хрониках других народов встречаются упоминания о «красных языках пламени» вокруг закрытого Луной Солнца. В 1733 году французский астроном Жозеф-Николя Делиль впервые подробно описал их во время затмения.

Систематическое изучение началось в XIX веке. В 1868 году французский астроном Пьер Жансен и независимо от него английский учёный Норман Локьер применили спектроскоп к наблюдениям края Солнца, что позволило наблюдать протуберанцы вне затмений. В 1869 году американский астроном Чарльз Янг обнаружил линию гелия в спектре протуберанцев, что привело к открытию этого элемента. В 1892 году Джордж Хейл сконструировал спектрогелиограф, а затем и первый в мире телескоп для наблюдения Солнца в линии Hα, что сделало возможным регулярный мониторинг.

В XX веке, с развитием космических аппаратов, наблюдения вышли за пределы видимого диапазона. Космические обсерватории, включая советские и российские аппараты серии «Коронас», а также зарубежные SOHO, STEREO, Solar Dynamics Observatory, позволили изучать протуберанцы в ультрафиолете и рентгеновском диапазоне, а также наблюдать их с разных ракурсов.

¶Классификация

Протуберанцы классифицируют по нескольким признакам.

По характеру движения и связи с хромосферой:

Спокойные — медленно меняющиеся, устойчивые образования, живущие неделями; обычно связаны с областями слабого магнитного поля.
Активные — быстро эволюционирующие, связанные с пятнами и вспышками; часто выбрасывают вещество в корону.
Эруптивные (внезапно исчезающие) — резко поднимающиеся и разлетающиеся, что сопровождается корональным выбросом массы.
Петлевые (аркадные) — системы вложенных магнитных петель.
Вспышечные — возникающие в момент солнечной вспышки.

По форме выделяют столбчатые, куполообразные, древовидные, занавесовые и другие типы.

По расположению на диске различают лимбовые (видимые на краю) и дисковые (филаменты), которые наблюдаются как тёмные волокна на фоне фотосферы.

¶Механизм образования

Протуберанец удерживается магнитным полем. Над фотосферой формируются магнитные петли, которые «выносят» относительно холодную и плотную хромосферную плазму в корону. Равновесие поддерживается балансом сил: сила тяжести стремится опустить вещество вниз, а сила Ампера, обусловленная токами в плазме, удерживает его в магнитных «ловушках». Такая конфигурация называется магнитной ловушкой или «холодной» петлёй.

Устойчивость протуберанца зависит от топологии магнитного поля. При пересоединении магнитных линий накопленная энергия высвобождается, что приводит к эрупции — выбросу плазмы в межпланетное пространство. Именно эруптивные протуберанцы часто являются источником корональных выбросов массы, которые достигают Земли и вызывают геомагнитные бури.

¶Наблюдения и инструменты

Основные методы наблюдения:

Наземные телескопы с узкополосными Hα-фильтрами (например, хромосферные телескопы обсерваторий).
Спектрогелиографы, строящие изображения Солнца в отдельных линиях.
Космические обсерватории — SOHO, STEREO, Solar Dynamics Observatory, российские аппараты серии «Коронас».
Коронографы, создающие искусственное затмение и позволяющие видеть корону и протуберанцы вне затмений.
Радионаблюдения, фиксирующие излучение от прогретой плазмы.

Во время полных солнечных затмений протуберанцы видны невооружённым глазом как розовато-красные выступы у края диска.

¶Связь с солнечной активностью

Протуберанцы — один из индикаторов солнечного цикла. Их число и распределение меняются с периодом около 11 лет, коррелируя с числом пятен. В максимуме активности эруптивные протуберанцы и связанные с ними корональные выбросы массы происходят чаще.

Воздействие на Землю проявляется через геомагнитные возмущения: потоки плазмы, достигнув магнитосферы, вызывают полярные сияния, нарушения радиосвязи и работы спутников, а также колебания в электросетях. Поэтому мониторинг протуберанцев и прогноз их эрупций важны для практической космической погоды.

¶Значение для науки

Изучение протуберанцев позволяет понять механизмы переноса энергии и вещества в солнечной атмосфере, природу магнитного пересоединения и процессы, лежащие в основе солнечных вспышек и выбросов. Данные о них используются в моделях космической погоды и в физике плазмы. Протуберанцы также служат естественной лабораторией для проверки теорий магнитогидродинамики в условиях, недостижимых в земных установках.

Источники: научные публикации по физике Солнца, материалы обсерваторий и космических миссий (SOHO, SDO, «Коронас»), астрономические справочники и энциклопедии.