5 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Как мы видим, воздействие солнечных вспышек на нашу Землю многообразно. Оно выражается как в раз­личных геофизических эффектах — изменении структу­ры ионосферы, деформации магнитного поля, изменении на уровне тропосферы, так и в непосредственном воз­действии на живые организмы. Если земная магнито­сфера и атмосфера в большой мере защищают нас от космических лучей, генерируемых во время солнечной вспышки, то при полетах космических кораблей за пре­делами магнитосферы Земли эти вспышки создают силь­ную радиационную опасность для космонавтов.

Приблизительные дозы радиации на одну вспышку внутри космического корабля с защитой 1 г/см2 (т. е. с весом стенок корабля в 1 г на 1 см2 его стенок) мо­гут быть проиллюстрированы в табл. 2.

T_002

Естественно встает вопрос о возможности прогноза солнечных вспышек и сопутствующих им геофизических эффектов. Для разработки методов прогноза вспышек необходимо, во-первых, знать, чем отличаются активные области, генерирующие вспышки, и какой путь должна пройти область в своем развитии, чтобы достичь вспышечно-активной стадии. При долгосрочных прогнозах вспышек нужно также знать физические характеристики тех мест на Солнце, где могут возникнуть вспышечно-активные области, а также временные закономерности их появления.

Результаты изучения строения активных областей в фотосфере, хромосфере и короне, а также структуры магнитных полей и их связи со вспышками, данные наб­людений радио-, ультрафиолетового и рентгеновского излучений от вспышек позволили выработать некоторые количественные критерии, позволяющие сказать, возник­новение каких вспышек возможно в данной активной об­ласти.

Для краткосрочного прогноза вспышек (на 1—3 дня вперед) наиболее важные критерии можно получить из исследования структуры и напряженности магнитных «полей в активных областях. Рассматривая связи магнит­ных полей со вспышками, мы уже говорили о том, что солнечные вспышки возникают в районе раздела двух полярностей в активной области, в окрестностях не­скольких «магнитных холмов» или пятен, где полярности смешаны, а градиент продольного поля велик. Приведен­ная нами табл. 1 позволяет попользовать определения градиента напряженности магнитного поля для прогно­за мощности вспышки. На практике используются еще несколько критериев, заменяющих прямые определения градиента напряженности магнитного поля в группе пя­тен. Например, найдена статистическая зависимость между мощными вспышками и отношением расстояния между пятнами разной полярности к диаметру пятна, что характеризует среднее значение градиентов напря­женности поля внутри группы пятен. Кроме того, известно, что все наиболее мощные вспышки возникают в группах пятен, где в одной и той же полутени пятна существовали два (или больше) ядра разной поляр­ности.

Помимо величины градиента напряженности магнит­ного поля, вспышечная активность существенно опреде­ляется и сложностью и изменчивостью магнитных по­лей. Мы уже говорили, что вспышки часто возникают в областях скрещения (или «бифуркации») поперечного магнитного поля. О быстрых изменениях структуры по­ля на уровне фотосферы можно судить, например, по изменениям в конфигурации пятен в направлении рас­положения волокон полутени, которые очень хорошо сов­падают с направлением поперечного магнитного поля. На уровне хромосферы быстрые изменения магнитных полей сопровождаются увеличением количества выбро­сов, «усов», а также появлением специфических арочных структур.

Еще один существенный критерий прогноза, связан­ный со структурой магнитного поля активной области,— это направление линии раздела магнитных полей Nи Sполярностей в группе пятен. Даже если небольшая часть этой нейтральной линии в группе пятен становится па­раллельной солнечному экватору, то вероятность появ­ления вспышек в такой группе повышается. Запутанная, со многими изгибами нейтральная линия — характерный признак вспышечно-активной группы пятен. Вспышечная активность повышена и в группах с распределе­нием в пятнах полярностей, не соответствующих обыч­ному для данного солнечного цикла. Например, если для Северного полушария Солнца и 20-м цикле солнеч­ной активности (1965—1976 гг.) полярность головного (западного) пятна в группе S, а хвостового (восточного) пятна — N, то группы с обратным распределением маг­нитного поля будут давать большее число вспышек, чем группы той же площади и структуры, но с нормальным распределением полярностей.

Вспышечная активность группы зависит и от сосед­них групп пятен. Так группы, возникшие к западу от уже существующих групп, чаще развиваются в сложные по магнитной структуре группы пятен, дающие больше вспышек. Кроме того, как было обнаружено, характер­ной чертой групп пятен, давших сильные протонные вспышки, было наличие групп-спутников, удаленных от основной не более чем на 20—25° по гелиоцентрической долготе и на 10—15° по гелиоцентрической широте.

Монохроматические наблюдения Солнца в линиях На и К (Са II) позволяют ввести еще несколько кри­териев прогноза, связанных на сей раз с характеристи­ками флоккулов. Об одной из них мы уже говорили — усиленные движения плазмы, наличие выбросов, «усов». Кроме того, повышенная яркость излучения флоккула в линии На, и, особенно, определенное соотношение яр­костей в линиях На и К (яркости в На и К больше некоторых определенных значений) свидетельствуют о вспышечной активности группы, т. е. о большом числе вспышек в данной группе. Вспышечная активность груп­пы сама может служить критерием прогноза мощной солнечной вспышки. Было найдено, что перед такой вспышкой число слабых вспышек резко возрастает.

Некоторые критерии прогноза солнечных вспышек могут быть получены из наблюдений радиоизлучения Солнца. Например, по наблюдениям Солнца на волне 3,3 мм было найдено, что область повышенного излу­чения концентрируется вблизи нейтральной линии, раз­деляющей части активной области с магнитными поля­ми противоположной полярности. Чем ярче это излуче­ние, тем больше вероятность больших вспышек в такой группе. Вспышки балла >2 возникают только в тех об­ластях, в центре которых превышение избыточного из­лучения над фоном составляет N>8,5%. Это условие является необходимым, но недостаточным для появле­ния вспышек, так как существуют области с дельтаI > 8,5%, не дающие вспышек.

На основе радиоизображений Солнца, полученных на волнах 3 и 8 см, был разработан еще один крите­рий прогноза вспышек по характеристикам s-компонен­ты радиоизлучения активной области. Чтобы в такой области могли возникнуть протонные вспышки, характе­ристики излучения должны удовлетворять следующим условиям: 1) отношение потоков радиоизлучения от ак­тивной области на волнах 3 и 8 см должно быть боль­ше 0,8 при абсолютном значении потока на волне 3 см > 10 с. ед.1; 2) радиоизлучение от активной области должно иметь особое распределение круговой по­ляризации, которое названо Р-конфигурацией (протон­ной конфигурацией). При ней излучение в центре ак­тивной области имеет круговую поляризацию одного знака, а по краям области — другого знака.

В последнее время обнаружено, что за несколько дней до больших вспышек в радиоизлучении сантимет­рового диапазона становятся заметными квазипериоди­ческие колебания. Возможно, что такие колебания смо­гут быть использованы для прогноза сильных вспышек.

Для прогноза вспышек важное значение имеют так­же наблюдения рентгеновского излучения активных об­ластей. Было найдено, что в активной области можно ожидать высокую вспышечную активность, если ее рент­геновское излучение характеризуется следующими свой­ствами: а) поток в области спектра 8—20 А становит­ся больше 1,3-10-2 эрг(см2с)-1; б) средний поток рент­геновского излучения в области 1—8 А составляет > 1 Х10-3 эрг-(см2с)-1, в) уровень рентгеновского потока в области 0,5—3 А превышает 1,0-10-5 эрг(см2с)-1 и пре­терпевает значительные флуктуации.

Прогноз вспышек средней продолжительности (за 1— 2 оборота Солнца вокруг своей оси, т. е. за время до двух месяцев) — значительно более сложная задача, включающая в себя прогноз и места возникновения ак­тивной области, и развития активной области по наблю­дениям начальной фазы этого развития.

Многие авторы исследовали также распределение сильных вспышек по поверхности Солнца и находили значения гелиоцентрических долгот, на которых преиму­щественно возникали группы пятен с сильными вспыш­ками. Но положения этих «активных долгот» меняются со временем, и различие в количестве вспышек возле та­ких долгот и вдали от них не очень велико.

В некоторых работах появление мощных солнечных вспышек связывается с особенностями пространственно­го распределения магнитного поля по поверхности Солн­ца. Дело в том, что слабые магнитные поля характер­ны для всей поверхности Солнца, а не только для активных областей. Эти поля имеют так называемую сек­торную структуру — магнитные поля одной полярности преимущественно концентрируются на поверхности Сол­нца в довольно большом диапазоне долгот — секторах (наблюдаются на Солнце чаще всего два или четыре сектора). Эти сектора прослеживаются и в структуре межпланетного магнитного поля. Границы секторов меж­планетного поля вследствие вращения Солнца имеют вид спиралей. Так что если на Солнце граница спектора для наземного наблюдателя находится на централь­ном солнечном меридиане, то та же граница в межпла­нетном поле, имеющая вид спирали, достигнет Земли лишь через 4—5 дней.

Сильные солнечные вспышки чаще происходят у гра­ниц секторов. Условия распространения частиц высоких энергий от Солнца к Земле наиболее благоприятны вдоль границ секторов межпланетного магнитного поля. Поэтому при прохождении Земли через границу секто­ров межпланетного магнитного поля вероятность при­хода протонов от Солнца на Землю повышается. Таким образом, наблюдения «положения границ секторов на Солнце позволяют прогнозировать структуру межпла­нетного магнитного поля у Земли за 4—5 дней, а вме­сте с тем и вероятность прихода протонов высоких энер­гий от вспышек.

Прогнозируется также начальная фаза развития ак­тивной области. Было сделано много попыток найти предвестники развития активной области. В частности, обнаружено, что за 2—3 дня до образования пятен происходит общее усиление флуктуации яркости на ме­сте будущей группы, в какой-то мере отражающее ха­рактер последующей эволюции активной области. Груп­пы пятен, в которых впоследствии происходит много вспышек, рождаются в областях с повышенной яркостью в линии На (особенно в «синем» крыле этой линии) и характеризуются наличием нескольких почти параллель­ных темных волоконец типа петель, «живущих» несколь­ко часов.

Появление флоккула на месте, где недавно исчез другой флоккул, повышает, как показывают наблюде­ния, вероятность развития нового флоккула до вспышечно-активной стадии. Об этом же свидетельствует появ­ление радиоизлучения на волне 9 см за день-два до возникновения флоккула.

Долгосрочные прогнозы вспышек (вплоть до несколь­ких лет вперед) являются гораздо менее определенны­ми, чем краткосрочные и среднесрочные. Здесь прихо­дится руководствоваться только общими сведениями о ходе развития цикла солнечной активности и закономер­ностями в распределении активных центров по гелио­центрической долготе. В связи с этим изучение законов изменения солнечной активности приобретает особо важ­ное значение. Рассмотрение площади и числа групп пятен в отдельных диапазонах гелиоцентрических широт, а также изучение структурных особенностей короны в этих же зонах показали, что каждый 11-летний цикл солнечной активности состоит из двух процессов с раз­личными физическими свойствами. Разнообразие хода активности в 11-летних циклах зависит от характера совмещения этих двух процессов, в которых участвуют все элементы активности фотосферы, хромосферы и ко­роны.

Были предприняты попытки создать метод прогноза развития активности для выборочно заданной гелиоцент­рической долготы. Изучались также временные флукту­ации чисел Вольфа, распределение «активных долгот» на Солнце и изменение этого распределения в течение цик­ла солнечной активности. Все это позволило найти ряд параметров, необходимых для долгосрочного прогнози­рования солнечной активности.

Прогноз возникновения вспышек на Солнце — это лишь одна сторона проблемы. Для практических целей важно прогнозировать также и приход на Землю ча­стиц высоких энергий от солнечных вспышек, т. е. надо знать условия их распространения в короне, в межпла­нетном пространстве и в атмосфере Земли. Поскольку частицы высоких энергий распространяются до Земли за время от нескольких десятков минут до часов, воз­никает задача «диагноза» вспышки, т. е. по наблюде­нию вспышки попытаться определить, придут ли от нес частицы высоких энергий на Землю. По оптическим на­блюдениям, критериями генерации частиц высоких энер­гий могут служить двухленточная структура вспышек, возникновение вспышки над пятном, особенно если в этом пятне несколько ядер обеих полярностей находят­ся в одной полутени.

Об условиях выхода частиц из короны можно узнать из анализа радиоизлучения от вспышки. Среди явлений, связанных со вспышками, в радиодиапазоне особое значение имеют всплески типа IV, которые всегда сопро­вождают вспышки, дающие мощные геофизические яв­ления.

По наблюдениям на девяти частотах в диапазоне частот от 245 до 35 000 МГц был разработан, в част­ности, метод прогноза ППШ при всплесках типа IV. Оказалось, что ППШ ожидается, если справедлив так называемый критерий Кастелли: 1) плотность потока радиоизлучения на частоте ~8800 МГц возрастает — >1000 с. ед.; 2) в области дециметровых волн регист­рируется минимум (между частотами 500—2000 МГц); 3) на частоте 245 МГц поток радиоизлучения >1000 с. ед.

Дальнейшие исследования показали, что в случае сильных всплесков минимум в области частот 500— 2000 МГц не всегда прослеживается и, кроме того, спектр такого вида может быть и не связан с протонны­ми вспышками.

Предпринимались также попытки количественной оценки максимальных потоков космических лучей от вспышек. По наблюдениям длительности радиовсплеска т) и определению максимальной плотности потока радиоизлучения на той же частоте (Ртax) был определен так называемый критерий Крума: если в радиоизлучении от вспышки на какой-либо часто­те в интервале 8000—20 000 МГц Ртax > 750 с. ед. и Тт 2 мин, то от такой вспышки на Землю должны прий­ти протоны с энергией >10 МэВ. Выведена и эмпири­ческая формула для вычисления потока протонов Nрпо известной из наблюдений величине Тт:

F_001

Проверка этого критерия на большом наблюдательном материале показала, что при Тm~2 мин протоны мо­гут достигнуть Земли не от всех вспышек.

Представляется перспективным и использование для «диагноза» вспышки компоненты всплесков типа IV в метровом диапазоне.

Максимальный поток космических лучей от вспышек определяется также по ходу возрастания рентгеновско­го излучения в начальной фазе развития вспышки.

В настоящее время существует около 15 прогностиче­ских центров, дающих краткосрочные прогнозы солнечной активности, или ионосферных параметров. Часть из них дает прогнозы ежедневно, часть — раз в неделю, а некоторые только во время специальных программ.

Наиболее крупным прогностическим центром явля­ется центр в Болдере (США). Он собирает данные на­блюдений от сети наземных обсерваторий, ведущих пат­руль Солнца в интегральном свете, в линии На, а так­же в радиодиапазоне. Кроме того, в центр оперативно поступает со спутников информация о рентгеновском из­лучении Солнца, Солнечных космических лучах и солнеч­ном ветре. Используя регулярные данные о рентгенов­ском излучении активных областей в области спектра 1—8 А , в Болдере была разработана классификация вспышек по потокам их рентгеновского излучения (табл. 3).

T_003

Эта классификация попользуется для состав­ления прогнозов вспышек.

Кроме того, вводится понятие протонного события — им считается такое событие или вспышка, при котором количество протонов с энергией больше 10 МэВ по край­ней мере в 10 раз превышает уровень фона спокойного Солнца.

Рентгеновская классификация вспышек была введе­на с целью приблизить прогнозы вспышек к прогнозам их геофизических эффектов. Однако предпринятая в дальнейшем попытка связать абсолютный поток рентге­новского излучения с геофизическими эффектами пока­зала, что взаимосвязь здесь не очень простая. При со­ставлении прогнозов, кроме критериев, связанных с ана­лизом потоков рентгеновского излучения и наблюдений В линии На, в последние годы в Болдере стали исполь­зовать косвенные данные о магнитных полях, а именно магнитные поля, реконструированные по «На-изобра­жениям» активной области. Этот метод часто не одно­значный, особенно для слабых полей.

При прогнозе учитывается также стадия развития области, ее расположение относительно «активных» дол­гот и границ секторов магнитного поля Солнца. Учи­тываются также оптические и радионаблюдения Солнца. Ежедневно даются два вида прогноза. В первой части прогноза рассматривается эволюция каждой активной области и дается прогноз эволюции. Во второй части прогнозируется появление М-, Х- и протонных событий в ближайшие 3 дня на всей видимой полусфере Солнца.

Второй крупный прогностический центр — Медонская обсерватория во Франции. Там для прогноза ис­пользуются спектрогелиограммы в линии На и в цент­ре и крыле К-линии Call, a также магнитнограммы и наблюдения Солнца в радиодиапазоне на частотах 169, 400 и 9800 МГц. События классифицируются по вспле­скам в сантиметровом диапазоне. Так как эти всплески не очень хорошо коррелируют с рентгеновским излуче­нием, то трудно установить точное соответствие между системами, используемыми в Медоне и Болдере (можно говорить лишь о приблизительном соответствии).

В Медоне, например, рассматривают следующие ви­ды событий (или вспышек): 1) хромосферное событие— вспышка в линии На, но без сантиметрового всплеска солнечного радиоизлучения (это близко к классу С в Болдере); 2) радиособытие — присутствуют слабые сан­тиметровые всплески солнечного радиоизлучения (близ­ко к классу М); 3) геофизические события — сантимет­ровые всплески солнечного радиоизлучения с макси­мальным потоком, превышающим поток от спокойного Солнца, с длительностью более 10 мин (близко к клас­сам М и X по классификации в Болдере); 4) высоко­энергичное событие — последовательность сантиметро­вых всплесков и приход протонов, если событие произо­шло в западной полусфере Солнца (близко к классу X или протонному событию, по Болдеровской классифика­ции).

В Крымской астрофизической обсерватории АН СССР основным количественным критерием прогноза служит градиент магнитного поля в активной области, определяемый по картам магнитных полей флоккулов или измерениям магнитных полей пятен. Как качественные критерии используются сведения об изменчивости магнитных полей, о структуре активной области в ли­ниях На и К Call, a также данные об радиоизлуче­нии Солнца. Прогноз дается по трехбалльной шкале на 1, 2 и 3 дня вперед. Прогноз «1» означает, что не ожи­дается вспышек балла больше 1; прогноз «2» — ожида­ются вспышки средней мощности (не больше балла 2); «3» — ожидаются вспышки балла 3 и больше.

(Ввиду существенной разницы в объектах прогноза рассмотренные выше три системы прогнозирования до­вольно трудно сравнивать между собой. На рис. 9 приве­дена оправдываемость прогнозов, даваемых в КрАО АН СССР, по данным за 1963—1968 гг.

Оправдываемость прогнозов КрАО АН СССР

Оправдываемость прогнозов КрАО АН СССР

В Медонской обсерватории оправдываемость прогноза почти такая же: в 1968—1969 гг. было 82,5% пра­вильных прогнозов, 8,4% завышенных и 3,4% занижен­ных прогнозов.