Сонячний вітер: Що це таке і як він впливає на Землю?

Як би не дмухав сонячний вітер, його вплив можна відчути по всій Сонячній системі.

Сонячний вітер постійно вивільняється із зовнішньої атмосфери Сонця. На цій ілюстрації художника зображено сонячний вітер, що витікає з Сонця. (Копирайт изображения: NASA)

Сонячний вітер – це безперервний потік протонів та електронів із зовнішньої атмосфери Сонця – корони.

Ці заряджені частинки проносяться Сонячною системою зі швидкістю від 250 миль (400 кілометрів) на секунду до 500 миль (800 км) на секунду у стані плазми, згідно з даними Національного центру прогнозування космічної погоди (SWPC) при Національному управлінні океанічних і атмосферних досліджень.

Коли сонячний вітер досягає Землі, він посилає шквал заряджених частинок в магнітосферу і вздовж силових ліній магнітного поля Землі в напрямку полюсів. Взаємодія цих частинок з атмосферою Землі може спричинити сяйво полярного сяйва над полярними регіонами.

Існування сонячного вітру вперше припустив астрофізик-першопроходець Юджин Паркер, чиє ім’я носить місія НАСА Parker Solar Probe.

У 1957 році Паркер працював доцентом в Чиказькому університеті, коли зрозумів, що перегріта корона Сонця теоретично повинна випромінювати заряджені частинки з високою швидкістю, згідно з даними Чиказького університету. (Це перегрівання є одним з найзагадковіших аспектів поведінки Сонця, і фізики Сонця досі не до кінця розуміють, чому атмосфера Сонця гарячіша за його поверхню).

Теорія Паркера описує, що в сонячній короні плазма постійно нагрівається, і температура в цій області досягає 3,5 мільйона градусів за Фаренгейтом (2 мільйони градусів за Цельсієм). Зрештою, плазма стає настільки гарячою, що сонячна гравітація більше не може її утримувати, і вона викидається в космос у вигляді сонячного вітру, тягнучи за собою магнітне поле Сонця, згідно з даними NASA JPL.

Його теорію тоді широко критикували, згадував Паркер у 2018 році. “Перший рецензент статті сказав: “Я б порадив Паркеру піти в бібліотеку і почитати про цю тему, перш ніж він спробує написати про неї статтю, тому що це повна нісенітниця”.

Підтримку цій теорії нарешті надав астрофізик Субрахманьян Чандрасехар, який через десятиліття став тезкою рентгенівської обсерваторії НАСА “Чандра”. Хоча Чандрасехар не був прихильником ідеї частинок, він прийняв теорію Паркера, оскільки не знайшов жодних проблем з математикою Паркера, повідомляє Чиказький університет.

Потім у 1962 році космічний апарат НАСА “Марінер-2” виявив присутність частинок сонячного вітру під час польоту до Венери.

На додаток до постійних потоків сонячного вітру, Сонце іноді викидає величезну кількість цих заряджених частинок за один раз. Ці події, відомі як корональний викид маси (КВМ), можуть викликати геомагнітні бурі в навколишньому середовищі навколо Землі, які асоціюються з прекрасними полярними сяйвами, але також можуть завдати шкоди електромережам, телекомунікаційним мережам і супутникам, що обертаються на орбіті планети.

ЯК ДАЛЕКО ДМЕ СОНЯЧНИЙ ВІТЕР?

Сонячний вітер, що складається із заряджених частинок і магнітного поля Сонця, бомбардує магнітосферу Землі. (Копирайт изображения: NASA Goddard Space Flight Center)

Сонячний вітер пронизує Сонячну систему далеко за межами орбіти Плутона, утворюючи велику “бульбашку”, яку називають геліосферою. За даними NASA, геліосфера має форму довгої вітрової шкарпетки, яка рухається разом із Сонцем.

Найближча межа геліосфери знаходиться на відстані близько 100 а.о. від Сонця, згідно з заявою ЄКА. (1 астрономічна одиниця – це середня відстань від Землі до Сонця, вона еквівалентна приблизно 93 мільйонам миль (150 мільйонам кілометрів).

Геліосфера діє як захисний щит, захищаючи нас від космічних променів, що складаються з енергійних частинок, які можуть пошкодити живі клітини. Комічні промені генеруються за межами нашої Сонячної системи і поширюються майже зі швидкістю світла. Без нашої захисної бульбашки ці високоенергетичні уламки атомів постійно бомбардували б Землю. “Без геліосфери життя, безумовно, еволюціонувало б інакше – а може, й зовсім не еволюціонувало б”, – говорить геліофізик Річард Марсден у заяві ЄКА.

ШВИДКІСТЬ СОНЯЧНОГО ВІТРУ

Обсерваторія сонячно-земних зв’язків NASA, або STEREO, вивчає сонячний вітер. Ця гіфка візуально представляє оброблені комп’ютером дані про сонячний вітер. (Джерело зображення: NASA, дані Крейга ДеФореста, SwRI)

Хоча сонячний вітер витікає від Сонця постійно, його властивості, такі як щільність і швидкість, змінюються протягом 11-річного циклу активності Сонця. Протягом цього циклу кількість сонячних плям, рівень радіації та викинутої речовини змінюються від сонячного максимуму до сонячного мінімуму. Ці зміни впливають на властивості сонячного вітру, включаючи силу його магнітного поля, швидкість, з якою він рухається, температуру і густину.

Середня постійна швидкість сонячного вітру на Землі становить близько 190 миль (300 км) на секунду (м/с), згідно з даними сайту прогнозу космічної погоди SpaceWeatherLive.com.

Під час прольоту Mariner 2 повз Венеру космічний апарат не лише виявив наявність сонячного вітру, але й ідентифікував два окремі потоки сонячного вітру, один швидкий, а інший повільний. За даними НАСА, повільний потік рухався зі швидкістю близько 215 м/с, тоді як швидкий потік пролітав повз зі вдвічі більшою швидкістю.

Походження швидкого потоку сонячного вітру було визначено в 1973 році за допомогою рентгенівських знімків сонячної корони, зроблених зі станції Skylab. Винуватцями швидких сонячних вітрів є корональні діри – холодніші ділянки Сонця з відкритою структурою магнітних силових ліній, які дозволяють сонячному вітру відносно легко втекти.

Аномально швидкі сонячні вітри можуть генеруватися під час корональних викидів маси (КВМ). За даними SpaceWeatherLive.com, під час CME швидкість вітру може підскакувати до понад 600 миль (1000 км) за секунду.

Корональний викид маси (КВМ), зафіксований Обсерваторією сонячної та геліосферної обсерваторії (SOHO) НАСА та ЄКА. (Копирайт изображения: NASA/GSFC/SOHO/ESA)

Незважаючи на вражаючу швидкість, якої досягають деякі потоки сонячного вітру, саме повільний сонячний вітер змушує вчених ламати голову.

“Повільний сонячний вітер багато в чому є більшою загадкою”, – сказав Джим Климчук, фізик Сонця з Центру космічних польотів імені Годдарда в Грінбелті, штат Меріленд, в заяві NASA.

Місія НАСА “Улісс”, запущена в 1990 році, вже виявила деякі підказки щодо походження повільного вітрового потоку, коли він пролітав навколо полюсів Сонця. Вона виявила, що в періоди мінімальної сонячної активності сонячний вітер бере свій початок переважно з екватора Сонця.

“Коли сонячний цикл наближається до свого максимуму, структура сонячного вітру змінюється від двох різних режимів – швидкого на полюсах і повільного на екваторі – до змішаного, неоднорідного потоку”, – йдеться в заяві НАСА про сонячний зонд Parker і народження сонячного вітру.

Сонячний зонд Parker досліджуватиме цю таємницю під час своєї семирічної місії зі спостереження за Сонцем. “Це відкриває великі перспективи для виявлення нового фундаментального розуміння”, – сказав Клімчук.

ВПЛИВ СОНЯЧНОГО ВІТРУ

Вплив нашої вітряної зірки відчувається по всій Сонячній системі.

“Я вважаю, що якщо Сонце чхне, то Земля застудиться, тому що ми завжди відчуваємо вплив того, що відбувається на Сонці завдяки сонячному вітру”, – говорить Нікі Фокс, директор відділу геліофізики в штаб-квартирі NASA, в статті в журналі NASA Science.

На Землі сонячний вітер відповідає за сліпучі полярні сяйва в полярних регіонах. У Північній півкулі це явище називається північним сяйвом (aurora borealis), а в Південній півкулі – південним сяйвом (aurora australis). Якщо швидкість сонячного вітру досить висока, можуть виникати геомагнітні бурі, які призводять до розширення полярних сяйв ближче до екватора, ніж це можливо в більш спокійних умовах космічної погоди.

CME можуть викликати великі геомагнітні бурі, які призводять до вражаючих полярних сяйв, подібних до цього, зображеного на Алясці. (Копирайт изображения: Noppawat Tom Charoensinphon via Getty Images)

Геомагнітні бурі також можуть завдати шкоди супутникам та електромережам і загрожувати астронавтам у космосі. Під час таких бур астронавтам на Міжнародній космічній станції доводиться шукати укриття, всі виходи у відкритий космос призупиняються, а чутливі супутники вимикаються, доки не мине радіаційна буря.

SpaceX вже на власному досвіді переконалася, якої шкоди може завдати космічна погода, коли в лютому 2022 року геомагнітна буря знищила до 40 супутників Starlink вартістю понад 50 мільйонів доларів. Оскільки супутники Starlink виведені на дуже низькі орбіти (від 60 до 120 миль (від 100 до 200 км), вони покладаються на бортові двигуни для подолання сили опору, піднімаючись на кінцеву висоту близько 350 миль (550 км).

Під час геомагнітної бурі атмосфера Землі поглинає енергію бурі, нагрівається і розширюється вгору, що призводить до значного ущільнення термосфери, яка простягається приблизно від 50 миль (80 км) до приблизно 600 миль (1 000 км) над поверхнею Землі. Щільніша термосфера означає більший опір, що може бути проблемою для супутників. У лютому 2022 року партія нещодавно випущених супутників Starlink не змогла подолати значно збільшений опір від геомагнітної бурі і почала падати назад на Землю, зрештою згорівши в атмосфері.

Сонячна погода може мати надзвичайно дорогі наслідки, тому важливо покращити наше розуміння, моніторинг та прогнозування таких подій. Вчені вивчають сонячний вітер, щоб пролити світло на космічну погоду та покращити прогнози космічної погоди.

“Ми не можемо ігнорувати космічну погоду, але ми можемо вжити відповідних заходів, щоб захистити себе”, – кажуть у NASA.

ЯК ВЧЕНІ ВИВЧАЮТЬ СОНЯЧНИЙ ВІТЕР?

Обсерваторія Геліофізичної системи містить флот космічних апаратів, призначених для вивчення нашої динамічної Сонячної системи. (Копирайт изображения: NASA)

Геліофізичні місії вивчають Сонце і його вплив на Сонячну систему, в тому числі вплив сонячного вітру.

За словами НАСА, мета цих місій – “зрозуміти все: від того, як сформувалися планетарні атмосфери, як космічна погода може впливати на астронавтів і технології поблизу Землі, до фізики, яка визначає наше сусідство в космосі”.

Розуміння сонячного середовища не є простим завданням, тому існує ціла низка космічних місій, присвячених вивченню нашого Сонця і його поведінки. Ці місії можна розглядати як єдину обсерваторію – Геліофізичну системну обсерваторію (HSO).

HSO складається з декількох сонячних, геліосферних, геокосмічних і планетарних космічних апаратів, включаючи сонячний зонд Parker, який виконує сміливу місію “доторкнутися” до Сонця, Сонячну і геліосферну обсерваторію (SOHO) – спільну роботу НАСА і Європейського космічного агентства (ESA), Обсерваторія сонячно-земних зв’язків (STEREO), що складається з двох майже ідентичних обсерваторій, одна з яких розташована попереду орбіти Землі, а інша – позаду, а також сонячний орбітальний апарат ЄКА, який вперше досліджує незвідані полярні області Сонця.

ДОДАТКОВІ РЕСУРСИ

Якщо ви хочете побачити, як сонячний вітер взаємодіє з іншими об’єктами Сонячної системи, перегляньте цю інфографіку NASA. Дізнайтеся більше про численні місії NASA в геліосфері за допомогою NASA. Дізнайтеся більше про сонячний вітер за допомогою цієї пояснювальної статті від Чиказького університету. Дивіться швидкість і щільність сонячного вітру в реальному часі за допомогою Центру прогнозування космічної погоди NOAA.

БІБЛІОГРАФІЯ

Річардсон, Д. Д., Ванг, К. та Пауларена, К. І. (2001). Сонячний вітер: від сонячного мінімуму до сонячного максимуму. Успіхи космічних досліджень, 27(3), 471-479. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273117701000746

Корональні діри. Центр прогнозування космічної погоди NOAA / NWS. Отримано 15 червня 2022 р. з https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/coronal-holes

Фокс, К. Вплив сильних сонячних спалахів. NASA, 13 травня 2013 року. Отримано 15 червня 2022 р. з https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/news/flare-impacts.html.

Фрейзер, С. Швидкий сонячний вітер спричиняє полярні сяйва. NASA, 9 жовтня 2015 року. Отримано 15 червня 2022 р. з https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/fast-solar-wind-causes-aurora-light-shows

Геліосфера. ESA Science & Technology, 1 вересня 2019 року. Отримано 15 червня 2022 р. з https://sci.esa.int/web/ulysses/-/2576-the-heliosphere

Лернер, Л. Юджин Паркер, “Легендарна постать” у науці про Сонце та тезка сонячного зонда Parker Solar Probe, 1927-2022. Новини Чиказького університету, 16 березня 2022 року. Отримано 15 червня 2022 р. з https://news.uchicago.edu/story/eugene-parker-legendary-figure-solar-science-and-namesake-parker-solar-probe-1927-2022

НАСА. Вплив сонячного вітру. NASA. Отримано 15 червня 2022, з https://science.nasa.gov/science-news/news-articles/effects-of-the-solar-wind

NASA. Наука про сонячний вітер. NASA Space Technology 5. Отримано 15 червня 2022 р. з https://www.jpl.nasa.gov/nmp/st5/SCIENCE/solarwind.html

NASA. Сонячний вітер. Сонячна фізика. Центр космічних польотів імені Маршалла. Отримано 15 червня 2022 р. з https://solarscience.msfc.nasa.gov/SolarWind.shtml

Сонячний вітер. SpaceWeatherLive.com. Отримано 15 червня 2022 р. з https://www.spaceweatherlive.com/en/help/the-solar-wind.html

Сонячний вітер. Прогноз полярних сяйв. Отримано 15 червня 2022, з https://auroraforecast.is/solar-wind/.

Сонячний вітер. Сонячний вітер | Центр прогнозування космічної погоди NOAA / NWS. Отримано 15 червня 2022 р. з https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/solar-wind

Зелл, Х. (2021, 19 березня). Геліофізичні місії: Вивчення Сонця та його впливу на міжпланетний простір. NASA. Отримано 15 червня 2022 р. з https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/missions/index.html.