Поток частиц высоких энергии от солнца

Поток частиц высоких энергии от солнца

Осн. долю С.к.л. составляют протоны с E_K > 10 6 эВ, имеются также ядра с зарядом (вплоть до ядер 28 Ni) и энергией E_K от 0,1 до 100 МэВ/нуклон, электроны с кэВ (экспериментальный предел). Зарегистрированы заметные потоки дейтронов 2 H, установлено наличие трития 3 H и осн. изотопов C, O, Ne и Ar. В нек-рых вспышках генерируется значит. количество ядер изотопа 3 He. Относительное содержание ядер с в основном отражает состав солнечной атмосферы, тогда как доля протонов меняется от вспышки к вспышке.

Комплекс явлений (процессов), предшествующих моменту t₀ генерации С.к.л., а также процессов, происходящих вблизи момента t₀ (сопутствующие эффекты) и сопровождающих генерацию С.к.л. (с запаздыванием T относительно момента t₀ или , где — длительность ускорения), наз. солнечным протопным событием (СПС). Для частиц с энергией E_K > 10 8 эВ временная зависимость интенсивности потока С.к.л. у Земли (временной профиль СПС) имеет характерный вид несимметричной кривой с очень быстрым (минуты — десятки минут) нарастанием и более медленным (от неск. часов до сут) спадом (рис. 1). При этом амплитуда возрастания на поверхности Земли может достигать сотен и тысяч % по отношению к фоновому потоку глактич. космич. лучей. Самое мощное СПС за всю историю их наблюдений (с 1942 г.) зарегистрировано 23 февраля 1956 г. (>4500%). Менее интенсивные СПС с увеличением потока С.к.л. на >1% наблюдаются чаще. С февраля 1942 г. по февраль 1984 г. на поверхности Земли было зафиксировано 34 подобных случая (рис. 20. По мере удаления от поверхности Земли (в стратосфере, на орбитах ИСЗ и в межпланетном пространстве) энергетич. порог регистрации С.к.л. постепенно снижается , а частота наблюдаемых протонных событий значительно увеличивается. При этом временной профиль СПС, как правило, растягивается на несколько десятков часов.

Распределение С.к.л. по энергиям и зарядам у Земли определяется механизмом ускорения частиц в источнике (солнечная вспышка), особенностями их выхода из области ускорения и условиями распространения в межпланетной среде. Форма спектра С.к.л. в источнике во всем диапазоне их энергий пока надежно не установлена. По-видимому, она неодинакова в различных интервалах энергии: при описании дифференциального энергетич. спектра степенной ф-цией показатель по мере уменьшения энергии уменьшается (спектр становится более пологим). В межпланетных магн. поляхспектр заметно трансформируется со временем (значение увеличивается), но остается круто падающим, т.е. число частиц быстро уменьшается с ростом энергии. Показатель спектра в истонике может менятся от события к событию в пределах в зависимости от мощности СПС и рассматриваемого интервала энергий, а у Земли — соответственно в пределах .

Полное число ускоренных протонов, вышедших в межпланетное пространство во время мощного СПС, может превышать 10 32 , а их суммарная энергия >10 31 эрг, что сравнимо с энергией эл.-магн. излучения вспышки. Высота, на к-рой происходит ускорение частиц в атмосфере Солнца, по-видимому, неодинакова для разных вспышек: в одних случаях область ускорения (источник) находится в короне, при концентрации частиц плазмы n

10 11 см -3 , в других — в хромосфере, где n

10 13 см -3 . На выход С.к.л. за пределы солнечной атмосферы существенно влияет конфигурация магн. полей в короне.

Ускорение частиц тесно связано с механизмом возникновения и развития самих солнечных вспышек. Осн. источником энергии вспышки явл. магн. поле. При его изменениях возникают электрич. поля, к-рые и ускоряют заряженные частицы. Наиболее вероятными механизмами ускорения частиц во вспышках принято считать электромагнитные. Частицы космич. лучей с зарядом Ze, массой Am_p и скоростью v в эл.-магн. полях принято характеризовать магн. жесткостью R=Am_p cv/Ze, где A — атомный номер элемента. При ускорении квазирегулярным электрическим полем, возникающем при разрыве нейтрального токового слоя во вспышке, в процесс ускорения вовлекаются все частицы горячей плазмы из области разрыва. При этом формируется спектр С.к.л. вида

exp(-R/R₀), где R₀ — характеристич. жесткость. Если магн. поле в области вспышки меняется регулярным образом (напр., растет со временем по определенному закону), то возможен эффект бетатронного ускорения. Такой механизм приводит к степенному спектру по жесткостям (). В сильно турбулизированной плазме солнечной атмосферы (см. Плазменная турбулентность ) возникают также нерегулярно меняющиеся электрич. и магн. поля, к-рые приводят к стохастическому ускорению. Наиболее детально разработан механизм статистич. ускорения при столкновениях частиц с магн. неоднородностями (механизм Ферми). Этот механизм дает энергетич. спектр вида .

В условиях вспышки осн. роль должны играть быстрые (регулярные) механизмы ускорения, хотя теория допускает и альтернативную возможность — медленное (стохастическое) ускорение. Из-за сложности физ. картины вспышек и недостаточности точности наблюдений сделать выбор между различными механизмами трудно. Вместе с тем наблюдения и теоретич. анализ показывают, что во вспышке может работать нек-рая комбинация механизмов ускорения. Принципиально важную информацию о процессах ускорения С.к.л. дают регистрация нейтронов и гамма-излучения вспышек, а также наблюдения эл.-магн. излучения в рентг., радио- и др. диапазонах. Данные об этих излучениях, полученные с помощью КА, свидетельствуют в пользу бытрого ускорения С.к.л. (секунды).

Покидая область ускорения, частицы С.к.л. в течение многих часов блуждают в межпланетном магн. поле, рассеиваясь на его неоднородностях, и постепенно уходят к краям Солнечной системы. Часть из них вторгается в атмосферу Земли, вызывая дополнительную ионизацию газов атмосферы (в основном в области полярных шапок). Достаточно интенсивные потоки С.к.л. могут заметно опустошать озонный слой атмосферы. Тем самым С.к.л. играют активную роль в системе солнечно-земных связей .

Мощные потоки быстрых частиц в период солнечных вспышек могут создавать серьезную опасность для экипажей, солнечных батарей и электронного оборудования КА в межпланетном пространстве. Установлено, что наибольший вклад в суммарную дозу вносят солнечные протоны с энергией эВ. Частицы меньших энергий эффективно поглощаются обшивкой КА. Относительно небольшие СПС дают макс. поток протонов с энергией эВ не выше 10 2 -10 3 см -2 с -1 , что сравнимо с потоком протонов во внутр. радиационном поясе Земли. Макс. поток протонов с эВ от наиболее мощного СПС 23 февраля 1956 г. составил см -2 с -1 , а для протонов с эВ — ок. см -2 с -1 . Значения макс. потоков протонов во время мощных СПС растут по мере уменьшения энергии. Так, 4 августа 1972 г. поток протонов с эВ превышал см -2 с -1 . Мощные СПС происходят не чаще одного в неск. лет, так что космич. полеты малой длительности относительно безопасны. Для обеспечения радиац. безопасности КА проблема прогнозирования солнечнох вспышек остается оченб актуальной, но, по-видимому, еще далекой от разрешения. Более обнадеживающие результаты достигнуты в диагностике СПС, т.е. в количеств. оценке ожидаемых характеристик С.к.л. по данным об эл.-магн. излучении вспышек. Эти результаты важны, в частности, для прогноза и оценки геофиз. эффектов С.к.л.

Лит.:
Мирошниченко Л.И., Космические лучи в межпланетном пространстве, М., 1973; Григорьев Ю.Г., Радиационная безопасность комических полетов, М., 1975; Проблемы солнечной активности и космическая система «Прогноз». [Сб. ст.], М., 1977; Мирошниченко Л.И., Петров В.М., Динамика радиационных условий в космосе, М., 1985.

Источник

Ученые впервые определили состав солнечных частиц высокой энергии

Ученые из США и Великобритании впервые обнаружили источник потенциально опасных солнечных частиц высокой энергии, образующихся во время корональных выбросов на Солнце, а также определили их состав. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

В отличие от солнечных вспышек, во время которых магнитная энергия, накопленная в активных областях на Солнце, реализуется в основном в виде электромагнитного излучения, во время корональных выбросов массы эта энергия расходуется на ускорение огромных масс вещества.

В течение каждого 11-летнего солнечного цикла происходит около ста подобных событий. Частицы солнечной энергии высвобождаются из короны Солнца в огромных облаках плазмы и магнитного поля, формируя быстрый солнечный ветер. Эти частицы обладают высокой энергией и, если они достигают атмосферы Земли, не только порождают полярные сияния, но и потенциально могут нарушить работу спутников и электрического оборудования, а также создать риск радиационного облучения для космонавтов на орбите и людей в самолетах.

Например, в 1859 году, во время так называемого Кэррингтонского события, сильная солнечная буря привела к отказу телеграфных систем по всей Европе и Америке. В современном мире, который так сильно зависит от электронной инфраструктуры, риски намного выше. Поэтому ученые пытаются понять, как образуются эти потоки частиц, чтобы лучше предсказывать их появление и последствия на Земле.

Недавнее исследование ученых из Университетского колледжа Лондона и Университета Джорджа Мейсона в штате Вирджиния в США подтвердило гипотезу о том, что высокоэнергетические солнечные частицы происходят из другого источника, чем медленный солнечный ветер.

Впервые авторы обнаружили солнечные частицы высокой энергии в январе 2014 года. Космический аппарат NASA Wind, предназначенный для изучения солнечного ветра, зафиксировал тогда несколько потоков таких частиц, каждый из которых длился не менее одного дня.

Ученые сравнили эти данные с результатами спектрометрии, полученными от японского научного спутника для исследований в области физики Солнца Hinode, и выяснили, что потоки солнечных частиц приурочены к горячим петлям корональных выбросов, которые находятся в одной из активных областей Солнца, известной как 11944, наблюдаемой с Земли как темное пятно на поверхности звезды.

«В нашем исследовании мы впервые наблюдали, откуда именно на Солнце приходят солнечные энергетические частицы. Наши данные подтверждают гипотезу о том, что эти сильно заряженные частицы происходят из плазмы, удерживаемой в атмосфере Солнца сильными магнитными полями, — приводятся в пресс-релизе Университетского колледжа Лондона слова одного из авторов статьи, доктора Стефани Ярдли (Stephanie Yardley) из Лаборатории космических исследований Малларда. — Эти частицы затем ускоряются извержениями плазмы, которые распространяются со скоростью несколько тысяч километров в секунду».

Авторы также проанализировали состав солнечных частиц высокой энергии и обнаружили, что они имеют те же химические сигнатуры, что и плазма хромосферы — нижней части солнечной атмосферы: повышенные содержания кремния и пониженные — серы.

«Наши наблюдения дают заманчивую возможность заглянуть в то место, откуда происходит материал, который производил солнечные энергетические частицы в нескольких событиях последнего солнечного цикла, — говорит второй автор исследования, доктор Дэвид Брукс (David Brooks) из Университета Джорджа Мейсона. — Сейчас мы находимся в начале нового цикла и будем продолжать наблюдения, используя те же методы, чтобы убедиться в том, что наши результаты верны».

Ученые надеются, что дополнительная важная информация в ближайшие годы будет получена благодаря работе еще двух космических аппаратов — Solar Orbiter Европейского космического агентства и солнечного зонда NASA Parker, который скоро приблизится к Солнцу ближе, чем какой-либо корабль до него.

Источник