Физика Солнца

Почему лето было таким холодным и когда наступит глобальное потепление? Как долететь до Марса и не пострадать от радиации? Почему вспышки на Солнце обходятся государствам в 20 миллиардов долларов? Об этом в рамках HSE Teaching Excellence Initiative рассказал профессор Уорикского Университета Валерий Накаряков. IQ публикует небольшой конспект и полные видеозаписи лекций профессора.

‍

Физика Солнца. Лекция 1.1 «Основные причины исследования Солнца»

Профессор Ворвикского университета Валерий Накаряков прочел курс лекций о физике Солнца на факультете физики НИУ ВШЭ.

‍

Физика Солнца. Лекция 1.2 «Основные причины исследования Солнца»

‍

Физика Солнца. Лекция 2.1 «Структура, морфология и феноменология Солнца и его атмосферы»

‍

Физика Солнца. Лекция 2.2 «Структура, морфология и феноменология Солнца и его атмосферы»

‍

Физика Солнца. Лекция 3.1 «Солнечная корона»

‍

Физика Солнца. Лекция 3.2 «Солнечная корона»

‍

Физика Солнца. Лекция 4.1 «Основы физики плазмы»

‍

Физика Солнца. Лекция 4.1 «Основы физики плазмы»

‍

Физика Солнца. Лекция 5.1 «Магнитогидродинамика 1»

‍

Физика Солнца. Лекция 5.2 «Магнитогидродинамика 1»

‍

Физика Солнца. Лекция 6.1 «Магнитогидродинамика 2"

‍

Физика Солнца. Лекция 6.2 «Магнитогидродинамика 2»

‍

Физика Солнца. Лекция 7 «Магнитное пересоединение»

‍

Физика Солнца. Лекция 8.1 «Солнечный ветер»

‍

Физика Солнца. Лекция 8.2 «Солнечный ветер»

‍

Физика Солнца. Лекция 9.1 «Гелиосейсмология и астеросейсмология»

‍

Физика Солнца. Лекция 9.2 «Гелиосейсмология и астеросейсмология»

‍

Физика Солнца. Лекция 10.1 «Космические и наземные проекты нового поколения»

ЭксПрофессор Ворвикского университета Валерий Накаряков прочел курс лекций о физике Солнца на факультете физики НИУ ВШЭ.

‍

Физика Солнца. Лекция 10.2 «Космические и наземные проекты нового поколения»

Как выглядит Солнце и почему это важно?

Может показаться, что Солнце имеет четкие границы, но это не так. Его плотность постепенно убывает, резкие очертания «шара» мы наблюдаем лишь потому, что всё видимое излучение исходит из небольшого светящегося слоя толщиной не более 320 км — фотосферы. И именно она создаёт иллюзию того, что у Солнца есть «поверхность». Сама фотосфера имеет круглую форму, причем достаточно постоянную. Эта форма зависит от скорости вращения, магнитного поля и потоков плазмы в недрах Солнца. Если взглянуть на нее через телескоп с возможностью достаточного разрешения, то можно разглядеть, что фотосфера имеет гранулированную структуру. Её можно сравнить с кучевыми облаками, на которые смотришь сверху из иллюминатора самолета. При этом картина грануляции не является застывшей. Одни гранулы исчезают, другие появляются, каждая из них живет не более 20 мин. Весь этот процесс напоминает кипение жидкости в кастрюле.

В огромном плазменном шаре Солнца сосредоточено 99,866 % массы всей Солнечной системы. С поверхности Земли Солнце изучают при помощи радио- и оптических методов. Внеатмосферная астрономия позволила значительно расширить исследуемый диапазон частот электромагнитного излучения Солнца. Всё многообразие солнечных явлений, которое было раскрыто благодаря этим методам, свойственно, вероятно, не только Солнцу, но и другим звёздам. Ведь Солнце — всего лишь одна из многочисленных звезд в нашей Галактике, поэтому такие направления, как исследование строения Солнца, его источников энергии, образования солнечного спектра, являются общими для физики звезд в целом. У нас нет возможности наблюдать другие звезды с таким же пространственным разрешением, как Солнце. То есть пока что мы не можем видеть детали на поверхности других звезд, потому что они удалены от нас на световые годы. А поверхности Солнца и его окружение мы можем подвергнуть относительно точному анализу.

Зачем нам знать, что происходит на Солнце?

99 процентов видимого вещества во Вселенной находятся в плазменном состоянии. Это, например, все звезды, межзвездная и межпланетная среда, верхние слои планетных атмосфер. Солнечная корона (верхняя часть солнечной атмосферы) и магнитосфера Земли являются огромными естественными плазменными системами, природными лабораториями, в которых мы можем изучать плазму в очень широком диапазоне параметров (недоступных в земных лабораториях) — с помощью оптических телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных рентгеновских и гамма-телескопов. Ученые также могут воздействовать на околоземную космическую плазму радиоизлучением и пучками заряженных частиц. Эти методы используются для диагностики и моделирования естественных процессов в реальных условиях. Физика плазмы, изучение процессов термоядерного синтеза на Солнце (процессы, в ходе которых образуются не химические соединения, а ядра новых химических элементов) помогают нам приблизиться к пониманию того, как можно решить энергетическую проблему на Земле. Многие ученые рассматривают энергию синтеза в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе. В качестве аргументов приводят множество плюсов. Среди них такие, как достаточные запасы топлива (изотопов водорода), отсутствие продуктов сгорания (реакция синтеза не производит атмосферных выбросов углекислоты), а также отсутствие факторов радиоактивного загрязнения. Сейчас управляемый термоядерный синтез для промышленных целей пытаются воссоздать в токамаках (тороидальных камерах с магнитными катушками). Это один из вариантов устройства, основанного на принципе магнитного удержания, способного формировать долгоживущую горячую плазму высокой плотности. Исследования активно ведутся во многих странах, в том числе в России, США, Китае, Японии, в странах Евросоюза.

Солнце осушит наши океаны через 3,5 миллиарда лет?

В астрофизике преобладает теория, известная как небулярная гипотеза (ее автор, кстати, немецкий философ Иммануил Кант). В этой гипотезе предполагается, что Солнце и все планеты были образованы из гигантского облака молекулярного газа и пыли, которое на каком-то определенном этапе своего существования пережило гравитационный коллапс.

Текущий возраст Солнца (время его существования), оценённый с помощью компьютерных моделей звёздной эволюции, равен приблизительно 4,57 млрд лет. К слову, Солнце является молодой звездой третьего поколения. Ученым удалось выяснить, что в самом начале своей жизни Солнце на три четверти состояло из водорода. Этот элемент в ходе термоядерных реакций превращается в гелий. При этом, собственно, выделяется энергия, излучаемая Солнцем. Механизм следующий: масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых оно образовалось, а по формуле Эйнштейна (Е = mc^2) эта разница в массе превращается в энергию. Если говорить о массе Солнца, то, по расчётам ученых, такая звезда должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 млрд лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла. После того как в центре звезды водород будет на исходе, Солнце увеличится в размерах и превратится в красного гиганта, поглотив Меркурий и Венеру. Эти изменения, конечно, драматическим образом скажутся и на нашей планете. Повысится температура Земли, океаны выкипят. Жизнь в той форме, в которой мы её знаем сейчас, станет невозможной. Солнце же в итоге ждет судьба белого карлика. Его гравитационного влияния уже не будет хватать для поддержания оставшихся планет на текущих орбитах. Они, по всей видимости, начнут сталкиваться, что приведет к образованию огромного количества астероидов, состав которых будет напоминать ядра планет. Но это лишь предположение, хотя и основанное на эмпирических данных, которые получены из космоса с помощью телескопа Хаббл. Как будет на самом деле, наше с вами поколение, к счастью, не узнает.

Что такое космическая погода?

Солнце — звезда, обладающая сильным магнитным полем. Его напряженность со временем меняется, цикл составляет 11 лет. Многочисленные вариации магнитного поля Солнца вызывают разнообразные эффекты, вся совокупность которых называется солнечной активностью. Это солнечные пятна, солнечные вспышки, корональные выбросы массы (КВМ), солнечный ветер и т.д. Во время солнечных вспышек энергичные заряженные частицы (солнечные космические лучи) долетают до Земли, взаимодействуют с верхними слоями атмосферы. Вспышки на Солнце и КВМ зачастую очень сложно предсказать, но именно этот вид активности Солнца вызывает на Земле полярные сияния в высоких и средних широтах. А взаимодействие магнитного поля КВМ с магнитным полем магнитосферы Земли становится причиной геомагнитных бурь, которые негативно сказываются на работе средств связи, средств передачи электроэнергии. Из-за этих явлений периодически возникают проблемы со спутниками разного уровня, иногда даже случаются потери спутников после относительно сильных вспышек. Все эти события, несомненно, приводят к огромным денежным потерям как для государства, так и для коммерческих организаций. Например, авиакомпании могут учитывать эти данные для определения дозы радиации, полученной экипажем вследствие изменений геомагнитной обстановки. Поэтому сейчас события космической погоды учеными воспринимаются так же, как, например, землетрясения или цунами. Эти явления также необходимо учитывать при решении ряда задач, связанных с использованием систем глобального позиционирования (например, GPS или системы ГЛОНАСС). Ведь состояние ионосферы существенно зависит от текущей солнечной активности, и, как следствие, пользователь может получить неверные данные о своем положении. Для полета к далеким планетам, если мы выходим за пределы магнитосферы Земли, экранирующей потоки солнечной радиации, нам нужно разработать очень надежные защитные системы.

Что оно скрывает и почему так холодно?

Одной из фундаментальных загадок Солнца является температурная аномалия солнечной короны — проблема нагрева. Корона – последняя внешняя оболочка Солнца. Её температура — от 600 000 до 2 000 000 градусов, а в случае вспышек может достигать десятков миллионов градусов Кельвина. Несмотря на это, корона видна невооружённым глазом только во время полного солнечного затмения. Её яркость невелика, так как плотность вещества в короне очень мала. Парадокс заключается в том, что хотя и в недрах Солнца, где протекают термоядерные реакции синтеза, температура достигает миллионов градусов Кельвина, но между короной и недрами Солнца расположен еще один слой — фотосфера, температура которой на три порядка ниже — всего около 5-6 тысяч градусов Кельвина. Существует более десятка конкурирующих теорий, которые связывают этот эффект с трансформацией энергии магнитного поля в тепловую энергию. Солнечная корона, поскольку ее температура очень велика, интенсивно испускает лучи в ультрафиолетовом и рентгеновских диапазонах. Эти излучения не проходят сквозь земную атмосферу, но сейчас уже ученые могут исследовать их при помощи космических аппаратов.

Кстати, сейчас Солнце выглядит примерно так, как оно выглядело в начале 18 века. Такие выводы мы можем сделать, разглядывая график солнечной активности, так называемый «закон Швабе-Вольфа». Нынешний 24-й цикл, который начался в 2008 году, оказался рекордно слабым. Подобные аномалии обнаружил астрономом Эдвард Маундер, изучая пятна на Солнце с 1645 по 1715 годы. Последствия такого поведения могут быть достаточно заметным в некоторых регионах земного шара. Если взять, к примеру, Европу, то там темпы глобального потепления, вероятно, могут замедляться, и среднегодовые температуры вырастут на градус меньше, чем ожидается. Заметные изменения могут произойти в приполярных регионах северного полушария. Там в отдельных регионах температура может упасть на 1,5 градуса Цельсия. Однако стоит отметить, что единого мнения у ученых пока нет по этому вопросу. Влияние Солнца на климатические особенности Земли является темой активных исследований.

Справка: Валерий Михайлович Накаряков — профессор Уорикского Университета (Великобритания), председатель Департамента физики Солнца Великобритании, эксперт в отделе грантов по астрономии, член совета Королевского астрономического общества и автор известного обзора «Корональные волны и колебания» в the Living Reviews of Solar Physic, а также автор более двухсот научных статей в рецензируемых журналах

Основные научные достижения профессора Накарякова связаны с магнитогидродинамической корональной сейсмологией. Текущая деятельность Накарякова, помимо преподавания, включает исследования по физике Солнца, руководство и участие в международных научных проектах Solar Orbiter, АРКА, HiRISE, SPARK и PROBA-3.

Автор текста: Краснопевцева Екатерина Александровна, 2 августа, 2017 г.

Все материалы автора