Время от времени наше Солнце как будто «чихает» с силой, эквивалентной около 20 миллионам атомных бомб. Такие явления называются корональными выбросами массы. Это мощные извержения в результате явлений в магнитном поле нашего светила, которые порождают возмущения, проходящие через всю Солнечную систему и влияющие на искусственные спутники и магнитное поле Земли. 

Во время коронального выброса массы огромные пузыри перегретого газа – плазмы – вырываются с поверхности Солнца. В течение нескольких часов миллиарды тонн материи поднимаются с поверхности звезды и ускоряются до скоростей в миллионы километров в час.

В периоды активного Солнца такое явление может происходить несколько раз в день, во времена спокойного Солнца – приблизительно один раз в пять дней.

Причина, лежащая в основе явления корональных выбросов массы, не вполне понятна. Тем не менее, исследователи сходятся на том, что основную роль в этом процессе играет магнитное поле.

По той причине, что Солнце – не твёрдое тело, турбуленция закручивает магнитные поля в сложные структуры. Скрученное в клубок магнитное поле с определённого момента пытается развернуться в нормальное состояние, и такой процесс может привести к «выстреливанию» колоссальных масс плазмы в космическое пространство.

Плазма представляет собой облако протонов и электронов, уносимое солнечным ветром. Двигаясь со скоростью до 1,6 миллиона километров в час, оно достигает орбиты нашей планеты за несколько дней. Поскольку корональные выбросы массы происходят во всех направлениях от Солнца, большинство из них проходят мимо нас. Но время от времени извержение направлено прямо на Землю. 

Когда облако плазмы встречается с нашей планетой, мы называем это геомагнитным штормом. Ударная волна заряженных частиц сплющивает магнитное поле Земли с дневной стороны и растягивает ночную его часть. Когда деформированное магнитное поле Земли вновь принимает нормальную форму, выделяется энергия, сравнимая с разрядом молнии.

Стремительная атака заряженных частиц и временная реструктуризация магнитного поля Земли вызывают наблюдаемые эффекты. Полярные сияния в эти периоды смещаются в более низкие широты и становятся интенсивнее. Возмущения земного магнитного поля могут сделать нашу планету временно уязвимой для смертоносного космического излучения.

Наша атмосфера предоставляет достаточную защиту всему, что находится на поверхности Земли. А вот астронавты на орбитальной станции могут получить смертельные дозы радиации. В 1989 году космонавты на станции «Мир» получили годовую дозу за несколько часов. 

Реальной долгосрочной опасностью можно считать эффект таких штормов на нашу технологическую инфраструктуру. Шквал возмущений магнитного поля и наведённые электрические разряды выводят из строя силовые и коммуникационные сети – все то, для чего нужно электричество. Во время уже упоминавшегося коронального выброса массы в 1989 году произошёл коллапс сети электроснабжения в Квебеке (Канада). Шесть миллионов человек оставались без электричества на 9 часов.

Но всё это – практически ничто по сравнению с геомагнитным штормом 1859 года. Это событие получило имя любителя астрономии Ричарда Кэррингтона, наблюдавшего различные световые явления, вызванные штормом, который считается одним из сильнейших в истории. Полярные сияния наблюдались на Гавайских и Карибских островах. Наблюдатели на высоких широтах сообщали, что было возможным читать газеты при свете полярного сияния. Телеграфная сеть прекратила работать, операторы получали удары током, а используемая телеграфом бумага загоралась.

Повторение Кэррингтонского события в современном мире, пронизанном средствами коммуникации, приведёт к опустошительным последствиям. Каскадные отказы за считанные минуты отключат от электроснабжения миллионы людей. Коммуникационная сеть не сможет правильно работать, и спутники системы GPS, на которых строится вся система воздушного сообщения, отключатся.

Корональное облако – облако горячей плазмы, окружающее корональный выброс массы. Обычно состоит из протонов и электронов. Когда корональный выброс массы происходит на Солнце, именно корональное облако может достигнуть Земли и причинить ущерб электрооборудованию и космическим спутникам, а не сам выброс массы или вспышка. Ущерб наносится в основном за счёт прохождения большого количества электроэнергии через атмосферу.

Корональное облако выделяется, когда солнечная вспышка образует корональный выброс массы. Часто корональное облако содержит больше радиоактивных частиц, чем сам выброс массы. Корональный выброс массы возникает, когда солнечная вспышка становится настолько горячей, что разделяется на две части, образуя тепловой и магнитный жгут между двумя солнечными пятнами. 

Возникающий выброс массы можно сравнить с магнитом в форме подковы, полюсами которого являются солнечные пятна. Выбросы массы обычно длятся не очень долго, поскольку происходит охлаждение по мере того, как корональное облако формируется и удаляется от Солнца.

При росте коронального облака требуется несколько дней для того, чтобы плазма достаточно охладилась и облако отделилось от поверхности Солнца. Обычно это происходит до того, как корональный выброс массы сможет охладиться достаточно для того, чтобы намагниченность исчезла, после чего цикл солнечной вспышки начнётся снова. 

Пока газовое облако достаточно холодное, чтобы находиться в состоянии полужидкой плазмы, оно остаётся близко к выброшенному веществу, изолируя его от холодного космического пространства.

По мере охлаждения внешних краёв облака магнитные трубки выброса массы начинают охлаждаться, при этом происходит децентрализация остатка вспышки и ослабление её магнитного поля. После начала охлаждения облако продолжает охлаждаться до ядра. Выброс массы простирается в космос, изолированное магнитное поле ослабевает.

Когда корональное облако меняет состояние из газообразного в жидкое, происходит отсоединение. Внутренняя жидкая область плазмы довольно мала и нагревается выброшенным веществом. При этом выброс массы теряет магнитные свойства и охлаждается до состояния газа или падает обратно на Солнце в течение нескольких часов. Однако корональное облако до сих пор соединено с выбросом массы.

Корональное облако и то, что осталось от выброса массы, отделяется от Солнца. Облако газа, радиоактивные частицы и электроны всё же остаются в гравитационном поле Солнца. Может реализоваться один из двух сценариев:

•    облако может быть притянуто обратно к Солнцу, цикл возникновения облака начинается заново;
•    облако может отделиться от Солнца и начать двигаться в космическом пространстве.

Если облако начинает движение в космосе, оно обычно захватывается притяжением планет. К тому моменту, как облако достигнет Земли, большая часть вещества поглотится Меркурием и Венерой, и магнитосфера Земли способна отклонить оставшееся вещество в сторону внешней части Солнечной системы. В некоторых случаях особенно крупные и массивные облака способны частично проникать в верхние слои атмосферы. 

Магнитное облако может двигаться к Земле со скоростью более 11 млн км/ч. В среднем облаку требуется около 13 с половиной часов для того, чтобы достигнуть Земли. При достижении Земли большое количество радиоактивной и электрической энергии может временно прервать или даже разрушить электросети, антенны, приборы связи и другую электрическую технику.

Некоторую опасность последствия сближения с облаком представляют для живых организмов, поскольку малая часть радиации проникает через магнитосферу.

Конкретные причины, по которым эти облака опасны для электронного и коммуникационного оборудования, включают перегрузку крупных силовых трансформаторов, что может привести к длительным отключениям электроэнергии в крупных географических районах. 

Длинные металлические конструкции, такие как нефтегазовые трубы, водопроводные трубы и коммуникационные антенны, также могут поглощать и переносить избыточный электрический ток из воздуха, что вызывает их коррозию быстрее, чем обычно. Также могут возникать аномалии в ионосфере, что нарушает работу устройств беспроводной связи, таких как GPS, мобильные телефоны, телевидение и радио.

Ученые Сколтеха (Сколковского института науки и технологий) совместно с коллегами из Грацского университета имени Карла и Франца и обсерватории Канцельхох (Австрия) разработали автоматический метод детектирования «корональных диммингов», или «следов» от корональных выбросов на Солнце, а также доказали, что они являются надежными индикаторами ранней диагностики мощных выбросов энергии из атмосферы Солнца, несущихся с огромной скоростью к Земле. Результаты исследования опубликованы в Astrophysical Journal. 

Корональные выбросы массы – одно из наиболее ярких проявлений солнечной активности. Огромные облака плазмы, пронизанные магнитными линиями, выбрасываются из атмосферы Солнца в окружающее пространство со скоростями 100-3500 км/с.

Если поток заряженных частиц достигает Земли, в ее атмосфере возникают полярные сияния и магнитные бури. Это может привести к серьезным проблемам в работе электрооборудования и потере сигнала, а больше всего опасности подвержены космические аппараты и космонавты в открытом космосе.

Корональные выбросы массы происходят в атмосфере Солнца, солнечной короне, которая очень разрежена и светит не так ярко, как солнечный диск. Поэтому эволюцию этих взрывных явлений можно наблюдать только с помощью специальных инструментов – коронографов, создавая искусственное солнечное затмение и перекрывая яркое Солнце темным диском.

Коронографы, установленные на Земле, не дают точных результатов из-за яркого свечения неба, поэтому обычно их устанавливают на космических аппаратах. На сегодняшний день есть только два коронографа в космосе: на борту спутников STEREO-A и SOHO, а новые подобные миссии ожидаются не раньше, чем через несколько лет. 

У наблюдений с помощью коронографов есть и существенный недостаток: перекрывая солнечный диск на несколько его радиусов, невозможно разглядеть раннюю эволюцию выброса, а только его форму на развитой стадии.

Но можно подойти к решению этой задачи с другой стороны и изучать не сам корональный выброс, а его «след» прямо на Солнце – корональные димминги. Если наблюдать солнечную корону в ультрафиолете, то можно увидеть провалы в интенсивности – темные пятна, которые связаны с потерей вещества в короне во время выброса плазмы – это и есть димминги.

Благодаря уникальной позиции спутников STEREO-A, STEREO-B и SDO впервые удалось сравнить размер и яркость корональных диммингов с разных точек наблюдения. Полученные результаты подтверждают более раннюю работу ученых-соавторов исследования из Грацского университета, где те же димминги были изучены на диске Солнца с помощью изображений спутника SDO.

«Мы показали, что, наблюдая димминги на Солнце, можно на ранних стадиях оценить массу и скорость коронального выброса массы – ключевые параметры, позволяющие предсказать масштаб события и время его ожидаемых последствий на Земле. Это имеет большое прикладное значение для разработки оперативных сервисов космической погоды, а также для будущих космических миссий в точку Лагранжа L5. Космические аппараты будут располагаться на орбите, всегда образуя одно и то же положение вместе с Землей. Это позволит детектировать следы корональных выбросов массы прямо на Солнце, а также прогнозировать параметры мощных выбросов прежде, чем они будут замечены с Земли», – говорит аспирант Космического центра Сколтеха и первый автор исследования, Галина Чикунова.

«Человечество вступает в новую эпоху освоения космического пространства, создания новых космических технологий, которые постепенно переходят в нашу повседневную жизнь. В настоящее время очень важно изучать природу взрывных явлений на Солнце, разрабатывать методы их раннего прогнозирования, чтобы обезопасить наше общество и технологии от опасностей космической погоды. А еще – вовремя выключать на время аппаратуру на спутниках, переводить космонавтов в укрытие, отменять спутниковые маневры, авиаперелеты через полярные регионы, сообщать о возможных проблемах с навигацией. И какие бы не бушевали бури, мы желаем вам хорошей космической погоды», – говорит профессор Космического центра Сколтеха, соавтор исследования, Татьяна Подладчикова.