Солнечные вспышки: новый метод «прогноза по фотографии»
Солнечные вспышки — это взрывы в солнечной короне. При таких взрывах выделяется большое количество энергии, а излучение от них направленно уходит в космическое пространство в зависимости от положения вспышки на поверхности Солнца. Магнитосфера Земли защищает от таких всплесков излучения. Однако если этот поток оказывается достаточно мощным и направленным в сторону Земли, он может привести к сбою спутников, энергосистем и помехам радиосвязи. Прогноз мощных вспышек, особенно направленных на Землю — важная задача, но её решение упирается в хаотичную динамику солнечной магнитосферы. Новый метод предлагает решение в виде поисков предвестников вспышки путём исследования топологии магнитных линий Солнца.
Солнечные вспышки связаны с динамикой магнитного поля Солнца. На Земле линии магнитного поля в целом подобны полю постоянного магнита, проходя от южного магнитного полюса к северному. Магнитосфера Земли далеко не статична, и в её основе также лежит хаотическая динамическая система (магнитное геодинамо), связанная с вращением Земли и конвекцией вещества в жидком металлическом ядре Земли. Динамический хаос проявляется в постоянном дрейфе магнитных полюсов Земли и малопредсказуемых инверсиях магнитных полюсов (подробнее про сложности описания земной магнитосферы см. статью по ссылке). Но на Солнце всё гораздо сложнее: магнитосфера определяется хаотичной динамикой тепловых потоков и плазмы, её структура несравнима по сложности с земной, а изменения во времени гораздо более сильные и малопредсказуемые.
Поскольку солнечная магнитосфера — неустойчивая динамическая система в состоянии хаоса, долгосрочный прогноз возникновения вспышек наталкивается на такие же фундаментальные ограничения, как, например, прогноз погоды, предсказание землетрясений или полярных сияний. Система является принципиально непредсказуемой за пределами небольшого временного горизонта. В настоящее время NOAA (Национальное управление океанических и атмосферных исследований США) даёт прогноз на несколько дней, и он носит вероятностный характер — вероятность возникновения вспышки с интенсивностью выше некоторой пороговой в этот период. Современные исследования в этом направлении больше сосредоточены на эмпирическом выявлении возможных предвестников интенсивной вспышки, например, путём анализа конфигурации магнитных линий и определения, какие из них могут быть «опасными». Новая работа группы астрофизиков из Японии следует этому пути: исследуется связь зафиксированных космическими телескопами солнечных вспышек и геометрических особенностей линий магнитного поля Солнца незадолго до вспышки. Статья по результатам работы опубликована в конце июля 2020 года в Science.
Согласно некоторым моделям, солнечные вспышки происходят, когда множество магнитных линий объединяются в одну крупную петлю. Эти события хаотичны и могут вызываться триггерами вроде попадания одной космической частицы на поверхность в нужном месте и в нужный момент — ситуация здесь аналогична, например, сходу лавины, который может инициироваться самым незначительным событием (как известно туристам, таким событием может стать даже громкий крик в горах, если сочетание остальных факторов «благоприятствует»). Предложенный новый метод прогноза вспышек предполагает использование спутниковых снимков для обнаружения таких зон на поверхности Солнца, где условия благоприятствуют магнитному пересоединению, а следовательно, формированию вспышки. Эти условия также могут определить размер потенциальной вспышки. С точки зрения теории динамических систем речь здесь идёт об определении условий неустойчивости конфигурации магнитных линий, в результате которой происходит их «пересоединение» с изменением топологии системы — это так называемый «механизм неустойчивости двойной дуги» (double-arc instability). Отметим, что в современной литературе это только один из нескольких предложенных теоретических сценариев динамической неустойчивости в солнечной короне.
Астрофизики проанализировали спутниковые данные по 9 наиболее крупным солнечным вспышкам (вспышкам класса X), произошедшим на протяжении двух последних циклов солнечной активности и конфигурациям магнитных линий в «активных» зонах Солнца. Такой апостериорный анализ показал, что 7 из этих вспышек можно предсказать исключительно на основе анализа спутниковых данных.