Солнечные вспышки, магнитные бури и полярные сияния⁠⁠

В последнее время в СМИ разного уровня появляется всё больше новостей на тему большого числа солнечных вспышек и магнитных бурь. Отдельной статьей идут снимки полярного сияния. На них реакция неоднозначная: кто-то в полном восторге, а кто-то реагирует как "Я раньше такого здесь не видел, значит это очень плохо". Совершенно бредовые соображения на тему и вовсе опустим. До поры - до времени.
Естественно Солнце, его вспышки, магнитные бури и полярные сияния тесно связаны между собой. Но действительно ли большое количество вспышек - это плохо? А полярные сияния - норма или не норма? И откуда всё это вообще появляется? И почему действительно полярных сияний стало так много?

Я постараюсь написать обо всём настолько коротко, насколько это возможно и в то же время понятным языком, но без базовых знаний физики и химии будет, конечно, сложнее.

Солнце - ближайшая к нам звезда. Оно светит, греет и поддерживает жизнь на Земле. Но просто сидеть на одном месте у Солнца не получается. Наше Солнце нестабильно - у Солнца есть циклы активности. В среднем такой цикл длится 11 лет и измеряется от минимума до минимума. Минимум солнечной активности - это момент времени, когда на Солнце наблюдается минимальное число активных областей, более известных как солнечные пятна.

Пятна на Солнце являются активными областями, так как служат источником солнечных вспышек. Солнечная вспышка - это процесс резкого выделения огромного количества энергии, а также излучения во всех диапазонах спектра - от рентгеновского до радиодиапазона.

Вспышки вызывают нарушение радиосвязи, а также могут вызвать магнитные бури на Земле. И здесь первый важный момент, который многие не знают: солнечные вспышки не всегда вызывают магнитные бури. Магнитную бурю вызывают не сами вспышки на Солнце, а выбросы корональных масс - солнечная плазма. А вспышки не всегда приводят к выбросу плазмы. Например, импульсные (быстрые) вспышки практически никогда не сопровождаются выбросом корональных масс и, соответственно, не приведут ни к какой магнитной буре.

2024 год, по данным NASA, должен стать годом максимума солнечной активности. В 2024 на Солнце будет наблюдаться большое количество пятен, которые могут стать причиной множества солнечных вспышек. Но, по статистике, самые мощные вспышки на Солнце происходят в течении 2 лет после максимума солнечной активности. Самая мощная вспышка в истории спутниковых наблюдений (класса Х28+) произошла в ноябре 2003, через почти 2 года после максимума солнечной активности. Так что, возможно, всё еще впереди.

Какую опасность могут в себе нести солнечные вспышки?

Вспышки на Солнце могут вызвать солнечный радиационный шторм или протонное событие - резкое увеличение числа солнечных протонов высоких энергий (выше 10 МэВ). Такие протоны очень быстро достигают Земли (свет долетает примерно за 8 минут, протоны - порядка 20 минут, солнечная плазма от вспышек - от 1,5 до 3 дней). При слабом радиационном шторме - страдает коротковолновая связь в приполярных областях, а при сильных штормах - отменяются или перенаправляются трансполярные авиаперелёты. Но даже такие события не вредят космонавтам на МКС - они защищены магнитным полем Земли также, как и сами жители Земли. Но вот электроника более чувствительна к таким событиям: спутники могут выходить из строя под действием солнечной плазмы. Такая участь настигла SpaceX - они заявили, что потеряли свои спутники из-за солнечных вспышек.

А, может, просто нашли оправдание чьим-то косякам. Потому что если причина - действительно вспышки на Солнце, то в ближайшее время Starlink может столкнуться с серьёзными проблемами.

Особо мощные вспышки на Солнце могут вызвать перебои со связью по всей планете, но такое бывает очень редко - даже не каждое столетие. Последний раз такое было в 1859 году и носит название событие Кэррингтона - самая мощная магнитная буря за всю историю наблюдений за Солнцем. Тогда сильно пострадала телеграфная связь, а полярные сияния были видны практически по всей планете. Но даже такая мощная буря не вызвала катастрофы планетарного масштаба и оставила крайне мало отпечатков на Земле. Но есть свидетельства о существовании супервспышек на Солнце, которые могут вызвать повышение числа содержания углерода-14 в земной атмосфере и отпечататься в годичных кольцах деревьев. Такое повышение происходит при бомбардировке атмосферного азота высокоэнергетичными нейтронами. Источником таких нейтронов может быть только Солнце, но для этого нейтроны должны добраться до Земли за 15 минут. Такие условия формируются при вспышках на Солнце небывалой мощности. Такие события называются события Мияке в честь японской ученой Фусы Мияке, которая первая обнаружила такие следы в годичных кольцах деревьев. Но даже такие события не уничтожили всё живое. Поэтому можно считать, что большое число солнечных вспышек не нанесут жизни на Земле никакого вреда.

Существует 3 причины выброса корональных масс, которые могут вызвать магнитные бури на Земле: солнечные вспышки, корональные дыры и отрывы протуберанцев. Про вспышки мы уже поговорили.

Корональные дыры - это области на Солнце где нет сомкнутых линий магнитного поля. Через такие области солнечная плазма может беспрепятственно покидать Солнце, устремляясь в космическое пространство. Особо сильных бурь солнечный ветер от корональных дыр вызвать не может. Никакой опасности сами по себе не представляют.

Третья причина выброса корональных масс - отрывы протуберанцев. Они слабее зависят от солнечный активности (но всё же зависят). Протуберанцы - это области над поверхностью Солнца, где достаточно плотная, но относительно холодная плазма удерживается магнитным полем. Когда линии магнитного поля размыкаются, происходит высвобождение солнечной плазмы.

Двойной отрыв протуберанца 17 апреля 2024 года который вызвал сильную магнитную бурю класса G3 (с 10-й секунды).

В каждом из описанных случаев солнечная плазма устремляется в космическое пространство и в некоторых случаях - к Земле. Когда плазма добирается до нашей планеты, она проникает в атмосферу Земли вблизи магнитных полюсов и начинает взаимодействие с атомами атмосферных газов. И тут начинается простейшая квантовая физика. Частицы солнечной плазмы сталкиваются с атомами атмосферных газов, вызывая ударную ионизацию - отрыв электрона с внешней электронной орбитали. При этом на отрыв электрона необходимо потратить некоторое количество энергии, которую отдают частицы солнечной плазмы. Так, атомы земной атмосферы становятся ионизированными, пополняя собой ионосферу. Но это состояние нестабильное, и атомы стремятся вернуться в неионизированное состояние, то есть получить свой электрон назад (один из фундаментальных законов квантовой физики: все тела стремятся занять положение с наименьшей потенциальной энергией. К примеру: потенциальная энергия человека, стоящего на ногах выше, чем человека, который лежит на диванчике. Поэтому лежать на диванчике человеку хочется больше, чем стоять на ногах). И спустя некоторое время электрон возвращается в атом, на свободное место. Но, согласно закону сохранения энергии, если на отрыв электрона от атома надо потратить энергию, то при возвращении электрона в атом эту энергию надо вернуть. И эта энергия возвращается в виде фотона - частички света, длина волны (а, следовательно - цвет) которого зависит от природы газа. Именно это свечение фотонов в северной части небосвода и называется полярным сиянием. На высоте от 200 до 400 км полярное сияние имеет красно-розовый цвет, от 100 до 200 км - зелёный цвет, до 100 км - фиолетовый цвет (но на такую глубину в атмосферу частицы солнечного ветра проникают достаточно редко).

Теперь несколько слов о том, почему полярные сияния стали таким частым явлением в центральной России. Причин тому несколько. Во-первых - конечно же, выросшее число выбросов на Солнце. Но тут всё закономерно - потому что близость максимума солнечной активности. Во-вторых - дрейф магнитного полюса Земли. Помните же из школьного курса географии, что магнитный полюс Земли в северном полушарии находится где-то в Канаде? Так вот - его там уже нет.

Примерно в 2020 году магнитный полюс Земли перешел в восточное полушарие в направлении России. Грубо говоря, с 1984 года магнитный полюс Земли стал почти на 1000 км ближе к центральной России. Дрейф магнитного полюса Земли - явление нормальное, и ничего плохого в себе, по сути, не несёт, если магнитное поле при этом не слабеет. А этого не наблюдается. Поэтому и участились случаи видимости полярных сияний. А еще у каждого в кармане есть камера, на которую стало возможно сфоткать сияние + обмен информацией стал гораздо быстрее - мы быстрее узнаем, что есть шанс сфотографировать полярное сияние.

В-третьих - эффект Рассела-Макферрона. Он говорит о том, что в периоды близости ко дням весеннего и осеннего равноденствий солнечная плазма сильнее влияет на магнитосферу Земли и, как следствие - вызывает более яркие полярные сияния.

А как насчет цвета сияний? Почему на севере (в Исландии, в Мурманской области) оно зелёное, а тут красные огни?

Ответ кроется в том, что я писал раньше. Красное свечение свойственно верхним слоям атмосферы (от 200 до 400 км). Глядя на сияние из средней полосы, мы смотрим на него как будто сбоку. Находясь ближе к северу, мы видим сияние снизу, а там по интенсивности преобладают зелёные цвета.

Я десятки раз видел в интернете, как вот такое сияние красного цвета называют чуть ли не смертоносным, обосновывая это тем, что мол кислород сгорает под влиянием солнечного ветра. Чушь собачья. Так пишут те, кто горение понимает, а ионизацию не понимает (и то горение из курса химии - это реакция окисления чего бы то ни было с выделением тепла, а окисление - это реакция с кислородом. Поэтому говорить, что эти люди понимают горение, тоже неправильно). Ионизацию такие люди представляют себе как разрушение атомов кислорода, а разрушение додумывают до горения. И да начнется паника! Но световое излучение - это не признак разрушения и даже ионизации атмосферных газов, это признак того, что атомы атмосферных газов вернулись в нормальное состояние.

А вот если при высокоэнергетическом воздействии свечения не будет - вот это уже проблема, это знак того, что в фундаментальной физике что-то сломалось.

Личное мнение: все же мы слышали фразу "да зачем мне ходить на уроки физики, химии и пр.? Я же не буду учёным". Я слышал много раз. А потом те же самые люди рассказывают, что полярные сияния - это сплошная радиация, которая нас всех убьет, уничтожит озоновый слой, сожжет атмосферу и уничтожит жизнь на Земле. Но потом мы лезем в архив и находим там вспышки на Солнце конца октября - начала ноября 2003 года, сравниваем с нынешними и понимаем, что сегодняшние вспышки - это так, петарда "Корсар 3" по сравнению с праздничным салютом. И ничего, все всё пережили, даже МКС не упала. А в прошлом цикле такого количества сияний не было потому что сам цикл был один из самых слабых в истории. Поэтому сравнивать нынешний цикл с предыдущим, на мой взгляд, неправильно.

Небольшой вывод по пунктам:

1). Солнечных вспышек действительно стало много. Но максимум солнечной активности должен быть таким. Тут всё в норме.

2). Магнитных бурь тоже стало много. Причина - участившиеся солнечные вспышки. Тоже в пределах нормы.

3). Полярных сияний стало несоизмеримо больше по сравнению с предыдущими годами. Во-первых опять же солнечная активность, во-вторых - дрейф магнитного полюса, из-за которого магнитный полюс Земли стал значительно ближе к России, в-третьих - доступность ночных съёмок, предупреждения о появлениях полярных сияний и физические эффекты. На жителей Земли полярные сияния не влияют совершенно никак, в темноте светиться от радиации никто не начал. Частицы солнечного ветра не навредят вам, даже если вы будете непосредственно в точке магнитного полюса Земли, потому что они редко проникают на глубину ниже 100 км. Поэтому вреда от магнитных бурь и полярных сияний лично я не вижу. Да и неоткуда этому вреду взяться. Максимум - у особо чувствительных голова поболит. И то: учёные сколько ни искали - но так и не смогли найти связь между геомагнитной активностью и состоянием здоровья человека. Экология и качество пищи на нас влияет куда сильнее, чем вспышки на звезде по имени Солнце.

Наслаждайтесь красотой, которую природа сама приносит в ваши дома!

Добро пожаловать в Астрофотолабораторию ВКонтакте и в Телеграм. И на пикабу тоже.