В.Д. Кузнецов, доктор физ.- мат. наук, директор Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН)

В мировой науке и в практических применениях исследования Солнца и солнечно-земных связей занимают одно из важных мест. Это объясняется, в частности, тем влиянием, которое солнечная активность оказывает на физические процессы, происходящие на Земле и в околоземном космическом пространстве – магнитосфере и ионосфере, а также на атмосферные и биологические явления. Изучение Солнца и солнечно-земных связей ведется наземными и космическими средствами наблюдений. При этом за последние годы наиболее значительные результаты достигнуты здесь благодаря космическим исследованиям. Многие виды наблюдений возможны только из космоса и этим определяется незаменимое место космических исследований в физике Солнца и в солнечно-земной физике. Все возрастающее понимание влияния факторов «космической погоды» на геосреду и различные сферы человеческой деятельности определяет практическое значение исследований в этой области. По-прежнему, многие фундаментальные научные проблемы физики самого Солнца, звезд и плазменной астрофизики предстоит решать, наблюдая за Солнцем.  

Солнечные источники космической погоды являются основными. Они довольно часто нарушают «спокойствие» на Земле и в околоземном космическом пространстве. Достаточно сказать, что в течение 11-летнего цикла солнечной активности на Солнце происходит около 37000 вспышек (по данным за 22 цикл солнечной активности – 1986-1996 гг.). В максимуме солнечного цикла в среднем происходит 1 вспышка в 1-2 часа, в минимуме 1-2 вспышки в день. Другие наиболее мощные проявления солнечной активности – выбросы коронального вещества в среднем происходят 5-10 раз в день в максимуме цикла, и только небольшая их часть распространяется в направлении Земли и вызывает геомагнитные бури. За солнечный цикл на Земле под действием различных солнечных источников (выбросы коронального вещества, вспышки и связанные с ними ударные волны, высокоскоростные потоки солнечного ветра и т.д.) происходит более 500 магнитных бурь, которые влияют на состояние здоровья больных людей и могут проводить к опасным, а в ряде случае и к катастрофическим воздействиям на различные технические системы. Достаточно упомянуть известное событие марта 1989 года, когда на 9 часов штат Квебек (Канада) был обесточен из-за наведенных в линиях электропередач индукционных токов и отключения  защитных реле. Во время магнитных бурь в подводных трансатлантических кабелях связи наблюдаются сбои из-за необычно высоких значений напряжения, спутники на низковысотных орбитах изменяют параметры орбит из-за «разбухания» атмосферы и изменения лобового сопротивления, из-за сильных ионосферных возмущений нарушается радиосвязь и работа навигационных систем, наведенные токи в протяженных трубопроводах нарушают антикоррозийную защиту, уменьшая срок их эксплуатации и нанося ощутимый экономический ущерб. Приведенные примеры говорят о глобальности воздействия солнечной активности на Землю и необходимости ее контроля в интересах устойчивого функционирования различных технических систем и народного хозяйства в целом.

В ИЗМИРАН функционирует Центр прогнозов геофизической обстановки (http://forecast.izmiran.ru), который ведет наблюдения за состоянием солнечной активности по наземным и космическим данным и обеспечивает информацией о состоянии магнитного поля Земли и магнитных бурях заинтересованные организации и ведомства. Так, своевременное предупреждение о предстоящей магнитной буре в июле 2000 года позволило парировать ее влияние на российский спутник «Океан-О» и сохранить его на орбите. В этот же период дорогостоящий японский спутник «Аска» был потерян. Центром был обеспечен также оперативный прогноз состояния геомагнитной активности и зависящего от него состояния ионосферы при выполнении ответственной операции по прекращению  полета станции «МИР» и затоплению ее в запланированном районе.

Солнце, испытывающее 11-летний цикл солнечной активности и порождающее спорадические активные явления (вспышки, выбросы вещества и т.д.), обеспечивает всю энергию для живых организмов на Земле. Солнечная энергия является также основной движущей силой для систем циркуляции атмосферы и океанов и климата Земли. Энергия Солнца поступает в виде излучения, например, видимого свечения, которое необходимо для фотосинтеза растений, и в виде потоков заряженных частиц (см. рис.1).

Меняющиеся в результате солнечной активности потоки излучения и заряженных частиц воздействуют на магнитосферу, ионосферу, атмосферу Земли и озоновый слой стратосферы и оказывают постоянное влияние на окружающую среду Земли (см. рис.2).

Магнитосфера, ионосфера и атмосфера Земли тесно связаны с атмосферой и гелиосферой Солнца (см. рис.3).

Во время геомагнитных возмущений в системе магнитосфера-ионосфера возникают сильные токи (см. рис.4), которые воздействуют на наземные системы снабжения электроэнергией (протяженные линии электропередач) и могут вызывать аварии, подобные Квебекской.

Статистическими исследованиями российского ученого Чижевского были заложены основы гелиомедицины – влияния факторов солнечной активности на человека и состояние его здоровья. Такие исследования, хотя и давали результаты на грани статистической достоверности, но послужили толчком для более детального анализа как самих статистических данных, так и возможных механизмов влияния. Кроме непосредственного прямого радиационного воздействия солнечных вспышек на космонавтов, летчиков и пассажиров  высотной авиации имеет место влияние магнитных бурь на состояние здоровья больных сердечно-сосудистыми заболеваниями.

На рис.5 показаны закончившийся 23-й цикл солнечной активности и начало нового 24-го солнечного цикла, максимум которого ожидается  в 2013-2014 годах.

Многие проблемы физики Солнца и солнечно-земных связей, представляющие интерес, как для фундаментальной астрофизики, так и для практических целей, остаются до конца неразрешенными и требуют дальнейших научных исследований.

Среди этих проблем можно выделить такие, как:

• происхождение наиболее мощных проявлений солнечной активности – корональных выбросов массы и солнечных вспышек;
• нагрев солнечной короны и ускорение солнечного ветра;
• механизм солнечного цикла;
• глобальная структура гелиосферы и идущих от Солнца возмущений;
• прогноз геоэффективности солнечных явлений (солнечной обусловленности околоземных и земных процессов).

На решение этих и многих других проблем направлены действующие и разрабатываемые космические проекты раздела фундаментальных космических исследований Федеральной космической программы России.

Исследования Солнца и солнечно-земных связей на разных фазах 11-летнего солнечного цикла выполнялись в рамках программы КОРОНАС (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца). Первый спутник КОРОНАС-И (запущен в 1994 году) этой программы наблюдал Солнце вблизи минимума его активности. Второй спутник КОРОНАС-Ф, запущенный 31 июля 2001 г., исследовал солнечную активность вблизи максимума и на фазе спада 23-го цикла. Третий спутник КОРОНАС-ФОТОН (запущен 30 января 2009 г.) наблюдал фазу минимума Солнца, при переходе от 23-го к 24-му циклу.

Основными научными задачами проекта КОРОНАС-Ф (http://coronas.izmiran.ru/) являлись наблюдения глобальных колебаний Солнца и изучение на их основе сейсмологии его недр и внутреннего строения, комплексные исследования мощных динамических процессов активного Солнца (активные области, вспышки, выбросы плазмы) в широком диапазоне длин волн от оптики до гамма, изучение солнечных космических лучей, ускоренных во время активных явлений на Солнце, условий их выхода, распространения в межпланетном магнитном поле и воздействия на магнитосферу Земли.

Результаты проекта КОРОНАС-Ф являются одним из важнейших достижений в области фундаментальных космических исследований последних лет. Эта работа была удостоена премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 2008 год (http://coronas.izmiran.ru/F/prize/).

Для исследований внутренний гелиосферы и Солнца с близких расстояний предлагается использовать космический аппарат (КА) на гелиоцентрической орбите, формируемой за счет многократных гравитационных маневров у Венеры. Такая баллистическая схема позволит при экономии ракетного топлива и времени перелета вывести КА на близкие к Солнцу рабочие орбиты и впервые выполнить серию уникальных наблюдений Солнца с близких расстояний и провести локальные измерения в ближайших окрестностях Солнца. Наблюдения солнечной атмосферы с высоким пространственным разрешением в сочетании с локальными плазменными измерениями вблизи Солнца позволят существенно продвинуться в решении проблем нагрева солнечной короны, ускорения солнечного ветра, происхождения наиболее мощных проявлений солнечной активности - солнечных вспышек и выбросов коронального вещества. На заключительной стадии миссии гравитационные маневры у Венеры могут быть использованы для наклона плоскости орбиты КА к плоскости эклиптики и проведения первых внеэклиптических наблюдений Солнца – его полярных областей и эклиптической короны.

В исследованиях Солнца и атмосфер звезд остаются нерешенными целый ряд научных проблем, среди которых наиболее острыми являются такие проблемы как нагрев солнечной короны, ускорение солнечного ветра, природа солнечного цикла, детальные механизмы вспышечных процессов и выбросов плазмы, механизмы ускорения частиц и распространения их в гелиосфере. Решение всех этих проблем важно как для астрофизики Солнца и звезд, так и для понимания солнечно-земных связей, и воздействия солнечной активности на Землю и околоземное космическое пространство. Понятие космическая погода все шире входит в практическую жизнь, оказывая влияние на многие сферы человеческой деятельности на Земле и в космосе.

Получение новых данных о Солнце и о процессах в гелиосфере, способных продвинуть решение стоящих научных проблем, диктует необходимость новых видов наблюдений и наблюдений из выгодных положений, по сравнению с обычно проводимыми наземными и околоземными наблюдениями. Согласно современной концепции для новых солнечных космических проектов наиболее приоритетными являются наблюдения Солнца с высоким пространственным разрешением (с околоземных орбит и с близких расстояний), локальные измерения в ближайших окрестностях Солнца, стереонаблюдения (реализуемые сегодня в рамках проекта НАСА STEREO), а  также наблюдения Солнца и экваториальной короны из внеэклиптических положений.

В проекте «Интергелизонд» космический аппарат (КА), совершая многократные гравитационные маневры у Венеры  и постепенно приближаясь к Солнцу по скручивающейся гелиоцентрической спирали (рис.8, 9), будет занимать разные положения по отношению к линии «Солнце-Земля» выполняя многопозиционные локальные измерения в околосолнечном пространстве и наблюдая Солнце с разных, в том числе невидимых с Земли, сторон. В области гелиоцентрических расстояний КА будет иметь периоды коротации с вращением Солнца, что позволит выполнить высокоточные наблюдения его поверхности и установить корреляции между явлениями на поверхности в гелиосфере (рис.10).

Преимущество орбиты КА «Интергелиозонд»позволит выполнить целую серию оригинальных наблюдений и измерений. К ним относятся:

• Наблюдения солнечной атмосферы с высоким разрешением с близких расстояний (рис.11).
• Коротационные наблюдения и измерения (рис.10).
• Локальные измерения вблизи Солнца.
• Внеэклиптические наблюдения и измерения (рис.12).
• Стереонаблюдения Солнца (совместно с околоземными КА).
• Наблюдения невидимой с Земли стороны Солнца.

Основные наблюдения и решаемые с их помощью научные задачи определяют высокую степень новизны проекта и его оригинальность в удовлетворении самых современных требований, обеспечивающих получение новых данных о Солнце и солнечно-земных связях. Так, наблюдения с очень высоким пространственным разрешением фотосферных магнитных полей, EUV-структуры переходной области и хромосферной сетки, активной короны в мягком рентгеновском излучении возможно будет осуществить с помощью малых инструментов, не требующих ни большого зеркала, ни интерферометрии или каких-либо других сложных технических средств. Для КА «Интергелиозонд» эта задача облегчается близостью к Солнцу: расстояние космического аппарата от Солнца в перигелии составляет всего одну седьмую астрономической единицы (а.е.). На этом расстоянии угловому разрешению, равному 1сек.дуги, соответствует размер на Солнце в 100 км, в то время как на орбите Земли разрешению в 1 угл. сек соответствует размер на Солнце в 735 км.

Внеэклиптические участки орбит КА позволят впервые наблюдать полярные зоны Солнца (рис.12) и пояс стримеров в плоскости экватора, определить долготную протяженность выбросов «корональной» массы и контролировать их распространение во внутренней гелиосфере.

Многопозиционные положения КА «Интергелиозонд» по отношению к плоскости эклиптики позволят детально исследовать протяженные «корональные» стримеры, а также связанное с поясом стримеров ускорение медленного солнечного ветра. Будут также осуществляться регулярные наблюдения быстрого солнечного ветра при пролете КА над приполярными областями на стадии наклонения орбиты к плоскости эклиптики.

Вращаясь вокруг Солнца на рабочей орбите примерно в три раза быстрее Земли, КА будет занимать разные положения по отношению к линии «Солнце–Земля», многократно пересекая эту линию, располагаться сбоку от нее и позади Солнца. Это позволит не только иметь периоды перекрытия полей зрения на Солнце с КА и с Земли и, тем самым, выполнить совместно с околоземными КА стереонаблюдения поверхности Солнца и его короны, но и при расположении КА сбоку от линии «Солнце–Земля» наблюдать распространяющиеся в направлении Земли выбросы плазмы и возмущения, выполнить при пересечении КА линии «Солнце-Земля» локальную диагностику этих явлений на достаточном удалении от Земли, обеспечивающем  заблаговременный прогноз их возможных геофизических проявлений – магнитных бурь и т.д., осуществить многократное радиопросвечивание солнечной короны при расположении КА позади Солнца, наблюдать невидимую с Земли сторону Солнца и обеспечивать информацию о состоянии активности на этой стороне перед выходом ее на обращенную к Земле сторону.

• Исследование структуры солнечной атмосферы:
  • - изучение тонкой структуры атмосферы - от фотосферы до короны (масштабы менее 0.1 угл.сек), и её динамики;
  • детальные исследования временных изменений магнитной активности, динамики и эволюции активных областей (АО) и их проявлений в межпланетном пространстве (периоды коротации);
  • исследование меридиональной циркуляции и переноса магнитных полей на солнечной поверхности.
• Исследование вспышечной активности Солнца:
  • определение природы и глобальной динамики наиболее мощных проявлений солнечной активности - солнечных вспышек и выбросов коронального вещества и их влияние на гелиосферу;
  • регистрация мелкомасштабных динамических процессов (микровспышек и т.п.) в солнечной атмосфере и быстрых изменений морфологии структур, связанных с магнитной активностью;
  • исследование медленно меняющейся компоненты рентгеновского излучения Солнца.
• Исследование внешней короны Солнца и солнечного ветра:
  • оптические томографические измерения большей части внешней короны и солнечного ветра;
  • получение распределения температуры и плотности путем сравнительного анализа интенсивности эмиссий в линиях УФ и рентгеновского диапазонов;
  • определение механизмов нагрева солнечной короны и ускорения солнечного ветра; изучение природы возмущений, связанных с мелкомасштабной магнитной активностью, вспышками, ударными волнами и эруптивными протуберанцами;
  • исследование Солнца как мощного и изменчивого ускорителя частиц; исследование источников и механизмов ускорения частиц солнечного ветра и энергичных электронов и ионов, включая роль ударных волн и вспышек в ускорении частиц в околосолнечном пространстве и распространение солнечных энергичных частиц в гелиосфере;
  • исследование источников и глобальной динамики взрывных процессов и их влияние на внутреннюю гелиосферу.
• Исследование короны Солнца с высоких широт:
  • наблюдения с высоких широт и исследование солнечной атмосферы и короны в полярных и экваториальных областях; связь явлений в области источников солнечного ветра и в межпланетном пространстве.

В соответствии с программой научных исследований и решаемыми задачами комплекс научной аппаратуры (КНА) составлен из двух блоков научных приборов – блока научных приборов для дистанционных наблюдений Солнца (солнечные приборы) и блока научных приборов для локальных гелиосферных измерений (гелиосферные приборы).

Для исследований и глобального обзора солнечной активности и солнечных источников космической погоды предлагается использовать два малых космических аппарата (КА) на наклонных к плоскости эклиптики гелиоцентрических орбитах. Наклонные орбиты с примерным расстоянием от Солнца в 0.5 а.е. формируются за счет гравитационных маневров у Венеры и электрореактивного двигателя. При этом плоскости орбит двух КА наклонены в разные стороны по отношению друг к другу, а на орбитах КА разнесены на четверть периода. При такой орбитальной схеме с одного из космических аппаратов непрерывно обеспечивается контроль линии «Солнца-Земля», а в течение длительного времени с обоих космических аппаратов. Доступными для наблюдений становятся полярные области Солнца, плохо видимые с эклиптических космических аппаратов, обратная невидимая с Земли сторона Солнца. Многопозиционные локальные измерения позволят изучить свойства солнечного ветра и энергичных частиц во внутренней гелиосфере.

Стратегия солнечных космических миссий, призванная удовлетворить современным требованиям к наблюдениям Солнца и контролю космической погоды, направлена на проведение внеэклиптических наблюдений Солнца и его окружения, на локальные измерения в ближайших окрестностях Солнца, на наблюдения вне линии «Солнце-Земля», на наблюдения солнечной атмосферы с высоким пространственным разрешением. В этой связи реализуется и разрабатывается серия солнечной миссий. Наблюдения Солнца из новых выгодных положений могут дать новое понимание сущности давно стоящих научных проблем, таких как глобальная структура и эволюция короны; триггерный механизм выбросов корональной массы; нагрев короны и ускорение солнечного ветра; взаимодействие вращения, магнитных полей и конвекции внутри Солнца, основной механизм генерации магнитных полей; механизм ускорения энергичных частиц в солнечных вспышках и картина их распространения; истинные изменения солнечной светимости, скорость потери углового момента Солнца и др.

Определение момента и самого факта попадания на Землю идущих от Солнца гелиосферных возмущений (выбросы коронального вещества, ударные волны и т.д.) является одним из основным элементов программы космической погоды, интенсивно реализуемой агентствами разных стран (США, Япония, Китай, ЕКА). Наблюдения из непосредственной окрестности Земли на фоне яркого Солнца “слепы” для регистрации таких возмущений. С их помощью можно лишь фиксировать активные явления на поверхности Солнца и определять время “старта” гелиосферного возмущения. О попадании его на Землю можно говорить лишь с определенной степенью вероятности. Два КА STEREO NASA, располагающиеся впереди и сзади Земли вдоль ее орбиты, должны обеспечить стереонаблюдения идущих к Земле выбросов и определять направление (гелиодолготу) их распространения. Расположение КА в плоскости эклиптики сбоку от линии «Солнце-Земля», тем не менее, имеет недостаток проекции распространяющихся в разных азимутальных направлениях возмущений на линию «Солнце-Земля». Наблюдения с внеэклиптического КА имеют существенное преимущество определения гелиодолготы распространения гелиосферного возмущения, распространяющегося, как правило, вблизи плоскости эклиптики, и контроля состояния линии «Солнце-Земля». Наибольшей эффективностью в этом плане обладают внеэклиптические коронографические и гелиотелескопические (гелиосферный телескоп) наблюдения солнечной короны и гелиосферы.

В проекте «Полярно-Эклиптический Патруль» (ПЭП) (“Polar Ecliptic Patrol - PEP”) два малых космических аппарата помещаются на наклоненные к плоскости эклиптики гелиоцентрические орбиты на расстоянии примерно 0.5 а.е., так что их плоскости орбит располагаются под углом друг к другу (см. рис.13), а на орбитах аппараты разнесены на четверть периода (период около 130 дней).

При такой орбитальной схеме с одного из внекэклиптических космических аппаратов непрерывно обеспечивается контроль линии «Солнца-Земля», а в течение длительного времени с обоих космических аппаратов. Когда один космический аппарат находится в плоскости эклиптики, другой располагается над одним из полюсов Солнца, а когда один из КА удаляется от плоскости эклиптики, другой приближается к ней. Таким образом, одновременный мониторинг осуществляется как в приэклиптических, так и в приполярных областях. Это дает возможность непрерывного изучения как низко- так и высокоскоростного солнечного ветра, объемной картины солнечной короны и солнечных выбросов (рис.14). Наблюдения солнечных выбросов с двух пространственно разнесенных КА и из внеэклиптического положения (рис.15) позволит наиболее точно определять направление их распространения по отношению к линии «Солнце-Земля», и их гелиоширотную и гелиодолготную протяженность, что необходимо для более точного предсказания начала взаимодействия выбросов с магнитосферой Земли. В отдельные периоды один из КА будет располагаться по отношению к линии «Солнце-Земля» в другой, чем Земля полусфере, и, таким образом, этот КА будет наблюдать обратную невидимую с Земли сторону Солнца (рис.16). Таким образом, в рамках проекта ПЭП обеспечивается непрерывный мониторинг солнечной активности и солнечного ветра, идущих в направлении Земли солнечных выбросов и гелиосферных возмущений, а также наблюдения за полярными областями и обратной стороной Солнца.

Наблюдения Солнца и околосолнечного пространства с двух пространственно разнесенных аппаратов позволит выполнить стереонаблюдения (рис.16), получить трехмерные изображения плазменных образований  в солнечной атмосфере и трехмерную картину солнечной короны и выбросов массы. При разработке и проведении этих наблюдений может быть использован научно-методический задел, полученный в рамках проекта «Стереоскоп».

Возможность наблюдения Солнца из внеэклиптических положений и особенно его полярных зон и активных явлений, концентрирующихся преимущественно к плоскости эклиптики, позволит существенно продвинуться в понимании природы солнечной активности и в решении задач непрерывного контроля и прогноза космической погоды.

Основные цели проекта включают:

• Получение глобальной структуры и эволюции короны и солнечного ветра, трехмерной пространственно-временной картины возникновения и распространения выбросов коронального вещества.
• Установление структуры магнитного поля и конвекции в полярных областях Солнца. Изучение взаимодействия вращения, магнитного поля и конвекции внутри Солнца. Определение скорости потери углового момента Солнца.
• Установление пространственно-временной картины распространения энергичных частиц, ускоряемых активными явлениями на Солнце.
• Предсказание и регистрация попадания на Землю выбросов коронального вещества, ударных волн и других гелиосферных возмущений. Предсказание и контроль гелиосферной (космической) погоды на орбите Земли.
• Исследование истинной переменности в светимости Солнца на основе измерений потоков излучения в разных направлениях от Солнца.

Наблюдения невидимой с Земли стороны Солнца будет важным этапом в создании системы контроля солнечной активности и радиационной обстановки для обеспечения безопасности планируемых пилотируемых полетов на Марс.

Для достижения поставленных целей стратегия измерений ПЭП должна основываться на сочетании дистанционных наблюдений Солнца, короны и межпланетной среды с локальными измерениями солнечного ветра, энергичных частиц и гелиосферного магнитного поля.

Дистанционные наблюдения будут обеспечивать получение изображений диска Солнца и образований на диске, изображений короны и распространяющихся от Солнца выбросов.

Локальные измерения будут обеспечивать получение характеристик солнечного ветра (плотность, скорость, состав), гелиосферного магнитного поля, энергичных частиц. При этом будет осуществляться локальная диагностика проходящих через КА гелиосферных возмущений - ударных волн, выбросов, потоков плазмы и энергичных частиц.

В.Д. Кузнецов  ©