Российские ученые надеются научиться предсказывать солнечные вспышки

Специалисты из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Института астрономии РАН (ИНАСАН) много лет работают над алгоритмом, позволяющим вычислять параметры солнечных вспышек, используя результаты измерений предвспышечного состояния активной области. Одним из новых результатов его использования стало построение электродинамической модели солнечной вспышки и определение главного параметра, ответственного за скорость ее развития, - скорости магнитного пересоединения.

По словам ученых, физика солнечных вспышек имеет большое значение, как уникальное взрывное явление – по-видимому, самое мощное из наблюдаемых в солнечной системе, – а также как важный фактор солнечно-земных связей, ответственный за многие процессы в атмосфере и магнитосфере Земли. Существует несколько сценариев солнечной вспышки, согласно одному из которых энергия вспышки предварительно накапливается в так называемых токовых слоях, а затем взрывным образом выделяется при их разрыве. Такую идею впервые высказал в 1966 году известный советский астрофизик и сотрудник ФИАН Сергей Иванович Сыроватский. В 1988 году, в Лаборатории физики Солнца и космических лучей ФИАН была начата работа над динамической моделью этого процесса. И хотя разобраться во всех тонкостях вспышечного механизма удастся, вероятно, еще очень не скоро, определенные шаги в сторону открытия тайн солнечных вспышек уже сделаны – ученым из ФИАН (доктор физико-математических наук Александр Подгорный) и ИНАСАН (доктор физико-математических наук Игорь Подгорный) удалось численно промоделировать процесс образования и эволюции токового слоя.

«Вспышки происходят над активными областями, то есть там, где имеется сильное магнитное поле. В простейшем случае каждый из источников поля можно представить магнитным диполем. В сложных магнитных конфигурациях могут появляться различные топологические особенности, играющие большую роль в физике вспышек, например, нулевая линия магнитного поля. Именно в окрестностях таких структур может происходить накопление и высвобождение вспышечной энергии. Здесь же образуются и токовые слои, разрыв которых, собственно, и приводит к вспышке. В настоящее время расчеты ведутся для реальных карт магнитных полей, наблюдаемых на солнечной поверхности. Хотя сценарий вспышки, таким образом, приблизительно понятен, конкретный расчет происходящих здесь физических процессов чрезвычайно сложен и требует привлечения значительных вычислительных ресурсов. Для детального исследования всех этих процессов мы разработали компьютерную программу – ПЕРЕСВЕТ, которая решает трехмерные уравнения магнитной гидродинамики», - рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН Александр Подгорный.

Проведенное моделирование подтвердило, что токовый слой может возникать в короне Солнца над активной областью при всплывании нового магнитного потока. Дальше, при определенных условиях, токовый слой становится неустойчивым и распадается, высвобождая запасенную в нем энергию, что мы и наблюдаем как вспышку.

Одним из главных результатов моделирования стало построение электродинамической модели солнечной вспышки, благодаря чему удалось вычислить один из главных параметров, ответственных за скорость развития вспышки – скорость магнитного пересоединения. С этой целью в рамках модели был рассчитан теоретический спектр энергичных частиц, массово рождающихся во вспышке (так называемых солнечных космических лучей), который сравнивался с экспериментальными данными – измерениями мировой сети нейтронных мониторов, работающих как единый многоканальный спектрометр космических лучей. Обработку этих данных произвели сотрудники Полярного геофизического института КНЦ РАН (г. Апатиты) Эдуард Вашенюк и Юрий Балабин. Точное согласие измеренного и вычисленного спектров получилось при скорости магнитного пересоединения 107 см/с.

Не исключено, что в перспективе разработанный алгоритм позволит рассчитывать параметры не только произошедших, но и будущих вспышек, используя для этого предвспышечные измерения активной области.

«Сейчас прогнозы вспышек есть, но, по большей части, они эмпирические, то есть видят, что в активной области всплывает магнитное поле, значит, через сутки здесь может произойти вспышка. Сделать прогноз на основании физического механизма гораздо сложнее, но если это получится, то точность такого прогноза будет намного выше. Можно не только прогнозировать сам факт вспышки, но, зная параметры токового слоя, определить, например, энергию, которая выделится во время вспышки. Также, исходя из знания топологии магнитного поля, можно делать предположения о направлении выбросов плазмы во время вспышки, например, указать, направлены ли они к Земле», - комментирует Александр Подгорный.

Разработанные методы важны и с теоретической точки зрения, ведь соответствие рассчитанных параметров с наблюдательными данными будут свидетельствовать в пользу правильности понимания механизма солнечной вспышки.