Необычно тропическим утром в районе залива Сан-Франциско земля мерцает волнами тепла, и невозможно смотреть на небо, не щурясь. Но настоящая жара находится внутри Солнечной и Астрофизической Лаборатории Локхид Мартин в Пало-Альто. Там, в темной комнате с компьютерными процессорами, изображение Солнца в высоком разрешении заполняет девять соединенных телевизионных экранов, создавая солнечную феерию театрального качества шириной семь футов.
Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
ВИДЕО: Использование Солнца для создания музыки
[×] ЗАКРЫТЬ
Новые телескопы дали ученым беспрецедентный вид на Солнце, помогая им лучше понять солнечную активность
Видео: Удивительный взгляд на солнечные вспышки
Связанный контент
- Вихревые зеленые газы солнца
- Испанский прорыв в использовании солнечной энергии
- Фантастические фотографии нашей Солнечной системы
Физик по солнечной энергии Карел Шрайвер набирает команды, чтобы начать шоу: ускоренный фильм о последовательности взрывов, обрушившихся на Солнце 1 августа 2010 года. «Это один из самых потрясающих дней, которые я когда-либо видел на Солнце», - говорит Шрайвер., Он смотрит на нашу ближайшую звезду уже два десятилетия.
«Вначале этот крошечный регион решает, что он не счастлив», - говорит он, звуча как астроном-психиатр, справляющийся с солнечными неврозами. Он указывает на вспышку, скромный спазм беловатого света. «Затем этот соседний регион начинает чувствовать себя несчастным и вспыхивает. Затем огромная нить прорывается и прорезает [магнитное] поле, как нож. Мы видим эту дугу светящегося материала, и она растет со временем. Маленькая нить под дугой говорит: «Мне это не нравится», она становится нестабильной и гаснет ».
Кто знал, что у Солнца столько индивидуальности?
По словам Шрайвера, в течение нескольких часов - в течение нескольких минут при цифровом воспроизведении - большая часть его магнитного поля «расстраивается» и перестраивается, выпуская вспышки и обширные отрыжки намагниченного газа. Цепная реакция более яркая, чем любое голливудское изображение. «Когда мы впервые показываем эти фильмы нашим коллегам, - говорит Шрайвер, - профессиональное выражение обычно звучит так:« Вау! »
Поток изображений исходит от самого совершенного спутника для изучения Солнца: Обсерватория солнечной динамики НАСА или SDO. Запущенный в феврале 2010 года, SDO смотрит на звезду с точки в 22 300 миль над Землей. Орбита спутника удерживает его в устойчивом положении с учетом двух радиоантенн в Нью-Мексико. Каждую секунду, 24 часа в сутки, SDO передает 18 мегабайт данных на землю. Изображения с высоким разрешением, а также карты измученных магнитных полей Солнца показывают происхождение солнечных пятен и происхождение их вспышек.
Этот солнечный фильм должен дать новое представление о космической погоде - о тех воздействиях, которые ощущаются на Земле, когда солнечные выбросы движутся в нашу сторону. Иногда погода мягкая. Извержения 1 августа 2010 года вызвали яркие проявления северного сияния над Соединенными Штатами через два дня, когда стремительный шторм заряженного газа нарушил магнитное поле Земли. Но когда Солнце действительно злится, северное сияние может сигнализировать о потенциально опасных угрозах.
Самая сильная солнечная буря, когда-либо зарегистрированная, случилась летом 1859 года. Британский астроном Ричард Каррингтон 1 сентября наблюдал гигантскую сеть солнечных пятен, за которой последовала самая интенсивная вспышка из когда-либо зарегистрированных. В течение 18 часов Земля находилась под магнитной осадой. Ослепительное северное сияние сияло так далеко на юг, как Карибское море и Мексика, и искрящиеся провода отключали телеграфные сети - Интернет дня - по всей Европе и Северной Америке.
Магнитная буря в 1921 году выбила систему сигнализации для железнодорожных линий Нью-Йорка. Солнечная буря в марте 1989 года нанесла ущерб электросети в Квебеке, лишив миллионы потребителей электроэнергии на девять часов. А в 2003 году серия штормов привела к отключению электроэнергии в Швеции, уничтожила японский научный спутник на сумму 640 миллионов долларов и вынудила авиакомпании отклонять рейсы от Северного полюса на сумму от 10000 до 100000 долларов каждая.
Наше современное, связанное с глобальным сообществом электронное общество теперь настолько зависит от огромных трансформаторов и скоплений спутников, что значительный удар от Солнца может обрушить большую его часть. Согласно отчету Национального исследовательского совета за 2008 год, солнечная буря размером с события 1859 или 1921 года может убить спутники, отключить сети связи и системы GPS и поджарить электросети стоимостью в 1 триллион долларов и более.
«Пространство вокруг нас не такое мягкое, дружелюбное и приспособленное к нашим технологиям, как мы предполагали», - говорит Шрайвер.
Документируя происхождение этих штормов в беспрецедентных деталях, SDO дает исследователям их лучший шанс еще понять разрушительные возможности Солнца. Цель состоит в том, чтобы предсказать космическую погоду - заранее прочитать настроения Солнца, чтобы мы могли принять меры предосторожности против них. Успех будет зависеть от того, чтобы смотреть сквозь поверхность Солнца, чтобы видеть магнитные вспышки по мере их развития, во многом так же, как метеорологи используют проникающий в облака радар, чтобы увидеть признаки торнадо, прежде чем он заревет на землю.
Но сейчас деятельность Солнца настолько сложна, что его конвульсии сбивают с толку лучшие умы поля. Когда ученого SDO Филипа Шеррера из Стэнфордского университета попросили объяснить физику, лежащую в основе насилия над Солнцем, он не сказал ни слова: «Мы принципиально не знаем».
Наша родительская звезда находится всего в восьми минутах ходьбы, когда свет летит. Солнце получает больше времени в телескопе, чем любой другой объект в космосе, и исследование является глобальным предприятием. Самый успешный спутник до SDO, совместная миссия НАСА и Европейского космического агентства под названием Солнечная и Гелиосферная обсерватория (SOHO), до сих пор отправляет обратно изображения Солнца через 15 лет после его запуска. Меньший исследователь, который сейчас находится в космосе, называется Hinode. Это сотрудничество между Японией и НАСА, которое изучает, как магнитные поля Солнца накапливают и выделяют энергию. А миссия НАСА «Обсерватория солнечно-земных связей» (STEREO) состоит из двух почти идентичных спутников, движущихся по орбите Земли, один перед нашей планетой, а другой сзади. Спутники позволяют ученым создавать трехмерные изображения солнечных выбросов. Теперь, на противоположных сторонах Солнца, в феврале этого года они сделали первую фотографию всей поверхности Солнца. На земле телескопы на Канарских островах, в Калифорнии и в других местах исследуют Солнце с помощью методов, которые устраняют размывающие эффекты земной атмосферы.
Солнце - это вращающийся газовый шар, достаточно большой, чтобы вмещать 1, 3 миллиона Земли. Его ядро - печь ядерного синтеза, которая каждую секунду превращает 655 миллионов тонн водорода в гелий при температуре 28 миллионов градусов по Фаренгейту. Этот синтез создает энергию, которая в конечном итоге достигает нас как солнечный свет. Но ядро и внутренние слои Солнца настолько плотны, что фотону энергии может понадобиться миллион лет, чтобы преодолеть только две трети пути. Там он достигает того, что солнечные физики называют «конвективной зоной». Над этим тонким слоем мы воспринимаем поверхность Солнца. Солнечные газы уходят далеко в космос за этот видимый край в пылающей горячей атмосфере, называемой короной. Слабый солнечный ветер дует через всю солнечную систему.
Вещи становятся особенно интересными в конвективной зоне. Гигантские круговорота заряженного газа поднимаются и опускаются, как в кастрюле с кипящей водой, только более турбулентные. Солнце вращается с разными скоростями - примерно раз в 24 дня на своем экваторе и медленнее, примерно каждые 30 дней, на своих полюсах. Эта разница в скорости сдвигает газ и запутывает его электрические токи, питая магнитные поля Солнца. Общее магнитное поле имеет направление, так же как северный и южный полюсы Земли притягивают наши компасы. Однако поле Солнца полно кривых и изгибов, и каждые 11 лет оно переворачивается: северный полюс становится югом, а затем снова возвращается на север через 11 лет. Это динамический цикл, который ученые до конца не понимают, и в основе большинства усилий лежит понимание того, как ведет себя Солнце.
Во время этих переворотов глубокое магнитное поле Солнца становится действительно искривленным. Он поднимается вверх и пробивается сквозь видимую поверхность, создавая солнечные пятна. Эти темные пятна газа холоднее, чем остальная часть поверхности Солнца, потому что сучковатые магнитные поля действуют как барьеры, предотвращая утечку части солнечной энергии в космос. Поля в солнечных пятнах могут прорываться. Над солнечными пятнами магнитное поле Солнца проходит через корону. Эти извилины поджигают взрывы на видеоэкранах Локхид в Пало-Альто.
Шрайвер и его начальник, Алан Тайтл, проработали вместе 16 лет, достаточно долго, чтобы завершить предложения друг друга. Последнее создание их группы, Atmospheric Imaging Assembly - набор из четырех телескопов, которые снимают газы миллионной степени в короне, - является одним из трех инструментов, развернутых на SDO. НАСА сравнивает его с камерой IMAX для Солнца.
«Этот воздушный пузырь в 30 раз больше диаметра Земли и движется со скоростью миллион миль в час», - говорит Заголовок, указывая на экран на расширяющийся красный вихрь, захваченный SDO вскоре после запуска спутника. И он отмечает почти случайно, что это было довольно незначительное извержение.
По словам Титла, магнитные поля удерживают газы Солнца в линии, когда они изгибаются в пространстве, подобно тому, как стержневой магнит помещает железные опилки в четкие узоры. Чем более запутанными становятся поля, тем менее они устойчивы. Солнечные вспышки происходят, когда магнитные поля приобретают новый характер - событие, которое физики называют «переподключением».
Типичная солнечная вспышка, выбрасываемая на Землю и называемая выбросом корональной массы, может содержать десять миллиардов тонн заряженного газа, бегущего по космосу. «Вы должны представить себе набор сил, достаточный для того, чтобы за 15–30 секунд запустить всю воду в реке Миссисипи со скоростью, в 3000 раз превышающей скорость полета реактивного самолета», - говорит он, останавливаясь на мгновение, чтобы позволить этому затонуть. «На Земле нет аналога этому. У нас проблемы с объяснением этих процессов ».
Предыдущие солнечные миссии делали нечеткие снимки больших выбросов корональной массы. Другие телескопы увеличивали детализацию, но могли фокусироваться только на крошечной части Солнца. Высокое разрешение SDO всего полушария Солнца и его скоростные записи показывают, как поверхность и атмосфера меняются от минуты к минуте. Некоторые особенности настолько неожиданны, что ученые еще не назвали их, например, подобный штопору газообразный рисунок, который Шрий-вер рисует на экране пальцем. Он думает, что по его краю видно спиральное магнитное поле, пронизывающее газ, когда оно поднимается в космос. «Как будто газ поднимается стропами», - говорит он.
До того, как миссии исполнился год, ученые проанализировали сотни событий, охватывающих многие тысячи часов. (Они обнаружили, что извержения 1 августа были связаны с магнитными «зонами разломов», охватывающими сотни тысяч миль.) Команда работает под давлением из НАСА и других стран, чтобы улучшить прогнозы космической погоды.
«Господи, это сложно, - говорит Шрайвер, снимая фильм о настроении Солнца в другой день. «На Солнце нет тихого дня».
В нескольких милях отсюда, в кампусе Стэнфорда, физик-физик Филип Шеррер борется с тем же вопросом, который оживляет группу Локхида Мартина: сумеем ли мы предсказать, когда Солнце в катаклизме бросит заряженный газ к Земле? «Мы хотели бы дать хорошую оценку, будет ли данная активная область вызывать вспышки или массовые выбросы, или она просто исчезнет», - говорит он.
Шеррер, который использует спутниковый нисходящий канал для телевизионного приема, объясняет влияние космической погоды, вспоминая событие 1997 года. «Однажды в субботу мы проснулись, и все, что мы видели, было нечетко», - говорит он. Накануне ночью мимо Земли пронесся выброс корональной массы. Магнитное облако, очевидно, уничтожило спутник Telstar 401, используемый UPN и другими сетями.
«Я принял это лично, потому что это был« Звездный путь »[я не мог смотреть], - говорит Шеррер с кривой улыбкой. «Если бы это случилось утром Суперкубка, все бы об этом знали».
Команда Шеррера и инженеры Lockheed Martin разработали гелиосейсмический и магнитный томограф SDO, инструмент, который исследует внутреннее пространство Солнца и контролирует направление и силу магнитного поля, создавая черно-белые карты, называемые магнитограммами. Когда появляются солнечные пятна, на картах видны магнитные волнения у основ арочных структур в атмосфере Солнца.
Прибор также измеряет вибрации на поверхности Солнца. На Земле сейсмологи измеряют поверхностные колебания, чтобы выявить разломы землетрясения и геологические структуры далеко под землей. На Солнце вибрации происходят не от землетрясений, а от пульсаций, вызванных газами, поднимающимися и опускающимися на поверхность со скоростью около 700 миль в час. Когда каждый шарик газа падает, он продвигает звуковые волны на Солнце, и они перемешивают всю звезду. Прибор Шеррера измеряет эти вибрации на лице Солнца.
Ключевым моментом, говорит Шеррер, ведущий специалист в области гелиосейсмологии, поскольку эта наука известна, заключается в том, что звуковые волны движутся быстрее через более горячий газ, такой как турбулентные узлы, расположенные далеко под поверхностью, которые часто предвещают солнечные пятна. Звуковые волны также ускоряются, когда они движутся через газы, текущие в том же направлении. Хотя эти измерения создают математические кошмары, компьютеры могут создавать картины того, что происходит под поверхностью Солнца.
Таким образом, команда Шеррера может обнаружить солнечные пятна на противоположной стороне Солнца за несколько дней до того, как они повернутся в поле зрения и до того, как они смогут выбросить вредные частицы и газ на Землю. Ученые также надеются обнаружить активные области, пузырящиеся изнутри Солнца за день или более, прежде чем они станут видимыми в виде солнечных пятен.
Эти методы обеспечивают предварительный просмотр приближающихся достопримечательностей. Задача, говорит Шеррер, состоит в том, чтобы найти правильные признаки магнитного запутывания, которые, подобно радиолокационным изображениям вновь образовавшегося торнадо, дают надежные предупреждения. Некоторые исследователи указали на формы магнитных полей, отметив, что особая S-образная кривизна часто предвещает взрыв. Другие смотрят на то, быстро ли изменяется магнитная сила в центре солнечного пятна - признак того, что он может быть готов к разрыву.
Шеррер вызывает несколько картинок на своем экране, извиняясь, что они не конкурируют с фильмами Локхид. Гелиосейсмические изображения напоминают мне о неровной поверхности апельсина с газовыми конкрециями, поднимающимися вверх по всей сфере Солнца. Магнитная графика передает Солнце пестрыми серыми тонами, но когда Шеррер увеличивает масштаб, черные и белые пятна превращаются в неправильные участки. Это ленты магнитной силы, проникающие в или из постоянно движущейся поверхности Солнца.
Шеррер говорит, что когда линии магнитного поля воссоединяются высоко в атмосфере Солнца, «это очень похоже на короткое замыкание, когда вы касаетесь двух проводов током. Энергия, текущая в потоке, превращается в тепло или свет ». Внезапные искры падают вдоль магнитного поля и врезаются в поверхность Солнца, вызывая мощную вспышку.
Самые сильные из искрящихся магнитных полей Солнца могут улавливать под собой миллиарды тонн газа, создавая основу для выброса корональной массы. Когда магнитное переподключение внезапно снимает все это напряжение, газ уносится в космос солнечным ветром. «Это все равно что разрезать веревку на гелиевом шарике», - говорит Шеррер.
Изучая множество таких событий, Шеррер думает, что он и его коллеги могут разработать систему, которая оценивает вероятность того, что Солнце нацелится на извержение на Земле - шкала, которая может варьироваться от «все ясно» до «принимать меры предосторожности». Такие руководящие принципы не будут предсказания, он признает, и он также признает, что солнечное прогнозирование никогда не сможет сравниться с сообщениями о земной погоде. Солнечное предсказание требует, чтобы команда сравнила недавнюю активность на Солнце с компьютерными моделями. Но модели настолько запутаны, что к тому моменту, когда компьютер выдаст ответ, Солнце уже могло отскочить или замолчать.
Одним из самых больших солнечных сюрпризов за последние 50 лет было не то, что сделал Солнце, а то, что он не сделал: он не произвел много солнечных пятен в течение большей части 2008 и 2009 годов. «Мы бы пошли на 60, 70, 80 90 дней без единого солнечного пятна », - говорит научный редактор НАСА Тони Филлипс, который самостоятельно публикует SpaceWeather.com. «При жизни физиков Солнца никто не видел этого. Это удивило все сообщество ».
Никто не знает, что вызвало жуткую тишину. Глубокое магнитное поле, очевидно, не закручивалось обычным образом, возможно, из-за того, что электрические токи внутри Солнца стали слабее. Некоторые ученые предположили, что Солнце выключалось, по крайней мере, временно. Группа физиков Солнца изучила эти изменения и предположила, что активность Солнца может достичь только половины его недавних уровней в течение следующего 11-летнего цикла солнечных пятен. Это может иметь незначительные последствия для изменения климата. В течение прошлого столетия деятельность человека значительно перевешивала модуляции Солнца, влияющие на климат Земли. Если паттерн пониженной солнечной активности будет продолжаться в течение другого солнечного цикла и далее, тонкое уменьшение энергии Солнца может слегка компенсировать глобальное потепление.
Прогнозируется, что Солнце достигнет пика своего текущего цикла солнечных пятен в конце 2013 или начале 2014 года. Но нет никаких оснований полагать, что более спокойное Солнце останется таким. «Самое крупное событие, связанное с частицами и геомагнитная буря в истории человечества» - событие, наблюдавшееся Керрингтоном в 1859 году, - произошло во время солнечного цикла примерно того же размера, что и тот, который мы проецируем в ближайшие пару лет, - говорит Филлипс. Кроме того, недавнее исследование, проведенное Сули Ма и его коллегами из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, показало, что треть солнечных штормов, поражающих Землю, возникают без солнечных вспышек или других предупреждающих знаков. Эти скрытые атаки предполагают, что Солнце может быть опасным, даже когда оно кажется тихим.
Нет никакого способа защитить Землю от извержений Солнца; сильные бури всегда будут нарушать магнитное поле нашей планеты. Но заблаговременное предупреждение может ограничить их влияние. Меры предосторожности включают снижение силовых нагрузок для предотвращения скачков напряжения в электрических линиях, перевод спутников в электронный безопасный режим и, в случае НАСА, приказание астронавтам укрыться в наиболее укрепленных частях своего космического корабля.
Даже с этими мерами событие, столь же сильное, как солнечные бури 1859 или 1921 годов, может нанести ущерб, говорит физик по солнечной и космической физике Даниэль Бейкер из Университета Колорадо, ведущий автор доклада Национального исследовательского совета 2008 года. С каждым годом люди становятся все более зависимыми от коммуникационных технологий, говорит Бейкер, что делает нас еще более уязвимыми для электромагнитного хаоса. «Эти [серьезные] события, вероятно, происходят каждое десятилетие», - говорит он. «Это просто вопрос времени, прежде чем один из них ударит нас».
Бейкер и его коллеги настоятельно призвали НАСА и Национальное управление океанических и атмосферных исследований, которое управляет Центром прогнозирования космической погоды в Боулдере, штат Колорадо, разработать систему спутников для предупреждения о космической погоде. Сегодня единственный инструмент, который может определить направление магнитного поля внутри приближающегося выброса корональной массы - критического фактора, определяющего, насколько бурно он будет взаимодействовать с Землей, - это 13-летний спутник, который не имеет краткосрочной замены.
«Солнце очень изменчивая звезда», - предупреждает Бейкер. «Мы живем во внешней атмосфере, и киберэлектрический кокон, который окружает Землю, подчиняется ее капризам. Нам лучше с этим смириться.
Роберт Ирион руководит научной программой в Калифорнийском университете в Санта-Круз.
Экстремальное ультрафиолетовое изображение солнца. Синие регионы самые горячие, на 1, 8 миллиона градусов по Фаренгейту. (НАСА / GSFC / AIA) 
Когда выброс корональной массы достигает Земли, солнечные частицы движутся вдоль линий магнитного поля, возбуждают газы в атмосфере и сияют как северное сияние (в Манитобе). (Федерико Бухбиндер) 
Обсерватория солнечной динамики, показанная здесь в концепции художника, запущена в 2010 году и предоставляет беспрецедентный вид на Солнце. (NASA) 
Бурная неделя на Солнце завершилась извержением 1 августа 2010 года, которое осветило северное сияние над Соединенными Штатами. (NASA) 
Это был «один из самых потрясающих дней, которые я когда-либо видел на Солнце», - говорит Карел Шрайвер из августовских извержений 2010 года. (Джон Ли / Аврора Селект) 
Наблюдения из Обсерватории солнечной динамики показывают удивительную сложность на поверхности Солнца. Солнечные ветры текут в космос из темной «корональной дыры». (NASA) 
Магнитная нить, танцующая через южное полушарие Солнца, имеет длину около 340 000 миль, что примерно на 40 процентов больше, чем расстояние от Земли до Луны. (Дидье Фавр) 
Солнечная вспышка, вспыхивающая от Солнца, отслеживает яркие магнитные петли. (NASA) 
Филипп Шеррер, около солнечной обсерватории Стэнфорда, использует гелиосейсмологию и магнитные изображения, чтобы понять глубинные структуры Солнца и увидеть, что происходит на обратной стороне звезды, прежде чем возникнут потенциальные проблемы. (Джон Ли / Аврора Селект) 
Магнитное изображение Солнца. (NASA) 
Приборы обсерватории солнечной динамики отправляют обратно изображения Солнца с различными длинами волн. Одна длина волны выброса корональной массы прошлым летом демонстрирует вспышку излучения и намагниченного материала, вспыхивающего от Солнца. (NASA) 
Эта длина волны дает более четкое представление о взрывной волне, когда извержение распространяется по поверхности Солнца. (NASA)
