Статья: Солнечные факторы, определяющие состояние космической погоды, и задачи их прогнозирования

Утверждения Гослинга, на основе которых отрицается связь между солнечными вспышками и выбросами корональной массы, основаны на следующем:

1. Выбросы корональной массы часто происходят на более высоких гелиоширотах, чем активные области и вспышки.

Утверждение основано на результатах Хундхаузена [12]. Как отметил Драйер [13], эти результаты показывают, что действительно существуют выбросы корональной массы, возникающие на гелиоширотах 50o, однако их этих же данных следует, что существует и не меньшая, если не большая, по величине низкоширотная составляющая в распределении выбросов корональной массы по гелиоширотам.

2. Ссылаясь на Харрисона [14], Гослинг утверждает, что выброс обычно начинается раньше, чем происходит любая реальная вспышечная активность.

Сам Харрисон в цитируемой выше и последующей работе [15] делает вывод, что связанные с выбросами корональной массы вспышки могут происходить в любое время в пределах нескольких десятков минут относительно начала выброса: опережать, совпадать или даже запаздывать. Исследованные нами случаи [16-17] также обнаружили как опережение, так и запаздывание выброса корональной массы относительно эруптивного события.

3. Выброс корональной массы обусловлен изменениями в крупномасштабном магнитном поле, тогда как вспышки обусловлены изменениями в более сильных, но меньшего масштаба полях, связанных с активными областями.

Гослинг рассматривал вспышку как мелкомасштабное по сравнению с выбросом корональной массы явление. Если сравнивать наблюдаемые размеры хромосферной вспышки с размерами выброса, то это действительно так. В то же время процесс запасания и выделения энергии во вспышке на корональных высотах охватывает практически всю активную область. Очаги вспышек в хромосфере отмечают только места высыпания вдоль силовых линий магнитного поля потоков плазмы и ускоренных частиц, возникающих в процессе пересоединения магнитных полей в крупномасштабном токовом слое в короне активной области. Видимые в линии Нa очаги хромосферной вспышки составляют только малую часть активной области.

В процессе развития выброса корональной массы его вещество движется не только в антисолнечном направлении, но и в других направлениях. Это в равной мере относится к выбросам, связанным как со вспышками, так и с эруптивными протуберанцами. Как показано в работе [16], выброс «раздувается» во всех направлениях и уже на высотах порядка 15000 км его поперечные размеры становятся больше 10o Еще более наглядно этот процесс виден по наблюдениям на SOHO/EIT и LASCO, (например, события 7 апреля и 23 декабря 1996 г.). В этих событиях выбросы корональной массы наблюдались с самой ранней стадии их возникновения. Инициация началась с очень маленького объема (вспышка 7 апреля и эруптивный протуберанец 23 декабря). Дере и др. [18] сделали вывод, что инициация крупномасштабного выброса мелкомасштабной эрупцией является ключевым моментом, который должен быть включен в понимание возникновения выброса корональной массы.

Уже это краткое обсуждение показывает, что аргументы Гослинга недостаточно убедительны, чтобы полностью отрицать связь солнечных вспышек с выбросами корональной массы.

В своем построении новой парадигмы Гослинг исходит из «классических» представлений о вспышке: «под вспышками мы понимаем повышенное излучение фотонов (или электромагнитное излучение) в широком диапазоне энергий, часто связанное с другими формами солнечной активности. Такое излучение может происходить из фотосферы, хромосферы или короны».

Эти классические представления отражают понимание явления солнечной вспышки середины 60-х гг. В последующие годы с появлением данных в микроволновом, рентгеновском и ультрафиолетовом излучении с высоким временным и пространственным разрешением и развитием теоретических исследований представления о пространственной структуре вспышки и происходящих в ней процессах существенно расширились. В настоящее время вспышка рассматривается как динамическое явление, включающее в себя перестройку структуры магнитного поля, быстрые гидродинамические движения плазмы, ускорение заряженных частиц и генерацию ударных волн. По современным представления «вспышка Гослинга» является вторичным эффектом, обусловленным высыпанием в хромосферу вдоль силовых линий магнитного поля потоков плазмы и ускоренных частиц из области первичного энерговыделения в короне.

В то же время и у сторонников связи между вспышками и выбросами корональной массы нет единства взглядов на эту связь. Здесь можно выделить три подхода к проблеме.

1. По мнению Швестки [19], между вспышкой и выбросом корональной массы существует причинно-следственная связь. Он считает, что одним из наиболее важных известных источников выбросов на Солнце (и, вероятно, преобладающим источником) являются эруптивные вспышки. Эруптивная вспышка, по определению Швестки и Кливера [20],- «процесс высвобождения энергии, который в зависимости от величины магнитного поля проявляется во внезапных исчезновениях волокон без какого-либо поярчания в хромосфере, появлении нескольких Нa-узлов в более сильных полях и, наконец, двухленточных вспышек в полностью развитых активных областях. Термин «эруптивная вспышка» не требует какой-либо хромосферной вспышки, то есть вспышки в старом смысле этого слова». Основной отличительной особенностью этого типа вспышек является разрушение магнитной конфигурации. Вспышки без разрушения магнитной конфигурации (нагрев и поярчание ранее существовавших петель) относятся к компактным вспышкам. Швестка считает, что все важные межпланетные и геомагнитные эффекты связаны с эруптивными вспышками.

Так как Швестка интерпретирует эруптивную вспышку в рамках модели Кармайкла-Старрока-Хираямы-Коппа и Пноймана, то, как отметил Харрисон [15], в этой схеме начало выброса корональной массы либо совпадает с началом вспышки либо предшествует ей. Здесь справедливо замечание, сделанное выше относительно концепции Гослинга.

2. В концепции Харрисона [14] вспышка, выброс корональной массы и любая эрупция протуберанца являются составными частями одного и того же активного события, названного им корональной магнитной бурей. Основным элементом этой концепции является взаимодействие систем магнитных петель разного масштаба. Не привязываясь к конкретной модели, Харрисон считает, что вся эта активность имеет общий драйвер (триггерный механизм) и нет смысла говорить о вспышке, возбуждающей выброс, и наоборот.

3. Драйер [13] полагает, что причина возникновения выброса корональной массы носит бимодальный характер. Выброс корональной массы может быть как результатом эруптивного процесса, так и результатом потери равновесия крупномасштабной магнитной структуры. В последнем случае выброс корональной массы может не проявляться в оптических наблюдениях на диске Солнца.

Нетрудно заметить, что наряду с различиями (касающимися, в основном, причинно-следственной связи) в концепциях Швестки и Харрисона существует и принципиальное сходство. Швестка объединяет мощную вспышку и эруптивный протуберанец в одно явление - эруптивную вспышку. Харрисон добавляет к ним выброс корональной массы и называет это явление корональной магнитной бурей.

Действительно, причина всех трех явлений - выброса корональной массы, эрупции протуберанца и вспышки - заключена в высвобождении энергии в процессе перестройки (разрушения по Швестке) магнитной конфигурации. Однако следует признать, что эти три явления существенно различаются по формам запасания и высвобождения энергии.

В отличие от эруптивного протуберанца во вспышке значительная часть энергии выделяется уже в короне в виде тепловой энергии и энергии ускоренных частиц. Микроволновое излучение является чувствительным индикатором появления в короне электронов с энергиями 10 кэВ. Оно уверенно регистрируется даже в случае субвспышек. В то же время мы не наблюдали микроволнового излучения в случае эруптивного протуберанца. Большая часть ускоренных частиц направлена вниз, в хромосферу, в результате чего возникает хромосферная вспышка. Оба явления отличаются темпом выделения энергии, особенно на их начальной стадии. Исходя из этих обстоятельств, следует признать, что рассмотрение вспышек и эруптивных протуберанцев как одного явления эруптивной вспышки чересчур обобщающее.

Для обеих концепций возникает вопрос: если в зависимости от конкретных условий процессы могут развиваться по различным путям, с различными характерными особенностями каждого из них, следует ли их объединять под одним понятием, будь то эруптивная вспышка или корональная магнитная буря?

Мы склонны рассматривать эти процессы как самостоятельные под сложившимися для них названиями длительной (LDE) или двухленточной вспышки и эруптивного протуберанца.

В процессе развития активной области, включающем в себя всплытие новых магнитных полей и самые различные движения этих полей, может происходить накопление энергии, например, в виде токов, текущих в короне активной области, потенциальной энергии холодного вещества, лежащего на вершинах силовых линий высоко в короне. Эти же причины могут приводить к неустойчивости или потере равновесия магнитной конфигурации, за которой может последовать либо новое равновесное состояние, либо взрывное разрушение конфигурации. В зависимости от того, в каком виде запасена энергия, она может выделиться в виде солнечной вспышки, эруптивного протуберанца и выброса корональной массы, либо по отдельности, либо в различных сочетаниях.

Конечно, вслед за Харрисоном можно предположить, что один и тот же триггерный механизм может одновременно или в той или иной последовательности приводить к возникновению вспышки, эруптивного протуберанца и выброса корональной массы. Однако, как следует из нашего исследования подготовительной стадии солнечных эруптивных событий, процесс накопления энергии затрагивает практически всю активную область. Поэтому перестройка (разрушение) магнитной структуры в короне также происходит на масштабе активной области. И если малое по величине воздействие триггерного механизма инициирует и вспышку, и эрупцию протуберанца, и выброс корональной массы, то почему значительно более мощное возмущение в виде одного из перечисленных событий не может привести к появлению другого? Трудно не дать положительный ответ на этот вопрос. Тогда мы получаем причинно-следственную связь между событиями, которая зависит от того, в каком виде или видах существует запасенная энергия. В таком случае важность и актуальность исследования подготовительной стадии солнечных эруптивных событий состоит не только в понимании физических механизмов запасения энергии и краткосрочного прогноза мощных эруптивных событий, но и в понимании того, что произойдет в результате взрывного высвобождения этой энергии: солнечная вспышка, эрупция протуберанца, выброс корональной массы и в каком сочетании.

Основная трудность в решении проблемы связи выбросов корональной массы с другими явлениями солнечной активности заключалась в том, что выбросы наблюдались только на лимбе на расстояниях больше 1.5 радиусов Солнца.

Первые наблюдения выбросов корональной массы на диске Солнца, по-видимому, были выполнены на Сибирском солнечном радиотелескопе (ССРТ). Проведенные исследования показали связь выбросов корональной массы как с эрупцией волокон, так и со вспышками [16 -17].

Наконец, наблюдения на SOHO позволили внести окончательную ясность в проблему связи выбросов корональной массы с другими проявлениями солнечной активности, в том смысле, что такая связь существует. Однако остается открытым вопрос о количественной стороне этой связи. Так, Джоселин и Мак-Интош [21] на основе данных Skylab пришли к выводу, что 50 % выбросов корональной массы связано с эруптивными протуберанцами и 70% было связано с эруптивными протуберанцами и исчезновениями волокон со вспышками. Брекке [2] по данным SOHO> установил, что 85 % выбросов корональной массы связано со вспышками, 70 % - с эруптивными волокнами, причем 53 % - с корональными волокнами, видимыми в ультрафиолетовом излучении. В то же время согласно Хаймин Вангу [22] связь между эрупцией волокон и выбросами корональной массы довольно слабая: ~ 15 % для волокон вблизи западного лимба и ~ 10 % для волокон в центре диска. Нынешнее состояние проблемы можно охарактеризовать словами Моники Пик [23]: «связь между эруптивными протуберанцами и выбросами корональной массы зависит от цикла солнечной активности и от пристрастий авторов».

Прогноз

Наверное, не будет большим преувеличением сказать, что значительная часть задач прогнозирования космической погоды с точки зрения солнечных событий является задачами диагностики, т.е. оценкой геоэффективности солнечного события по наблюдаемым параметрам. И от геофизиков нередко можно услышать мнение, что задача краткосрочного прогноза солнечных эруптивных событий не является актуальной.

Однако достаточно привести только несколько примеров, когда краткосрочный прогноз солнечных эруптивных событий совершенно необходим. Во-первых, это случай прямой угрозы жизни и здоровью людей:

выход космонавтов в открытый космос;