Щодня на Землі змінюється погода. Відчуваємо вітер, бачимо, як хмари рухаються небом. А іноді трапляються бурі: вітер посилюється, починається дощ, гримить грім і спалахує блискавка. Але зміни погоди бувають не лише на Землі, а й на Сонці.
Сонце — яскрава зоря в центрі Сонячної системи
Сонце — величезна, надзвичайно гаряча куля плазми в центрі нашої Сонячної системи. Температура його видимої поверхні — близько 5500–6000 °C. Це набагато гарячіше за лаву, яка вивергається із земних вулканів. Саме через надзвичайно високу температуру Сонце яскраво світиться.
Сонце складається переважно з того, що фізики називають плазмою.
Звичайний газ, наприклад повітря, складається з атомів. В атомах позитивно заряджене ядро оточене негативно зарядженими електронами. У звичайному стані позитивний і негативний заряди врівноважують один одного, тому атом загалом електрично нейтральний.
Але якщо газ нагріти до дуже високої температури, електрони можуть відокремитися від атомних ядер. Утворюється плазма — стан речовини, у якому є вільні заряджені частинки.
Саме тому плазма добре проводить електричний струм і сильно взаємодіє з магнітними полями.
Отже, плазма — це газ, у якому багато частинок мають електричний заряд.
Сонячний вітер дме від Сонця постійно
Іноді Місяць проходить між Землею та Сонцем і повністю закриває його диск. Тоді на небі можна побачити навколо темного Місяця слабке світле кільце або корону. Це корона — зовнішня атмосфера Сонця.
Корона надзвичайно гаряча: її температура сягає мільйонів градусів. Через таку високу температуру частинки плазми можуть вириватися із зовнішніх шарів Сонця й поширюватися далеко в космос.
Цей постійний потік заряджених частинок називається сонячним вітром.
Сонячний вітер заповнює величезну область навколо Сонця й поширюється далеко за межі орбіти Плутона. Це дуже розріджений потік плазми, але він постійно взаємодіє з планетами та їхніми магнітними полями.
Швидкість сонячного вітру може досягати приблизно 3 мільйонів кілометрів на годину. Для порівняння, Міжнародна космічна станція рухається навколо Землі зі швидкістю близько 28 000 км/год і здійснює один оберт приблизно за 90 хвилин.
Безпосередньо побачити сонячний вітер після того, як він залишає корону, складно. Проте космічні апарати можуть вимірювати його властивості безпосередньо.
Один із таких апаратів — Parker Solar Probe, який NASA запустило для дослідження Сонця. Він наближається до Сонця ближче, ніж будь-який попередній космічний апарат, і безпосередньо вимірює властивості сонячного вітру поблизу місця, де той залишає корону.
Parker Solar Probe також має камеру, яка дає змогу спостерігати сонячне світло, розсіяне частинками сонячного вітру. Подібне розсіювання світла відбувається й в атмосфері Землі — саме воно, зокрема, допомагає зробити наше небо блакитним.
Великі вибухи на Сонці
Сонячний вітер постійно оточує Землю. Але більшу частину часу магнітне поле нашої планети захищає нас від його впливу, відхиляючи значну частину заряджених частинок. Земне магнітне поле створює навколо планети величезну область — магнітосферу.
Проте Сонце не завжди поводиться спокійно.
Іноді в його атмосфері відбуваються потужні спалахи та викиди величезної кількості енергії й речовини. Одне з наймасштабніших таких явищ — корональний викид маси, або CME.
Під час коронального викиду маси Сонце викидає в космос величезну хмару плазми разом із магнітним полем. Якщо такий викид спрямований у бік Землі, він може через деякий час досягти нашої планети й спричинити сильні збурення її магнітного поля.
Саме такі явища часто називають сонячними бурями. Водночас важливо пам’ятати, що сонячна активність охоплює кілька різних явищ — зокрема сонячні спалахи, корональні викиди маси, швидкі потоки сонячного вітру та потоки високоенергетичних частинок.
Чому магнітне поле Сонця має таке значення?
Сонце можна уявити як величезний магніт. Його магнітне поле не є нерухомим: воно постійно змінюється, а його силові лінії можуть закручуватися та деформуватися.
Плазма, з якої складаються сонячний вітер і корональні викиди маси, взаємодіє з цими магнітними полями. Тому в космос від Сонця рухаються не просто заряджені частинки, а потоки плазми разом із магнітними полями.
Коли потужний корональний викид маси досягає Землі, його магнітне поле може взаємодіяти з магнітним полем нашої планети.
І тут починається те, що вчені називають космічною погодою.
Космічна погода починається із Сонця
Магнітосфера Землі — своєрідний природний щит. Вона захищає планету від значної частини сонячного вітру та допомагає зменшити вплив заряджених частинок на атмосферу й поверхню Землі.
Але під час сильних сонячних подій у магнітосферу може передаватися значна кількість енергії.
Одним із важливих процесів є магнітне перез’єднання. Воно відбувається, коли магнітні поля перебудовуються й утворюють нову конфігурацію. За певних умов це дає змогу енергії та частинкам сонячного походження проникати глибше в навколоземний космічний простір.
Результатом може стати геомагнітна буря — сильне збурення магнітосфери Землі.
Саме сукупність змін у Сонці, сонячному вітрі та навколоземному космічному середовищі називають космічною погодою.
Космічна погода може бути і небезпечною, і прекрасною
Потужні геомагнітні бурі можуть впливати на технології. Вони здатні спричиняти перебої в роботі радіозв’язку та супутникових систем, впливати на навігацію, створювати проблеми для електромереж і збільшувати опір верхніх шарів атмосфери для супутників на низьких орбітах. Для астронавтів у космосі підвищений рівень радіації також може становити небезпеку.
Але космічна погода має й прекрасний бік.
Коли заряджені частинки, спрямовані магнітним полем Землі, взаємодіють із верхніми шарами атмосфери, вони можуть спричиняти полярні сяйва.
У Північній півкулі це північне сяйво, або aurora borealis. У Південній — південне сяйво, або aurora australis.
Кольорові смуги та хвилі світла в небі виникають тому, що енергійні частинки передають енергію атомам і молекулам верхньої атмосфери, змушуючи їх випромінювати світло.
Тож якщо вам коли-небудь пощастить побачити полярне сяйво, пам’ятайте: перед вами — один із найкрасивіших проявів космічної погоди, який почався далеко від Землі, на Сонці.
Цікаво, правда?
Сонце, яке здається нам спокійною яскравою кулею на небі, насправді є дуже активною зорею. Воно постійно випускає сонячний вітер, час від часу породжує потужні спалахи та викидає величезні хмари плазми.
Земля має природний захист — магнітосферу, — але Сонце все одно постійно впливає на навколоземний космічний простір.
Саме тому вчені вивчають Сонце та прогнозують космічну погоду: щоб краще розуміти нашу зорю, захищати супутники, системи зв’язку, електромережі та людей, які працюють у космосі.
Автори: Єймі Дж. Рівера, дослідниця астрофізики, Smithsonian Institution; Роса Татіана Ніємбро Ернандес, астрофізикиня, Smithsonian Astrophysical Observatory, Smithsonian Institution; Семюел Бедмен, дослідник астрофізики, Smithsonian Institution. Цю статтю передруковано з The Conversation за ліцензією Creative Commons. Джерело