СЕВЕРНОЕ ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

Солнечные вспышки и выброс солнечных частиц. Всплески рентгеновского излучения в нижней ионосфере Земли

В центрах активности время от времени происходят солнечные бури, когда за относительно короткое время преобразуется большое количество энергии. Во время солнечной бури наблюдается внезапное увеличение яркости излучения в линии Нα, которое называется солнечной вспышкой. При солнечной вспышке часть солнечной атмосферы площадью 25 млрд. км2 (площадь большого солнечного пятна) в десятки раз увеличивает свою яркость в свете водородной линии. Максимум свечения вспышки достигается через 5—10 мин после ее возникновения. Вспышки всегда образуются в областях ярких водородных флоккулов, которые связаны с солнечными пятнами. На удалениях больше 105 км от солнечного пятна вспышки наблюдаются редко.

Излучение вспышки происходит главным образом в отдельных спектральных линиях. Это — линии водорода Н и другие линии серии Бальмера.

С линией Нα сравнимы по интенсивности линии Н+ (3968 Å) и К+ (3934 Å) однажды ионизованного кальция. Имеются также линии нейтрального гелия, ионизованного железа и ряда атомов других металлов, которые обнаружены в хромосфере. Но интенсивности этих излучений меньше.

Наблюдаются также интенсивные рентгеновское, ультрафиолетовое и радиоизлучение. В некоторых случаях увеличивается и яркость белого света над всей областью вспышки. До больших высот в корону выбрасываются облака плазмы, часть которых распространяется даже за пределы земной орбиты.

Полная мощность энергии, излучаемой в линии Нα, может достигать 1026 эрг/с в максимуме.

В зависимости от площади области, излучающей в линии Нα, различают пять классов вспышек. Они обозначаются: S  (субвспышки), 1, 2, 3, 4. К этим цифрам присоединяются вспомогательные индексы f, n, b  для указания слабой, нормальной и яркой вспышек соответственно. Во время Международного геофизического года (МГГ) (1957—1958 гг.), который был периодом исключительно высокой активности Солнца, произошло около 6656 вспышек.

Солнечные вспышки связаны с двумя типами рентгеновского излучения. Первый — это «мягкая» тепловая компонента, обусловленная атомными переходами. Генерируемое рентгеновское излучение в интервале длин волн от 1 до 100 Å (диапазон энергий от 124 эВ до 12,4 кэВ). Второй тип — «жесткое» рентгеновское излучение с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ и длиной волн 0,0124—1,24 Å. Это тормозное излучение, которое вызывается столкновениями нетепловых электронов с окружающими ядрами.

Всплески рентгеновского излучения производят увеличение ионизации в нижней ионосфере Земли (слой D ), так называемые внезапные ионосферные возмущения (SID)  и др. Возмущенные области излучают также радиоволны. Имеется пять типов таких волн (I—V). Это радиоизлучение генерируется заряженными частицами, которые ускоряются в области вспышки.

В самой ранней стадии вспышки электроны становятся высокоэнергичными. Они движутся вверх вдоль магнитных силовых линий солнечного пятна и взаимодействуют с плазмой солнечной короны, заставляя ее колебаться и излучать на определенной частоте.

Колебания плазмы наблюдаются на Земле в виде коротких всплесков радиоизлучения типа III.

Релятивистские электроны движутся по спирали вокруг силовых линий солнечного пятна и излучают синхротронное излучение, которое наблюдается как всплески радиоизлучения типа V во время начальной фазы вспышки. Некоторые из этих электронов движутся вниз и сталкиваются с ядрами водорода, в результате чего возникают всплески тормозного рентгеновского излучения. Между радиоизлучением в сантиметровом диапазоне и вспышками рентгеновского излучения имеется тесная связь.

Наиболее интересным для проблемы солнечно-земной физики является радиоизлучение типа IV. Обычно оно продолжается в течение нескольких часов после прекращения оптической вспышки.

Кроме электромагнитного излучения, во время второй фазы хромосферной вспышки происходит выброс солнечных частиц, которые обладают энергиями от 1 кэВ до 15 ГэВ (для протонов). Это солнечные космические лучи с энергией от 100 кэВ до 100 МэВ и облака плазмы, в которых протоны имеют энергию порядка 0,5—1,5 кэВ.

Первые два типа частиц (протоны и небольшое количество тяжелых ядер) образуются в результате процессов ускорения во время самой ранней стадии вспышки. Эти частицы доходят до орбиты Земли, которая в результате окружается протонами высокой энергии. Эти высокоэнергичные заряженные частицы почти не влияют на межпланетное и геомагнитное поле: плотность энергии их слишком мала.

Иначе обстоит дело с облаками плазмы. В них плотность частиц достигает 1—25 см-3, энергия — 10 кэВ. При таких концентрациях существует очень сильное электростатическое взаимодействие между протонами и электронами облака плазмы. Это заставляет частицы противоположного заряда двигаться вместе. При движении такого облака в солнечной атмосфере возбуждаются плазменные колебания, наблюдаемые на Земле как радиовсплески типа II. Частота этого излучения уменьшается от 200 до 10 МГц примерно за 10 мин. Скорости облака плазмы находятся в пределах 200—1500 км/с. Эти скорости сравнимы со скоростями плазмы, которая вызывает магнитосферные бури. Поэтому можно предположить, что радиоизлучение типа II свидетельствует об уходе от Солнца плазмы, вызывающей бурю.

Облака плазмы в отличие от высокоэнергичных протонов способны исказить межпланетные магнитные поля. Это повлияет на движение галактических космических лучей. Важно отметить еще раз, что выброс облака плазмы из вспышек сопровождается радиовсплесками типа II. На это также указывает движение вверх области генерации излучения типа IV. Корона вблизи области вспышки становится очень горячей и излучает как мягкое рентгеновское излучение, так и интенсивное ультрафиолетовое и далекое ультрафиолетовое излучение.  3 позволяет судить об основных процессах, которые происходят во время типичной солнечной бури.

Мы не будем рассматривать солнечные космические лучи и электроны высоких энергий. Они представляют малый интерес для проблемы полярных сияний. Остановимся на процессах выброса и движения к Земле облаков солнечной плазмы, которая вызывает на Земле магнитные бури и полярные сияния, а также другие сопутствующие явления.