Корональная дыра

На этой фотографии Солнца, полученной космической Обсерваторией солнечной динамики в диапазоне мягкого рентгеновского излучения, на фоне яркого солнечного диска выделяется большое темное образование — корональная дыра. Это образование простирается в длину примерно на половину солнечного диска, наблюдается близко к экватору Солнца и повернуто по направлению к Земле. Оттенки фиолетового цвета на этом снимке соответствуют интенсивности излучения электромагнитных волн с длиной волны 21,1 нм.

Корона — это самый внешний и очень горячий слой атмосферы Солнца. Если температура видимой поверхности звезды, фотосферы, около 6000 кельвинов, то температура короны уже может достигать нескольких миллионов кельвинов. Состоит корона из довольно разреженной плазмы — газа из заряженных частиц. Для сравнения, концентрация частиц в солнечной короне — 10⁹ на см³, а у фотосферы Солнца — уже 10¹⁵ на см³, то есть в миллион раз больше. Из-за низкой плотности плазмы излучение короны в видимой части спектра крайне слабое, намного слабее излучения остальных областей Солнца, поэтому вне полного солнечного затмения корона не видна. А температура короны такова, что пик интенсивности излучения приходится на диапазон ультрафиолетового света и рентгена. В рентгеновском диапазоне более глубокие слои Солнца — хромосфера и фотосфера — непрозрачны и сами блокируют лишнее излучение. К тому же из-за значительно более высокой температуры короны интенсивность ее излучения в рентгене значительно выше интенсивности излучения других слоев Солнца.

Переходная область между короной и соседней хромосферой определяется по быстрому росту температуры и снижению плотности. В этой области различные силы, например электромагнитные, начинают превалировать над гравитацией, определяя динамическое поведение частиц плазмы. На расстоянии порядка 70 000 км от видимой поверхности Солнца температура вещества достигает своих максимальных значений — порядка двух миллионов градусов,  после чего начинает медленно убывать. Причины сильного нагрева короны неизвестны, и эта проблема уже долгое время является одной из основных нерешенных проблем физики. Верхняя граница короны не определена и может простираться на десятки солнечных радиусов, постепенно переходя в солнечный ветер (см. также одноименную картинку дня). Так что можно сказать, что и Земля находится внутри короны Солнца.

Схема поведения магнитного поля Солнца: в области А плазма удерживается в короне замкнутым магнитным полем, в области B магнитные линии разомкнуты, и плазма, перемещаясь вдоль них, беспрепятственно расширяется, образуя корональную дыру. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Для всех образований на Солнце более темный цвет означает, что этот участок стал более холодным по сравнению с соседними областями. Корональные дыры — не исключение. Это области в солнечной короне, где понижены плотность и температура плазмы (она становится порядка 8?10⁵ К). Но несмотря на более низкую температуру вещество корональных дыр тоже излучает, хоть и меньше, чем остальная корона.

Причины возникновения таких относительно холодных областей надо искать в поведении магнитного поля Солнца и его влиянии на заряженные частицы плазмы. Частицы плазмы движутся вдоль силовых линий магнитного поля, которые являются замкнутыми. По большей части, именно магнитное поле удерживает плазму в короне, но если силовые линии в определенном месте окажутся «не замкнуты», то плазма начнет расширяться в космос (на самом деле силовые линии магнитного поля всегда замкнуты; под «не замкнуты» мы подразумеваем, что они имеют радиальное или расходящееся направление, а их смыкание происходит на значительном удалении от Солнца). При расширении любого газа, в том числе и плазмы, его плотность и температура снижаются — так и возникает корональная дыра.

Само магнитное поле Солнца устроено весьма сложно (см., например, новость Самое сильное магнитное поле на Солнце нашлось там, где не ждали) и образуется, вероятно, вследствие конвективного движения плазмы под фотосферой и движения плазмы в результате вращения Солнца вокруг своей оси (см. Солнечное динамо).

Большую часть времени магнитное поле Солнца схоже с магнитным диполем — системой с двумя «магнитными зарядами», напоминающей магнит с двумя полюсами (эта аналогия условна, так как магнитные заряды не обнаружены). В такой конфигурации «незамкнутые» магнитные силовые линии возникают только у полюсов, а значит, и корональные дыры наблюдаются у полюсов. Эта конфигурация магнитного поля реализуется благодаря движению плазмы вследствие вращения Солнца.

На изображение Солнца с корональными дырами наложены смоделированные силовые линии магнитного поля. Красный и синий цвета соответствуют областям разной полярности. Изображение с сайта sdo.gsfc.nasa.gov

Так как разные участки Солнца вращаются с разной скоростью, силовые линии магнитного поля, изначально направленные вдоль меридианов, закручиваются в широтном направлении. При этом усиливается магнитное поле, вызванное конвекцией под поверхностью Солнца. Силовые линии искажаются и претерпевают множество изменений. В это время магнитное поле Солнца приобретает крайне сложную структуру. Если эту структуру представить как набор нескольких локальных биполярных областей (своего рода диполей), то можно сказать, что «незамкнутость» силовых линий будет возникать при сближениях двух магнитных диполей одноименными полюсами. В этот период «незамкнутые» силовые линии, как и зависящие от них корональные дыры, могут быть на любых широтах, а не только на полюсе.

Два варианта магнитного поля Солнца, иллюстрирующие сложность магнитного поля Солнца. В январе 2011 года (слева), спустя три года после солнечного минимума (периода наименьшей солнечной активности в 11-летнем цикле), магнитное поле относительно простое, с незамкнутыми силовыми линиями возле полюсов. В период солнечного максимума, в июле 2014 года (справа), структура поля гораздо сложнее: незамкнутые силовые линии наблюдаются не только у полюсов. Изображение с сайта nasa.gov

Корональные дыры оказывают влияние и на Землю. При их возникновении создаются идеальные условия для того, чтобы поток плазмы Солнца мог преодолеть гравитационное и магнитное притяжения, покинуть корону и стать потоком солнечного ветра. Двигаясь под воздействием магнитного поля, плазма приобретает дополнительное ускорение (солнечный ветер от корональных дыр также называют «быстрым»). Хотя из-за низкой плотности такой солнечный ветер серьезных последствий не оказывает, он может вызывать на Земле геомагнитные бури и особенно красочные полярные сияния.

Изображение с сайта sdo.gsfc.nasa.gov. Снимок сделан 2–4 мая 2018 года.

Александр Яровитчук