Сонячні язики: що таке викиди корональної маси Сонця, як вони утворюються і чому небезпечні

У порівнянні з сонячними спалахами – сплески електромагнітного випромінювання, які поширюються зі швидкістю світла й досягають Землі трохи більше ніж за 8 хвилин – КВМ подорожують у дещо спокійнішому темпі. Найвища зафіксована швидкість викиду плазми становила 3000 кілометрів на секунду.

Не пропустіть Чи могли б люди дихати повітрям на Марсі і що відбудеться з астронавтом, який зніме скафандр

КВМ можуть досягти Землі приблизно за 15-18 годин, тоді як більш повільним викидам, які рухаються приблизно 250 км/с, може знадобитися кілька днів, щоб дістатися нашої планети.

Цей відносно повільний час подорожі корисний, оскільки він дає дослідникам більше можливостей для підготовки до такого прибуття.

КВМ можуть завдати шкоди електромережам, телекомунікаційним мережам і орбітальним супутникам. Крім того, вони піддають астронавтів небезпечним дозам радіації. Водночас КВМ є бажаним гостем для спостерігачів за небом у всьому світі, оскільки вони можуть викликати вражаючі полярні сяйва, які видно на широтах за межами їх "нормального" полярного діапазону.

Як утворюються корональні викиди маси

Корональні викиди маси утворюються подібно до сонячних спалахів – це результат скручування та перегрупування магнітного поля Сонця, відомого як магнітне перез’єднання. Коли лінії магнітного поля "сплутуються", вони створюють сильні локалізовані магнітні поля, які можуть пробиватися крізь поверхню Сонця в активних областях, згодом створюючи КВМ.

КВМ зазвичай утворюються навколо груп сонячних плям і часто супроводжуються сонячним спалахом, хоча вони не завжди відбуваються разом. Насправді вчені досі не зовсім впевнені, як ці дві події пов’язані, і, за даними Центру наукової освіти Університетської корпорації атмосферних досліджень (UCAR), КВМ, як і сонячні спалахи, найчастіше трапляються під час сонячного максимуму. Це період в 11-річному циклі активності Сонця, коли зірка найбільш активна (триває саме зараз). Після вивільнення КВМ вони збільшуються у розмірах, коли віддаляються від сонця.

Якщо КВМ досить великий і рухається швидше, ніж сонячний вітер, він генерує ударну хвилю, за допомогою якої прискорені заряджені частинки рухаються попереду КВМ, ще більше порушуючи космічні погодні умови та посилюючи геомагнітні бурі.

Як корональні викиди маси впливають на Землю

Найбільш впізнаваним та очевидним впливом КВМ на нашу планету є полярні сяйва. Вони утворюються, коли збурення магнітного поля Землі направляє іони вниз до полюсів планети, де вони стикаються з атомами кисню та азоту в атмосфері. Так і утворюється сліпуче світлове шоу полярного сяйва навколо полярних регіонів. У Північній півкулі це явище називають північним сяйвом (aurora borealis), а в Південній півкулі – (неочікувано) південним сяйвом (aurora australis).

Зазвичай ці світлові шоу обмежуються полярними регіонами, але під час великих магнітних збурень – саме після КВМ – полярні сяйва можна побачити на набагато нижчих широтах, ніж вони зазвичай спостерігаються.

Однак КВМ не завжди викликають надзвичайні прояви полярних сяйв. Ступінь магнітних збурень від КВМ залежить від магнітного поля викиду та Землі. Якщо магнітне поле КВМ вирівняно з магнітним полем Землі, спрямоване з півдня на північ – викид пройде повз непомітно. Та якщо КВМ вирівняний у протилежному напрямку, це може спричинити реорганізацію магнітного поля Землі, викликаючи вражаючі полярні світлові шоу.

Вплив на техніку

Великі КВМ можуть спричинити технологічні збої, які створюють особливі проблеми для людей в нашому сучасному світі.

Подія Керрінгтона, про яку ми згадували вище, спричинила збої у світовій телеграфній системі. Тоді надходили повідомлення про те, що оператори отримували удари електричним струмом, а з телеграфних апаратів летіли іскри, підпалюючи папери. У 1989 році КВМ супроводжував сонячний спалах, який вразив Землю, зануривши всю провінцію Квебек у Канаді в блекаут – знеструмлення тривало 12 годин.

Але як саме КВМ викликають усі ці збої?

КВМ можуть спричиняти стрибки електричного струму, які перевантажують електромережі, викликаючи масові відключення електроенергії. Також КВМ можуть "штовхати" магнітне поле Землі, що може погіршити радіопередачі та збільшити радіостатику в іоносфері планети.

Системи GPS особливо вразливі до збурень в іоносфері, і відомо, що координати GPS відхиляються на десятки метрів під час КВМ. Збій виникає через те, що GPS використовує радіосигнали для передачі інформації між супутником і наземним приймачем. За даними Центру прогнозування космічної погоди NOAA, радіосигнал проходить через шар іоносфери, що містить заряджену плазму, яка викривляє шлях сигналу GPS подібно до згинання світла лінзи.

Зазвичай системи GPS можуть компенсувати це викривлення радіосигналу, не впливаючи на точність. Однак під час КВМ іоносфера може бути настільки серйозно зрушена, що моделі GPS не можуть відстежувати такі зміни, а приймачі більше не можуть обчислити точне положення.

До теми Наскільки холодно у космосі: які процеси впливають на температуру Всесвіту

Як корональні викиди маси впливають на супутники, МКС та зонди

Супутники, що обертаються навколо Землі, вразливі до КВМ, особливо ті, що перебувають на високих геосинхронних орбітах – саме там розташована більшість супутників зв’язку. Коли КВМ викликає геомагнітну бурю, супутники можуть бути уражені сильним струмом, або пошкоджені, коли високоенергетичні частинки проникають крізь них.

Однак є спосіб захистити супутники від впливу КВМ. Їх переводять у "безпечний режим", таким чином запобігаючи пошкодженню електроніки.

Найгірша сонячна буря може мати економічні наслідки, подібні до урагану категорії 5 або цунамі. Існує понад 900 працюючих супутників з орієнтовною відновною вартістю від 170 до 230 мільярдів доларів, які підтримують галузь з прибутком у 90 мільярдів доларів на рік. Один із сценаріїв показав, що "супершторм" обійдеться в 70 мільярдів доларів через комбінацію втрачених супутників.

SpaceX вже на власні очі відчула шкоду, яку може завдати космічна погода, коли в лютому 2022 року геомагнітна буря знищила до 40 супутників Starlink вартістю понад 50 мільйонів доларів.

Чи можуть КВМ зашкодити астронавтам?

На низькій навколоземній орбіті астронавти отримують вищі дози радіації, ніж ми на Землі, але вони все ще здебільшого захищені магнітосферою.

Реальна небезпека для астронавтів виникає, якщо вони вийдуть за межі магнітосфери, наприклад, щоб дослідити поверхню Місяця або Марса. Під час такої експедиції – за межами "захисних щитів" Землі – вони вразливі до небезпечних явищ космічної погоди, таких як КВМ.

За даними NASA, якби ударна хвиля, викликана КВМ, вразила непідготовленого астронавта, який досліджує місячну або марсіанську поверхню, він би отримав таку ж кількість радіації, як 300 000 одночасних рентгенівських знімків грудної клітки. Це мало б летальні наслідки, оскільки знадобилося б лише 45 000 одночасних рентгенів грудної клітки, щоб убити вас.

Вивчення Сонця важливе для людства

Сонячна погода може мати дуже дорогі наслідки, тому важливо покращити наше розуміння, моніторинг і прогнозування таких подій. На щастя для нас, КВМ займають кілька годин, іноді навіть днів, щоб досягти Землі. Це дає нам трохи часу, щоб підготуватися до їх прибуття.

Різні організації пильно стежать за Сонцем і повідомляють про будь-які зміни характеристик поверхні, які можуть свідчити про викид маси, наприклад збільшення сонячної активності та викиди сонячних спалахів. За даними SpaceWeatherLive.com, якщо буде виявлено сильний сонячний спалах класу M або X, ймовірно, він супроводжуватиметься КВМ, але не завжди.

Синоптики SWPC використовують різні параметри – розмір, швидкість і напрямок – отримані за допомогою коронографічних зображень орбітальних супутників, щоб визначити ймовірність попадання КВМ на Землю.

За даними NOAA, синоптики в основному використовують коронограф NASA та ESA Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) – Large Angle and Spectrometric Coronagraph (LASCO) для аналізу КВМ та визначення ймовірності зіткнення із Землею.

На передньому краї виявлення КВМ знаходиться супутник Deep Space Climate Observatory (DSCOVR), який розміщено в першій точці Лагранжа L1 між Землею та Сонцем на відстані близько 1,6 мільйона кілометрів від Землі.

DSCOVR відстежує будь-які зміни в напруженості міжпланетного магнітного поля (ММП) і швидкості сонячного вітру, які є життєво важливими для точності та оперативності попереджень і прогнозів космічної погоди NOAA.

Зі свого місця паркування в L1 супутник DSCOVR може забезпечувати від 15 до 60 хвилин попереднього попередження, перш ніж КВМ досягне Землі. У разі виявлення викиду, спрямованого на Землю, SWPC попереджає вразливі групи, такі як енергетичні компанії, супутникові компанії та авіакомпанії, щоб вони вжили відповідних заходів.

За допомогою розширеного попередження комунальні компанії можуть перенаправляти навантаження електроенергії, щоб захистити мережі від перевантаження, коли КВМ потрапляє, супутники можна перевести в "безпечний режим", а літаки можна перенаправити.

Читайте на сайті У NASA нарешті пояснили походження марсіанського об'єкта, прозваного "космічним спагеті"

Згідно з ESA, місія ESA Vigil сподівається додати ще одного сонячного захисника на допомогу Землі до середини 2020-х років. Vigil спостерігатиме за сонцем з Lagrange 5, приблизно за 150 мільйонів кілометрів від Землі. Космічний корабель буде розташований так, щоб він міг стежити за "стороною" Сонця. Він спостерігатиме за зіркою та стежитиме за змінами її характеристик, щоб завчасно попередити нас про ймовірно небезпечну сонячну активність.