|
Фундаментальные проблемы астрофизики, космохимии,
астрометрии, небесной механики, звездной астрономии, внегалактической
астрономии, космогонии, космологии, внеатмосферной астрономии Стереоскопия Солнца и гелиосферы Земля и Вселенная №2/2007
доктор физико-математических наук Научно-исследовательский институт
ядерной физики им. Д.В. Скобельцына
МГУ Стереоскопия
– регистрация трехмерных образов предметов в пространстве, динамическая
стереоскопия подразумевает еще и видение изменяющейся во времени их
геометрической формы. Ученые давно мечтали исследовать таким способом явления,
происходящие на Солнце, в его атмосфере и гелиосфере.
Этому посвящена научная программа новых солнечных космических обсерваторий NASA. Два космических
аппарата «СТЕРЕО» решают сложную задачу – они должны будут объемно увидеть
загадочные взрывы, сопровождающиеся выбросами вещества в короне Солнца и
внутренней гелиосфере, и разобраться в их природе.
Это очень важно для точного прогнозирования геомагнитных бурь и других явлений
«космической погоды». Транзиенты на Солнце и в гелиосфере В короне Солнца и гелиосфере постоянно
присутствуют движущаяся плазма и транзиенты (англ. transient – переходящий, мимолетный,
скоротечный) – быстропротекающие процессы в плазме. Они возникают вблизи Солнца
хаотично в виде клочковатых выбросов и струй. Наиболее мощные и хорошо заметные
транзиенты в солнечной короне носят взрывной характер
(эрупции). Непрерывное движение
плазмы наблюдается в фотосфере, хромосфере и нижней короне, изменяющейся по
всем направлениям. Данные явления удается исследовать с помощью наземных
телескопов и других приборов. Эруптивные процессы в короне Солнца часто, но не всегда, тесно связаны с
движением протуберанцев и солнечными вспышками. В этом комплексе явлений
сосредоточены огромные запасы энергии – это электромагнитное излучение,
разнообразные тепловые, волновые и конвективные потоки плазмы в поле сил
тяжести, газовое давление, электромагнитные и вязкие натяжения. Энергия
рассеивается, излучаясь в различных диапазонах спектра, уносится в виде потоков
тепла и плазмы, энергичных частиц. Плазма под действием электромагнитных сил,
газового давления, вязкого трения и тяжести движется вдоль и поперек магнитного
поля. Область пространства вокруг Солнца, где происходят данные процессы,
называют сферой турбулентности, или турбосферой. Большинство петель, лучей, аркад, нитей и
подобных структур – оптически прозрачные элементы, не лежащие на поверхности
Солнца, а расположенные над ней. Дальше от поверхности светила, во внешней
короне и гелиосфере, все вещество улетает в космос,
причем его скорость быстро растет с удалением, достигая сотен километров в
секунду, то есть сверхмагнитозвуковых значений.
Выброшенная плазма, или солнечный ветер,
уже никогда не возвращается на Солнце. Солнечный ветер формируется как быстрое
течение сгустков плазмы – турбулентных струй и облаков причудливой формы, но
иногда выглядит как относительно простые петли, лучи, волокна (Земля и
Вселенная, 1999, № 5). Память о турбулентном прошлом сохраняется в солнечном
ветре довольно долго (многие месяцы, а то и годы), иной раз до границ гелиосферы, где
он сталкивается с межзвездной средой. Ее граница находится за пределами нашей
планетной системы на расстоянии более 100 а.е. По
дороге от Солнца могут возникать новая турбулентность и ударные волны. Но мы
ограничимся внутренней гелиосферой, то есть областью
внутри 1 а.е., которая наиболее изучена и наиболее
важна для нас, поскольку именно здесь основная кухня «космической погоды»,
оказывающей непосредственное влияние на Землю (Земля и Вселенная, 2000, № 3). Корональные выбросы массы Взрывные процессы в короне Солнца, или корональные выбросы массы – сгустки плазмы прозрачны, но рассеивают солнечный
свет и потому хорошо видны в телескопы и коронографы. Впервые взрывные процессы
на Солнце исследовал 29 мая 1919 г. Э. Петит в Йоркской обсерватории (США). За
8 ч непрерывных наблюдений он получил и проанализировал уникальную серию
фотографий огромного эруптивного протуберанца. Э. Петит визуально сравнивал кадры
и довольно точно определил его внутреннюю структуру и динамику.
Корональный выброс (справа), попавший в поле
зрения коронографа LASCO/C2. Снимок получен 2 июня 1998 г.
солнечной космической обсерваторией «SOHO». Фото NASA. Сейчас накоплено и проанализировано много данных о корональных
выбросах массы, неплохо известны наиболее типичные физические параметры, но
полной ясности об их форме пока нет. Любопытно в этом отношении одно
заблуждение, правда, быстро рассеявшееся. Около 10 лет назад, когда был минимум
солнечной активности, получены первые изображения корональных
выбросов коронографами солнечной космической обсерватории «SOHO» (ESA – NASA; Земля и Вселенная, 1997, № 2; 2003, № 3).
Исследователи увидели, что некоторые выбросы как бы опоясывают все Солнце и
яркие сгустки движутся в поле зрения вблизи экваториальной плоскости от Солнца.
Заговорили о новой разновидности – «глобальных корональных
выбросах массы». Недоразумение в скором времени разъяснилось. Оказалось, что
это всего лишь проекционный эффект. Расширяющийся довольно узкий сгусток с
угловым размером 30° – 50° действительно движется вблизи экваториальной
плоскости, стремительно превосходит размеры солнечного диска и выглядит как два
крыла у Солнца. На самом деле это сплошное образование, имеющее форму подковы.
Стереоскопия с коронографами в любом ее виде – очень полезный метод, чтобы
избежать подобных конфузов. Хорошо, когда она дополнена еще телескопическими
наблюдениями на самом диске Солнца. Тогда легче понять, на какой стороне Солнца
произошел взрыв и куда летит облако (в сторону от нас или к нам).
Корональный выброс массы класса «гало». Чтобы
сделать прогноз геомагнитной бури в случае летящего на нас гало,
надо знать величину и направление магнитного поля выброса. Длительность и величина
южной составляющей поля – важнейший фактор, определяющий
продолжительность и силу бури. Важны также плотность и скорость
облака плазмы также играют свою роль. Снимок получен 7 апреля 1997 г.
солнечной космической обсерваторией «SOHO». Фото NASA. Изучение природы корональных выбросов массы
связано и с прогнозированием «космической погоды» и оценкой состояния
солнечно-земных связей. Дело в том, что менее, чем за
сутки (иногда через несколько дней) после такого «взрыва» до Земли может
долететь огромное облако солнечной плазмы с магнитными и электрическими полями
в нем. Обычно такое облако выглядит как полное или частичное гало вокруг
Солнца. Скорость движения коронального выброса массы
может достигать 1 – 2 тыс. км/с. Даже если это облако достигнет Земли,
наступление сильной геомагнитной бури зависит от направления и величины магнитных полей в облаке, его скорости и плотности.
Тогда сильно возмущается вся магнитосфера, разгораются полярные сияния,
изменяется состояние радиационных поясов, ионосферы, верхней атмосферы,
отдельных элементов техносферы и биосферы, включая
человека. Взрывные процессы на Солнце – одна из загадок природы. Отдельные
стороны этого явления сейчас уже неплохо изучены, но мы до сих пор плохо
представляем себе, как оно выглядит с разных сторон. Форма, размеры и
внутренняя структура корональных выбросов массы
отличаются индивидуальными особенностями и очень изменчивы. Сильные взрывы на
Солнце происходят в определенных местах и ситуациях, обладают рядом признаков.
Но взрывы пока не могут надежно
предсказать. Установлена лишь тесная связь наиболее мощных корональных
выбросов массы и солнечных вспышек с динамикой плазменных и магнитных
неоднородностей под фотосферой Солнца. Первопричина их, несомненно, кроется
именно там, то есть в недрах Солнца.
Корональные петли и арки вблизи солнечного
лимба. Они «накладываются» друг на друга, пересекаются и пересоединяются
лишь на фотографии, в действительности же лежат вне плоскости изображения.
Снимок получен 20 января 2003 г. ИСЗ «TRACE». Фото NASA. К настоящему времени учеными предложены теории, сценарии и модели, которые пока не в состоянии объяснить собранный наблюдательный материал. По мнению автора, корень проблемы лежит гораздо глубже в буквальном и переносном смысле, не позволяя создать какой-либо единый универсальный сценарий или «стандартную модель». Такая ситуация всегда встречается в теории сильной турбулентности и нелинейных динамических процессов в плазме. Что можно увидеть в
стереоизображении? Стереоскопическое изображение позволяет взглянуть на предмет с разных
сторон. Самый известный пример стереоскопии – зрение двумя глазами, или
бинокулярное. Другой – сканирование по всем направлениям, в том числе и по глубине, пытаясь получить наиболее четкое
изображение. При этом мышцы глаза постоянно меняют кривизну хрусталика и его
фокусное расстояние, глубину резкости, направление осмотра. Если исключить то и
другое, задача становится неразрешимой. Известно, чем дальше от нас предметы и
меньше угол зрения, тем труднее оценить расстояние и взаимное расположение
предметов по глубине. Для Солнца и звезд, находящихся очень далеко, это
становится практически невозможно. Нужны другие методы. Ведь корональные выбросы масс имеют очень сложную и запутанную
конфигурацию. Иной раз даже опытные исследователи ошибаются, говоря о
пересечении, «пересоединении» друг с другом
плазменных облаков и магнитных полей. В действительности же ничего такого может
и не происходить. Верхние элементы структур накладываются на нижние, в
результате иногда образуются «каустики» в виде острых носов, ложных
самопересечений, отделяющихся островов.
Четыре последовательных кадра (а, б, в, г) из кинофильма, показывающие развитие петлеобразного
выброса на Солнце. Такую причудливую грибовидную форму (в, г) корональный выброс приобрел после взаимодействия с
окружающей средой. Электрический дрейф плазмы в магнитном поле приводит к его
подъему, расширению и вращению. Снимки получены 6 ноября 1997 г. с интервалом
около 1 ч солнечной космической обсерваторией «SOHO». Фото NASA. (Из работы автора и О.А. Панасенко) Понять геометрию корональных выбросов помогает
изучение кинофильмов. Во-первых, Солнце вращается, и
сравнивая, изображения, например, с разницей в одни сутки, можно изготовить
стереопары и сравнить между собой. Такой прием с успехом использовался и дал
интересные сведения о трехмерной структуре и динамике корональных
стримеров, лучей и петель. Во-вторых, элементы на Солнце и в
его атмосфере «живут» своей жизнью: меняются их форма, размеры, положение в
пространстве, физические свойства – температура, плотность. При работе с
кинофильмами, снятыми с достаточно хорошим пространственным и временным
разрешением, удалось узнать много нового о трехмерной геометрии протуберанцев и
корональных структур. В частности, нами была
обнаружена и исследована грибовидная форма, так хорошо знакомая всем по ядерным
взрывам на Земле, но никогда ранее не описанная для корональных
выбросов массы, хотя многие люди смотрели на те же самые фотографии и
кинофильмы, полученные с помощью «SOHO». Происхождение таких форм объясняется
так же, как рост облаков в атмосфере. Однако наиболее распространенные случаи
сложных и запутанных структур расшифровать все-таки не
удается. По существу, наш мозг решает сложную обратную математическую задачу –
по двумерной проекции восстанавливает трехмерный образ. Компьютерное или
теоретическое моделирование динамических процессов на Солнце справиться с ней
не может. Поэтому и нужны новые наблюдения. Миссия «СТЕРЕО» 25 октября 2006 г. с военно-воздушной базы США на мысе Канаверал во Флориде успешно стартовала РН «Delta-2» с
двумя идентичными КА «СТЕРЕО»
(«STEREO» – Solar TErrestrial
RElations Observatory,
обсерватория солнечно-земных связей) для исследования природы взрывных
процессов на Солнце. Название проекта частично отражает его замысел –
стереоскопия нашего светила. Научная идея проекта «СТЕРЕО» проста и красива –
две солнечные космические обсерватории будут наблюдать Солнце из разных точек
орбиты Земли. Два космических аппарата, двигаясь в
противоположных направлениях по гелиоцентрической орбите, после выполнения
нескольких гравитационных маневров в поле тяготения Луны по близкой к орбите
Земли, но с большим эксцентриситетом, займут удобное положение для стереосъемки
Солнца. Они стали искусственными спутниками Солнца, причем один из них А движется впереди, а другой В – за Землей по ходу ее
вращения. В течение первых двух недель оба аппарата работали на близком
расстоянии друг от друга на сильно вытянутой эллиптической околоземной орбите.
Затем несколько недель они медленно дрейфовали, удаляясь
друг от друга на 22° в год, сближаясь с Луной. Для аппарата А
такое сближение с Луной выполнено дважды – в конце 2006 г. – начале 2007 г., а
для В – лишь один раз. Первый из них будет двигаться по эллиптической орбите
вокруг Солнца слегка внутри орбиты Земли, а второй – вне
ее. Заранее трудно точно оценить, при каком угле
съемки Солнца (от 0° до 180°) получится наилучший результат при стереоскопии.
Наиболее выгодное угловое расстояние для бинокулярного зрения составляет около
14°. Космические аппараты А и В разойдутся на
максимальное расстояние в 2010 – 2011 гг. По плану миссия продлится два года,
то есть появится возможность наблюдений в период вблизи максимума 24-го
солнечного цикла, когда количество, мощность и сложность корональных
выбросов массы значительно возрастет.
Схема расположения космических
аппаратов А и В проекта «СТЕРЕО» на гелиоцентрической
орбите: а) 25 октября 2007 г., б) 25 октября 2008 г., в) 25 октября 2010 г. Проекция на плоскость эклиптики. Научные задачи проекта: - понять причины и механизмы зарождения и развития корональных
выбросов массы; - охарактеризовать их распространение в гелиосфере; - выявить механизмы и места ускорения энергичных частиц в нижней короне
Солнца и в межпланетном пространстве; - создать трехмерные и зависящие от времени модели магнитного поля,
температуры, плотности и скорости окружающего солнечного ветра. Конструкция и научные
приборы Оба космических аппарата «СТЕРЕО»
почти полностью идентичны, они изготовлены в Лаборатории прикладной физики
Университета им. Джона Гопкинса (США). Каждый из них
представляет собой призму высотой 1.14 м, шириной 1.22 м, длиной с развернутыми
панелями солнечных батарей 6.47 м, массой 620 кг. Они стабилизированы в
пространстве по трем осям с точностью управления ориентацией 7" с
точностью ее определения до 0.1". Энергопитание получают от солнечных
батарей мощностью до 475 Вт. Память бортового компьютера – 1 Гбайт, скорость
передачи данных – 720 кбит/с. Служебные системы
обеспечивают команды и обработку данных, радиосвязь, управление и контроль,
реактивную тягу, электропитание и тепловой режим. Особенности конструкции
предусматривают обеспечение необходимого поля зрения для всех приборов,
возможность размещения научных приборов с проводящей внешней поверхностью для
измерения энергичных частиц, их строгую электромагнитную совместимость,
выполнение жестких требований в отношении электромагнитных помех для
нормального функционирования приемников, регистрирующих солнечные радиовсплески, контроль за возможными загрязнениями различными летучими соединениями.
Подготовка к запуску космических
аппаратов «СТЕРЕО» в Космическом центре им. Р. Годдарда. Фото NASA. На каждой солнечной космической обсерватории «СТЕРЕО» размещается по четыре набора оборудования, содержащих 16 научных приборов: Телескоп-коронограф SECCHI (Sun Earth Connection
Coronal and Heliospheric Investigation)
предназначен для исследования трехмерной эволюции корональных
выбросов массы от момента зарождения вплоть до возможного попадания на Землю.
Он состоит из УФ-телескопа,
двух коронографов в белом свете и инструмента для получения изображения гелиосферы. Сокращенное название напоминает об итальянском
астрономе А. Секки (1818 – 1878), которому, в частности,
принадлежат зарисовки движущихся протуберанцев; Широкополосный радиоприемник с
большой антенной STEREO/WAVES (SWAVES) – прибор для слежения за генерацией,
эволюцией и распространением радиовозмущений от
Солнца до орбиты Земли; Прибор IMPACT (In-situ Measurements of Particles and
CME Transients) предназначен для исследования
характеристик энергичных частиц и локальных магнитных полей. Он состоит из
анализатора электронов в солнечном ветре, магнитометра и пяти телескопов для
наблюдения надтепловых и энергичных частиц (ионов и
электронов); Регистратор заряженных частиц
PLASTIC (PLAsma and SupraThermal Ion Composition) измеряет характеристики протонов, альфа-частиц
и тяжелых ионов. Он позволит определять зарядовое состояние, массовое число и
состав ионов в плазме корональных выбросов массы и
солнечном ветре.
Размещение научного
оборудования на солнечной космической обсерватории «СТЕРЕО»: 1 –
телескоп-коронограф SECCHI, 2 – регистратор заряженных частиц PLASTIC, 3 – детектор
солнечных энергичных частиц, 4 – антенна широкополосного радиоприемника прибора
SWAVES, 5 – штанга детектора IMPACT, 6 – датчик регистрации надтепловых
электронов, 7 – анализатор электронов солнечного ветра, 8 – магнитометр для
измерения локальных магнитных полей, 9 – часть прибора SECCHI для получения изображений гелиосферы. Рисунок NASA/JPL. В этом американском проекте
принимают участие ученые ряда европейских стран. Российские ученые в рамках
международной кооперации тоже смогут внести свой вклад в обработку информации и
интерпретацию ожидаемых результатов. Сейчас многие научные центры США готовятся
к приему и обработке научной информации. Создаются вычислительные программы и
методы визуализации трехмерных изображений и кинофильмов. Предпринимаются
попытки автоматизировать распознавание трехмерных образов на Солнце и в гелиосфере. Научный руководитель миссии «СТЕРЕО» – доктор
М. Кайзер, специалист в области радиоастрономических исследований из
Космического центра им. Р. Годдарда (NASA). NASA выделило 10 процентов из средств проекта на его популяризацию и научно-образовательные
программы. В США и Германии уже готовы и оборудованы планетарии для показа
трехмерных изображений в реальном времени, получаемые в ходе этой миссии. Автор
посетил в мае 2005 г. один из них в Гамбурге и смог оценить впечатление от
показа пробных кинофильмов. С текущей информацией о проекте «СТЕРЕО» можно
ознакомиться на Интернет-сайте: http://stereo.gsfc.nasa.gov/. Ожидаемые результаты На первый взгляд, самый интересный и эффектный результат проекта –
стереопара или стереофильм. Подготовлена техника для показа стереопар и
стереофильмов, но немало еще и нерешенных проблем. Тем не менее
планируется получить качественно новую научную информацию. Сейчас практически
по любому вопросу, связанному со взрывами на Солнце,
высказываются противоречивые суждения. В результате выполнения программы
«СТЕРЕО» их станет меньше. Однако в наиболее сложных случаях и этой новой
информации окажется недостаточно. Процедура получения высококачественных стереограмм крайне сложна и длительна – необходимы большое
число сканов по глубине и по направлениям, хорошие математические программы.
Вспомните медицинскую томографию. Благодаря стереоскопии корональных
выбросов массы будет лучше и полнее понято разнообразие и сходство их
геометрических форм. Отпадет значительная часть бытующих ныне примитивных
образов плазменных неоднородностей и упрощенных сценариев топологической структуры магнитных полей в корональных
выбросах. Их геометрия будет реконструирована на основе распределения величины
и направления вектора магнитного поля и электрических токов в короне и гелиосфере при сильно возмущенных состояниях. Магнитные
поля будут измеряться при пересечении космических аппаратов корональных
выбросов масс, что поможет проследить эволюцию вектора магнитного поля внутри
выброса при его зарождении и движении от Солнца. Работы по моделированию и реконструкции магнитных аркад выполнены, в том
числе, и нашими учеными. В настоящее время регулярно ведут «патрульные
наблюдения» «SOHO» и АМС «Улисс» (NASA), расстояние
между этими космическими аппаратами более 100 млн. км. Стереоскопия с помощью
наблюдения распространяющихся солнечных радиовсплесков
на разнесенных в пространстве космических аппаратах уже частично опробована и
позволила проследить за движением плазменных облаков, выявить спиральный узор и
другие особенности среды их распространения в гелиосфере.
В сочетании с наблюдениями энергичных частиц и динамики плазмы ученые должны
получить значительно более полную картину взрывных явлений на Солнце. Эксперимент с определением ионного состава корональных выбросов и его характеристик может дать очень ценные результаты, особенно в комплексе с другими измерениями. Необходимо понять детали процессов разделения, ускорения, распространения и перемешивания ионов в солнечной короне и гелиосфере. Изменяется изотопный состав ионов в солнечном ветре, происхождение сильных вариаций пока не получило объяснения. В свое время академик А.Б. Северный (Земля и Вселенная, 1973, № 3) развивал гипотезу о ядерном синтезе как об одном из возможных источников взрывного выделения энергии в солнечных вспышках. Сейчас данная гипотеза не пользуется популярностью, но к ней тоже стоит отнестись с вниманием. Ядерные превращения во вспышках возникают при взаимодействии ускоренных заряженных частиц с фоновой плазмой. Нетепловой синтез ядер, безусловно, происходит, причем в той большей мере, чем мощнее поток ускоренных частиц. В оценке этой доли энергии сейчас нет никакой уверенности. Для одних и тех же событий некоторые авторы указывают относительную долю, приходящуюся на нетепловые ускоренные частицы до 40 процентов и более, в то время как другие оценки на порядок меньше. Ответ на вопрос о количественном вкладе реакций ядерного синтеза в энергетический баланс взрывов на Солнце неясен. Как полагают ученые, этот вклад ничтожен, а возможно, что и нет. За последнее десятилетие в физике Солнца произошли большие изменения.
Появилось даже образное выражение «новое Солнце». Какое оно, это «новое
Солнце», покажут дальнейшие комплексные исследования. |
И.С.
Веселовский,
