Солнце изучается с помощью наземных наблюдений и из космоса. Это специальные обсерватории: с Земли мы можем наблюдать это в оптическом диапазоне (в том диапазоне, в котором видит наш глаз), используя обсерваторские телескопы, а также в радиодиапазоне, что тоже доступно в связи с тем, что радиоволны проходят через атмосферу и ионосферу. Другие диапазоны длин волн, скажем рентгеновский или ультрафиолетовый, атмосфера не пропускает, поэтому запускаются космические аппараты, и там стоят соответствующие рентгеновские телескопы, которые наблюдают то, что нельзя видеть с Земли. Это дает значительно больший объем полезной информации для изучения Солнца, активных явлений. В современную эпоху, в последние 20 лет, наиболее значимые результаты в изучении Солнца получены именно благодаря наблюдению Солнца из космоса.
Здесь была целая серия таких замечательных проектов, и не зря последние годы (фактически можно считать, что с 1995 года) называют золотым веком солнечной физики, потому что в космос была запущена целая серия обсерваторий с уникальными приборами: это и телескопы, и коронографы, другие приборы, измеряющие межпланетную среду, солнечный ветер. С помощью всех этих приборов и проектов, которых было достаточное количество, удалось очень сильно продвинуться в изучении Солнца, в понимании того, как Солнце устроено и как оно работает.
Мы знаем, что Солнце активно. Только на первый взгляд оно такое спокойное, светит и греет. На самом деле там проходит очень бурная жизнь, и в основе этой солнечной активности лежит магнитное поле. Солнце — это магнитная звезда, и те движения, которые происходят на Солнце, взаимодействуют с магнитным полем, они его закручивают, происходит динамика этого поля. Собственно говоря, этой динамикой и определяется солнечная активность. Этот процесс называется генерацией поля, поддержанием динамо-механизма. Он лежит в основе солнечного цикла и в основе всех активных явлений, так называемых спорадических явлений, которые происходят случайным образом и которые мы пока еще не можем достаточно уверенно предсказывать, хотя продвижения в этом направлении сделаны уже большие.
Солнце устроено так, что в центре него происходят термоядерные реакции — те самые реакции, которые мы хотим получить на Земле и которые нам пока не удаются, потому что надо удержать эту горячую плотную плазму, а это не удается магнитным полем. На Солнце это удерживается гравитацией. Эта огромная ядерная энергия, которая выделяется, идет к периферии Солнца через так называемую радиационную зону. Эта область фактически лишена движений, такая статическая равновесная конфигурация. Потом отвод этого тепла, которое выделяется, становится более эффективным за счет конвекции на некотором расстоянии от ядра. Это происходит так же, как кипит вода в чайнике: когда дно нагревается, поднимается горячая жидкость, она остывает и опускается назад. Есть такая конвективная оболочка вокруг Солнца, в этой оболочке генерируется магнитное поле (оно там как бы захвачено), и это поле усиливается за счет того, что Солнце вращается не как твердое тело — оно жидкое (это плазменный шар) и вращается дифференциально. С глубиной растет угловая скорость, и если мы движемся от экватора к полюсу, то скорость тоже меняется: на экваторе она большая, к полюсу уменьшается. Таким образом, мы имеем неоднородно вращающийся шар, такую жидкую каплю. За счет того, что так вращается Солнце, магнитное поле, которое «вморожено» в эту плазму, увлекается этими движениями, как бы закручивается и при этом усиливается.
В какой-то момент поле становится неустойчивым и всплывает на поверхность в виде магнитных «пузырей». На поверхности Солнца эти «пузыри», как правило, появляются в виде магнитных арок. Свет к нам приходит из фотосферы (это то, что мы видим, когда просто глядим на Солнце). Это очень узкий слой, он определяет тот размер Солнца, который мы видим. На фотосфере основания этих магнитных арок и есть солнечные пятна, которые в данном случае выступают как некие «трейсеры» — метки, позволяющие нам видеть арки по этим пятнам.
Когда магнитные «пузыри» всплывают, они образуют так называемую активную область — это магнитное поле, которое проникло в солнечную корону, высокопроводящую, очень разреженную. Отсюда и название «активные области»: там происходят такие спорадические явления, потому что это такие сложные взаимодействия магнитного поля и плазмы, когда возникают различные токи в такой проводящей плазме. Эти токи перегорают, как лампочка: когда лампочка перегорает, она вспыхивает, и эти токи тоже разрушаются, и происходят вспышки. Природа этих вспышек немного другая: там происходит процесс магнитного пересоединения.
Во время этих явлений — солнечных вспышек — ускоряются высокоэнергичные частицы, которые приходят в околоземное пространство и представляют опасность для космонавтов. Мы видим вспышки на Солнце в виде ярких кратковременных образований, именно вспышек. Это ускоренные частицы вонзаются в само Солнце, в атмосферу, и при столкновении они вызывают оптическое излучение, которое мы видим.
Во время вспышки потоки излучения возрастают по отношению к спокойному Солнцу во много раз, особенно в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах — в тех диапазонах, которые мы не видим с Земли. Потоки возрастают в тысячу раз, и это воздействует на атмосферу Земли, на ионосферу, нарушает радиосвязь. Создается опасность для космических аппаратов и космонавтов. Пока в общих чертах механизм этих вспышек понятен. Это наиболее мощные взрывные явления в Солнечной системе, потому что за короткое время выделяется очень много энергии.
Но предсказывать их мы пока не можем. То есть мы можем, глядя на эти активные области, примерно сказать, что вот эта активная область может дать сильную вспышку, это делается с большой вероятностью, но точно сказать, когда произойдет вспышка, мы не можем. Этот процесс отчасти недетерминированный в том плане, что очень много факторов влияет на развитие событий, не всегда это удается рассчитать и предсказать.
Помимо солнечных вспышек, на Солнце происходят так называемые выбросы массы — это когда довольно большая активная область или группа «магнитных петель» целиком выбрасывается. Эта область всплывает, как-то эволюционирует, живет на поверхности Солнца, а потом в какой-то момент эруптирует на поверхности Солнца. Это называется выброс корональной массы, вообще самое мощное явление. Оно по энергетике гораздо больше, чем вспышка. Вся активная область — группа «магнитных петель» — выбрасывается, эруптирует в межпланетное пространство, и потом это распространяется и может столкнуться с магнитосферой Земли. При этом происходят магнитные бури, что тоже вызывает целую серию явлений околоземного пространства и представляет некую опасность. Это элемент космической погоды.
Тоже примерно можно предполагать, когда и в какой области может произойти этот выброс, но на данный момент тоже окончательно механизмы неясны. Ученые работают над тем, чтобы понять, почему же они происходят и как их можно предсказывать. Это очень серьезная задача, потому что это важно и с практической точки зрения, и с точки зрения понимания природы этих наиболее мощных проявлений солнечной активности. Усилия ученых направлены на то, чтобы изучать эти явления активности Солнца.
Много других явлений происходит. Например, образуются корональные дыры — это такие магнитные трубы, которые исходят из Солнца в межпланетное пространство, из которых дует высокоскоростной солнечный ветер. Если Земля при своем вращении попадает в сектор этого высокоскоростного солнечного ветра, то тоже возникают магнитные бури. Усилия направлены на то, чтобы понять природу этих явлений, научиться их предсказывать, поэтому продолжается интенсивное наблюдение Солнца как с Земли, так и с помощью космических аппаратов. Сегодня работает ряд таких серьезных инструментов на борту космических аппаратов, которые непрерывно наблюдают Солнце и происходящие на нем явления. Разрабатывается целая серия новых проектов, более продвинутых, во всех агентствах — это и НАСА, и Европейское агентство, и Роскосмос.
В частности, в рамках нашей Федеральной космической программы разрабатывается проект «Интергелиозонд», в котором космический аппарат за счет гравитационных маневров Венеры приблизится к Солнцу примерно на треть расстояния между Солнцем и Землей и пронаблюдает Солнце вблизи, чтобы лучше увидеть солнечную атмосферу, ее строение, динамику и понять, в частности, природу активных явлений. Помимо этого, за счет этих же гравитационных маневров Венера поможет за счет своего поля вместо мощной ракеты сделать то, что нужно: первое — она приблизит, второе — развернет плоскость орбиты космического аппарата так, что он выйдет из плоскости эклиптики.
До настоящего времени все наблюдения Солнца проводились исключительно из плоскости эклиптики, то есть с орбиты Земли, с самой Земли. Аппараты, которые летают вокруг Земли, тоже находятся в плоскости эклиптики, потому что эта орбита очень маленькая по размерам. А здесь аппарат выйдет на гелиоцентрическую орбиту, то есть он будет вращаться вокруг Солнца, а наклонение будет до 30°, и он сможет наблюдать Солнце чуть сверху. Это очень важно для понимания механизма солнечного динамо, отвечающего за солнечный цикл, и этот цикл модулирует все явления. В максимуме цикла много активных явлений, в минимуме — меньше. Природа этих циклов тоже окончательно не выяснена, и на это будут направлены наблюдения, в частности, в проекте «Интергелиозонд».
