Событие солнечных частиц
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
В физике Солнца явление солнечных частиц ( SPE ), также известное как событие солнечных энергетических частиц или солнечная радиационная буря , [а] [1] Это солнечное явление , которое происходит, когда частицы, испускаемые Солнцем , в основном протоны , ускоряются либо в атмосфере Солнца во время солнечной вспышки , либо в межпланетном пространстве в результате массы коронального выброса . Другие ядра, такие как гелия и ионы HZE , также могут быть ускорены во время события. магнитное поле Земли и вызывать частичную ионизацию ионосферы Эти частицы могут проникать через . Энергичные протоны представляют значительную радиационную опасность для космических кораблей и астронавтов .
Описание
[ редактировать ]СПС возникают, когда заряженные частицы в атмосфере Солнца ускоряются до чрезвычайно высоких скоростей. Эти заряженные частицы, называемые солнечными энергетическими частицами , могут улетучиваться в межпланетное пространство, где они следуют за межпланетным магнитным полем .
Когда солнечные энергетические частицы взаимодействуют с магнитосферой Земли , они направляются магнитным полем Земли к Северному и Южному полюсам, где они могут проникнуть в верхние слои атмосферы. [2]
Причина
[ редактировать ]Физический механизм ускорения солнечных энергетических частиц, приводящих к СПС, в настоящее время обсуждается. Однако SPE обычно можно разделить на два класса в зависимости от их механизмов ускорения. [ нужна ссылка ]
Постепенные события
[ редактировать ]Считается, что постепенное СПС связано с ускорением частиц ударными волнами, вызванными корональными выбросами массы в верхней короне . Они связаны с радиовсплесками типа II и характеризуются содержанием элементов, зарядовыми состояниями и температурами, близкими к температуре окружающей короны. Эти события производят самую высокую интенсивность частиц вблизи Земли.
Импульсивные события
[ редактировать ]Считается, что импульсивные СПС связаны с ускорением частиц в основном за счет процессов, связанных с магнитным пересоединением и взаимодействием волн и частиц в местах солнечных вспышек . Они связаны с кратковременными вспышечными выбросами на малых высотах и радиовсплесками III типа . У Земли они менее интенсивны, чем постепенные события.Был идентифицирован дополнительный гибридный класс, который включает в себя характеристики как постепенных, так и импульсивных событий. [3] [4]
Земные эффекты
[ редактировать ]Протоны, ускоренные во время СПС, обычно имеют недостаточную энергию для проникновения в магнитное поле Земли. Однако во время необычайно сильных вспышек протоны могут ускоряться до энергии, достаточной для достижения магнитосферы и ионосферы Земли вокруг Северного и Южного полюсов .
События поглощения полярной шапки
[ редактировать ]Энергичные протоны, направляющиеся в полярные регионы, сталкиваются с составляющими атмосферы и высвобождают свою энергию в процессе ионизации. Большая часть энергии сосредоточена в крайней нижней области (D-области) ионосферы ( около 50–80 км на высоте). Эта область особенно важна для ионосферной радиосвязи , поскольку именно здесь происходит большая часть поглощения энергии радиосигнала. Усиленная ионизация, создаваемая прибывающими энергичными протонами, увеличивает уровни поглощения в нижней ионосфере и может привести к полной блокировке всей ионосферной радиосвязи через полярные регионы. Такие события известны как события поглощения полярной шапки. Эти события начинаются и продолжаются до тех пор, пока энергия падающих протонов с энергией примерно более 10 МэВ (миллионов электрон-вольт) превышает примерно 10 pfu (единиц потока частиц или частиц ср). −1 см −2 с −1 ) на геосинхронных спутниковых высотах.
Поглощение полярной шапки и связанное с этим отключение ВЧ-радиосвязи создают уникальные проблемы для коммерческой и военной авиации. Маршруты, проходящие через полярные регионы , особенно выше 82 градусов северной широты, могут полагаться только на ВЧ-радиосвязь. Следовательно, если события поглощения полярной шапки продолжаются или прогнозируются, коммерческие авиакомпании должны перенаправить свои маршруты так, чтобы ВЧ-связь оставалась жизнеспособной. [5] [6]
Улучшения на уровне земли
[ редактировать ]Чрезвычайно интенсивные СПС, способные производить энергичные протоны с энергией более 200 МэВ, могут увеличить скорость счета нейтронов на наземных уровнях за счет эффектов вторичного излучения. Эти редкие события известны как улучшения уровня земли (или GLE). [7] На данный момент известно 73 события GLE. [8] Самое сильное известное событие GLE было обнаружено 23 февраля 1956 года. [9] Некоторые события производят большое количество ионов HZE, хотя их вклад в общее излучение невелик по сравнению с уровнем протонов. [10]
События Мияке
[ редактировать ]Считается, что события солнечных частиц ответственны за события Мияке : наблюдалось резкое увеличение концентрации определенных изотопов, обнаруженных в древесных кольцах. Эти события, открытые физиком Фусой Мияке, позволили датировать ряд прошлых СПС определенными годами.
Опасности
[ редактировать ]Люди
[ редактировать ]Полеты коммерческих трансполярных самолетов на больших высотах зафиксировали увеличение радиации во время этих событий. В 2019 году Международная организация гражданской авиации представила Центры космической погоды, которые публикуют рекомендации по космической погоде, имеющие отношение к международной аэронавигации, с описанием воздействия космической погоды на авиацию и возможными мерами по смягчению последствий. [11] Полеты самолетов за пределы полярных регионов с гораздо меньшей вероятностью ощутят воздействие СПС.
Значительному воздействию протонного излучения могут подвергнуться космонавты, находящиеся за пределами защитного щита магнитосферы Земли, например космонавт, направляющийся на Луну или находящийся на ней. Однако последствия можно свести к минимуму, если астронавты будут находиться на низкой околоземной орбите и оставаться в наиболее защищенных областях своего космического корабля. Уровни протонного излучения на низкой околоземной орбите увеличиваются с увеличением наклона орбиты. Следовательно, чем ближе космический корабль приближается к полярным регионам, тем больше будет воздействие энергичного протонного излучения.
Космический корабль
[ редактировать ]Энергичные протоны от SPE могут электрически заряжать космический корабль до уровня, который может повредить электронные компоненты. Они также могут привести к нестабильному поведению электронных компонентов. Например, твердотельная память на космическом корабле может быть изменена, что может привести к загрязнению данных или программного обеспечения и привести к выполнению неожиданных (фантомных) команд космического корабля. Энергичные протонные бури также снижают эффективность солнечных панелей , которые предназначены для сбора и преобразования солнечного света в электричество. За годы воздействия энергичной протонной активности Солнца космический корабль может потерять значительное количество электроэнергии, что может потребовать отключения важных приборов.
Когда энергичные протоны ударяются о чувствительную оптическую электронику космического корабля (например, звездные трекеры и другие камеры), на снимаемых изображениях возникают вспышки. Эффект может быть настолько выраженным, что во время экстремальных явлений невозможно получить качественные изображения Солнца или звезд. Это может привести к тому, что космический корабль потеряет ориентацию, что имеет решающее значение, если наземные диспетчеры хотят сохранить контроль.
Сопутствующие явления
[ редактировать ]Крупные СПС могут быть связаны с геомагнитными бурями, которые могут вызвать широкомасштабные нарушения в работе электрических сетей . Однако сами по себе протонные события не несут ответственности за возникновение аномалий в энергосистемах и не за возникновение геомагнитных бурь. Электрические сети чувствительны только к колебаниям магнитного поля Земли.
См. также
[ редактировать ]Пояснительные примечания
[ редактировать ]- ^ События солнечных частиц реже называют событиями солнечных протонов и событиями мгновенных протонов .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джиггенс, П.; Клави, К.; Эванс, Х.; О'Брайен, TP; Витассе, О.; Мишев А.Л.; Ниеминен, П.; Дейли, Э.; Калегаев В.; Власова Н.; Борисов, С.; Бенк, С.; Пойви, К.; Чьямукунгу, М.; Мазур, Дж.; Хейндерикс, Д.; Сандберг, И.; Бергер, Т.; Усоскин И.Г.; Паассилта, М.; Вайнио, Р.; Штраубе, У.; Мюллер, Д.; Санчес-Кано, Б.; Хасслер, Д.; Пракс, Дж.; Ниемеля, П.; Леппинен, Х.; Пунккинен, А.; Аминалрагия-Джимини, С.; Нагацума, Т. (январь 2019 г.). «Данные на месте и корреляция эффектов во время события солнечных частиц в сентябре 2017 года» . Космическая погода . 17 (1): 99–117. Бибкод : 2019SpWea..17...99J . дои : 10.1029/2018SW001936 . S2CID 126398974 .
- ^ «Солнечный радиационный шторм | Центр прогнозирования космической погоды NOAA / NWS» . www.swpc.noaa.gov . Проверено 10 июля 2022 г.
- ^ Кливер, EW (1996). «Гамма-излучение солнечной вспышки и энергичные частицы в космосе» . Материалы конференции AIP . 374 : 45–60. Бибкод : 1996AIPC..374...45C . дои : 10.1063/1.50980 . Проверено 10 июля 2022 г.
- ^ Бруно, А.; Базилевская, Г.А.; Боэзио, М.; Кристиан, скорая помощь; Нолфо, Джорджия; Мартуччи, М.; Мерге', М.; Михайлов В.В.; Мунини, Р.; Ричардсон, И.Г.; Райан, Дж. М.; Сточай, С.; Адриани, О.; Барбарино, GC; Беллотти, Р.; Богомолов Е.А.; Бонги, М.; Бонвичини, В.; Боттай, С.; Кафанья, Ф.; Белл, Д.; Карлсон, П.; Казолино, М.; Кастеллини, Дж.; Сантис, Дж. Де; Феличе, В. Ди; Гальпер, AM; Карелин А.В.; Колдашов С.В.; Колдобский С.; Крутков С.Ю.; Квашнин А.Н.; Леонов А.; Малахов В.; Марчелли, Л.; Майоров А.Г.; Менн, В.; Моккьютти, Э.; Монако, А.; Мори, Н.; Остерия, Г.; Панико, Б.; Папини, П.; Пирс, М.; Пикоцца, П.; Риччи, М.; Риччарини, SB; Саймон, М.; Спарволи, Р.; Спиллантини, П.; Стожков Ю.И.; Коровы, А.; Ваннучини, Э.; Васильев Г.И.; Воронов С.А.; Юркин Ю.Т.; Зампа, Г.; Зампа, Н. (26 июля 2018 г.). «События с солнечными энергетическими частицами, наблюдаемые миссией ПАМЕЛА» . Астрофизический журнал . 862 (2): 97. arXiv : 1807.10183 . Бибкод : 2018ApJ...862...97B . он : 10.3847/1538-4357/aacc26 . S2CID 118873810 .
- ^ Бахтель, Б.; Фрейзер, М.; Хадаллер, О.; Минкнер, К.; Панди, М.; Ройс, В.; Руманн, Д.; Сантони, Ф.; Васатка, Дж.; Жиганов А. «Операции на полярном маршруте» (PDF) . Полярные операции компании Boeing . WordPress.com . Проверено 23 апреля 2024 г.
- ^ Зауэр, Х.Х.; Уилкинсон, округ Колумбия (2008). «Глобальное картирование ионосферного поглощения радиоволн HF/VHF солнечными энергичными протонами». Космическая погода . 6 (12). Бибкод : 2008SpWea...612002S . дои : 10.1029/2008SW000399 .
- ^ Полянов С.; Усоскин И.; Мишев А.; Ши, М.; Смарт, Д. (2017). «Переопределение GLE и Sub-GLE в свете высотных полярных нейтронных мониторов». Солнечная физика . 292 (11): 176. arXiv : 1711.06161 . Бибкод : 2017SoPh..292..176P . дои : 10.1007/s11207-017-1202-4 .
- ^ Международная база данных GLE
- ^ Усоскин И.; Колдобский С.; Ковальцов Г.; Розанов Е.; Суходолов Т.; Мишев М.; Миронова И. (2020). «Возобновленное эталонное солнечное протонное событие 23 февраля 1956 года: оценка чувствительности метода космогенных изотопов к экстремальному солнечному излучению» . Журнал геофизических исследований . 125 :6. arXiv : 2005.10597 . дои : 10.1029/2020JA027921 .
- ^ Вклад ионов с высоким зарядом и энергией (HZE) во время события солнечных частиц 29 сентября 1989 г. Ким, Мён Хи Ю.; Уилсон, Джон В.; Кучинотта, Фрэнсис А.; Симонсен, Лиза К.; Этвелл, Уильям; Бадави, Фрэнсис Ф.; Миллер, Джек, Космический центр имени Джонсона НАСА; Исследовательский центр Лэнгли, май 1999 г.
- ^ Doc 10100. Руководство по информации о космической погоде в целях поддержки международной аэронавигации . Монреаль, Канада: ИКАО. 1029. ИСБН 978-92-9258-662-1 .