Космические исследования солнца: состояние и перспективы

Исследования Солнца являются неотъемлемой частью солнечно - земной физики , которая изучает процессы и явления в системе Солнце – Земля . Сол нечное электромагнитное и корпускулярное излуче ние , солнечный ветер и активные явления на Солнце являются постоянными источниками космической погоды в околоземном космическом пространстве . Изучение и понимание природы солнечной активно сти открывает возможности понимания солнечно земных связей и предсказания последствий воздей ствия солнечной активности на Землю . За последние годы наиболее значимый прогресс в изучении Солнца и его активности был достигнут с помощью наблюдений с космических аппаратов [ Кузнецов , 2009 а ]. Таблица , в которой солнечные космические проекты подразделены по стадиям их реализации ( выделена также колонка российских проектов ), дает представление о текущем состоянии космиче ских исследований Солнца . Наиболее значимые на учные результаты завершенных и некоторых дейст вующих солнечных космических проектов приведе ны в [ Кузнецов , 2009] ( см . также [ Кузнецов , 2010 а , б ; Кузнецов , 2009 б ]). Ниже приводятся некоторые результаты последних лет , а также дается представ ление о современных тенденциях в развитии косми ческих исследований Солнца . В таблице в скобках указан год запуска космического аппарата ( КА ), для завершенных проектов – годы работы на орбите . SOHO – Solar Heliospheric Observatory, TRACE – Transition Region And Coronal Explorer, RHESSI – Ramaty High-Energy Solar Spectroscopic Imager, STEREO – Solar-Terrestrial Relations Observatory, SDO – Solar Dynamics Observatory, КОРОНАС – Комплексные орбитальные околоземные наблюде ния Солнца .

Некоторые результаты космических исследо ваний Солнца

Космические исследования Солнца направлены на изучение его как астрофизического объекта, изучение его структуры и динамики, понимание происходящих на Солнце процессов и причин 11-летней солнечной цикличности, которая пока не поддается надежному и однозначному описанию и предсказанию. Аномально затянувшийся минимум 23-го цикла и медленный подъем 24-го цикла – лишнее подтверждение тому, что мы еще не в достаточной мере знаем внутреннюю динамику Солнца и действие солнечного динамо. Целый ряд научных проблем, представляющих астрофизический и практический интерес, – нагрев солнечной короны, ускорение солнечного ветра и его источники на Солнце, триггерные механизмы выбросов и вспышек и т. д. – остаются предметом детального анализа, в котором космические исследования играют весьма существенную роль, с каждым новым проектом заметным образом расширяя наши знания о Солнце.

Солнечные недра

При изучении солнечных недр , благодаря гелио - сейсмологическим наблюдениям на SOHO, можно отметить целый ряд фундаментальных результатов : получена картина дифференциального вращения Солнца и внутренней структуры конвективной зоны , продемонстрирована возможность детектирования всплывающих магнитных потоков и других процес сов на больших глубинах под фотосферой и на об ратной стороне Солнца , дано удовлетворительное теоретическое описание наблюдаемых частот гло бальных колебаний ( р - мод ) Солнца , изучены дина мика их поведения и другие закономерности . Так , по данным спутников КОРОНАС - Ф ( спектрофото метр ДИФОС – дифференциальный фотометр ос цилляций Солнца ) и КОРОНАС - ФОТОН ( многока нальный солнечный фотометр СОКОЛ , СОКОЛ – солнечные колебания ) установлена зависимость ам плитуды глобальных пятиминутных колебаний как функция длины волны ( рис . 1). Расчеты методом ре шения обратной задачи позволили выяснить , что соб ственные колебания Солнца в фотосфере состоят из связанных между собой температурных волн и р - мод колебаний , причем периодические флуктуации ярко сти Солнца и звезд солнечного типа образуются в основном не самими р - модами ( как это обычно предполагается ), а температурными волнами , созда ваемыми р - модами за счет неадиабатичности коле баний в фотосфере .

Важным результатом локальной гелиосейсмологии является также получение картины подфотосферной структуры солнечного пятна – основного магнито плазменного образования в солнечной атмосфере – и объяснение его длительной устойчивости за счет обра -

Рис . 1. Амплитуда глобальных пятиминутных коле баний как функция длины волны . Квадраты – данные наблюдений , полученные с помощью фотометра ДИ - ФОС / КОРОНАС - Ф , треугольники – данные фотометра СОКОЛ / КОРОНАС - ФОТОН .

Состояние проекта	НАСА + ЕКА + Япония + Китай	Россия
Завершенные	Yohkoh (1991–2001) ULYSSES (1990–2009)	КОРОНАС - И (1994–2001) КОРОНАС - Ф (2001–2005) КОРОНАС - ФОТОН (2009)
Действующие	SOHO (1995) TRACE (1998) RHESSI (2002) Hinode (2006) STEREO (2006) SDO (2009)
В стадии приготовления	SOLAR PROBE+(2018)	Интергелиозонд (>2014)
В стадии разработки	SOLAR ORBITER (>2018)	Полярно - эклиптический патруль ( ПЭП )
В стадии рассмотрения	Проекты программы НАСА ROADMAP 2009–2030	Арка Система

зования под фотосферой на разных глубинах двух тороидальных вихрей , опоясывающих магнитную трубку пятна и препятствующих расширению маг нитного поля пятна и его распаду .

По данным наблюдений RHESSI определена сплюснутость Солнца – различие радиусов Солнца ( края лимба ) на экваторе и на полюсе , возникшее за счет вращения , – которая составила около 6 км .

Солнечная атмосфера – от фотосферы до короны

В изучении солнечной атмосферы от фотосферы до короны заметное развитие получил метод изображающей спектроскопии – одновременные наблюдения в нескольких спектральных линиях, соответствующих разным температурам их формирования и соответственно разным высотным слоям солнечной атмосферы. Наблюдения в оптическом, жестком ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах позволили изучить морфологию активных явлений – корональных выбросов массы и вспышек, понять взаимосвязь процессов в нижней атмосфере и короне, выполнить детальную спектроскопическую диагностику спокойной атмосферы Солнца и вспышечной солнечной плазмы. Так, по данным КОРО-НАС-Ф (рентгеновский спектрометр РЕСИК) впервые измерены полнопрофильные (без зашкаливания) спектральные линии от самых мощных вспышек, и на этой основе изучены процессы выделения и дис- сипации энергии в солнечных вспышках – возбуждение внутренних оболочек атомов и диэлектронной рекомбинации, эффекты изменения ширины спектральных линий за счет наличия заметной плазменной турбулентности, радиальные скорости разлета излучающей вспышечной плазмы. Получены аргументы в пользу того, что фракционирование элементов в солнечной атмосфере, приводящее к FIP-эффекту (FIP – First Ionization Potential), скорее всего, происходит в нижней, а не в верхней хромосфере, как предполагалось ранее.

Наблюдения с высоким временным и простран ственным разрешением позволили обнаружить про цесс непрерывного микропересоединения над полу тенью солнечного пятна , которое сопровождается короткоживующими ( менее 1 мин ) микровыбросами ( длина ∼ 1000–3000 км , скорость ∼ 50 км / с ).

Солнечные активные явления и космическая погода

При исследовании активных явлений на Солнце на основе наблюдений с высоким пространственным разрешением на КА SOHO, TRACE, RHESSI, КО - РОНАС - Ф выявлены тонкая структура магнитных полей активных областей и процессов энерговыде ления в солнечных вспышках , топологическая пере стройка структуры магнитного поля при вспышках , сопровождаемая формированием токовых слоев и магнитным пересоединением . О процессах магнит ного пересоединения в шлемовидных конфигура циях магнитного поля свидетельствуют многочис ленные плазменные микровыбросы , наблюдавшие ся КА «Hinode» на уровне хромосферы . Размер таких шлемовидных структур составляет ∼ 1–5 угл . сек (725–3500 км ).

Наблюдения корональных выбросов массы , про изводившиеся коронографом LASCO/SOHO и много давшие их изучению в ближней зоне Солнца , полу чили продолжение при работе КА SDO и STEREO. Наблюдения на SDO дают детальную динамическую картину выбросов с поверхности Солнца , в которой хорошо видна структура скрученных выбрасываемых петель . На КА STEREO, помимо коронографических наблюдений выбросов массы в ближней зоне Солнца с помощью гелиосферного телескопа , прослеживает ся распространение связанных с ними гелиосферных возмущений вплоть до орбиты Земли ( рис . 2).

Восстановленная по наблюдениям двух про странственно - разнесенных КА STEREO форма вы бросов в гелиосфере изображена на рис . 3 и пред ставляет собой сильно расширившуюся магнитную петлю . Гелиосферные возмущения при ее распро странении охватывают широкий диапазон гелиодол гот , достигающий 180°.

Наблюдения Солнца с пространственно - разне сенных КА STEREO позволяют получить данные для реконструкций трехмерных изображений Солнца и структур солнечной атмосферы , а также трехмерно го магнитного поля Солнца ( рис . 4).

Рис . 2. Корональный выброс массы из Солнца и его распространение в гелиосфере ( наблюдения КА STEREO). Две яркие точки – планеты Меркурий и Венера .

Рис . 3. Реконструкция формы коронального выброса массы в гелиосфере по наблюдениям двух КА STEREO.

Измерения на КА интегрального потока солнеч ного излучения ( солнечной постоянной ), играющего важную роль в энергобалансе Земли , показывают незначительные ( около 0.1 %) вариации этой величи ны в 11- летнем цикле солнечной активности ( рис . 5) ( см ., например , [Fröhlich, 2009]). Одним из экспери ментальных объяснений хоть и незначительного , но роста потока солнечного излучения в максимуме солнечного цикла могут служить измерения потоков рентгеновского излучения от активных областей , выполненные в безвспышечные периоды ( рис . 6). На приведенных спектрах видно , что чем больше число солнечных пятен , тем больше поток солнечного из лучения в более жесткой части спектра . Такое уве личение потока излучения от активной области можно связать с магнитными полями и нагревом корональной плазмы , вызванным текущими в ак тивной области токами и нетепловыми процессами магнитного пересоединения , которые , как показали наблюдения КА «Hinode» ( см . выше ), непрерывно происходят в области над полутенью пятна .

Исследования солнечного ветра на основе анали за спектра флуктуаций по данным КА ACE позво лили сделать вывод о том , что солнечный ветер не является однородным , а представляет собой струк туру типа « спагетти », состоящую из магнитных трубок с разрывами между ними и являющуюся от ражением « магнитного ковра » на поверхности Солнца [Borovsky, 2010].

Будущие солнечные космические проекты

Стратегия будущих солнечных космических мис сий состоит в проведении наблюдений Солнца с еще более высоким временным и пространственным разрешением , наблюдений из выгодных положе ний по отношению к Земле и к линии Солнце – Земля ( внеэклиптических положений , сбоку от ли нии Солнце – Земля ), проведении локальных измере ний вблизи Солнца и т . д . Нерешенными остаются многие проблемы физики Солнца , такие как нагрев короны и ускорение солнечного ветра , локализация

Рис . 4. Модельная реконструкция трехмерного маг нитного поля Солнца по данным КА STEREO.

Рис . 5. Вариации солнечной постоянной в 11- летнем цикле солнечной активности . Вверху – изменение интегрально го потока солнечного излучения , внизу – изменение числа солнечных пятен .

Рис . 6. Зависимость спектров рентгеновского излучения активных областей ( для временных интервалов без вспы шек ) от числа солнечных пятен , иллюстрирующая увеличение солнечного потока излучения в более жесткой части спектра при росте числа солнечных пятен ( рентгеновский спектрометр РПС -1/ КОРОНАС - Ф ) [ Кузнецов , 2009 б ].

источников солнечного ветра на Солнце , механизм динамо , адекватно описывающий солнечный цикл и многие его особенности , прогноз длительности и высоты солнечных циклов , триггерные механизмы солнечных вспышек и выбросов массы и т . д .

В наиболее полном виде проблематика современ ной гелиофизики , которая включает в себя исследо вания Солнца и системы Солнце – Земля , солнечно земную физику и физику гелиосферы , изложена в Концепции НАСА на период до 2030 г . [Heliophysics, 2009]. Приоритетными признаны научные исследо вания , которые должны дать ответы на следующие глобальные вопросы .

• •    Каковы причины происходящих на Солнце изменений ?

• •    Как откликаются на эти изменения Земля и ге лиосфера ?

• •    Каково воздействие процессов в гелиосфере на человечество ?

В связи с этим на данном этапе выделяют три ос новных группы научных целей :

• 1)    разработка методов предсказания условий космической окружающей среды ;

• 2)    понимание космического происхождения на шей планеты ;

• 3)    обеспечение безопасности космических миссий .

В рамках каждой научной цели сформулированы основные научные направления исследований .

• 1.    Магнитное пересоединение , ускорение и перенос частиц , взаимодействие ионов и заряженных частиц , работа динамо и изменения , к которым она приводит .

• 2.    Причины и эволюция солнечной активности , земная магнитосфера , ионосфера и верхняя атмосфера , роль Солнца в изменениях земной атмосферы , приме нение наших знаний при изучении других планет .

• 3.    Переменность , экстремальные состояния и граничные условия ; возможность прогноза проис хождения , начала и уровня солнечной активности ; воздействие на планеты и их окружение .

Далее , более подробная структуризация разрабо танной Программы НАСА включает приоритетные научные темы ( девять тем связаны с изучением фундаментальных процессов , девять – с изучением взаимосвязей в Солнечной системе ) и наиболее важные нерешенные научные вопросы (53 вопроса ), которые и являются основой разработки и отбора новых космических миссий из числа предложенных коллективами ученых к рассмотрению (45 миссий - кандидатов ).

Фундаментальные физические процессы в сис теме Солнце – Земля в соответствии с изложенными выше приоритетными научными задачами будут изучаться космическими средствами НАСА в рам ках двух основных направлений : космические мис сии под названием « Солнечно - земные зонды » ( че тыре миссии ) и космические миссии в рамках про граммы « Жизнь со звездой » ( девять миссий , две - три миссии каждые 10 лет ). Кроме того , в рамках про граммы «Explorer» будут реализовываться малые и средние гелиофизические миссии . С перечнем кон кретных космических проектов и их назначением можно ознакомиться в [Heliophysics, 2009] ( см . так же [ Кузнецов , 2009 а ]). В их числе находятся будущие солнечные космические миссии – «Solar Orbiter» (SO, запуск предполагается в 2017 г . совместно с Европей ским космическим агентством ), «Solar Probe+» (SP+, 2018), «Solar Energetic Particle Acceleration and Trans-port» (SEPAT, 2021), «Heliospheric Magnetics» (HMag, 2018). В качестве солнечных космических проектов - кандидатов предложено к рассмотрению 16 проектов , охватывающих всю проблематику солнечной физики .

Европейское космическое агентство разрабатывает упомянутый выше солнечный проект «Solar Orbiter», коллективами европейских ученых разрабатываются и предлагаются для рассмотрения проекты «AS-PIICS/PROBA-3» ( создание космического гигантского коронографа с внешним затмением ) и HiRISE (High Resolution Imaging and Spectroscopy Explorer).

Проекты Японии в области солнечной физики разрабатываются и реализуются в тесном международном сотрудничестве JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), НАСА и Европейского космического агентства. В настоящее время на орбите работает солнечный спутник «Hinode» (Solar-B), в разработке находятся два солнечных проекта «Solar-C Plan A» (наблюдения полярных областей Солнца для изучения источников высокоскоростного солнечного ветра и механизма солнечного динамо) и «Solar-C Plan B» (изучение ди- намики хромосферы и переходной области на основе спектроскопических наблюдений с высоким временным и пространственным разрешением).

В Китае космические исследования Солнца разви ваются в рамках программ «Solar Microscope (SM)» и «Solar Panorama (SP)» [CNCOSPAR, 2010]. Первая направлена на изучение физических процессов , свя занных с внутренней структурой Солнца и ее эволю цией , магнитной активностью , корональными конфи гурациями и динамическими явлениями , на основе многоволновых наблюдений с высоким пространст венным разрешением . Вторая программа направлена на изучение солнечной активности в целом , объясне ние связи между мелкомасштабными движениями и крупномасштабными проявлениями , диагностику сол нечной переменности посредством многоволновых наблюдений . Для каждой программы предложено не сколько миссий - кандидатов , большая часть которых находится только в стадии концептуальной разработ ки . В настоящее время на начальной стадии ведутся разработки солнечных проектов «Super High Angular Resolution Principle Solar X-ray Telescope» (SHARP-X), «Space Stereo Detection of Solar Magnetic Field» и на технической стадии – проекта «Large-Size and Wide Energy Coverage Spectroscopic Imager of Solar High Energy Radiations». В рамках широкой международной кооперации разрабатывается проект «KuaFu» для ис следований космической погоды , магнитных бурь и полярных сияний . В течение более 15 лет ведется раз работка космического солнечного телескопа (SST – Space Solar Telescope) и ключевых технологий его соз дания . Инициативный проект SPORT (Solar Polar Orbit RadioTelescope) направлен на получение изображений корональных выбросов массы в радиодиапазоне с КА на полярной околосолнечной орбите .

В российском проекте « Интергелиозонд » пред полагаются наблюдения Солнца с близких расстоя ний и локальные измерения в ближайших окрестно стях Солнца , которые позволят продвинуться в по нимании механизмов нагрева солнечной короны , ускорения солнечного ветра , происхождения наибо лее мощных проявлений солнечной активности – солнечных вспышек и выбросов коронального ве щества . Гелиоцентрическая орбита КА « Интерге лиозонд » ( рис . 7) формируется за счет многократных гравитационных маневров у Венеры , обеспечивающих постепенное сближение с Солнцем . Они будут исполь зованы также для обеспечения наклона плоскости ор биты КА к плоскости эклиптики и проведения внеэк - липтических наблюдений Солнца – полярных облас тей и эклиптической короны .

Проект « Полярно - эклиптический патруль » ( ПЭП ) [ Кузнецов , 2009 в ] разрабатывается при кооперации российских институтов для изучения глобальной кар тины солнечной активности и ее проявлений в гелио сфере и околоземном космическом пространстве . В рамках этого проекта два малых космических аппарата за счет гравитационных маневров у Венеры помеща ются на наклоненные к плоскости эклиптики гелио центрические орбиты , так что их плоскости распола гаются под углом друг к другу ( рис . 8), а КА на ор битах разнесены на четверть периода . При такой орби -

Рис . 7. Баллистическая схема проекта « Интергелиозонд ». Показаны орбиты Земли , Венеры и Меркурия ; Солнце – в центре координат . Шкала расстояний дана в а . е .

Рис . 8. Баллистическая схема проекта « Полярно эклиптический патруль ».

тальной схеме контроль плоскости эклиптики и линии Солнце – Земля непрерывно обеспечивается не с одного из внеэклиптических КА , а в течение длительного времени с обоих КА . Наблюдения солнечных выбро сов с двух пространственно - разнесенных КА и из вне - эклиптического положения позволит наиболее точно определять направление распространения выбросов по отношению к линии Солнце – Земля , их гелиоширот - ную и гелиодолготную протяженность , а также осуще ствлять непрерывный мониторинг состояния солнеч ной активности , гелиосферы и космической погоды в околоземном космическом пространстве .

При написании статьи помимо литературных ис точников использованы материалы сайтов солнеч ных космических проектов .