Чем короче интервал между двумя взрывами в солнечной атмосфере, тем больше вероятность того, что вторая вспышка будет сильнее первой. Профессор ETH Ханс Юрген Херрманн и его команда смогли продемонстрировать это с помощью модельных расчетов. Количество энергии, выделяемой при солнечных вспышках, действительно огромно — фактически, оно в миллионы раз больше, чем энергия, производимая при извержении вулканов.
Сильные взрывы вызывают выброс массы из внешней части солнечной атмосферы — короны. Если выброс корональной массы поразит Землю, это может вызвать геомагнитную бурю. Сильные штормы могут нарушить работу спутников, радиосвязи и электростанций.
Когда осенью 2003 года было зарегистрировано одно из самых сильных солнечных извержений в истории, на юге Швеции произошел сбой в электроснабжении, и воздушное движение пришлось перенаправить, поскольку связь над полярными регионами вышла из строя.Ученые ETH изучили процессы, происходящие при взрывах на поверхности Солнца. Они смогли точно восстановить статистическое распределение размеров и временную последовательность солнечных вспышек с помощью компьютерной модели. «Согласие с измерениями со спутников поразительно», — заявляют исследователи в научном журнале Nature Communications. Ханс Херрманн, профессор Института строительных материалов, показывает, что Солнце на самом деле вообще не было предметом его внимания.
Физик-теоретик и специалист в области компьютерной физики разработал метод исследования явлений в самых разных областях. Подобные модели с солнечными вспышками также можно найти при землетрясениях, лавинах или на фондовой бирже.Прерывистые выделения«Солнечные взрывы, конечно, не имеют никакого отношения к курсам валют», — говорит Германн. Тем не менее, они ведут себя аналогичным образом: они могут блокироваться до тех пор, пока не достигнут определенного порогового значения перед разрядом.
Таким образом, система не выделяет массу или энергию, подаваемую в нее постоянно, а только всплесками, — объясняет Херманн. Специалисты называют это самоорганизованной критичностью. Одним из примеров этого является куча песка, образованная струйкой песчинок. Куча продолжает расти до тех пор, пока время от времени не начнется сход лавины.
Небольшие оползни случаются чаще, чем более крупные. Организуясь вокруг так называемого критического состояния, свая сохраняет свою первоначальную высоту при просмотре в течение длительного периода времени.В случае солнечных вспышек накопление магнитной энергии происходит внезапными вспышками. Солнце состоит из горячей плазмы, состоящей из электронов и ионов.
Силовые линии магнитного поля простираются от поверхности Солнца до короны. Движущиеся и закрученные пучки силовых линий образуют трубки магнитного потока. Когда две трубки пересекаются, они сливаются (физики называют это повторным соединением), вызывая взрыв, который выделяет большое количество тепла и электромагнитного излучения.
Пораженная солнечная область загорается как солнечная вспышка. Излучение распространяется по всему электромагнитному спектру, от радиоволн и видимого света до рентгеновских лучей и гамма-лучей.
Наблюдения показали, что распределение солнечных вспышек по размерам демонстрирует определенную статистическую закономерность. «События могут быть сколь угодно большими, но и произвольно редкими», — говорит Херманн. С математической точки зрения, это безмасштабное распределение энергии, подчиняющееся степенному закону.Турбулентная система
Обычные компьютерные модели смогли качественно восстановить это статистическое распределение размеров, но не смогли сделать никаких количественных прогнозов. Любая модель, основанная на пересечении магнитных трубок и, следовательно, основанная на самоорганизованной критичности, игнорирует один важный факт, отмечает Херманн: «система является турбулентной».
Силовые линии магнитного поля в короне движутся не случайным образом, а уходят корнями в турбулентную плазму фотосферы, поведение которой описывается в терминах гидродинамики — науки о движении жидкостей и газов. Однако расчеты, основанные исключительно на плазменной турбулентности, также не смогли полностью воспроизвести возникновение солнечных вспышек.
Поэтому Херрман и его команда объединили самоорганизованную критичность с гидродинамикой и достигли прорыва. «Нам удалось воспроизвести общую картину того, как происходят солнечные вспышки», — говорит исследователь. Используя недельные вычисления на суперкомпьютере, команда смогла показать, что модель стабильно дает правильные результаты даже при изменении таких деталей, как количество трубок или энергия плазмы. В отличие от более ранних попыток других исследователей, их результаты соответствовали наблюдениям и в количественном отношении.
Из своих расчетов ученые пришли к следующему выводу: «Турбулентность и взаимодействие между магнитными трубками являются важными компонентами, которые контролируют возникновение солнечных вспышек». Демонстрация таких временных и энергетических соответствий — первый шаг к модели прогнозирования. Однако, предупреждает Херрманн, «наши прогнозы являются статистическими».
Другими словами, они могут предсказывать только вероятности, в то время как предсказание отдельных событий остается невозможным.