Протуберанцы Солнца: строение и природа¶

Протуберанцы — это крупномасштабные плазменные образования, наблюдаемые в солнечной короне и хромосфере, которые выглядят как плотные, светящиеся на фоне диска и яркие на фоне неба структуры. Они относятся к проявлениям солнечной активности и представляют собой относительно холодную (по сравнению с окружающей короной) плазму, удерживаемую магнитными полями. Протуберанцы могут существовать от нескольких часов до нескольких недель, а их размеры нередко превышают десятки тысяч километров.

¶Терминология

Термин «протуберанец» (от лат. protuberare — «вздуваться», «выступать») закрепился в астрономии в XIX веке. Одно и то же образование называют по-разному в зависимости от способа наблюдения:

• Протуберанец — когда структуру наблюдают на краю солнечного диска, где она видна как выступ или арка над лимбом.
• Волокно (филамент) — когда та же структура наблюдается на фоне диска Солнца как тёмная, поглощающая линия или полоса, поскольку более холодная плазма поглощает излучение фотосферы.

Таким образом, протуберанец и волокно — это два аспекта одного и того же объекта.

¶История наблюдений

Протуберанцы наблюдались ещё в древности во время полных солнечных затмений, когда Луна закрывала яркий диск Солнца и становились видны розоватые выступы. Первые систематические описания относятся к XVIII–XIX векам. Важную роль сыграло изобретение спектроскопа: в 1868 году французский астроном Пьер Жюль Сезар Жансен и независимо от него английский учёный Джозеф Норман Локьер показали, что протуберанцы можно наблюдать вне затмений, используя узкополосные фильтры. Это открыло путь к регулярному изучению солнечной активности.

С развитием космических аппаратов (Skylab, SOHO, SDO, Solar Orbiter) наблюдения протуберанцев стали возможны в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, что позволило детально исследовать их магнитную структуру и динамику.

¶Физическая природа

Протуберанец состоит из плазмы с температурой порядка 5 000–10 000 K — значительно ниже температуры окружающей короны (1–2 млн K). При этом плотность вещества в протуберанце в сотни раз выше корональной. Такая «холодная и плотная» структура может длительно существовать в горячей разреженной короне только благодаря магнитному удержанию.

Магнитное поле протуберанца имеет сложную топологию, часто описываемую как система вложенных магнитных петель или «жгут» (flux rope). Именно магнитное натяжение и давление удерживают плазму от гравитационного падения и теплового расширения. Равновесие между силой тяжести, газовым давлением и силой Ампера определяет устойчивость структуры.

¶Классификация

Протуберанцы классифицируют по ряду признаков:

Спокойные протуберанцы существуют долго (недели) и медленно эволюционируют. Активные связаны с областями сильного магнитного поля и часто eruptируют, выбрасывая плазму в межпланетное пространство.

¶Эруптивные протуберанцы и корональные выбросы массы

Наиболее динамичное проявление — эрупция (взрыв) протуберанца, при которой магнитная структура теряет устойчивость и выбрасывает плазму в корону. Это часто сопровождается корональным выбросом массы (КВМ) — масштабным выбросом плазмы и магнитного поля в межпланетное пространство. КВМ, достигшие Земли, могут вызывать геомагнитные бури, полярные сияния и нарушения работы спутников, связи и энергосистем.

Механизмы потери устойчивости связывают с пересоединением магнитных линий, накоплением магнитной энергии и нарушением равновесия жгута.

¶Методы наблюдения

• Наземные наблюдения в линии водорода Hα (656,3 нм) и в линии гелия, с использованием узкополосных фильтров и спектрографов.
• Космические аппараты (SOHO, SDO, STEREO, Solar Orbiter) — ультрафиолетовая, рентгеновская и коронографическая съёмка.
• Радионаблюдения — регистрация радиоизлучения, связанного с движением плазмы.

Эти методы дополняют друг друга: наземные дают высокое временное и пространственное разрешение в хромосфере, космические — доступ к короне и ультрафиолетовому диапазону.

¶Значение для науки и практики

Изучение протуберанцев важно для понимания солнечного магнетизма, механизмов нагрева короны и природы солнечной активности. Прикладное значение связано с космической погодой: прогнозирование эрупций и КВМ помогает защищать спутники, системы связи, навигации и энергосети от геомагнитных возмущений. Кроме того, протуберанцы — естественная лаборатория физики плазмы, где проверяются модели магнитного удержания и пересоединения.

¶Интересные факты

• Некоторые спокойные протуберанцы живут более месяца, медленно меняя форму.
• Высота отдельных арок достигает 100 000 км и более — это сопоставимо с несколькими диаметрами Земли.
• Во время полного солнечного затмения протуберанцы видны невооружённым глазом как розовые выступы у края диска.
• Протуберанцы — один из ключевых источников данных для моделей «космической погоды».