3. УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ И РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА

 

3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения относятся к ионизирующим, т.к. способны «выбивать» электроны из атомов, создавая пары «свободный электрон - ион», и тем самым ионизировать материальные среды. Основными объектами воздействия данных излучений являются верхние и средние слои атмосферы, где рентгеновское излучение поглощается полностью, а ультрафиолетовое - частично, достигая далее земной поверхности, где воздействует на живые и неживые объекты. Кроме того, данные излучения могут оказывать крайне негативное воздействие на технические и биологические объекты, находящиеся в околоземном и околосолнечном космическом пространстве.

Спектр ультрафиолетового излучения лежит сразу за фиолетовой областью оптического излучения (откуда и его название), начиная с длины волны 400 нм, и при этом имеет внутреннее деление на области по дополнительным свойствам. Ионизирующим действием обладает только его дальний участок, именуемый экстремальным ультрафиолетом. Область рентгеновского излучения примыкает к области ультрафиолетового излучения и включает области мягкого и жесткого рентгена. Ионизирующим действием обладает весь спектр рентгеновского излучения. Замыкает спектр электромагнитного излучения Солнца гамма-излучение, однако, в связи с чрезвычайно малой долей его энергии в общем потоке как фактор космической погоды оно в расчет обычно не принимается.

ионизирующие излучения Солнца в общем электромагнитном спектре

Рис.3.1. Ионизирующие излучения Солнца в общем электромагнитном спектре.

 

На долю оптического излучения приходится около 50% энергии всего электромагнитного излучения Солнца, на долю инфракрасного - около 40%, на долю ультрафиолетового - около 9%. Остальное делится между радио-, рентгеновским и гамма-излучением, при этом на долю рентгеновского излучения приходится около одной миллионной доли энергии всего солнечного спектра.

В части определения границ областей ультрафиолетового и рентгеновского излучений и их внутреннего деления в настоящее время в различных источниках могут встречаться различные варианты, что связано с различными областями их использования, при этом область использования часто не указывается, что создает путаницу и дезориентирует читателей. Поэтому надо иметь в виду, что основные официальные варианты оговорены международным стандартом ISO 21348:2007 «Space environment (natural and artificial) process for determining solar irradiances» (Определение энергии солнечного излучения в естественной и искусственной космической среде). В соответствии с этим стандартом к рентгеновскому излучению (X-rays) относят излучения с длиной волны от 10 нм до 0,001 нм, при этом к мягкому рентгену (XUV - «ультрафиолетовый» рентген) относят участок от 10 нм до 0,1 нм, оставшийся участок относят к жесткому рентгену (hard X-rays без аббревиатуры). Деление на спектральные категории ультрафиолетового излучения более сложное, т.к. привязано к областям применения (см. таблицу).

 

Категорияλ нмхарактеристика
Для медицинских целей и определения ультрафиолетового индекса
UV-400-100весь учитываемый спектр
UVAкатегория A400-315безопасный для человека
UVBкатегория B315-280частично опасный для человека
UVCкатегория C280-100опасный для человека
Для использования в вакуумной технике
VUVвакуумный200-10поглощается кислородом (100%) и азотом
Для использования в аэрономии (раздел физики атмосферы)
NUVближний (near)400-300условная область с шагом 100 нм
MUVсредний (middle)300-200условная область с шагом 100 нм
FUVдальний (far)200-122условная область с шагом 100 нм
за вычетом ионизирующего излучения
Lyman αЛайман-альфа122-121ионизирующее излучение - линия водорода
EUVэкстремальный121-10ионизирующее излучение за вычетом
линии водорода

 

Для целей дальнейшего описания здесь будут использованы категории UVA, UVB, UVC, Lyman α и EUV.

 

3.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ВЕРХНЮЮ АТМОСФЕРУ

Главным результатом воздействия ультрафиолетового и рентгеновского излучений на верхние слои атмосферы является образование на высотах от 60 до 400-500 км и выше области, насыщенной свободными электронами и ионами, именуемой ионосферой. Она состоит из 4-х слоев - D, E, F1 и F2 (последние в ночное время могут сливаться в один слой F и даже объединяться со слоем E). Их параметры и источники ионизации различны.

Самый нижний слой D расположен на высотах от 60 до 90 км. Он формируется за счет ионизации атмосферы рентгеновским излучением с длиной волны менее 1 нм, а также ультрафиолетовым излучением Lα (Lyman alpha) с длиной волны 121,6 нм. Слой имеет невысокую концентрацию электронов, присутствует только в светлое время суток и почти полностью исчезает ночью, т.к. время жизни заряженных частиц в нем мало и других эффективных источников ионизации для его образования нет.

Слой E расположен на высотах от 90 до 120 км. Он формируется за счет ионизации атмосферы мягким рентгеновским излучением XUV с длиной волны 10-1 нм совместно с экстремальным ультрафиолетовым излучением EUV с длиной волны 91-30 нм. Этот слой существует и в ночное время за счет бОльшего, чем в слое D, времени жизни заряженных частиц и наличия дополнительных источников ионизации. При определенных условиях на верхней границе данного слоя образуется спорадический слой Es с высокой отражающей способностью.

Слой F1 расположен на высотах от 120 до 200-220 км, а слой F2 - над слоем F1 до высот 400-500 км и более. Эти слои формируются за счет ионизации атмосферы экстремальным ультрафиолетовым излучением EUV с длиной волны 91 - 30 нм, а также частицами солнечного ветра, космическими излучениями и др.

воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца на атмосферу

Рис.3.2. Воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца на атмосферу.

 

Слои E, F1 и F2 играют положительную роль в распространении радиоволн наземной радиосвязи, отражая их с минимальными потерями, и негативную - в распространение радиоволн спутниковой связи за счет различных ионосферных эффектов - поглощения, сцинтилляций, вращения плоскости поляризации, задержки распространения сигнала и пр.

В отличие от этих слоев слой D играет негативную роль в распространении радиоволн, в основном в светлое время суток, поскольку ночью этот слой почти полностью исчезает. В частности, радиоволнам диапазонов СДВ и ДВ, которые хорошо отражаются как слоем D, так и слоем E, днем приходится совершать больше скачков, чем ночью, из-за разности высот данных слоев (см. здесь.). Радиоволны диапазонов СВ и низкочастотного участка КВ полностью поглощаются слоем D, вследствие чего днем распространяются только земной волной, без отражения от ионосферы. Радиоволны высокочастотного участка диапазона КВ (выше 5-10 МГц ) слабо поглощаются слоем D в обычных условиях, поэтому проходят сквозь него с минимальными потерями и далее отражаются от слоев E, F1 или F2 (в зависимости от частоты). Однако при мощных солнечных вспышках, сопровождающихся многократным возрастанием уровней ультрафиолетового и рентгеновского излучений, степень ионизации слоя D резко возрастает и он может полностью поглощать радиоволны диапазона КВ, блокируя радиосвязь.

Параметры ионосферных слоев и, как следствие, параметры распространения радиоволн подвержены временнЫм вариациям, определяемым вариациями ионизирующих излучений, в т.ч. суточным - связанным с вращением Земли вокруг своей оси, сезонным - связанным с вращением Земли вокруг Солнца, многолетним - связанным с многолетним циклом солнечной активности, а также случайным, связанным со случайными кратковременными флуктуациям солнечных процессов.

Подробное рассмотрение влияния ультрафиолетового и рентгеновского излучений на параметры ионосферы в их взаимосвязи с распространением радиоволн выходит за рамки тематики космической погоды и является предметом отдельного обзора.

Необходимо также отметить, что под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца верхние слои атмосферы не только ионизируются, но инагреваются, что приводит к эффекту «разбухания» атмосферы в сторону бОльших высот. Особенно сильно данный эффект проявляется при мощных солнечных вспышках, при этом «разбухшая» атмосфера становится источником кинетического воздействия на низкоорбитальные спутники, что может приводить к их торможению, понижению орбит и падению, а также к повреждению их оболочек и установленных на них приборов и агрегатов.

 

3.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СТРАТОСФЕРУ

Рентгеновское излучение полностью затрачивает свою энергию на ионизацию слоев D и E и до стратосферы не доходит. Точно так же. не доходит до стратосферы экстремальный ультрафиолет, начиная с линии альфа Лаймана. Оставшийся участок ультрафиолетового спектра от 400 до 122 нм распределяется на три области:

  • область от 200 до 122 нм (часть коротковолновый области опасного ультрафиолета UVC) - область ультрафиолетового излучения, полностью поглощаемая кислородом в ходе фотохимической реакции образования озона и, соответственно, озонового слоя;
  • область от 290 до 200 нм (длинноволновая область опасного ультрафиолета UVC плюс коротковолновая область частично опасного ультрафиолета UVB) - область ультрафиолетового излучения, не связанная с образованием озона, но полностью задерживаемая озоновым слоем;
  • область от 400 до 290 нм (весь безопасный ультрафиолет UVA плюс длинноволновая область частично опасного ультрафиолета UVB) - область ультрафиолетового излучения, достигающая земной поверхности.

Уровень мощности ультрафиолетового излучения, достигающего земной поверхности, является важным фактором, который может вызвать заболевания кожи и глаз, поэтому его допустимые и опасные для человеческого организма дозы регламентируются Всемирной Организацией Здравоохранения, а его уровень, именуемый ультрафиолетовым индексом, регистрируется сетью метеорологических станций. Данный индекс зависит не только от потока ультрафиолетового излучения солнца, но и от целого ряда локальных факторов - широты местности, времени года, времени суток, высоты над уровнем моря, погодных условий, наличия и параметров отражающих сред (снег, водная поверхность, дымка и пр.) и других условий. По этим причинам ультрафиолетовое излучение, достигающее земной поверхности, хотя и является порождением фактора космической погоды и солнечной активности, само по себе к ним не относится. Его более подробное описание, равно как и описание проблематики озонового слоя, выходит за рамки настоящего обзора и здесь не приводится.

ультрафиолетовый индекс и его шкала

Рис.3.3. Ультрафиолетовый индекс, его шкала и пример карты индексов.

(Источник иллюстраций: Global Solar UV Index: Practical Guide. World Health Organization)

 

3.4. ИЗМЕРЕНИЕ И МОНИТОРИНГ

Как видно из изложенного выше, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения являются значимыми факторами космической погоды, непосредственно зависяшими от солнечной активности и определяющими параметры функционирования ряда важнейших областей техносферы, в первую очередь радиосвязи. Поэтому мониторинг и прогнозирование их параметров является одной из главнейших задач наблюдения за факторами космической погоды.

Измерение параметров данных излучений Солнца наземными средствами невозможно, т.к. рентгеновское излучение полностью, а ультрафиолетовое - в значительной части поглощаются атмосферой, поэтому для этой цели используют искусственные спутники Земли. В частности, такая аппаратура устанавливается на американских геостационарных спутниках серии GOES. На момент написания настоящего обзора это спутник GOES-16, информация с которого находится в свободном доступе на файловом сервере NOAA как в виде текстовых данных, так и в виде графиков,в т.ч. для различных участков спектра, различных интервалов усреднения и различных интервалов представления.

графический и текстовый формат представления данных о рентгеновском излучении Солнца спутником GOES 16

Рис.3.4. Графический формат представления данных о рентгеновском излучении Солнца.

Спутник GOES 16, данные с сервера NOAA. Красный график - поток излучения в интервале длин волн 0.5 - 4.0 нм (long - длинноволновый), синий - в интервале длин волн 0.1 - 0.8 нм (short - коротковолновый).

Мониторинг ультрафиолетового и рентгеновского излучений на спутниках серии GOES осуществляет система EXIS (Extreme ultraviolet and X-rays Irradiance Sensor), включающая подсистему EUVS (Extreme UV Sensor), регистрирующую излучение в диапазоне 5 - 127 нм, и подсистему XRS (X-Rays Sensor), регистрирующую излучение в диапазонах 0.1 - 0.8 нм и 0.5 - 4.0 нм. На спутниках GOES 15 и предыдущих подсистема мониторинга ультрафиолетового излучения EUVS присутствовала и в файловом архиве NOAA публиковались соответствующие файлы как в текстовом, так и в графическом форматах, в т.ч. по мощности излучения на линии Лаймана Lα. Однако данные по мониторингу УФ излучения спутником GOES-16 в архиве NOAA отсутствуют и на страпнице статуса спутника [1] ссылка для доступа к ним отсутствует. Причина этого на момент написания настоящего обзора не установлена. Однако следует заметить, что в отличие от данных мониторинга рентгеновского излучения, всплески которого могут вызывать полный блэкаут КВ радиосвязи, данные мониторинга УФ излучения не столь востребованы, т.к. прямо не связаны с негативными явлениями типа нарушения радиосвязи, а оценка с их помощью параметров верхних слоев ионосферы менее информативна, чем прямые измерения с помощью радиозондирования с помощью ионозондов, радиолокаторов и систем на основе GPS. Более подробно о мониторинге параметров ионосферы, а также о спутниках GOES и их оборудовании см. в отдельных обзорах.

 

Уровни рентгеновского излучения отображаются в логарифмическом масштабе - от 10^-9 Вт/м2 до 10^-2 Вт/м2, причем 5 интервалам уровней присвоены классы, в т.ч.

классABCMX
мощность
Вт/см2
10-8 - 10-710-7 - 10-610-6 - 10-510-5 - 10-410-4 - 10-2

 

Для более точного указания мощности применяют буквенно-цифровое обозначение с указанием класса и множителя. Например, обозначение M.8 соответствует мощности вспышки 8x10-5 Вт/см2, C5.7 - 5.7x10-6 Вт/см2, а X12 - 12x10-4 Вт/см2.

Вспышки классов A и B более относятся к фоновому уровню, нежели к вспышкам. Вспышки класса C опасности для радиосвязи не представляют. Вспышки классов M и X представляют опасность в соответствии с таблицей.

 

вспышкамощность
Вт/см2
класс и уровень блэкаутаf max, Мгцчисло
за цикл
M10.00001R1minor (минимальный)15950
M50.00005R2moderate (умеренный)20350
X10.0001R3strong (высокий)25175
X100.001R4severe (очень высокий)308
X200.002R5extreme (экстремальный)300-1
f max - максимальная частота блокируемого радиосигнала;
число за цикл - среднее число вспышек за 11-летний цикл солнечной активности.

Особо следует отметить, что солнечные вспышки являются признаком выброса больших количеств солнечного вещества, формирующего солнечный ветер, поэтому их параметры являются одной из основ прогнозирования параметров солнечного ветра на орбите земли, и, соответственно, его влияния на магнитосферу и ионосферу, в т.ч. на возникновение магнитных бурь и т.н. протонных событий (более подробно см. в главе Солнечный ветер).

 

3.5. ИСТОЧНИКИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

1. GOES-R Space Weather
2. М.П.Долуханов. Распространение радиоволн. М., «Связь». 1972.
3. Ultraviolet

* * * * *

 

 

Опубликовано 22.02.2021. Последнее изменение 22.02.2021.

© Janto 2021 Все права защищены