Земля в объятиях Солнца

Дует солнечный ветер

Интересующая нас область науки изучает активные события, происходящие на Солнце, и их влияние на магнитосферу, ионосферу и атмосферу Земли. Хотя как отдельное направление эта дисциплина сформировалась лишь около четверти века назад, само понятие «космическая погода» советский биофизик Александр Чижевский использовал ещё в начале XX века. Один из самых больших романтиков от науки, он писал: «Земля постоянно находится в объятиях Солнца. Солнечная активность, как настроение человека, передаётся Земле через эти объятия».

Новые поколения учёных разложили эти «объятия» на составляющие.

Внутри Солнца, как мы помним ещё со школы, идёт мощнейшая термоядерная реакция с выделением огромного количества энергии. Очень-очень медленно, иногда около миллиона лет, эта энергия поднимается из центра звезды к её поверхности. По пути ослабевает, поэтому процессы, происходящие в центре Солнца, можно «увидеть» только в рентгеновском диапазоне, а те, что на поверхности, — своими глазами (через защитный фильтр, конечно). Точнее говоря, слой, излучение в котором уже можно наблюдать воочию, фотосферу, и принято считать поверхностью Солнца, ведь твёрдой оболочки, как у Земли, у звезды нет. Свет Солнца долетает до нашей планеты за 8 минут — свет, зародившийся миллион лет назад!

Но кроме фотонов, прилетающих к нам со скоростью света, Солнце выделяет огромное количество электронов и протонов. Им, чтобы достичь нашей планеты, требуется от суток до трёх.

— С Солнца постоянно истекает так называемый солнечный ветер — поток заряженных частиц, который подлетает к Земле постоянно, каждый миг, 24 часа в сутки, — объясняет сотрудник Космического центра Сколтеха Татьяна Подладчикова.

Чтобы понять, как дует солнечный ветер, нужно вспомнить, что Солнце — это огромный газовый шар, экватор которого вращается вокруг своей оси намного быстрее, чем полюса. Это явление называют дифференциальным вращением Солнца.

— Частицы разлетаются примерно так же, как разносились бы брызги воды из шланга, если бы вы вращались вместе с ним. Улетая, заряженные частицы уносят с собой магнитное поле звезды и в итоге заполняют им всю Солнечную систему. А так как Солнце вращается вокруг своей оси, это поле в межпланетном пространстве приобретает особую форму, которую учёные называют «многослойной юбкой балерины», — говорит Татьяна.

Получается, и Земля, и другие планеты Солнечной системы, и конкретно мы с вами живём в складках этой юбки — складках магнитного поля Солнца.

Иногда солнечный ветер превращается в ураган, и тогда огромное магнитное облако заряженных частиц отрывается от поверхности звезды и уносится в космическое пространство. Это явление физики называют корональным выбросом масс. Если такое облако направится к Земле, то при определённых физических условиях будет способно прорваться к поверхности нашей планеты и натворить бед.

Научиться предсказывать подобные события —задача невероятно сложная. Так что нынешние прогнозы космической погоды иногда напоминают обычные: с утра обещают дождь, вы берёте зонтик и ни разу его не достаёте. Облако солнечных частиц в последний момент может пройти мимо планеты, как и туча мимо города. Ведь у Земли, в отличие, например, от Марса, есть магнитное поле — купол, который защищает нас от частиц, летящих из космоса, в частности солнечных.

Но так происходит не всегда. Бывает, что магнитные линии Солнца пересоединяются с линиями магнитного поля Земли, то есть сходятся с ними, смыкаются. После чего перемещаются на ночную сторону Земли, и там происходит ещё одно пересоединение — фактически разрыв той самой нашей естественной защиты. Прорвав её, заряженные частички «засыпаются» по магнитным линиям Земли в полярные области.

И в этот момент мы видим полярное сияние.

— Это единственное и очень красивое явление космической погоды, которое мы можем увидеть собственными глазами, — говорит Татьяна Подладчикова.

Солнечные циклы

Солнечные пятна — это реальные затемнения на поверхности звезды, их можно увидеть в оптический телескоп, пересчитать и измерить (диаметр такого пятнышка легко может достигать трёх земных).

Люди замечали солнечные пятна ещё в первом тысячелетии до нашей эры, с изобретением телескопа в XVII веке наблюдения стали более упорядоченными. Однако сама природа пятен вплоть до XX века оставалась загадкой.Сегодня мы знаем, что затемнения — это области усиления магнитного поля. В этих точках оно настолько мощное, что тормозит перенос энергии и тепла из недр Солнца на его поверхность. Соответственно, температура здесь на 200–300 градусов ниже, чем в остальных областях, поэтому мы видим пятна тёмными. Впрочем, долго удерживать энергию не получается — она накапливается и в какой-то момент прорывается. На Солнце происходит активное событие — солнечная вспышка, которая может сопровождаться корональным выбросом масс.

Нынешние учёные смотрят на Солнце не только в оптические телескопы с Земли, как Галилей. Наблюдения в других диапазонах, ультрафиолетовом и рентгеновском, позволяют понять, что происходит в верхних слоях Солнца, и разобраться в происхождении пятен.

Всё начинается с перепутывания магнитных линий Солнца. Как мы помним, экватор вращается быстрее, и в какой-то момент магнитные линии, обвивающие Солнце, начинают запутываться, будто нитки. Возникают так называемые петли — места наибольшей напряжённости. В рентгеновском диапазоне мы видим эти места как особые магнитные арки — потоки заряженных частиц, огибающих линии магнитного поля Солнца.

— Представьте, что мы разбираем капусту на листья, обнажая всё новые уровни. Наблюдая за Солнцем в разных диапазонах, мы видим разные его слои. В одном из них, например, — солнечные протуберанцы. А сопоставив всё увиденное, мы можем понять взаимосвязи и установить цепочку событий, — продолжает Татьяна.

После того как магнитные линии запутаются до предела, они начинают распутываться. То есть солнечная активность то повышается, то снижается. В XIX веке, спустя примерно двести лет после начала наблюдений за Солнцем в телескоп, выяснилось, что процесс этот цикличен. Открытие сделал астроном-любитель и фармацевт по профессии Генрих Швабе.

Он много лет наблюдал за Солнцем, считая пятна, и методично записывал данные в блокнотик. Спустя несколько лет после того, как Швабе опубликовал свою работу, профессиональные астрономы подтвердили открытие и уточнили длительность цикла — 11 лет.

Солнечный цикл начинается с зарождения пятен на полюсах Солнца. Постепенно пятен становится больше, они перемещаются от полюсов к экватору. В минимуме солнечной активности, когда пятна практически отсутствуют, магнитное поле Солнца выглядит как обычный магнит с круговыми линиями и двумя полюсами. В максимуме это клубок «ниток» с выраженными петлями.

— При этом каждые 11 лет полюса Солнца меняются местами: южный переходит на север и наоборот. Это сложный процесс так называемого солнечного динамо, — добавляет Татьяна.

После открытия циклов солнечной активности учёные обнаружили, что они не равнозначны: пики солнечной активности имеют разную интенсивность. В опубликованном недавно в The Astrophysical Journal исследовании, ведущим автором которого выступила Татьяна Подладчикова, учёные приводят результаты прогнозирования грядущих циклов. Ожидается, что сила следующего, 25-го, цикла солнечной активности будет ещё меньше, чем 24-го.

Предсказать погоду

Как и в случае с просто погодой, прогнозирование космической погоды строится на стыке физики и математики. Точность предсказания повышается по мере вникания в детали происходящих процессов, а математика помогает обработать большое количество данных.

— Сейчас около 80 обсерваторий в мире каждый день синхронно подсчитывают количество пятен на солнце, — рассказывает Татьяна. — Так как в солнечный телескоп смотреть нельзя, чтобы не повредить глаза, картинка с него проецируется на лист бумаги, и человек вручную обводит и считает пятна, отслеживает месторасположение их групп. Человеческий глаз до сих пор остаётся лучшим инструментом для таких подсчётов. Потом все данные отправляют на обработку в Брюссель, в Королевскую обсерваторию.

По структуре пятен можно предположить, произойдёт ли вспышка. И если это случится, когда группа пятен находится в центре солнечного диска, то облако плазмы полетит строго на нас. Возможность прогнозирования строится на знании того, что из-за вращения Солнца раз в 27 дней группа пятен обычно оказывается на одном и том же месте.

Но с Земли можно получить далеко не все данные, ведь атмосфера поглощает ультрафиолет и рентгеновское излучение, а большинство солнечных событий в видимом диапазоне не наблюдается. Приходится смотреть из космоса. Первые спутники для этих целей запустили в середине 1990-х, а в 2010 году на геостационарной орбите Земли заработала солнечная динамическая обсерватория NASA.

Кроме того, на орбите сейчас находится несколько коронографов, наблюдающих непосредственно за солнечной короной, то есть внешними слоями солнечной атмосферы. Поскольку солнечный диск слишком яркий, коронограф создаёт искусственное затмение, закрывая диск кружком, и в результате позволяет наблюдать за солнечной короной. Таким образом можно увидеть даже корональный выброс масс — как частицы отрываются от Солнца и уносятся в космос.

— Отслеживая выброс в режиме реального времени, можно понять, направляется ли облако частиц в сторону Земли. Если да, то примерно через три дня солнечный ураган попытается прорвать нашу атмосферу, — говорит Татьяна.

Ещё более точные данные получает спутник, находящийся в точке Лагранжа L1, примерно в 1,5 млн км от Земли. По его данным уже можно судить, произойдёт ли разрыв в магнитном поле Земли, или буря обойдёт нас стороной. Это самый надёжный на сегодня прогноз, но делается всего за несколько часов. Однако уже в 2018 году стартуют миссии Solar Probe и Solar Orbiter — эти спутники займут место значительно ближе к Солнцу, и обеспечат более долгосрочный прогноз.

— В 2000 году солнечная активность была очень высокая. Тогда упало и вышло из строя очень-очень много спутников. Но некоторые благодаря прогнозам удалось сохранить, введя в спящий режим на время прохождения облака частиц. Простой пример того, как наша работа помогает сэкономить миллионы долларов, — рассказывает Татьяна.

Важно это и для планирования космических миссий. Во время активных событий на Солнце космонавты, уже не защищённые в полной мере магнитным полем Земли, могут получить изрядную дозу облучения. Сегодня все миссии планируются с учётом прогноза космической погоды, а долгосрочные полёты, например на Марс, будут невозможны, пока наука не придумает способ защитить человека от солнечной радиации.

Бури и люди

— У поверхности Земли заряженные частицы, прилетевшие с Солнца, попадают в ловушку магнитного поля. Частицы в магнитосфере могут ускоряться до очень высоких энергий. Эти процессы формируют кольцевой электрический ток — он опоясывает нашу планету на расстоянии от трёх до пяти земных радиусов от поверхности. Ток порождает магнитное поле, направленное противоположно земному, и таким образом ослабляет его. На Земле происходит геомагнитная буря, — объясняет механизм явления Татьяна.

Результаты — насколько ослабло магнитное поле Земли — способны измерить наземные магнитные станции.

Геомагнитная буря — пожалуй, самый известный термин из области космической погоды. Сообщение о ней включают даже в традиционный прогноз.

В 1859 году английский астроном Ричард Кэррингтон, наблюдая за солнечными пятнами, впервые в истории увидел вспышку на Солнце. Примерно через сутки на Земле случилась сильнейшая магнитная буря. В Европе и Северной Америке отказал телеграф, а полярное сияние видели даже жители Карибских островов. Кэррингтон предположил, что причиной всех этих явлений стала вспышка на Солнце, но научное сообщество отнеслось к идее скептически.

Сейчас связь между солнечной активностью и возникновением магнитных бурь на Земле никто не оспаривает, но уж слишком много мифов вокруг самого понятия, сетуют учёные.

— Человек, да и любой живой организм, — слишком сложная структура, и до сих пор нет достоверных исследований, доказывающих прямое влияние на нас геомагнитных бурь и космической погоды в целом. Прежде всего сложно оценить, это Солнце повлияло или что-то иное. Сейчас идёт процесс накопления данных, так что открытия в этой области не за горами. Но могу точно сказать, что голова от магнитной бури заболеть не может: геомагнитное колебание, вызванное бурей, гораздо меньше колебания от проезжающего трамвая, — объясняет Подладчикова.

Некоторые исследования показывают, что в момент магнитной бури сгущается кровь. И если здоровому это ничем не грозит, то у человека в группе риска по сердечно-сосудистым заболеваниям может стать последней каплей и спровоцировать инсульт или инфаркт. Согласно статистике, число вызовов скорой помощи в периоды сильных магнитных бурь всегда возрастает.

Затрудняет работу учёных и то, что человек — существо очень адаптивное. Мы привыкаем к условиям, в которых живём. К примеру, жители полярных широт не страдают от магнитных бурь сильнее, чем жители экватора: организм приспособился. А вот совсем без геомагнитных бурь будет плохо, по-видимому, нам всем. По крайней мере крысы, которым создали в лаборатории соответствующие «тепличные» условия, стали вялыми и перестали размножаться.

6 и 10 сентября 2017 года на Солнце были очень мощные вспышки. Космонавтам на МКС ­дали сигнал перейти в специальное укрытие, чтобы снизить облучение. Интересно, что самым опасным для полётов считается не ­максимум, а минимум ­солнечной активности. Дело в том, что в эти моменты из других звёздных систем к нам устремляются сверхэнергетические частицы, а они намного опаснее и для техники, и для людей. Так что, планируя космические полёты, приходится искать некоторый баланс.

— Александр Чижевский связывал активность Солнца также и с социальными процессами: войнами и революциями. Однако влияние солнечной активности на человека — вопрос очень сложный, и объективный ответ на него предстоит дать учёным будущего. Новые аспекты солнечно-земных связей, возможно, поможет раскрыть запуск спутников за пределы магнитосферы Земли. К тому же, на помощь приходят большие данные, ждём и гениальных идей относительно экспериментов. На мой взгляд, прорыв случится в ближайшие полвека, — говорит Татьяна.

Другое дело техника. Мы знаем, как она работает, поскольку сами её спроектировали, а значит, можем проследить, как влияет на электронные устройства космическая погода. Взять, например, геомагнитную бурю 13–14 марта 1989 года, вошедшую в историю как Квебекское событие. Тогда канадская провинция Квебек осталась без электричества из-за сгоревшего транзистора, а экономика страны потеряла миллиарды долларов. Кстати, полярное сияние в эти дни наблюдали опять-таки жители южных широт.

Заметные неудобства причинила вспышка на Солнце, случившаяся 4 сентября 2015 года. Тогда в Швеции пропали с радаров самолёты над всей южной частью страны. Диспетчеры экстренно посадили суда, находившиеся в воздухе; все полёты были отложены.

Сегодня мониторингом магнитных бурь занимаются многие железнодорожные перевозчики, а также компании, эксплуатирующие электростанции и даже трубо- и нефтепроводы. Кстати говоря, все данные, полученные в ходе дорогостоящих космических миссий, открыты для заинтересованных лиц на ресурсах ESA и NASA.

— Мы сейчас гораздо больше зависим от электричества, чем сто лет назад, — подытоживает Татьяна. — Не так давно не слишком сильная буря привела к тому, что в Архангельске светофоры внезапно стали произвольно переключаться с красного на зелёный. А что, если случится событие, подобное буре 1859 года? Это приведёт к непредсказуемым последствиям. Так что важность прогнозирования растёт день ото дня. А пока хорошей космической погоды всем нам!

Источник: kot.sh