«Большие электрические мощности вторгаются в нашу жизнь»

О самых актуальных научных разработках, в частности о том, зачем нужно изучать магнитосферу Земли и вредят ли нам магнитные бури, рассказывает директор Института космических исследований РАН член-корреспондент РАН Анатолий Алексеевич Петрукович.

— В мае нынешнего года институт будет отмечать 60-летний юбилей. Здесь со дня основания ведутся исследования по самым разным направлениям космических наук. Давайте поговорим о тех, которые лично вам как ученому наиболее близки, — это околоземная плазма, магнитосфера нашей планеты. Почему эти исследования важны?

— Во-первых, потому что это часть нашей планеты и мы «чувствуем» околоземное космическое пространство. Даже человек, не вооруженный какими-то техническими средствами, ощущает эффекты околоземного космического пространства хотя бы в виде северных сияний.

— Которые все чаще можно наблюдать даже в наших широтах.

— Нет, это иллюзия, артефакт средств массовой информации, который показывает время существования отдельной новости в общественном сознании. Если взять полярное сияние, это свечение верхней атмосферы Земли на ночной стороне в обычное время где-то в полярных районах, на севере: на Кольском полуострове, на Таймыре. Во время сильной магнитной бури можно его увидеть и в Москве.

— Так было всегда?

— Да. Как появляется полярное сияние? Тут есть своя интрига. Сначала думали, что это от Солнца прилетают электроны и возбуждают атмосферу. Возникает вопрос: почему на ночной стороне? Оказалось, нет. И здесь как раз важно магнитное поле Земли, которое под действием излучения Солнца и солнечного ветра превращается в объект, называемый магнитосферой. Это такая «капелька», вытянутая в потоке плазмы, которая летит от Солнца и называется солнечным ветром. Этот поток плазмы есть всегда. Именно он превращает диполь, который мы все знаем по школьному курсу физики, в «капельку». Помните картинку магнитного поля полукругами, похожими на уши Чебурашки? Магнитосфера сзади вытягивается в «хвост», а спереди, то есть с подсолнечной стороны, приплющивается из-за давления. Магнитное поле Земли защищает Землю, то, что находится на поверхности, в атмосфере, от прямого удара солнечной активности. И напрямую сигнал практически не проходит: солнечная плазма затекает в магнитосферу через хвост на ночной стороне и, уже будучи переработанной внутри магнитосферы, в частности, попадает в атмосферу Земли в виде электронов, которые вызывают полярное сияние, поэтому полярное сияние у нас видно ночью. Они, конечно, привязаны к солнечной активности, но надо учесть, что магнитосфера тоже не всегда одинаково реагирует на то, что она получает от Солнца. У нее своя жизнь.

Цикл солнечной активности последние 300 лет наблюдений почти неизменен: у нас всегда есть солнечный ветер, который иногда немного больше, иногда немного меньше, полярное сияние на севере и на юге есть почти каждый день, а вот большие магнитные бури бывают только в годы максимальной солнечной активности. Но общественное сознание устроено так, что про прошлый максимум активности, который был десять лет назад, все успешно забывают, вот и кажется, что сейчас их стало больше, потому что мы вошли в период солнечного максимума.

— Значит, их не стало больше?

— В целом нет, этот солнечный максимум не больше предыдущих. В связи с солнечной активностью возникает огромное количество практических вопросов, это важно, например, для радиосвязи. Если помните книжки про полярных путешественников, там, когда магнитная буря, нет радиосвязи. Как раз потому, что полярное сияние затрудняет дальнюю радиосвязь, с помощью которой люди общаются через континенты, с Северным полюсом, с какими-то удаленными объектами на поверхности Земли. В космосе спутники очень чувствуют радиацию, которая приходит от Солнца и вырабатывается в магнитосфере. Радиация тоже связана с солнечной активностью и переработкой ее энергии в магнитном поле Земли. Мы должны уметь это предсказывать, понимать, как это работает. Существуют специальные спутники, которые наблюдают за Солнцем, солнечным ветром, и мы должны уметь пересчитать, например, будет полярное сияние в этой точке или нет.

— Почему важно это знать? Только из-за радиосвязи?

— Для человека это просто красиво, он хочет знать, куда поехать, чтобы это чудо увидеть. Но на самом деле практических моментов здесь очень много. Полярное сияние я привожу как пример в качестве понятного эффекта, который виден невооруженным взглядом. Возможно увеличение радиошумов, какое-то затруднение в получении сигналов ГЛОНАСС, GPS в полярном регионе, сбои навигации. Наверное, если вы идете за грибами с навигатором, это неважно. А если вы хотите посадить самолет по сигналу спутниковой навигации, это может быть важно, потому что ошибки недопустимы. Если говорить о космосе, это, прежде всего, космическая радиация. Это штатный набор, как мы говорим, проявлений солнечной геомагнитной активности в технических системах. Мы должны предсказывать, понимать, как это происходит, — это практическая часть науки о солнечно-земных связях.

— Насколько точны ваши прогнозы?

— Мы сейчас хорошо понимаем, как их делать. По наблюдениям солнечного ветра с Земли примерно за час можно сделать прогноз магнитных бурь на несколько часов вперед. Если по Солнцу, то на пару суток. На самом деле, если мы говорим, что магнитная буря будет с вероятностью 50%, это уже хороший прогноз, ведь магнитные бури — редкое явление. Прогноз такой мы делаем, но есть и проблемы. Если мы хотим сказать, когда произойдет вспышка полярных сияний, в каком именно месте и точно по времени, мы этого сделать не можем, потому что существует неопределенность динамики магнитного поля Земли. Сначала происходит накопление энергии в магнитном поле Земли, в хвосте магнитосферы, потом — сброс взрывного характера, тогда и появляются полярные сияния. Этот процесс почти непредсказуем, и это тема, где сосредоточены основные усилия исследователей. Нам надо понять тонкости этого процесса, то, как мы можем улучшить наши прогнозы.

— А как можно улучшить прогнозы?

— Есть математические модели — то, что называется «глобальное моделирование». Так же как на всем земном шаре моделируют погоду, динамику атмосферы, предсказывают погоду на несколько дней вперед — так же можно моделировать и магнитосферу, предсказывать на несколько часов вперед. Это довольно большая задача для суперкомпьютера, но надо четко понимать: какие физические механизмы и методы мы заложим в эту модель, так она и будет работать. Поэтому надо сначала разобраться, от чего зависят эти эффекты динамики магнитосферы наверху в реальном мире, а потом переложить это в наши модели, которые мы используем для прогнозов на Земле.

— А что представляет собой так называемая магнитная буря?

— Большая магнитная буря по энергетике — это как взрыв термоядерной бомбы. После солнечных вспышек происходят выбросы солнечной плазмы в солнечный ветер, его плотность и скорость возрастают, и если это попадет по Земле, то вызовет своего рода аномальное «перенапряжение» магнитного поля Земли, которое и называется магнитной бурей.

Однако если мы взлетим и начнем измерять то, что летит от Солнца, — это на самом деле недостижимый на Земле вакуум. Если количество частиц в воздухе на Земле примерно 10¹⁹ в 1 см³, то наверху, в космосе, от Солнца к нам прилетает примерно пять частиц в кубическом сантиметре — пять протонов, пять электронов. И на Земле воспроизвести эту среду и понять, как она работает, невозможно. Мы не сможем сделать такую вакуумную камеру и поставить такой эксперимент. Кроме того, в газе расстояние между частицами очень большое, поэтому в основном это свободный полет, столкновения, потом опять свободный полет. В космической плазме не так: заряженные частицы чувствуют электрические и магнитные поля и постоянно летают по криволинейным траекториям, поэтому ничего рассчитать толком нельзя, если вы не проследили точно конфигурацию полей. Соответственно, сам электрон, который летит по этой криволинейной траектории, генерирует электрический ток и магнитное поле, поскольку это заряженная частица. Получается очень сложная система взаимозависимостей, и аналитически решить эту задачу практически невозможно. Это фундаментальная часть нашей науки — разбираться, как устроена плазменная среда, каковы механизмы возникновения особых частиц и энергий.

— Если все это недостижимо на Земле, как это можно изучать?

— Да, с одной стороны, на Земле это недостижимо, с другой — 90% того, что мы видим на ночном небе, — это свечение такой плазмы. Черные дыры и темная материя не светятся, а светится плазма. Поэтому если мы хотим четко понимать, откуда берется то излучение, которое приходит к нам от небесных объектов, от звезд, туманностей, мы должны понимать, как это устроено. И тут околоземные эксперименты — единственный способ заглянуть внутрь: космический аппарат летит внутри плазмы и «видит» именно то, как протоны и электроны там летают и друг с другом взаимодействуют. Здесь появляется связь между астрономией и околоземным космосом. Эта наука возникла несколько десятков лет назад, когда осознали, что за объекты нас окружают в космосе, и начали активно этим заниматься, в том числе в ИКИ. У нас есть большой отдел, который занимается плазмой в разных ипостасях: с учетом пыли, нейтральных частиц. На Солнце — одна плазма, в солнечном ветре — другая, в атмосфере Земли — третья.

— Чем они различаются?

— Плотностью и энергией: на Солнце горячее, в ионосфере на высотах, например там, где атмосфера кончается, начинается ионизованная среда — холоднее. Везде свои задачи, поэтому и спутники разные, и приборы. Если мы сейчас начнем считать научные спутники во всем мире и посмотрим, какая их доля занимается исследованием околоземного космоса, то получится примерно половина. Кто-то смотрит за Солнцем, кто-то — за солнечным ветром, кто-то — за ионосферой, кто-то — за магнитосферой, в сумме набирается несколько десятков аппаратов. Эти данные доступны, есть наблюдения с Земли тех же полярных сияний, магнитных колебаний — в сумме мы получаем «котел» из десятков и сотен разнородных наблюдений, которые мы должны переложить на язык физики. Очень интересная наука.

— Какие здесь есть оригинальные исследования именно у ИКИ?

— Здесь можно упомянуть исследования устойчивости магнитосферы. Все у нас в физике и в природе определяется потоками энергии в том или ином виде. То же воздействие солнечной активности можно представить себе как поток энергии, переносимый плазмой солнечного ветра. Дальше он перерабатывается магнитным полем Земли и в конце концов либо попадает в атмосферу Земли, либо сбрасывается в межпланетное пространство. Сначала это энергия потока плазмы, которая прилетает от Солнца, потом она превращается в энергию магнитного поля, магнитосфера Земли накачивается, подрастает за счет того, что плазма солнечного ветра превращается в токи внутри магнитосферы. Заряженные частицы попадают в магнитосферу, создают дополнительные токи, что немного «надувает» магнитосферу. Ситуация становится неустойчивой, и где-то через час происходит взрывной сброс лишней энергии — при этом появляется полярное сияние.

— Выясняется именно вами?

— Это международная наука, здесь монополизма нет, но если говорить о компетенциях и крупнейших успехах института на протяжении десятков лет, то это как раз школа, связанная с устойчивостью различных плазменных объектов. Как энергия в них набирается, где граница этой устойчивости, как ее посчитать, от чего это зависит, как это работает? Это и экспериментальные ее наблюдения на спутниках, теория, когда пишутся самые общие уравнения устойчивости, сложных сред, где каждая частица влияет на каждую частицу на расстояниях десятков и сотен километров. В этой школе несколько академиков, профессора, студенты — порядка сотни человек.

— А куда девается эта лишняя энергия?

— Потом эта энергия опять перерабатывается в энергию частиц. Те электроны, которые мы видим во время полярного сияния, — это как раз сброс энергии, такая своего рода космическая «канализация».

— Какие тут для вас остаются главные загадки?

— Я уже сказал, что мы очень хорошо понимаем общую последовательность событий: как из внутренностей Солнца избыточная энергия попадает на поверхность в виде солнечных пятен, потом — солнечная вспышка, выброс плазмы, которые перерабатывается затем в видимые эффекты в магнитосфере Земли. Но система настолько сложная, что детали надо выяснять на ходу, и каждый раз они разные. У Рэя Брэдбери есть рассказ «Эффект бабочки», когда ненароком раздавленная бабочка при путешествии в прошлое изменила будущее. Это художественный образ, но на самом деле это физический эффект, который характерен для сложных систем — не только для космоса, но, например, и для атмосферы Земли. Это ограничивает нас в предсказуемости: как бы точно мы ни знали на данный момент состояние объекта, рано или поздно из-за каких-то мельчайших деталей мы уйдем в сторону от реальности при расчетах, моделировании.

— Как же быть?

— Есть разные хитрые способы парировать такие моменты, ограничения принципиального характера. Как говорили авторы повести «Понедельник начинается в субботу» Аркадий и Борис Стругацкие: «Бессмыслица — искать решение, если оно и так есть. Речь идет о том, как поступать с задачей, которая решения не имеет».

— А вы считаете, такие задачи есть?

— Конечно. Вот эта как раз — из таких задач.

— Существует ли предел познания?

— Пределов не существует. На каждом этапе свои пределы. Объективные — это пределы наблюдения, потому что мы берем информацию из наблюдений. Есть пределы вычислительные, которые тоже можно обойти. Есть пределы принципиальные — здесь иногда надо просто подождать. Есть закон сохранения энергии — вы не можете подпрыгнуть на десять метров, но вы можете сделать ракету и улететь на сто миллионов километров. Есть разные варианты решения проблем — надо поработать над этим, и задача будет решена. Задача практическая состоит в том, чтобы взлететь, а не в том, чтобы обмануть закон сохранения энергии. Интересные вопросы и задачи всегда есть: наша жизнь сложна и мы хотим, чтобы она была более комфортной, хотим больше знать и обеспечить устойчивое развитие человечества.

— Я лично знаю немало людей, которые сверяют свое самочувствие с прогнозами магнитных бурь с сайта ИКИ. Что думаете по этому поводу?

— Магнитные бури прогнозируются организациями по всему миру, эти прогнозы, как правило, открыты. Если вам нужно понять, как полетит ваша ракета при магнитной буре, наверное, прогноз такое не раскроет, но будет ли магнитная буря, раскроет. Как специалисты мы постоянно сверяемся с результатами других прогнозов в России и за рубежом. Все друг на друга смотрят, как идут дела, постепенно вырабатывается такой консенсус прогнозов. Это достаточно познавательное и увлекательное занятие даже для самих участников, потому что мы же не знаем, что будет на самом деле.

— Может ли все это быть связано с теми же головными болями?

— Головные боли у каждого свои. Во-первых, здесь надо четко сказать, что консенсуса на эту тему нет и среди врачей, и тем более среди специалистов-геофизиков. Есть свидетельства и того, и другого, и обратного, и всех вариантов. Делалось много экспериментов. Добровольцы мониторили свое состояние месяцами и годами подряд. Есть даже такие энтузиасты, которые годами ходят с приборчиками типа холтеровского мониторинга, который каждые 15 минут меряет давление и пульс.

— Тут сутки-то ходить с ним замучаешься.

— Да, а есть люди, которые ходят чуть ли не годами. Существует медицинская скоропомощная статистика, каких вызовов и когда больше, есть какая-то больничная статистика, но это все предмет научной дискуссии, потому что результаты самые разные. Основная проблема в том, кроме всего прочего, что мы не понимаем механизма. Как влияет магнитное поле на человека, совершенно непонятно. Точно известно, что если вы едете в лифте или трамвае, то электромагнитный сигнал вы получаете гораздо сильнее. Это явно очень малое воздействие. Если что-то и есть, это очень разнонаправленная реакция, зависящая от индивидуальных особенностей. Советы мы не даем, но видим, что проблема сложная, и медицинского ответа ни у кого из нас нет.

— Как вы считаете, нужно ли продолжать это изучать?

— Конечно. Возвращаясь к здоровью: лучше за ним следить и помнить, что голова может болеть не только от этого. Поэтому здоровьем надо заниматься: спорт, поменьше стрессов, побольше отдыхать, спать как следует — организму будет гораздо лучше. Но, конечно, надо заниматься этими проблемами, здесь много смежных вопросов.

— Каких, например?

— Сейчас люди собираются лететь на Луну, а там магнитного поля Земли нет. Человек миллиарды лет привык жить в условиях довольно сильного магнитного поля. Даже космонавты на орбите его чувствуют, потому что еще невысоко поднялись. Раньше на Луну на несколько дней улетали — ясно, что это не беда. Но если на долгое время, то будут возникать вопросы. Или полеты на Марс, это на год. Условия слабого магнитного поля влияют на человека, но в длительной перспективе совершенно непонятно как. Это предмет изучения. И на Земле-то есть условия в разных профессиях, где электромагнитные шумы на нас влияют. Сейчас вот электромобили ставят на зарядку, а мощность на зарядной станции может быть сотни киловатт, и это тоже вызывает вопросы о влиянии.

— Значит, все это нужно исследовать, чтобы понимать принципы работы?

— Да, большие электрические мощности вторгаются в нашу жизнь. Раньше у нас был чайник — три киловатта. А здесь у вас во дворе стоит столбик, из которого можно взять 300 кВт, если это станция быстрой зарядки. Мы все время вторгаемся из-за развития цивилизации в новую зону взаимодействия с техническими системами.

Вот еще пример. Мы все привыкли: заболел человек — тогда его лечат, но есть еще пришедшая из космической техники проблема здорового человека. Космонавты — абсолютно здоровые люди, но они постоянно подвергаются исследованиям, их отбирают, следят за ними, у них тоже есть свои проблемы. Это тонкие настройки организма, которые объединяются под флагом медицины здорового человека. Исправление этих настроек в сторону оптимальности — очень перспективная отрасль биомедицины.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ