Капризы космической погоды. "В мире науки" № 3

В околоземном пространстве есть и свои бури, и солнечный ветер, и даже свой дождь — явление, наблюдаемое в полярной ионосфере Земли. И пока мы сетуем на холод и зной, в космосе проявляются более масштабные капризы погоды. Беседуем об этом с членом-корреспондентом РАН Анатолием Алексеевичем Петруковичем, директором Института космических исследований РАН.

— Анатолий Алексеевич, что входит в понятие «космическая погода»?

— Космическая погода — это состояние околоземного космического пространства. Есть несколько главных ее составляющих. Галактические космические лучи — это высокоэнергичные протоны, электроны, тяжелые ядра, которые прилетают к нам извне Солнечной системы, вплоть до других галактик. Солнечный ветер — это поток плазмы, выходящий из короны Солнца. Именно он ответственен за магнитные бури на Земле. Наконец, солнечные вспышки создают спорадические потоки рентгеновских и ультрафиолетовых квантов и солнечных космических лучей.

Все эти явления возбуждают собственную активность в магнитосфере Земли, то есть процессы накопления и сброса энергии, которые мы называем магнитными бурями. Во время магнитных бурь увеличиваются радиационные пояса Земли, усиливаются полярные сияния, вариации геомагнитного поля.

— Только Солнце формирует космическую погоду?

— Солнце, конечно, главный игрок в Солнечной системе во всем. Солнце нагревает атмосферу, создавая перенос тепла между полюсами и экватором. В океане это проявляется в виде теплых и холодных течений. Совокупность действия солнечного нагрева и вращения Земли формирует земную погоду. И даже находясь в Москве, мы ощущаем на себе последствия зарождения циклонов в экваториальной Атлантике, которые потом приходят в Европу.

Если говорить о космической погоде, то и здесь активность Солнца — главный, но не единственный фактор. Звезда генерирует и постоянный поток солнечного ветра, и спорадические вспышки, связанные с солнечной активностью. Но в контексте космической погоды очень важна и галактическая радиация, которая создает неблагоприятный фон для человека в открытом космосе.

И, конечно, магнитное поле Земли добавляет свои пять копеек и сильно модифицирует солнечное влияние, порождая собственные явления. Например, полярные сияния — это следствие именно динамики магнитосферы Земли. Ни на Марсе, ни на Венере ничего сопоставимого по яркости нет — именно потому, что нет собственного магнитного поля.

— Поговорим подробнее о солнечном ветре. Что известно об этом явлении сегодня?

— Известно довольно много. Надо сказать, что экспериментально его открыли после запуска первой межпланетной станции, которая преодолела силу тяготения Земли, — советского космического аппарата «Луна-1». На спутнике установили приборы для измерения космической плазмы, которые впервые зарегистрировали некий поток, летящий от Солнца.

До этого существовали некоторые теоретические соображения, что подобный поток от Солнца должен быть. Они основывались на наблюдениях хвостов комет, а также на теоретических данных о динамике нашего плазменного светила. Однако конкретные параметры солнечного ветра — сколько плазмы вылетает, с какой скоростью — были определены только с помощью космических аппаратов.

С тех пор, начиная с 1960-х гг., ученые используют для анализа космической погоды данные регулярных измерений солнечного ветра, которые проводятся каждый день, каждую минуту. Сегодня мы точно знаем, как солнечный ветер формируется у Солнца, какова его структура при подлете к Земле.

— Она не одинакова?

— Нет. Солнечный ветер все время меняется. Например, на Земле сильные ураганы случаются редко. Однако каждый день мы ощущаем на себе «капризы» погоды, когда идет дождь или, наоборот, становится жарко. Так вот на Солнце такими «ураганами» можно считать солнечные вспышки. А ежедневная изменчивость космической погоды формируется именно вариациями солнечного ветра.

— А известно, как и почему реализуются эти вариации?

— С научной точки зрения солнечный ветер представляет собой истечение плазмы с поверхности горячего плазменного шара в космический вакуум.

Проще говоря, Солнце постоянно теряет малую часть своей массы. А поскольку Солнце — очень горячий шар, плазма истекает с некоторым ускорением. Она не остается в окрестностях звезды, а расширяется в бесконечность с постоянной скоростью примерно 400 км/с. что довольно много по земным меркам. С учетом расстояния от Солнца до Земли солнечный ветер достигает нашей планеты примерно за три дня. По пути этот ветер постоянно меняется, поскольку речь идет о хаотической турбулентной среде, которая живет своей жизнью. Солнечный ветер можно сравнить с горной речкой, в которой бурлят волны, происходят всплески. По пути он из-за своей внутренней динамики как будто структурируется в более или менее плотные участки, которые движутся с большей или меньшей скоростью. Не забудем еще и про межпланетное магнитное поле, которое тоже постоянно варьирует. И вся эта совокупность флуктуаций все время «дышит» по мере движения от Солнца до Земли, где и начинает влиять на магнитное поле планеты. Когда солнечный ветер быстрее, воздействие на магнитное поле Земли больше; когда ветер более медленный, а межпланетное поле меньше, воздействие, соответственно, меньше.

— Если солнечный ветер распространяется на такие большие расстояния, можно ли сказать, что мы все живем в атмосфере Солнца?

— Да, именно так и есть. И на самом деле не только мы, но и самый далекий Плутон тоже находится в пределах атмосферы (точнее сказать — короны) Солнца. И граница этой так называемой гелиосферы проходит на расстоянии порядка 100 астрономических единиц, то есть 100 расстояний от Солнца до Земли. Примерно здесь солнечный ветер становится сравнимым со встречным потоком межзвездной плазмы и останавливается. В свое время американский космический аппарат «Вояджер» стал первым в истории аппаратом, достигшим границ гелиосферы и вышедшим за ее пределы.

— На Земле нас защищает магнитное поле. Что происходит с планетами, у которых его нет?

— Взгляните, например, на Марс или Венеру.

— Здесь высокий уровень радиации.

— Речь не только об этом. Действительно, магнитное поле Земли, прежде всего, защищает нас от солнечных и галактических космических лучей. Если бы его не было, космические лучи тормозились бы только атмосферой, которая на самом деле тоже достаточно хорошо защищает.

Но при этом создается, как мы говорим, вторичное излучение, поток или ливень вторичных частиц, который с точки зрения своего разрушительного действия не менее опасен. Максимум этого вторичного излучения приходится на высоту примерно 10 км, и без защиты геомагнитного поля мы бы сегодня не могли пользоваться авиацией, поскольку современные пассажирские самолеты летают именно на таких высотах.

Плюс ко всему не существовало бы магнитных бурь, поскольку эти явления — некий акт взаимодействия магнитного облака (плазменного сгустка, выброшенного после солнечной вспышки) с магнитным полем Земли. Солнечный ветер тормозился бы атмосферой Земли, как, например, на Марсе и на Венере. Постоянное трение солнечного ветра об атмосферу приводило бы к потере кислорода и водорода как наиболее легкой фракции в открытое космическое пространство. Согласно этой теории, при отсутствии магнитного поля Земли атмосфера планеты была бы иной: воды и кислорода было бы гораздо меньше, а жизни на Земле в привычном для нас виде не было бы вовсе. Так что магнитное поле на Земле пришлось очень кстати.

— Известно ли, почему циклы солнечной активности равны примерно 11 земным годам?

— С точки зрения физики цикл солнечной активности определяется генерацией магнитного поля во вращающемся Солнце. Это явление так называемого магнитного динамо описывается очень сложными уравнениями, которые до сих пор до конца не известны и решение которых указывает на наличие некоторой периодичности. Конечно, это не точная синусоида, которая сохраняется на протяжении многих веков. Речь идет только о том, что имеются некоторые характерные времена роста и разрушения магнитного поля. Именно периоды с максимальной свободной магнитной энергией и проявляются как максимумы активности.

Сегодня мы наблюдаем, как солнечная активность пошла на подъем. По темпу подъема мы можем лишь примерно предположить, какой будет солнечный максимум в ближайшие годы. При этом сложно сказать, когда будет следующий солнечный максимум — через девять лет, 11 или 13.

На самом деле подобный процесс генерации магнитного поля типичен не только для Солнца. Например, магнитное поле Земли эволюционирует схожим образом. Только эта периодичность составляет десятки и сотни тысяч лет. Поэтому обычные люди об этом ничего не знают. Однако геологи видят свидетельства подобных процессов. Мы можем восстановить данные о том, какое магнитное поле было на Земле миллионы лет назад, считывая остаточное магнитное поле из горных пород разных возрастов. Магнитные циклы — инверсии направления поля четко просматриваются.

— Данные циклы характеризуются исключительно вспышками на Солнце? Или сюда включены и другие процессы?

— На самом деле вспышки — это лишь наиболее катастрофическое и заметное следствие солнечной активности. Во время солнечных максимумов резко увеличивается число солнечных пятен. Сегодня мы совершенно четко восстанавливаем связь невидимого напрямую магнитного поля Солнца с пятнами и вспышками.

— Как ученые объясняют наличие очень горячей короны Солнца и менее горячей поверхности звезды?

— Хороший вопрос, ответа на который пока нет. Это один из великих вопросов физики космической плазмы, которые были заданы еще в середине XX в. Удовлетворительного ответа с тех пор так и не получили.

Откуда берутся электроны, вызывающие полярное сияние на Земле? Как ускоряется солнечный ветер? Как именно зарождается солнечная вспышка? Мы знаем примерную последовательность событий во всех случаях, но конкретный физический механизм, который отвечает за тот или иной результат, нам пока не понятен.

Действительно, температура поверхности Солнца равна примерно 6 тыс. К, а температура короны — 1,5 млн К. Как так получилось? Понятно, что есть некоторое расширение плазмы с поверхности, происходящее с ускорением. Однако какое уравнение ни напиши, нужного ответа не получается.

Согласно одной из теорий, в нижней части короны еще достаточно сильное магнитное поле создает плазменные волны, которые и ответственны за нагрев короны. Аналогичный механизм предлагают и для объяснения ускорения солнечного ветра.

— Как можно это проверить?

— Прилетев туда. Такое под силу только аппаратам-камикадзе, которые подлетают максимально близко, быстро проводят измерения и сгорают.

Кроме того, остатки процессов ускорения сохраняются в колебаниях солнечного ветра, в его вариациях. Сегодня ученые активно анализируют измерения американского солнечного зонда Parker Solar Probe, приблизившегося к Солнцу настолько, чтобы еще можно было выжить. Научное сообщество надеется, что уже в ближайшее время найдутся свидетельства, указывающие на процесс ускорения солнечного ветра, которые позволят уточнить существующие гипотезы.

— Директор отдела гелиофизики NASA Никола Фокс однажды сказала, что «если Солнце чихает, то Земля подхватывает простуду». Насколько это реальное положение дел?

— Фраза красивая, но не совсем правильная. Земля реагирует, тоже чихает в ответ. Долго «болеть» Земля не будет. После солнечной вспышки прохождение магнитного облака мимо Земли длится около суток. Соответственно, и магнитная буря продолжается сутки-двое. То есть это краткосрочное явление, которое не вызывает длительных последствий.

— Можно ли сказать, что вспышки становятся все сильнее и опаснее для нас?

— Сами вспышки сильнее не становятся. Солнечный максимум, с которого началась моя научная карьера, пришелся на 2000-е гг. Он был достаточно интенсивный. Были как и сильные магнитные бури, так и слабые, которые происходили практически каждую неделю. О последних просто никто ничего не сообщал, поскольку научное сообщество следило лишь за самыми яркими событиями.

Солнечный максимум 2011 г. был гораздо слабее и с гораздо меньшим количеством вспышек и магнитных бурь. И тот, который наступит в ближайшие годы, явно будет слабым. Поэтому нельзя сказать, что количество или амплитуда солнечных вспышек увеличиваются. Скорее наоборот.

С другой стороны, их возможное влияние на земную жизнь действительно может расти. Но и в данном случае не все так однозначно. Например, наши средства связи довольно сильно эволюционируют, в том числе и в сторону снижения чувствительности к подобным явлениям. Вспомните телеграф, который появился в середине XIX в., него провода повсюду. Это же идеальная антенна для восприятия электромагнитного сигнала от солнечной вспышки или магнитной бури! В дальнейшем мы перешли на коротковолновую радиосвязь, которая также была очень подвержена влиянию магнитных бурь. Но современные оптоволоконные линии связи. высокочастотная спутниковая связь гораздо менее чувствительны. Космические аппараты также становятся более надежными, мы лучше понимаем и как радиация влияет на электронику, и как защититься от нее. С другой стороны, именно космическая радиация ограничивает длительность пребывания человека в космосе, особенно при полетах на Луну и Марс.

— Поговорим о другой загадке. Как образуются солнечные пятна? Что они собой представляют?

Солнечные пятна — это один из главных признаков солнечной активности. Солнце — вращающийся горячий шар, в котором постоянно реализуется конвекция: потоки горячей плазмы поднимаются наверх и охлаждаются в верхних слоях, опускаясь вниз. Комбинация конвективных потоков и вращения Солнца составляет, как мы говорим, механизм магнитного динамо. Генерируемое таким образом магнитное поле сбивается в сгустки, которые буквально всплывают на поверхность. Сильное магнитное поле в таких местах подавляет конвективное движение плазмы, препятствуя переносу энергии. Тем самым формируется область с пониженной яркостью, выглядящая как темное пятно.

В период солнечного максимума этих сгустков или пятен на поверхности много. А в период солнечного минимума солнечных пятен практически нет.

Наблюдая за пятнами на Солнце, мы можем примерно предсказать, когда следует ожидать следующую вспышку. Ведь излишняя энергия, которая накоплена в солнечном пятне, обязана рассеяться, или диссипировать, как говорят физики. И рассеивается она, в том числе с помощью солнечных вспышек. Таким образом, пятно сбрасывает свою энергию и затем постепенно, за два-три оборота Солнца, пропадает.

— То есть пятно — это предвестник вспышки?

— Да. На крупных группах пятен со сложной структурой обязательно бывают вспышки, но когда именно они произойдут, предсказать невозможно. Есть только некоторая эмпирическая, то есть полученная опытным путем формула, которая учитывает сложность формы пятна, его площадь. Если структура обширная и сложная, вспышки наверняка последуют. Но когда точно произойдет вспышка — сегодня, завтра, или послезавтра, — определить нельзя. На сегодня это одна из главных проблем прогноза космической погоды. Затем в дело вступают спутники, которые могут предупредить о стремящемся к Земле солнечном ветре и позволят рассчитать силу магнитной бури.

— Как направление космической погоды представлено в Институте космических исследований РАН?

— Отмечу, что специализация Института космических исследований РАН — космические эксперименты. Мы создаем приборы, которые предназначены для измерения каких-либо явлений в космической среде. Это и наблюдения Солнца, и измерения той плазмы. которая окружает космические аппараты и Землю. Помимо этого, в ИКИ РАН реализуются проекты для астрономических наблюдений, исследований планет Солнечной системы, дистанционного зондирования Земли, создается наземная и космическая аппаратура различного назначения.