Загадки солнца: учёные пытаются защитить Землю от солнечного удара
Солнце – источник жизни для землян и в то же время одна из главных угроз из космоса для нашей планеты. Солнечные бури и вспышки несколько раз уже приводили к техногенным катастрофам, выводя из строя важные энергосистемы.
Статья журнала ВКС, №3/4 (88/89) декабрь 2016
.jpg)
Учёные продолжают исследование звезды по имени солнце. Это единственный способ со временем научиться не только предсказывать, но и по-настоящему влиять на «космическую погоду», от которой во многом зависит жизнь на Земле. О солнечных программах, которые реализуются в нашей стране, мы поговорили с доктором физико-технических наук, директором института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова РАН Владимиром Дмитриевичем Кузнецовым.
Белые пятна в науке о Солнце
– Владимир Дмитриевич, насколько Солнце изучено на сегодняшний день?
– Солнце исследовали ещё астрономы Древнего Шумера и Древнего Китая, но наукой в современном понимании этого слова оно изучается последние 300 лет, начиная с Галилея и его современников.
Изучение Солнца имеет большое значение для фундаментальной науки – астрофизики, ведь Солнце – звезда, каких много во Вселенной. Те же процессы, что и на Солнце, происходят и на других звёздах. Значит, изучая Солнце, мы изучаем маленькую часть большой Вселенной.
Исследование Солнца также важно и в практическом плане, поскольку от Солнца зависит жизнь на Земле. С началом космической эры произошёл существенный прорыв в науке и технологиях. Мы стали изучать Солнце не только в оптическом и в радиодиапазонах, как это возможно с Земли, но и в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах с космических аппаратов.
Несмотря на значительный прогресс в изучении Солнца, в отношении него всё ещё существуют белые пятна – загадки, которые учёным предстоит разгадать.
Мы знаем, что Солнце испытывает 11-летний цикл активности, который состоит в том, что количество солнечных пятен и других активных явлений на Солнце меняется от максимума до максимума и от минимума до минимума примерно за 11 лет. Сегодня мы наблюдаем уже 24-й солнечный цикл.
Природа солнечного цикла, в принципе, известна. В его основе лежит механизм солнечного динамо – взаимодействия движений, происходящих на Солнце, с его магнитным полем. Наблюдения показывают, что характеристики цикла меняются. 11 лет – это средний период. За всё время наблюдений этот период менялся в диапазоне от примерно 8 до 13 лет, а амплитуда солнечного цикла (число солнечных пятен в максимуме цикла) менялась в диапазоне от 48 до 195.
.jpg)
– Природа таких изменений характеристик солнечного цикла пока не выяснена?
– Да, пока это загадка. Что обуславливает такие изменения характеристик цикла – ответ на этот вопрос важен сам по себе с точки зрения фундаментальной науки и физики Солнца, а также для практических задач, поскольку именно солнечная активность определяет состояние околоземного космического пространства – то, что мы сейчас называем «космической погодой», которая оказывает влияние на человеческую деятельность на Земле и в космосе.
Есть и другие вопросы, чисто научные. Известно, что Солнце окружено мощной короной – так называют внешние слои атмосферы Солнца. Солнечную корону можно увидеть только при полном солнечном затмении, так как её светимость во много раз меньше, чем светимость самого Солнца. Корона Солнца имеет температуру в 1-2 млн К (градусов Кельвина), тогда как его поверхность – фотосфера – нагрета всего лишь до 6000 К. Если такая разница в температурах фотосферы и короны, то какой механизм обеспечивает нагрев солнечной короны? Точного ответа пока нет. Рассматриваются волновой механизм нагрева солнечной короны, нагрев за счёт многочисленных микровспышек и так далее. Новые наблюдения с космических аппаратов нацелены на решение этой проблемы.
Есть и ещё одна загадка. На Солнце регулярно происходят выбросы массы и вспышки. Долетая до Земли в виде магнитных облаков, выбросы массы вызывают магнитные бури. Эти явления изучены, но не удаётся понять их триггерный механизм на Солнце, который и запускает выброс массы или приводит к вспышке. Специалисты научились распознавать, что в той или иной области на Солнце может случиться выброс массы или вспышка, но когда эти самые мощные проявления солнечной активности произойдут, в какое время – это пока никто не научился предсказывать.
Продолжается изучение недр Солнца. С помощью гелиосейсмологии удалось исследовать строение внутренних слоёв Солнца и дифференциальный характер его вращения, но есть ещё много работы. Нужно связать природу солнечного цикла с тем, что происходит в недрах Солнца, чтобы понять, какие движения модулируют солнечный цикл.
.jpg)
«Интергелиозонд» – долететь и увидеть
– Какие проекты в ближайшем будущем смогут вывести науку о Солнце на новый уровень?
– В последние годы наиболее значительные достижения в исследовании Солнца получены с помощью космических аппаратов. Золотой век солнечной физики в космосе ещё продолжается – создаются всё более и более совершенные космические проекты, нацеленные на решение актуальных проблем солнечной физики.
Один из таких перспективных проектов – создание «Интергелиозонда», космического аппарата, который должен будет исследовать внутреннюю гелиосферу и Солнце с близкого расстояния. Наклонённая к плоскости эклиптики гелиоцентрическая орбита аппарата позволит наблюдать приполярные области Солнца, где происходит переполюсовка магнитного поля в солнечном цикле. Важно понять, как на Солнце взаимодействуют магнитные поля, дифференциальное вращение, меридиональная циркуляция и конвекция.
Максимальное приближение аппарата к Солнцу хотя и будет кратковременным, но составит 1/3 расстояния от Земли до Солнца. Благодаря «Интергелиозонду» мы сможем увидеть и рассмотреть многое из того, что пока недоступно нашему взору. Мы более детально узнаем, как устроены солнечная атмосфера и структура магнитных полей Солнца.
.jpg)
– На каком этапе сейчас этот проект?
– Ведётся доработка эскизного проекта. Есть состав научной аппаратуры и её характеристики. Есть прообраз космического аппарата и его платформы. Недавно возникла необходимость скорректировать компоновку аппарата. НПО имени С. А. Лавочкина является головной организацией по этому проекту, в котором, помимо нашего института (ИЗМИРАН), участвуют Институт космических исследований (ИКИ РАН) – головной институт по научному комплексу, Физический институт РАН (ФИАН), Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ (НИИЯФ МГУ), Физико-технический институт в Санкт-Петербурге (ФТИ РАН), Московский инженерно-физический институт (МИФИ), Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде (ИПФАН) – все ведущие институты в области космической физики.
– Каковы сроки создания «Интергелиозонда»?
– Поскольку мы должны уложиться в бюджет Федеральной космической программы, то к концу 2025 года к запуску будет готов первый космический аппарат, второй – позже. Сам запуск также требует денег и переносится в федеральную программу следующего десятилетия. На пути создания всегда возникает потребность коррекции, когда что-то надо будет доработать. Проект начат в 1997 году. С тех пор мы неуклонно приближаемся к его воплощению.
.jpg)
Благодаря «Интергелиозонду» мы сможем увидеть и рассмотреть многое из того, что пока недоступно нашему взору. Мы более детально узнаем, как устроена солнечная атмосфера и структура магнитных полей Солнца. Проект разрабатывается в рамках секции «Физика Солнца» Совета РАН по космосу.
Орбитальные угрозы
– Как Солнце влияет на работу спутников?
– Эта проблема настолько серьёзная, что ею занимается соответствующий Комитет по мирному использованию космического пространства при ООН. По поручению Совета РАН по космосу я участвовал в работе группы экспертов по солнечной активности и космической погоде.
Все спутники, от которых зависит связь, телевидение, а также аппараты специального назначения подвержены воздействию космической активности. Во время солнечных вспышек возникает мощное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. Это излучение способно выбивать электроны с поверхности космических аппаратов и приводить к их электризации, что вызывает сбои в работе аппаратуры и может даже выводить их из строя. Частицы, ускоряющиеся во время вспышек до очень высоких энергий, а также энергичные частицы магнитосферного происхождения способны непосредственно воздействовать на электронику – на платы, на бортовую память и так далее – и вызывать нештатные ситуации.
Во время магнитных бурь меняется среда, в которой летают спутники и через которую распространяются все сигналы, включая GPS и ГЛОНАСС. Если ионосфера возмущена, то сигналы рассеваются и точность определения местоположения может сильно меняться. Возможны ошибки до 100 метров!
Во время тумана самолёты садятся на палубу авианосца по GPS-навигатору. Но когда происходит магнитная буря, точность может упасть на десятки метров и возникают проблемы.
.jpg)
По мере увеличения населения Земли, примерно с 8 миллиардов до 10-12 к концу XXI века, и при соответствующем росте жизненно важной инфраструктуры для человечества, уязвимой к воздействию солнечных бурь и солнечных вспышек, критичность подобных солнечных рисков будет только обостряться
– Можно ли с этим бороться?
– Природу нельзя победить или укротить. Мы можем только совершенствовать методы прогноза и принимать меры по смягчению негативных воздействий.
Во-первых, нужно непрерывно следить за Солнцем. Всё определяется его поведением. Свет от вспышки идёт до Земли семь минут. За ним приходят релятивистские частицы, затем приходят частицы меньших энергий, но все они очень опасны. Выбросы массы от Солнца распространяются медленнее, они достигают околоземного пространства за 1-3 суток. Мы не можем предугадать точно, достигнут ли они Земли, но мы знаем, что может случиться, если это произойдёт.
Конечно, бывают и экстремальные события, когда возникают мощнейшие магнитные бури и всё околоземное пространство возмущается. Происходит торможение спутников, потому что атмосфера разбухает, поднимая плотные слои вверх, – аппараты и Международная космическая станция наталкиваются на плотную плазму и начинают аномально тормозиться. Так, американская станция Скайлэб, закончившая свою работу, непредсказуемо упала именно из-за этого. А в затоплении станции «Мир» участвовал наш Центр прогнозов, потому что надо было контролировать геомагнитную обстановку и состояние атмосферы. Объект должен был упасть в заданное место, а если бы произошла магнитная буря и возникла бы аномалия плотности, то станция «Мир» могла бы упасть не в Тихий океан, а, скажем, где-то в Австралии…
Во-вторых, в исследовании Солнца нужно использовать все средства наблюдения, которые есть у разных стран. Нужно обмениваться информацией, потому что безопасность в космосе – наша общая проблема. Это понимают все, вне зависимости от текущей геополитической ситуации. В идеале хорошо было бы обмениваться новейшими методами защит от факторов космического пространства, но эти методы напрямую связаны с технологиями, которые никто просто так никому не отдаст.
Прогнозированию космической погоды уделяется значительное внимание в целом ряде стран с развитой космической деятельностью, особенно в США. Существует даже специальный журнал Space Weather, в котором регулярно публикуются материалы о том, что и когда произошло с тем или иным спутником и по какой причине. Этим надо обязательно заниматься, ведь в век высоких космических технологий многое будет зависеть от космической погоды.
Мы работаем с Центром управления космическими полётами. Информация Центра прогнозов ИЗМИРАН используется при подготовке запусков с Байконура, Плесецка, а теперь уже и с космодрома Восточный. Наш институт входит в систему АСПОС ОКП (Автоматизированная система предупреждения опасных ситуаций в околоземном космическом пространстве). Каждый день мы снабжаем заинтересованные учреждения прогнозами космической погоды. Из-за неблагоприятных условий может быть отменён выход космонавтов в открытый космос.
.jpg)
Гелиобиология – наука будущего
– А как Солнце воздействует на человека?
– Этим вопросом занимается целая наука – гелиобиология. В сердце и в мозге человека имеются определённые ритмы от 1 до 10 Hz, совпадающие с природными резонаторами. Частоты магнитосферного резонатора влияют на сердце, а частоты ионосферы влияют на мозг человека. Когда эти природные резонаторы наполняются излучением из-за повышенной солнечной активности, то люди со слабой адаптацией, то есть больные, могут это почувствовать. Здоровые люди адаптированы к этим изменениям.
По статистике вызовы скорой помощи во время магнитных бурь, когда у больных людей ухудшается состояние здоровья, возрастают на 20%. Мы лишь изучаем физику магнитных бурь и сопутствующих явлений, а воздействие этих явлений на человека изучают медики, мы делимся с ними данными наших наблюдений.
Гелиобиология – наука будущего. Сегодня основные усилия медицины, естественно, направлены на борьбу с явными болезнями: раком, СПИДом и т. д. Магнитные бури такой опасности, как эти заболевания, для человека не представляют. Хотя никто не знает, сколько пожилых людей или людей, страдающих хроническими заболеваниями, могут пострадать во время сильной магнитной бури. Такой статистики просто нет.
Человек – самый сложный объект во Вселенной – появился в устойчивой равновесной системе Солнце – Земля. Мы получили планету с кислородом, атмосферой, магнитным полем, которые защищают нас от пагубных воздействий из космоса. И когда в этой системе что-то нарушается, то не может не сказаться на нас и на всём, что нас окружает.
.jpg)
11-летние циклы солнечной активности условно нумеруются начиная с 1755 года. В период одного цикла количество солнечных пятен и других активных явлений на Солнце меняется от максимума до максимума и от минимума до минимума. Сегодня астрономы наблюдают 24-й солнечный цикл
Председатель президиума ВЭС ВКС доктор технических наук Игорь Ашурбейли, из доклада «Воздушно-космическая сфера как фактор взаимной безопасности»
Вспомним и о солнечных вспышках, которые генерируются с помощью магнитных перезамыканий на Солнце, приводящих к выбросу радиации мощностью в тысячи атомных бомб и посылающих потоки рентгеновских и гамма-лучей высокой мощности в космическое пространство со скоростью света. Этот «радиационный взрыв» отличается от выбросов корональной массы, которые сопровождаются высвобождением массы и ионов, а не излучения. Вспышки могут выводить из строя спутники, повышают риски онкологических заболеваний и приводят к генной мутации в регионах планеты, находящихся вблизи озоновых дыр.
.jpg)
В 1859 году гигантский выброс корональной массы поразил Землю и вызвал комплекс мощных активных явлений, в том числе отказ всех телеграфных систем, существовавших тогда на планете. Случись такое сегодня, по всему миру были бы разрушены линии электроснабжения, телекоммуникационные и навигационные спутники, системы нефте- и газопроводов.
.jpg)
«ИНТЕРГЕЛИОЗОНД» – российский проект космического аппарата для исследования Солнца с близкого расстояния и внутренней гелиосферы. Запуск планировался в 2015 году, но впоследствии был перенесён на 2020-е. Проект разрабатывается в рамках секции «Физика Солнца» Совета РАН по космосу.
.jpg)
.jpg)
Иллюстрации предоставлены ИЗМИРАН
4027 
