Рядом со Звездой: сложноподчинённые отношения Солнца и Земли

Технический перевод статьи журнала ROOM, №1 июль 2014

Дэвид Алекзандер (David Alexander), кандидат наук Райсовский университет

Мы привыкли к ежедневной миграции Солнца по небу, наслаждаемся его теплом и светом, подпитывающим Землю энергией, но мы редко задумываемся о том простом факте, что эта мощная ядерная печь на пороге «нашего дома» излучает огромное количество энергии и радиации, постепенно разрушающей тонкий защитный слой нашей Планеты.

Взаимодействие Солнца и Земли имеет различные формы, но с наступлением глобального потепления и растущей зависимостью человечества от высоких технологий, последствия этого взаимодействия на данном этапе становятся, как никогда, в высшей степени значимыми.

Солнце является переменной звездой, демонстрирующей переходные и циклические режимы в самых разнообразных временных масштабах: секунды и минуты в солнечных вспышках, часы и дни в коронарных массовых выбросах и геомагнитных бурях, годы и десятилетия в развитии солнечных пятен, столетия и тысячелетия выделения энергии в планетарном масштабе.

В некоторых случаях такие переменные состояния предсказуемы, но непредсказуемы в других, и каждый из них имеет возможность оказывать значительное влияние на Землю: от долговременных климатических воздействий до кратковременных технологических сбоев.

Мы все более пристальное внимание уделяем взаимоотношениям Солнца и климата Земли, поскольку стремимся лучше изучить все факторы, влияющие на резкое потепление нашей планеты. Неоспоримый факт, что человек несёт большую долю ответственности за многое происходящее на Земле, поэтому необходимо оценить не только масштаб воздействия солнечных лучей, наблюдаемый в настоящее время, но и спроецировать исторические и будущие последствия этого процесса.

Солнечная активность, как правило, определяется в пересчёте на количество пятен, наблюдаемых на поверхности Солнца. Солнечные пятна представляют собой локализованные участки сильного магнитного поля, которые возникают на солнечной поверхности и, по сути свой, вырабатывают всю энергию для нагрева солнечной атмосферы и порождают такие переходные энергетические явления, как солнечные вспышки. У нас есть постоянные и подробные отчёты о солнечной активности, начиная с 1610 года, со времени, когда наблюдение за Солнцем через телескоп стало обычным занятием.

В нашем распоряжении есть данные об изменчивости солнечной активности длительностью в 10 000 лет. В первую очередь это углеродистые вкрапления в кольцах древних деревьев и ледяных кернах – высокая ¹⁴C означает низкую солнечную активность. Особо следует отметить образование относительно малого количество видимых солнечных пятен с 1645 по 1715 год. По какой-то причине, которую мы не установили до сих пор, солнечная активность приостановилась на 70 лет (приблизительно семь солнечных циклов). Это явление известно, как «Минимум Маундера» (Maunder Minimum), получившее название в честь британских астрономов Энни и Уолтера Маундер, которые первые описали его. Метеорологические записи того периода свидетельствуют о серьёзных климатических изменениях: более продолжительные и холодные зимы в Северной Европе и Северной Америке. За 400 лет исследований, проведённых в нашем климатическом поясе, а последние 60 лет включают и применение широкого спектра современных программ наблюдения за солнечной активностью в космическом пространстве, мы получили большой объём знаний об изменчивости солнечной активности и её воздействии на Землю. По текущим оценкам доля влияния Солнца на глобальное потепление и последующие изменения климата составляет ниже 25%.           

Солнечная константа

Производство солнечного света (лучистой энергии) начинается с реакции ядерного синтеза, во время которой ядра водорода превращаются в ядра гелия на высоте приблизительно 700 000 км ниже видимой поверхности.

Яркость солнечного освещения составляет 4 х 1026 Вт – в течение одной секунды Солнце производит количество энергии достаточное, чтобы обеспечить Великобританию электроэнергией на десять миллионов лет вперёд.

Лучистая энергия, излучаемая Солнцем, распространяется в космическом пространстве таким образом, что на расстоянии до Земли (150 млн км) её мощность составляет ~ 1366 W/m-2, что мы называем солнечной постоянной. Её количество, достигаемое поверхности Земли, зависит от ряда факторов, включая время суток, сезон, широту и облачность покрова.

Современные наблюдения показали, что солнечная постоянная на самом деле не постоянная, а меняется циклически приблизительно на 0,1% в течение 11-летнего цикла солнечной активности, что мы называем периодическим изменением активности Солнца.

Последнее время мы становимся всё более зависимы от изменчивой природы Солнца, поскольку технологический прогресс шагнул далеко вперёд и использование космических ресурсов стало неотъемлемой частью нашей повседневной жизни (телекоммуникации, мониторинг погоды, навигация, национальная безопасность, развлечения, сельское хозяйство, экологический мониторинг и так далее). За последние пару десятилетий учёные, проводящие гелиофизические и космические исследования, придумали фразу «космическая погода», в краткой форме выражающую особенности взаимодействия Солнца с Землёй.

Выброс солнечной энергии проявляется во многих формах – высокоэнергетические протоны и электроны, УФ и рентгеновское излучение, встроенные магнитные поля – все они оказывают глубокое влияние на околоземное космическое пространство. Особую озабоченность вызывают переходные, внезапно формирующиеся явления, солнечные вспышки и корональные выбросы массы, которые высвобождают огромное количество энергии в течение короткого промежутка времени, передавая большую её часть в геомагнитный пояс Земли и верхние слоя атмосферы. Мы лишь с малой точностью сможем спрогнозировать, когда именно это произойдёт, каковы будут параметры или какие последствия очередной эпизод будет иметь для Земли, хотя количество энергии и энергетический эквивалент таких явлений в целом прослеживается по видимому количеству солнечных пятен.

Активные частицы и УФ-излучение, как результат солнечной активности, повреждают и сокращают жизненный цикл солнечных батарей, которые обеспечивают космические летательные аппараты необходимой энергией. Повышенная магнитная активность, связанная с реакцией Земли на масштабные солнечные явления, серьёзно влияет на навигационные системы, тем самым увеличивая частоту появления ошибок в геостационарных приложениях, применяемых в широком спектре отраслей (таких как рыбалка, борьба со стихийными бедствиями и транспорт).

На первый взгляд повышенные токи в ионосфере могут привести к «коротким замыканиям» в энергосистемах, что в результате приводит к крупномасштабным отключениям. Подобная увеличиваемая нагрузка ионосферы также проявляется в увеличении замеряемых уровней тока в надземных нефте- газопроводов, что приводит к более активному образованию коррозии и необходимости более частого технического обслуживания и ремонта. Увеличивающийся радиационный фон вокруг Земли также порождает радиационную опасность для астронавтов на борту Международной космической станции, особенно во время выхода в открытый космос, и для экипажей и пассажиров воздушных судов, летающих на большой высоте, в частности на полярных рейсах.

Такое множество опасных и вредных факторов, связанных с солнечной активностью, может иметь серьёзные экономические последствия и как таковое заслуживает большей осведомлённости наряду с ресурсным обеспечением усиления контроля, выполнения фундаментальных исследований для разработки передовых методик прогнозирования и смягчения последствий воздействия этих факторов. Многие правительственные учреждения по всему миру включили космическую погоду в список опасных природных явлений, требующих повышенного внимания в сфере планирования чрезвычайных ситуаций.

В прошлом году Управление по научно-технической политике Белого дома опубликовало показатель «потенциала в области мониторинга и прогнозирования потенциально опасной космической погоды» Соединённых Штатов, и Правительство Великобритании также выдвинуло инициативу разработки мер прогнозирования космической погоды, для того чтобы «помочь защитить технологии, от которых зависит наша повседневная жизнь». Центр прогнозирования космической погоды США, базирующийся в г. Боулдер (штат Колорадо), составляет ежедневные бюллетени космической погоды, предупреждений и прогнозов, используя данные, полученные от большого количества наземных и космических обсерваторий.

Супер-бури

В течение 11-летнего цикла своей активности Солнце производит тысячи вспышек и выбросов корональной массы (КВМ) с широким спектром энергий. Иногда, однако, на Солнце случается чрезвычайно крупномасштабное событие, чтобы напомнить нам, насколько мы уязвимы. Вспышка «Каррингтон» в сентябре 1859 года, «Великая буря» в марте 1989 года и последовательность взрывов «Хэллоуин» в октябре / ноябре 2003 года – все они привели к крупным техногенным катастрофам здесь, на Земле.

Вспышка «Каррингтон» была первой зафиксированной вспышкой за всю историю. Она до такой степени отличалась яркостью, что была хорошо видна в оптическом диапазоне на фоне солнечного диска. Она также стала первым свидетельством электромагнитной связи Солнца и Земли. В то время телеграф представлял собой одну из наиболее важных и передовых технологий, к нему прилагались аккумуляторы, чтобы поддерживать ток через провода. Во время вспышки «Каррингтон» наведённые токи на уровне земной поверхности были настолько велики, что операторы могли работать на телеграфе с отключёнными батареями.

Интенсивная вспышка X-класса произошла 6 марта 1989 года и сопровождалась динамичным выбросом коронарного вещества, который достиг Земли через три дня. 12 марта Земля была подвергнута бомбардировке потоком высокоэнергетических протонов, в 100 раз превышающих нормальный уровень. Город Орора просматривался далеко на юг от Кубы; в провинции Квебек рухнула энергосистема; в течение нескольких часов была потеряна связь с несколькими орбитальными спутниками Земли.

«Великая буря» 1989 года, образовавшаяся в результате группы солнечных пятен, в конечном счёте породила более 200 вспышек, многие из крупнейших в X- классификации.

Вспышки «Хэллоуин» 2003 произвели наиболее интенсивный выброс за всю историю. Эта серия больших солнечных вспышек вызвала ряд серьёзных сбоев, включая полную потерю контрольно-измерительной аппаратуры на борту марсианской миссии Odyssey на орбите около Марса; потерю японского спутника; перемаршрутизацию нескольких самолётов в более южные широты и нарушение подачи электроэнергии на юге Швеции. По мере роста нашей зависимости от чувствительных электронных технологий, как в космическом пространстве, так и на земле, растёт наша восприимчивость к электромагнитным воздействием солнечной активности.

Солнце и Земля тесно связаны друг с другом. Мы ещё до конца не поняли механизмы воздействия Солнца на наш климат в прошлом и будущем, тем не менее такой опыт в состоянии дать нам представление о том, какие шаги нам следует предпринять, чтобы смягчить последствия грядущего изменения климата.

Технологическая инфраструктура Земли, в зависимости от которой находится очень много аспектов нашей жизни, в 21-м веке восприимчива к активной деятельности Солнца. Большая часть этой инфраструктуры эксплуатирует и / или зависит от ресурсов космического пространства, ресурсов, которые используются в экстремальных условиях радиации и неустойчивых критических электрических и магнитных возмущений, порождаемых космической погодой.

Подобно метеорологическому прогнозированию в 1950-х годах, способность предсказывать и прогнозировать космическую погоду в наше время находится в зачаточном состоянии и опирается на нашу способность понять, как законы фундаментальной физики работают на Солнце, в межпланетной среде и в магнитосфере Земли. Накопление знаний об этой Звезде на пороге нашего дома повысит нашу способность предсказывать её будущее поведение, углубление наших знаний об изменении климата повысит нашу способность прогнозировать и предсказывать влияние солнечных бурь на поверхность Земли.

***

Материалы:

«Солнце», Д. Алекзандер, 2009, Выпуск: Путеводитель по Вселенной, издательство Гринвуд Паблишинг.

«Солнечные бури», М. Карлович и Р. Лопес, 2004, издательство Джозеф Генри Пресс, Вашингтон, округ Колумбия.

Пятый экспертный отчёт, Изменение климата 2013: Основы естествознания, Рабочая группа МГЭИК, 2013, издательство Кембридж Юниверсити Пресс, Кембридж, Великобритания.

«Нестабильность солнечного излучения и климата», С. К. Соланки, Н. А. Кривова и J.D. Хей, 2013, Ежегодный астрономический и астрофизический обзор, том. 51: 311–351.

 «Системы наблюдений космической погоды: текущие возможности и потребности на следующее десятилетие», Доклад Управления научно-технической политики, 2013, www.whitehouse.gov

Ссылки:

Обсерватория солнечной динамики

Центр прогнозирования космической погоды

Экспериментальная программа исследований солнечного облучения и климатических условий (SORCE)

Наука @ NASA

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
In thrall to a star: understanding the Sun will help us understand our own climate and environment
 журнал ROOM №1 июль 2014