Земля в обіймах Сонця

«За прогнозами геліометеорологів, сьогодні очікується висока сонячна активність, пік якої припаде на 17-18 годин за московським часом. Ослаблення магнітного поля Землі може призвести до збоїв у роботі електронної техніки, систем навігації та телекомунікацій. За даними супутника Solar Orbiter, найближчої доби потужний сонячний вітер увірветься в полярні області Землі. Спонсор нашого випуску, компанія «Полярні авіалінії», рекомендує терміново купувати квитки в Мурманськ, де очікується надзвичайно яскраве північне сяйво «. Так чи приблизно так — прогнозом сонячної погоди — будуть закінчуватися новинні блоки вже в самій недалекій перспективі. І нехай вас не бентежать малознайомі слова («геліометеоролога» ми, зізнатися, вигадали самі). Поняття космічної погоди увійшло в науковий ужиток недавно, в 1990-ті роки, але область знань, в надрах якої воно зародилося, розвивається так активно, що вже через кілька років подібні прогнози стануть реальністю, а терміни будуть знайомі кожній домогосподарці. Але про все по порядку.

Дме сонячний вітер

Цікава для нас область науки вивчає активні події, що відбуваються на Сонці, і їх вплив на магнітосферу, іоносферу і атмосферу Землі. Хоча як окремий напрямок ця дисципліна сформувалася лише близько чверті століття тому, саме поняття «космічна погода» радянський біофізик Олександр Чижевський використовував ще на початку XX століття. Один з найбільших романтиків від науки, він писав: «Земля постійно знаходиться в обіймах Сонця. Сонячна активність, як настрій людини, передається Землі через ці обійми «.

Олександр Чижевський (1897-1964) — радянський біофізик, основоположник геліобіології. Поклав початок вивченню впливу сонячної активності на біосферу Землі.

Нові покоління вчених розклали ці «обійми» на складові.

Всередині Сонця, як ми пам’ятаємо ще зі школи, йде потужна термоядерна реакція з виділенням величезної кількості енергії. Дуже-дуже повільно, іноді близько мільйона років, ця енергія піднімається з центру зірки до її поверхні. По дорозі слабшає, тому процеси, що відбуваються в центрі Сонця, можна «побачити» тільки в рентгенівському діапазоні, а ті, що на поверхні, — своїми очима (через захисний фільтр, звичайно). Точніше кажучи, шар, випромінювання в якому вже можна спостерігати на власні очі, фотосферу, і прийнято вважати поверхнею Сонця, адже твердої оболонки, як у Землі, у зірки немає. Світло Сонця долітає до нашої планети за 8 хвилин — світло, яке зародилося мільйон років тому!

Але крім фотонів, що прилітають до нас зі швидкістю світла, Сонце виділяє величезну кількість електронів і протонів. Їм, щоб досягти нашої планети, потрібно від доби до трьох.

— З Сонця постійно спливає так званий сонячний вітер — потік заряджених частинок, який підлітає до Землі постійно, кожна мить, 24 години на добу, — пояснює співробітник Космічного центру Сколтеха Тетяна Подладчикова.

Тетяна Подладчикова — кандидат технічних наук, старший викладач Космічного центру Сколковського інституту науки і технологій. Володар Міжнародної медалі ім. Олександра Чижевського по космічній погоді і космічному клімату.

Щоб зрозуміти, як дме сонячний вітер, потрібно згадати, що Сонце — це величезна газова куля, екватор якої обертається навколо своєї осі набагато швидше, ніж полюса. Це явище називають диференційним обертанням Сонця.

— Частинки розлітаються приблизно так само, як розносилися б бризки води з шланга, якби ви оберталися разом з ним. Відлітаючи, заряджені частинки забирають магнітне поле зірки і в результаті заповнюють ним всю Сонячну систему. А оскільки Сонце обертається навколо своєї осі, це поле в міжпланетному просторі набуває особливої форми, яку вчені називають «багатошаровою спідницею балерини», — каже Тетяна.

Виходить, і Земля, і інші планети Сонячної системи, і конкретно ми з вами живемо в складках цієї спідниці — складках магнітного поля Сонця.

Іноді сонячний вітер перетворюється на ураган, і тоді величезна магнітна хмара заряджених частинок відривається від поверхні зірки і забирається в космічний простір. Це явище фізики називають корональним викидом мас. Якщо така хмара попрямує до Землі, то за певних фізичних умов буде здатна прорватися до поверхні нашої планети і накоїти бід.

Навчитися передбачати подібні події — завдання неймовірно складне. Тож нинішні прогнози космічної погоди іноді нагадують звичайні: з ранку обіцяють дощ, ви берете парасольку і жодного разу її не дістаєте. Хмара сонячних частинок в останній момент може пройти повз планету, як і хмара повз місто. Адже у Землі, на відміну, наприклад, від Марса, є магнітне поле — купол, який захищає нас від частинок, що летять з космосу, зокрема сонячних.

Але так відбувається не завжди. Буває, що магнітні лінії Сонця пересоєднуються з лініями магнітного поля Землі, тобто сходяться з ними, змикаються. Після чого переміщаються на нічний бік Землі, і там відбувається ще одне пересоєднання — фактично розрив того самого нашого природного захисту. Прорвавши її, заряджені частинки «засипаються» по магнітних лініях Землі в полярні області.

І в цей момент ми бачимо полярне сяйво.

— Це єдине і дуже красиве явище космічної погоди, яке ми можемо побачити на власні очі, — каже Тетяна Подладчикова.

Полярне (північне) сяйво — світіння верхніх шарів атмосфери. Заряджені частинки сонячного вітру, потрапляючи в атмосферу Землі, вступають у взаємодію з частинками азоту і кисню, наділяючи їх зайвою енергією. Ті скидають її у вигляді фотонів. І ми бачимо світіння різного кольору — залежно від довжини хвилі

Сонячні цикли

Сонячні плями — це реальні затемнення на поверхні зірки, їх можна побачити в оптичний телескоп, перерахувати і виміряти (діаметр такої плями легко може досягати трьох земних).

Люди помічали сонячні плями ще в першому тисячолітті до нашої ери, з винаходом телескопа в XVII столітті спостереження стали більш впорядкованими. Однак сама природа плям аж до XX століття залишалася загадкою. Сьогодні ми знаємо, що затемнення — це області посилення магнітного поля. У цих точках воно настільки потужне, що гальмує перенесення енергії і тепла з надр Сонця на його поверхню. Відповідно, температура тут на 200-300 градусів нижче, ніж в інших областях, тому ми бачимо плями темними. Втім, довго утримувати енергію не виходить — вона накопичується і в якийсь момент проривається. На Сонці відбувається активна подія — сонячний спалах, який може супроводжуватися корональним викидом мас.

Сонячні плями здаються темними через нижчу температуру: обурене магнітне поле в цих регіонах стримує перенесення енергії з внутрішніх шарів Сонця

Нинішні вчені дивляться на Сонце не тільки в оптичні телескопи з Землі, як Галілей. Спостереження в інших діапазонах, ультрафіолетовому і рентгенівському, дозволяють зрозуміти, що відбувається у верхніх шарах Сонця, і розібратися в походженні плям.

Все починається з переплутування магнітних ліній Сонця. Як ми пам’ятаємо, екватор обертається швидше, і в якийсь момент магнітні лінії, що обвивають Сонце, починають заплутуватися, ніби нитки. Виникають так звані петлі — місця найбільшої напруженості. У рентгенівському діапазоні ми бачимо ці місця як особливі магнітні арки — потоки заряджених частинок, що огинають лінії магнітного поля Сонця.

— Уявіть, що ми розбираємо капусту на листя, оголюючи все нові рівні. Спостерігаючи за Сонцем у різних діапазонах, ми бачимо різні його шари. В одному з них, наприклад, — сонячні протуберанці. А зіставивши все побачене, ми можемо зрозуміти взаємозв’язки і встановити ланцюжок подій, — продовжує Тетяна.

Після того як магнітні лінії заплутаються до межі, вони починають розплутуватися. Тобто сонячна активність то підвищується, то знижується. У XIX столітті, приблизно через двісті років після початку спостережень за Сонцем у телескоп, з’ясувалося, що процес цей циклічний. Відкриття зробив астроном-любитель і фармацевт за професією Генріх Швабе.

Генріх Швабе (1789-1875) — аптекар, астроном-аматор, увійшов в історію як першовідкривач циклу сонячної активності.

Він багато років спостерігав за Сонцем, рахуючи плями, і методично записував дані в блокнотик. Через кілька років після того, як Швабе опублікував свою роботу, професійні астрономи підтвердили відкриття і уточнили тривалість циклу — 11 років.

Сонячний цикл починається із зародження плям на полюсах Сонця. Поступово плям стає більше, вони переміщуються від полюсів до екватора. У мінімумі сонячної активності, коли плями практично відсутні, магнітне поле Сонця виглядає як звичайний магніт з круговими лініями і двома полюсами. У максимумі це клубок «ниток» з вираженими петлями.

— При цьому кожні 11 років полюса Сонця міняються місцями: південний переходить на північ і навпаки. Це складний процес так званого сонячного динамо, — додає Тетяна.

Після відкриття циклів сонячної активності вчені виявили, що вони не рівнозначні: піки сонячної активності мають різну інтенсивність. В опублікованому нещодавно в The Astrophysical Journal дослідженні, провідним автором якого виступила Тетяна Подладчикова, вчені наводять результати прогнозування прийдешніх циклів. Очікується, що сила наступного, 25-го, циклу сонячної активності буде ще меншою, ніж 24-го.

Передбачити погоду

Як і у випадку з просто погодою, прогнозування космічної погоди будується на стику фізики і математики. Точність передбачення підвищується в міру вникання в деталі процесів, що відбуваються, а математика допомагає обробити велику кількість даних.

Зараз близько 80 обсерваторій у світі щодня синхронно підраховують кількість плям на сонці, — розповідає Тетяна. — Оскільки в сонячний телескоп дивитися не можна, щоб не пошкодити очі, картинка з нього проектується на аркуш паперу, і людина вручну обводить і рахує плями, відстежує місце розташування їх груп. Людське око досі залишається найкращим інструментом для таких підрахунків. Потім всі дані відправляють на обробку в Брюссель, в Королівську обсерваторію.

Людське око досі залишається найнадійнішим інструментом для фіксації кількості плям на Сонці

За структурою плям можна припустити, чи відбудеться спалах. І якщо це станеться, коли група плям знаходиться в центрі сонячного диска, то хмара плазми полетить строго на нас. Можливість прогнозування будується на знанні того, що через обертання Сонця раз на 27 днів група плям зазвичай опиняється на одному і тому ж місці.

Але з Землі можна отримати далеко не всі дані, адже атмосфера поглинає ультрафіолет і рентгенівське випромінювання, а більшість сонячних подій у видимому діапазоні не спостерігається. Доводиться дивитися з космосу. Перші супутники для цих цілей запустили в середині 1990-х, а в 2010 році на геостаціонарній орбіті Землі запрацювала сонячна динамічна обсерваторія NASA.

Крім того, на орбіті зараз знаходиться кілька коронографів, що спостерігають безпосередньо за сонячною короною, тобто зовнішніми шарами сонячної атмосфери. Оскільки сонячний диск занадто яскравий, коронограф створює штучне затемнення, закриваючи диск гуртком, і в результаті дозволяє спостерігати за сонячною короною. Таким чином можна побачити навіть корональний викид мас — як частинки відриваються від Сонця і забираються в космос.

— Відстежуючи викид у режимі реального часу, можна зрозуміти, чи прямує хмара частинок у бік Землі. Якщо так, то приблизно через три дні сонячний ураган спробує прорвати нашу атмосферу, — каже Тетяна.

Ще більш точні дані отримує супутник, що знаходиться в точці Лагранжа L1, приблизно в 1,5 млн км від Землі. За його даними вже можна судити, чи відбудеться розрив в магнітному полі Землі, або буря обійде нас стороною. Це найнадійніший на сьогодні прогноз, але робиться всього за кілька годин. Проте вже в 2018 році стартують місії Solar Probe і Solar Orbiter — ці супутники займуть місце значно ближче до Сонця, і забезпечать більш довгостроковий прогноз.

У 2000 році сонячна активність була дуже висока. Тоді впало і вийшло з ладу дуже-дуже багато супутників. Але деякі завдяки прогнозам вдалося зберегти, ввівши в сплячий режим на час проходження хмари частинок. Простий приклад того, як наша робота допомагає заощадити мільйони доларів, — розповідає Тетяна.

Важливо це і для планування космічних місій. Під час активних подій на Сонці космонавти, вже не захищені повною мірою магнітним полем Землі, можуть отримати неабияку дозу опромінення. Сьогодні всі місії плануються з урахуванням прогнозу космічної погоди, а довгострокові польоти, наприклад на Марс, будуть неможливі, поки наука не придумає спосіб захистити людину від сонячної радіації.

Бурі і люди

— Біля поверхні Землі заряджені частинки, що прилетіли з Сонця, потрапляють у пастку магнітного поля. Частинки в магнітосфері можуть прискорюватися до дуже високих енергій. Ці процеси формують кільцевий електричний струм — він опоясує нашу планету на відстані від трьох до п’яти земних радіусів від поверхні. Струм породжує магнітне поле, спрямоване протилежно земному, і таким чином послаблює його. На Землі відбувається геомагнітна буря, — пояснює механізм явища Тетяна.

Результати — наскільки ослабло магнітне поле Землі — здатні виміряти наземні магнітні станції.

Геомагнітна буря — мабуть, найвідоміший термін з області космічної погоди. Повідомлення про неї включають навіть у традиційний прогноз.

Річард Керрінгтон (1826-1875), англійський астроном. Описав положення осі обертання Сонця і періоди обертання на різних геліографічних широтах. Іменем Керрінгтона названі система геліографічних координат і комплекс подій, що відбулися на Сонці 1 вересня 1859 року.

У 1859 році англійський астроном Річард Керрінгтон, спостерігаючи за сонячними плямами, вперше в історії побачив спалах на Сонці. Приблизно через добу на Землі сталася найсильніша магнітна буря. У Європі та Північній Америці відмовив телеграф, а полярне сяйво бачили навіть жителі Карибських островів. Керрінгтон припустив, що причиною всіх цих явищ став спалах на Сонці, але наукове співтовариство поставилося до ідеї скептично.

Зараз зв’язок між сонячною активністю і виникненням магнітних буревіїв на Землі ніхто не заперечує, але аж надто багато міфів навколо самого поняття, нарікають вчені.

— Людина, та й будь-який живий організм, — занадто складна структура, і досі немає достовірних досліджень, що доводять прямий вплив на нас геомагнітних буревіїв і космічної погоди в цілому. Насамперед складно оцінити, це Сонце вплинуло чи щось інше. Зараз йде процес накопичення даних, так що відкриття в цій області не за горами. Але можу точно сказати, що голова від магнітної бурі захворіти не може: геомагнітне коливання, викликане бурею, набагато менше коливання від трамвая, — пояснює Подладчикова.

Деякі дослідження показують, що в момент магнітної бурі згущується кров. І якщо здоровому це нічим не загрожує, то у людини в групі ризику з серцево-судинних захворювань може стати останньою краплею і спровокувати інсульт або інфаркт. Згідно зі статистикою, число викликів швидкої допомоги в періоди сильних магнітних буревіїв завжди зростає.

Ускладнює роботу вчених і те, що людина — істота дуже адаптивна. Ми звикаємо до умов, в яких живемо. Наприклад, жителі полярних широт не страждають від магнітних буревіїв сильніше, ніж жителі екватора: організм пристосувався. А ось зовсім без геомагнітних буревіїв буде погано, мабуть, нам усім. Принаймні щури, яким створили в лабораторії відповідні «тепличні» умови, стали млявими і перестали розмножуватися.

— Олександр Чижевський пов’язував активність Сонця також і з соціальними процесами: війнами і революціями. Однак вплив сонячної активності на людину — питання дуже складне, і об’єктивну відповідь на неї належить дати вченим майбутнього. Нові аспекти сонячно-земних зв’язків, можливо, допоможе розкрити запуск супутників за межі магнітосфери Землі. До того ж, на допомогу приходять великі дані, чекаємо і геніальних ідей щодо експериментів. На мій погляд, прорив трапиться в найближчі півстоліття, — каже Тетяна.

Інша справа техніка. Ми знаємо, як вона працює, оскільки самі її спроектували, а значить, можемо простежити, як впливає на електронні пристрої космічна погода. Взяти, наприклад, геомагнітну бурю 13-14 березня 1989 року, що увійшла в історію як Квебекська подія. Тоді канадська провінція Квебек залишилася без електрики через згорілого транзистора, а економіка країни втратила мільярди доларів. До речі, полярне сяйво в ці дні спостерігали знову-таки жителі південних широт.

Помітні незручності заподіяв спалах на Сонці, що стався 4 вересня 2015 року. Тоді у Швеції зникли з радарів літаки над усією південною частиною країни. Диспетчери екстрено посадили судна, що знаходилися в повітрі; всі польоти були відкладені.

6 і 10 вересня 2017 року на Сонці були дуже потужні спалахи. Космонавтам на МКС дали сигнал перейти в спеціальне укриття, щоб знизити опромінення. Цікаво, що найнебезпечнішим для польотів вважається не максимум, а мінімум сонячної активності. Справа в тому, що в ці моменти з інших зоряних систем до нас спрямовуються наденергетичні частинки, а вони набагато небезпечніші і для техніки, і для людей. Тож, плануючи космічні польоти, доводиться шукати певний баланс.

Сьогодні моніторинг магнітних бурь займається багато залізничних перевізників, а також компанії, що експлуатують електростанції і навіть трубо- і нафтопроводи. До речі кажучи, всі дані, отримані в ході дорогих космічних місій, відкриті для зацікавлених осіб на ресурсах ESA і NASA.

Ми зараз набагато більше залежимо від електрики, ніж сто років тому, — підсумовує Тетяна. — Не так давно не надто сильна буря призвела до того, що в Архангельську світлофори раптово стали довільно перемикатися з червоного на зелений. А що, коли трапиться подія, подібна до бурі 1859 року? Це призведе до непередбачуваних наслідків. Так що важливість прогнозування зростає день від дня. А поки гарної космічної погоди всім нам!

Ілюстрації: Shutterstock, Wikipedia/Commons, NASA, особистий архів Тетяни Подладчікової