Солнце надувает пузыри: как космическая погода влияет на Землю

Как Солнце создаёт космическую погоду? Почему на его поверхности происходят вспышки? Куда дует солнечный ветер? Чем грозят мощные выбросы на Солнце и магнитные облака? Об этом и многом другом рассказала в своей лекции в кино-конференц-зале Ельцин Центра 9 июня Татьяна Подладчикова — астрофизик и математик, кандидат технических наук, доцент Сколтеха, лауреат международной медали Александра Чижевского по космической погоде и космическому климату.

Татьяна занимается исследованиями в области солнечно-земной физики и разработками новых сервисов космической погоды. Во вступительном слове она привела несколько наиболее ярких примеров того, как солнечная активность влияет на события на Земле.

— В феврале 2022 года компания SpaceX запустила в космос 49 спутников в рамках интернет-проекта Илона Маска Starlink, однако большая часть спутников через несколько дней сгорела в атмосфере Земли из-за солнечной бури. А в 2003 году во время федеральных выборов в Бельгии космические лучи вызвали компьютерный сбой, в результате которого количество голосов за одного из кандидатов за одну секунду выросло на 4000.

Светило с пятнами

Почему случаются геомагнитные бури и полярные сияния? Как можно прогнозировать экстремальные события космической погоды, оказывающие прямое влияние на здоровье космонавтов и работу технологических систем в космосе и на Земле? Этими вопросами задавалось не одно поколение учёных.

Ещё несколько столетий назад люди были убеждены, что Земля находится в центре мироздания, а Солнце вращается вокруг неё. В центр мироздания светило «переместил» Николай Коперник. В начале XVII века Галилео Галилей направил на Солнце телескоп и увидел на его поверхности тёмные пятна. Благодаря этой находке он обнаружил, что ближайшая к нам звезда не является неподвижной — она также вращается вокруг своей оси.

Первого сентября 1859 года английский астроном-любитель Ричард Кэррингтон, находясь в обсерватории в своём саду, срисовывал тёмные пятна с поверхности Солнца. Вдруг он заметил над огромной группой пятен две вспышки. Через 18 часов Землю начало «штормить»: полярные сияния наблюдались даже в умеренных широтах, ночью было светло, а в Европе и США из строя вышел телеграф — из аппаратов сыпались искры.

Кэррингтон предположил, что переполох на Земле был вызван теми самыми вспышками на Солнце, но его идеи подверглись жёсткой критике — среди скептиков оказался даже «король викторианской физики» лорд Кельвин, именем которого впоследствии была названа температурная шкала.

Если бы это было действительно Солнце, — говорили современники, — значит, скорость распространения солнечного вещества превышала бы 2300 километров в секунду! Для середины XIX века это число казалось невообразимым. Чтобы доказать, что Кэррингтон был прав, понадобилось 100 лет.

Встречайте Солнце!

Татьяна Подладчикова привела краткие факты о «звезде нашей жизни», известные учёным на данный момент. Солнце:

Находится в среднем для звёзд возрасте и в конечном счёте сожмётся в белый карлик.

Может вместить миллион таких планет, как Земля, и примерно 1 000 Юпитеров.

Шире Земли примерно в 100 000 раз.

Не твердое тело, а раскалённый кипящий газ.

Совершает один полный оборот вокруг своей оси за 27 дней.

Каждую секунду преобразует 700 млн тонн водорода в 695 млн тонн гелия за счёт ядерной реакции в центре.

Оставшиеся 5 миллионов тонн превращаются в энергию в виде гамма-лучей, не воспринимаемых человеческим глазом. Эта энергия очень медленно поднимается из ядра наружу, длина волны увеличивается, и энергия превращается в видимый свет. Таким образом, тот свет, который мы видим ежедневно, и то тепло, которое мы ощущаем, зародились в недрах Солнца миллионы лет назад.

На поверхности Солнце постоянно кипит. Зоны кипения похожи на гранулы — в их центре горячий газ поднимается наружу, а по краям остывает и опускается на более глубокие слои. Размер одной такой гранулы больше, чем расстояние между Санкт-Петербургом и Москвой.

Ещё на поверхности Солнца есть тёмные пятна. Наблюдения за ними длятся уже 400 лет — это самый длинный непрерывный научный эксперимент в истории человечества. В XIX веке учёным стало понятно, что пятна появляются и исчезают с периодичностью в 11 лет. Это находит отражение и в явлениях земной природы — к примеру, каждое 11-е годовое кольцо у деревьев чуть толще других. Лёд в Антарктиде также даёт понять, как падала или росла солнечная активность. Кстати, сейчас мы находимся в фазе её роста.

Пятна на Солнце появляются в его средних широтах, на 30–35 градусах, постепенно они становятся больше и приближаются к экватору. Мы можем наблюдать устойчивые пятна на протяжении нескольких оборотов светила, и их появление и исчезновение по расписанию говорит учёным, что в основе этого процесса лежит определённый механизм, пока до конца не изученный.

Подобно Земле, Солнце — это магнит с вертикальными линиями поля, связывающими северный и южный полюса. Но эти линии вертикальны и параллельны только на минимуме солнечного цикла: обычно они «закручиваются» вдоль экватора, как клубок ниток, рвутся — и так появляются солнечные пятна. А магнитные «север» и «юг» Солнца меняются местами.

Пятна являются маркерами мощного магнитного поля. В ультрафиолетовом свете на снимках солнечной поверхности мы видим огромные арки, которые уходят корнями в солнечные пятна. В этих арках накапливается огромная энергия, которая может высвободиться в виде вспышки. Именно из-за магнитного поля пятно светится тусклее по сравнению с окружающей поверхностью.

Корона и её вспышки

Наблюдение за полным солнечным затмением — удивительное явление, оно всегда оказывало на людей колоссальное влияние, — продолжает Татьяна Подладчикова. Сначала мы видим, как «загорается» красный слой — хромосфера Солнца. Затем вокруг солнечного диска «выступают» лучи в форме ярко сияющей короны — благодаря визуальному сходству, этот слой и получил своё название.

Температура в ядре Солнца составляет 15 млн градусов Кельвина. К поверхности она падает до 5,5 тысячи градусов. В солнечной короне она растёт до миллионов, и для физики это очень жгучий вопрос — почему так происходит. В короне очень горячо, и поэтому гравитация звезды не может удержать высоко заряженные частицы — Солнце испускает солнечный ветер, потоки протонов и гелия. Каждую секунду светило теряет около миллиона тонн массы.

Также на Солнце происходят вспышки — и, как говорилось выше, они связаны с солнечными пятнами. Накапливая потенциал месяцами, вспышка за несколько минут источает колоссальное количество энергии. В пространство выбрасывается солнечная плазма в виде протуберанцев — плотных конденсаций относительно холодного (по сравнению с солнечной короной) вещества, которые поднимаются и удерживаются над поверхностью Солнца магнитным полем.

Протуберанец застывает над поверхностью Солнца как струна. Иногда гравитация берёт верх и протуберанец падает на Солнце, а иногда плазма выбрасывается в космос — и это миллиарды тонн вещества, которые могут ударить о Землю в течение нескольких дней, если выброс происходит в сторону нашей планеты.

Когда это облако достигает магнитного поля Земли, заряженные частицы возбуждают кислород и азот атмосферы, а излучение возбуждённых атомов приводит к появлению полярного сияния. Наш глаз воспринимает это явление как фиолетовое, зелёное или красноватое свечение. Овал полярного сияния существует вокруг полюсов всегда, но во время сильных бурь спускается в более южные широты.

От удара атмосфера Земли нагревается, магнитосфера сильно сжимается, и спутники и космонавты остаются без защиты. К примеру, 10 сентября 2017 года во время выброса плазмы космонавты на МКС были вынуждены перейти в специальное укрытие от радиации. Когда Солнце «штормит», спутники переводят в резервный режим и отключают чувствительное оборудование.

Во время солнечных вспышек в атмосфере Земли нарушается работа радиосвязи и телефонов, из строя выходит оборудование GPS, а внутренний компас сбивается даже у птиц. Авиаперелёты через Северный полюс — например, так летают из Нью-Йорка в Дубай — во время подобных магнитных бурь запрещены.

Прогнозирование солнечной погоды

«Земля постоянно находится в объятьях Солнца, и настроение светила передаётся через эти объятья», — писал советский учёный Александр Чижевский.

Почему важно прогнозировать солнечную погоду? Татьяна Подладчикова привела несколько красноречивых примеров. 30 января 2022 года произошла мощная вспышка на Солнце, и корональные выбросы достигли Земли через несколько дней — в тот самый момент, когда компания Space X запускала 49 спутников системы Starlink. Большая часть спутников сгорела в атмосфере Земли. Ущерб составил 50 миллионов долларов.

В 2019 году в Канаде магнитная буря вывела из строя трансформатор, в результате чего 6 млн человек остались без тепла и связи. А если бы сегодня повторилось «событие Кэррингтона», то ущерб составил бы миллиарды или триллионы долларов.

Вспышки происходят постоянно: 11 апреля 2022 года мощный поток частиц вырвался с поверхности Солнца, 14 апреля он достиг Земли, и полярные сияния наблюдались даже под Нижним Новгородом.

Прогноз космической погоды имеет большое значение для космического туризма — суборбитальные полёты с участием непрофессиональных космонавтов с 2021 года совершают компании Ричарда Брэнсона и Джефа Безоса.

Сейчас Солнце находится под контролем и наблюдением 24 часа в сутки. Если огромные группы пятен спустя 28 дней остаются на том же месте — нам ничего не грозит, а если они сместились, то через 5–6 дней возможно появление «корональных дыр» и вспышка.

Если мы видим на коронографе надувающийся пузырь вспышки, направленный в сторону, — скорее всего, поток частиц летит мимо нас. А вот если пузырь «надувается» со всех сторон — значит, солнечное вещество летит прямо на Землю и надо выключать чувствительные приборы.

Мы не до конца понимаем, как 11-летний цикл создаёт солнечную погоду. Учёные занимаются изучением этого вопроса. В 2018 году зонд Parker Solar Probe пролетел через солнечную атмосферу, а в 2020 году для изучения светила был запущен спутник Solar Orbiter. Он должен справиться с уникальной задачей — увидеть то, что происходит на полюсах Солнца. Аппарат выйдет из плоскости эклиптики примерно на 20 градусов и «посмотрит» на ближайшую к нам звезду под таким углом, под которым никто никогда не смотрел.

Часто в поле зрения коронографов попадают кометы, благодаря этому прибору находят все новые и новые космические тела этого типа. По направлению движения хвоста кометы мы можем понять, в каком направлении «дует» солнечный ветер.

Солнечный ветер устремляется в далёкий космос, заполняя всю Солнечную систему в форме спирали Архимеда, а планеты находятся в складках этой спирали. Он защищает нас от более опасного межзвёздного ветра. За границы гелиопаузы — оболочки, в которой давление солнечного ветра уравновешивается с межзвёздным, — вышли аппараты «Вояджер 1» и «Вояджер 2». Это единственные творения рук человеческих, которые столкнулись с потоком частиц с других звёзд. На случай встречи с другой жизнью на них разместили информацию о человечестве, выгравированную на золотой пластине.

По словам Татьяны Подладчиковой, освоение космического пространства, в котором уже обнаружены огромное количество звёзд, похожих на наше Солнце, и тысячи экзопланет вокруг них — это следующий шаг в истории человечества. Однако и сейчас мы используем технологии космоса: например, в производстве аэродинамических кроссовок, новых видов тканей или ccd-камер в наших смартфонах.

— Раз мы сотканы из вещества со звёзд, то и жить надо как звезда — расширяться! — завершила своё выступление астрофизик.