Владимир Кузнецов: Солнце прожило половину своего жизненного цикла

Геомагнитные процессы, происходящие на Земле, техносфера, созданная человеком, разнообразие биологических видов, населяющих нашу планету, напрямую связаны с активностью Солнца, находящегося от нас на расстоянии 150 миллионов километров. О том, как влияют процессы, происходящие на Солнце, на магнитосферу Земли, как она меняется в зависимости от поведения светила, чем опасно радиационное солнечное излучение для околоземных спутников и МКС, какая миссия отправится к Солнцу для его принципиально нового изучения и когда погибнет Солнечная система, в интервью корреспонденту РИА Новости Ирине Альшаевой рассказал директор Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Владимир Кузнецов.

— Что такое солнечные вспышки по их природе, чем они опасны для Земли?

— Солнце — ближайшая к нам звезда, ее мы можем детально наблюдать и изучать. Исследования в этой области очень важны, так как то, что происходит на Солнце, значимо не только с точки зрения астрофизики — ведь аналогичные солнечным процессы происходят и на недосягаемых для нас звездах, но и с точки зрения практической жизни, на которую Солнце оказывает серьезное влияние.

Солнечная вспышка — самое мощное взрывное явление в Солнечной системе. Магнитное поле во вспышках часто имеет петельную структуру, петли взаимодействуют между собой, порождая в плазме солнечной атмосферы электрические токи. Эти токи в силу высокой проводимости солнечной плазмы приобретают форму тонких токовых слоев, энергия магнитного поля которых и служит источником энергии солнечной вспышки. Такие тонкие токовые слои являются неустойчивыми образованиями, и они разрушаются за счет процесса пересоединения магнитных силовых линий. При таком магнитном пересоединении в плазме возникает индукционное электрическое поле, которое ускоряет заряженные частицы — электроны и протоны. Часть частиц уходит в межпланетное пространство, создавая радиационную опасность в околоземном космическом пространстве, другая часть вторгается в плотные слои солнечной атмосферы, генерируя электромагнитное излучение в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах спектра. Это излучение в оптическом диапазоне мы и воспринимаем как солнечную вспышку, наблюдая с Земли в телескоп.

Генерированные в солнечных вспышках излучения воздействуют на околоземное космическое пространство, и они опасны тем, что влияют на ионосферу Земли, нарушая условия распространения радиоволн и радиосвязь, а также могут разрушать электронику спутников, приводить к электризации спутников и другим опасным явлениям. Такие воздействия приводят к уязвимости самых современных космических технологий по отношению к космической погоде, определяемой активностью Солнца, это ГЛОНАСС-GPS-навигации, космическая связь, интернет и спутниковое телевещание и так далее.

—  Как влияют процессы, происходящие на Солнце, на магнитное поле Земли? В каких соотношениях оно увеличивается или уменьшается в зависимости от интенсивности солнечных вспышек?

— Магнитное поле Земли имеет вид диполя, который имеет северный и южный магнитные полюса. Состояние магнитосферы Земли, конечно, подвержено влиянию солнечных процессов. К примеру, от Солнца дует солнечный ветер — поток заряженных частиц и обдувает нашу магнитосферу. Солнечный ветер искажает магнитное поле Земли на большом удалении от Земли, делая его несимметричным: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает шлейф в виде магнитносферного хвоста, который простирается на сотни земных радиусов, выходя за орбиту Луны.

Подсолнечная точка магнитосферы находится на расстоянии примерно 10 земных радиусов. Ее положение меняется с напором солнечного ветра: при слабом солнечном ветре она удаляется от Земли, а при сильном напоре солнечного ветра так называемая лобовая точка магнитосферы может даже заходить за геостационарную орбиту (круговая орбита, расположенная над экватором Земли, находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси — ред.), создавая таким образом повышенную радиационную опасность для геостационарных спутников, так как на дневной стороне орбиты они оказываются вне магнитосферы Земли. Вытянутый хвост на ночной стороне имеет диаметр около 40 земных радиусов и протяженность более 900 земных радиусов.

На поверхности Земли, где магнитное поле сильнее, оно меняется в периоды магнитных бурь незначительно. Но и этого достаточно для того, чтобы вызвать серьезные последствия планетарного характера. Когда меняется магнитное поле, возникает индукционный ток (электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур — ред.). На Земле во время магнитных возмущений индукционный ток возникает в линиях электропередач, нефте- и газопроводах, в железнодорожных электросетях. На Аляскинском трубопроводе регистрировались токи до 1000 ампер. Подобное явление привело к катастрофическим последствиям в 1989 году во время сильной магнитной бури в провинции Канады, включая столицу Канады Оттаву. Из-за возникновения мощного индукционного тока в линиях электропередач перегорели трансформаторы и штат остался без электричества на 9 часов. Кроме того, на атомном заводе перегорел мощный трансформатор, что могло привести к непредсказуемым последствиям.

Таким образом, Солнце оказывает заметное влияние на нашу техносферу. Однако в последнее время Солнце находится в минимуме активности. Кроме того, его сегодняшний цикл, 24-й, и предыдущий 23-й характеризуются как низкие. Высота солнечного цикла определяется числом Вольфа — числом пятен в максимуме солнечного цикла. Пятна — это выходы магнитного поля из недр Солнца. При минимуме солнечной активности их мало или нет совсем, при максимуме их много, и это число характеризует высоту солнечного цикла. За 300 лет наблюдений это число менялось от 48 до 190.

Напрямую с состоянием магнитосферы и ионосферы Земли, к примеру, связана высота орбиты МКС. Во время магнитных бурь атмосфера Земли разбухает и МКС начинает аномально тормозиться. Из-за магнитной бури высота орбиты МКС может уменьшиться на 7 —10 километров.

© Фото : NASA/Роскосмос

— Направляет ли ИЗМИРАН данные своих исследований и наблюдений в ЦУП, участвует ли в планировании запусков ракет?

— Институт был основан в 1939 году как Научно-исследовательский институт земного магнетизма (НИИЗМ) на базе Павловской (Слуцкой) магнитной обсерватории в Павловске. Начал свою работу в январе 1940 года и занимался, в частности, работами по прогнозу радиосвязи и магнитного поля Земли.

Бесперебойная радиосвязь и прогноз состояния геомагнитного поля были нужны военным во время Великой Отечественной войны, в частности, для полетов через Северный полюс в союзные нам США. Тогда не было GPS-навигаторов и летчики ориентировались по магнитному полю. Стрелка компаса, как известно, показывает на магнитный полюс, а географический находится в другом месте. Этот угол между ними называется склонением. Чтобы ориентироваться на местности, его нужно рассчитывать для географических точек. Специалисты нашего института разрабатывали для военных магнитные карты. Также они давали прогнозы Солнца и радиосвязи, связанные с его активностью.

Что касается современности, то наш институт занимается прогнозированием космической погоды для запусков ракет, осуществляемых Роскосмосом. Эти данные используются также для корректировки орбиты МКС. Центр прогнозов космической погоды ИЗМИРАН использует для прогнозирования свои наблюдения Солнца и данные по измерению ионосферы и магнитного поля Земли, а также все другие доступные данные наблюдений по космической погоде. Наши специалисты по ним делают общий прогноз состояния космической погоды, а также специальные прогнозы в интересах Роскосмоса.

Известен случай, когда в период неблагоприятной космической погоды при выведении американского спутника на орбиту в бортовой компьютер управления ракеты попали энергичные частицы, приведя к сбоям. Это могло обернуться катастрофой — от полного отказа бортовой электроники до неуправляемости ракеты.

— Как изменялось магнитное поле Земли на протяжение веков? Возможна ли его моментальная смена? Как оно изменяется сейчас и к чему могут привести такие перемены, вероятна ли планетарная катастрофа?

— Моментальная смена магнитных полюсов невозможна. Магнитологами установлена множественная переполюсовка в прошлом — южный полюс менялся местами с северным не раз, но это очень медленные процессы. Последняя переполюсовка была примерно 780 000 лет назад, обычно она длится от 3 до 10 тысяч лет. Смена полюсов — закономерное природное явление, но каждое конкретное поколение ее не заметит. Магнитные полюса двигаются, потому что магнитное поле связано с процессами, которые происходят в недрах Земли. Высокопроводящее земное ядро взаимодействует с магнитным полем, Земля и ее ядро вращаются, и в какой то момент магнитное поле переворачивается.

Кроме того, полюса дрейфуют. Северный магнитный полюс 200 лет шел на юг и находился в островной части Канады. Потом он пошел на север. Со второй половины XX века полюс довольно быстро движется в сторону Таймыра. В 2009 году скорость движения северного полюса составляла 64 километра в год. Сейчас это движение замедлилось и сменило направление.

Когда происходит переполюсовка, основные полюса исчезают и магнитное поле становится мультипольным — оно никогда не обращается в ноль. Это не приведет к катастрофе, магнитный щит останется, а потом снова вернется дипольная структура магнитного поля Земли.

—  Как ИЗМИРАН исследует солнечную активность, какие программы и проекты ведутся в этой области? Расскажите о проекте "Полярно-эклиптический патруль". В каком году планируется запустить их на орбиту?

— Проект "Полярно-эклиптический патруль" разрабатывался институтом ИЗМИРАН для исследования глобальной активности Солнца и солнечных источников космической погоды. До него велись работы по аналогичному проекту под названием "Интергелиос". Федеральной космической программой было решено объединить эти проекты, и теперь вместе с ведущими российскими институтами, занимающимися проблемами физики космоса, мы работаем над проектом "Интергелиозонд".

Он предполагает создание двух космических аппаратов, которые полетят к Солнцу через Венеру по такой орбите, что за счет соизмеримости периодов вращения аппаратов вокруг Солнца и Венеры вокруг Солнца они будут встречаться около Венеры, и ее гравитационное поле будет использоваться для того, чтобы приблизить космический аппарат к Солнцу. Одновременно с этим будет возможно наклонить орбиту аппарата к плоскости эклиптики (до 27-30 градусов), чтобы лучше наблюдать приполярные области Солнца, где происходит переполюсовка магнитного поля Солнца как составная часть 11-летнего солнечного цикла. До настоящего времени все наблюдения Солнца проводились исключительно в плоскости эклиптики, в которой вокруг Солнца вращаются планеты Солнечной системы и наша Земля.

© Depositphotos.com / kevron2002

Приблизиться к Солнцу и выйти из плоскости эклиптики непросто при запуске аппарата с Земли, потому что планета вращается вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду и погасить такую скорость можно либо мощной ракетой, которой нет, либо существующими ракетами в течение длительного времени, которое никого не устраивает. Это то же самое, что попытаться подойти к центру карусели — центробежная сила будет отбрасывать вас назад. Многократные гравитационные маневры у Венеры за счет силы притяжения Венеры отчасти решают эту проблему.

Исследования Солнца из космоса ведутся давно, все начиналось с запусков аппаратуры на ракетах за пределы атмосферы Земли. За последние годы были реализованы уникальные космические проекты по исследованию атмосферы и недр Солнца. Так, в декабре 1995 года был запущен космический аппарат SOHO (Solar and Heliodpheric Observatory), разработанный NASA и ЕSА. Он постоянно находился в либрационной точке — точке нулевой гравитации между Солнцем и Землей, которая вращается вместе с линией "Солнце-Земля". После этого были запущены такие солнечные космические миссии, как КОРОНАС-Ф, STEREO, Hinode, SDO, КОРОНАС-ФОТОН. Совсем недавно США запустили космический аппарат Parker Solar Probe (солнечный зонд им. Паркера), который также будет совершать гравитационные маневры вокруг Венеры и в итоге приблизится к Солнцу на расстояние в 9,5 солнечных радиусов, это расстояние от Земли до Солнца, одна астрономическая единица, равная примерно 210 радиусов Солнца. Путь космического аппарата к звезде займет семь лет.

Согласно Федеральной космической программе, проект "Интергелиозонд" планируется к запуску в 2026 году. Станция будет состоять из орбитально-перелетного модуля, теплозащитного экрана для защиты комплекса научной аппаратуры и служебных систем от нагрева солнечным излучением, двигательной установки, обеспечивающей необходимые коррекции на этапе перелета к Солнцу. Спутник сначала будет изучать Солнце и околосолнечную среду с расстояний 70-80 радиусов Солнца вблизи плоскости эклиптики, а затем удалится от Солнца и будет наблюдать его из внеэклиптических положений. Будут изучаться солнечные активные явления и связанные с ними эффекты, солнечная корона и солнечный ветер, полярные области Солнца и гелиосфера.

Большой научный интерес представляет изучение триггерного — пускового — механизма таких явлений, как вспышки и выбросы массы, происходящие на Солнце. Дело в том, что не зная его, мы не можем предсказать время, когда на Солнце произойдут эти явления. Это важно в плане прогнозов и выстраивания мер по минимизации негативного воздействия солнечной активности на Землю.

— Почему необходимо исследование ионосферы нашей планеты, какие процессы происходят в ней сегодня?

— Ионосфера — это ионизированная вследствие облучения ультрафиолетовым излучением Солнца часть атмосферы. Максимум ионизации возникает на высотах 350-400 километров от поверхности Земли и зависит от уровня солнечной активности.

Ионосфера играет важную роль в распространении сигналов радиосвязи, а также для современных космических технологий и связи. Их работа построена на высокочастотном диапазоне, когда радиоволны свободно проходят через ионосферу. Но когда ионосфера возмущена и в ней возникает турбулентность, то радиосигналы начинают рассеиваться на ней и это приводит, например, к заметному ухудшению точности навигационных сигналов. Точность может падать до 100 метров, тогда как обычно она может достигать метра и меньше. Представьте: во время тумана летчики садятся на палубу авианосца по GPS-сигналу. Когда его точность при нормальном состоянии ионосферы составляет один метр, это сделать возможно. А когда падает до 100 метров — нет. То же самое происходит с радиосвязью — в полярных регионах с ней постоянная проблема, так как там ионосфера возмущена всегда. Есть такой термин как "поглощение в полярной шапке" — он характеризует явление, при котором радиосвязь в регионе отсутствует полностью. Процессы, происходящие в ионосфере, влияют на торможение низкоорбитальных спутников, и они сильно зависят от уровня солнечной активности.

В настоящее время для изучения ионосферы используют как наземные средства наблюдений (ионозонды), так и прямые измерения на спутниках. Помимо этого, важным методом изучения ионосферы стало изучение ее на основе анализа GPS-ГЛОНАСС-сигналов, которые, проходя между спутником и наземным приемником, несут в себе информацию о состоянии ионосферы. Планируемые спутниковые измерения позволят изучить ионосферные эффекты солнечной активности (вспышки и всплески излучения), эффекты атмосферных явлений — гроз, тайфунов, спрайтов, акустико-гравитационные волны, а также проявления в ионосфере землетрясений и извержений вулканов. Кроме того, исследования ионосферы помогают понять эффекты от запусков ракет и промышленной деятельности.

— Какие наиболее ощутимые на Земле солнечные вспышки прогнозируются в течение ближайших пяти лет? В каком состоянии сейчас находится Солнце?

— Сейчас активность Солнца находится вблизи минимума, через год-два должен быть ее абсолютный минимум. Потом будет его поднятие. Это связано с магнитными полями Солнца, его динамо-механизмом. Солнечное динамо — физический процесс, ответственный за генерацию магнитных полей на Солнце.
Возмущенность околоземного космического пространства и состояние ее магнитосферы определяется солнечным циклом, который составляет 11 лет. В ближайшее время на Солнце не ожидается каких-либо экстремальных событий.

— Как процессы, происходящие на Солнце, в том числе солнечная радиация, влияют на находящиеся на околоземной орбите спутники, МКС, космонавтов? Как сегодня их предлагается защитить от негативного воздействия солнечной активности?

— Эта проблема настолько серьезна, что ею занимается Комитет по мирному использованию космического пространства ООН. Там в научно-техническом подкомитете имеется программа по "Долгосрочной устойчивой космической деятельности", в рамках которой изучаются все проблемы, которые мешают развитию космоса, и, в частности, проблема космической погоды, создающая опасности для спутников и космонавтов.

К примеру, солнечный ультрафиолет выбивает из обшивки спутников электроны, они улетают, заряжая спутник, в результате роста заряда может наступить электрический пробой, выводящий из строя электронику. То же самое может происходить, когда энергичные электроны из космоса вторгаются в работающую электронику.

Полностью исключить негативное воздействие космической погоды на космическую деятельность мы не можем, так же как, например, мы не можем исключить воздействия на нашу жизнь ураганов. Экспертная группа этой программы разработала рекомендации по минимизации такого воздействия, согласно которым необходимо контролировать процессы, происходящие на Солнце, оповещать о них пользователей космической техники, разрабатывать технологии по изготовлению радиационно стойкой электроники и так далее. Выключение аппаратуры спутников в опасные периоды может уменьшить риски их выхода из строя, но при этом прекращается и целевая функция спутника.

—  Когда прогнозируется гибель Солнца и что станет с Солнечной системой в таком случае?

— Солнце находится на главной последовательности в эволюции звезд. Это признак того, что в недрах Солнца устойчиво происходит термоядерная реакция как основной источник солнечной энергии. Время жизни звезды на главной последовательности самое долгое в ее эволюции и составляет около 90%.
Продолжительность жизни Солнца оценивается в 10 миллиардов лет. Примерно 4,5 миллиарда лет Солнце уже прожило, примерно столько же оно будет еще жить. Солнце излучает постоянный поток энергии (солнечная постоянная), поверхностная активность Солнца, связанная со вспышками, выбросами массы и так далее, с точки зрения его глобальной энергетики ничтожна.

Когда на Солнце выгорит весь водород, то начнет выгорать гелий, а затем и более тяжелые элементы. В итоге (примерно через 5 миллиардов лет) энергетика и баланс сил в недрах Солнца изменится и оно расширится примерно до орбиты Венеры, превратившись в звезду-красный гигант, оно поглотит внутренние планеты, сожжет Землю и начнет остывать. Затем оно превратится в мертвый белый карлик с радиусом всего в 10 километров и с колоссальной плотностью, которую даже нельзя сравнить с плотностью металла. Вокруг такого карлика будут вращаться останки уцелевших планет — от Марса, Юпитера и Сатурна.

Средняя плотность Солнца сейчас составляет 1,4 грамма на сантиметр кубический, что в 1,4 раза больше, чем у воды. Плотность вещества в ядре Солнца составляет примерно 150 граммов на сантиметр кубический, это в 150 раз выше плотности воды и примерно в 6,6 раза выше плотности самого плотного металла на Земле — осмия.