Танцы магнитного поля: Солнце задаёт ритм Земле

Содержание

1. Как магнитное поле вообще на что‑то влияет?
2. Влияние на технику и инфраструктуру: реальные риски сегодня
3. Исторические вехи: как Солнце меняло жизнь людей
4. Солнечная активность: 11-летний пульс Солнца
5. КВМ — корональные выбросы массы
6. События Мияке: солнечные супервспышки в древесных кольцах
7. Солнечный ветер и магнитосфера: невидимая защита Земли
8. Российская наука и наблюдение за Солнцем
9. Полярные сияния: красота и физика

Чувствовали ли Вы когда‑нибудь недомогания из‑за вспышек на Солнце? К сожалению, в последнее время эта тема стала неадекватно популярной, и многие новостные сообщества пытаются продвинуться на ней, то ли предупреждая, то ли запугивая народ — не понятно.

Может ли человек чувствовать изменения в магнитном поле Земли, возникающие во время магнитных бурь? Этим вопросом периодически задавались многие учёные, давайте посмотрим, что они говорят по этому поводу.

1. Как магнитное поле вообще на что‑то влияет?

Вспомним из школьного курса, как индуцированный ток возникает: «Закон Фарадея гласит, что всякое изменение магнитного поля возбуждает в проводящих телах электрический ток, сила которого зависит не от самого магнитного поля, а от скорости его изменения».

А на сколько меняется магнитное поле Земли во время бурь? При довольно сильной магнитной буре это изменение может составлять порядка 300 нТл. При этом среднее значение магнитного поля Земли, которое пронизывает нас прямо сейчас — порядка 30 мкТл (понятно, что это зависит от географической широты, на которой вы находитесь, просто возьмём тридцатку для оценки). А какое магнитное поле используется в медицине, например, для исследования человеческого организма? В современных аппаратах МРТ значение магнитной индукции может достигать 3 Тл — это очень сильное поле.

Сравним все три значения:

Аппарат МРТ: ~3 Тл
Поле Земли: ~30 мкТл = 0,00003 Тл
Изменения магнитного поля Земли во время магнитной бури: ~300 нТл = 0,0000003 Тл

Можно сделать грубую оценку, что во время магнитной бури индукция может меняться примерно на 1% (по абсолютной величине) — исчезающе малое значение для человеческого организма, поэтому для нас поле Земли с большой точностью постоянное. Мы гораздо эффективнее ощущаем на себе изменения атмосферного давления и температуры окружающей среды, но точно не магнитного поля.

Профессор Лев Александрович БЛЮМЕНФЕЛЬД говорил по этому поводу, что «не знает ни одного экспериментального факта, однозначно свидетельствующего о существовании эффекта воздействия постоянного магнитного поля на биологические процессы. Все результаты либо статистически недостоверны, либо могут быть объяснены электрическими эффектами, возникающими при включении и выключении магнитного поля или при движении в нём объектов измерения».

«Действие магнитного поля на различные организмы (биомагнетизм) принадлежит к таким вопросам, которые в течение столетий то овладевают вниманием ученых, то выбрасываются в мусорный ящик псевдонаучных исканий…» — Профессор Л. Л. ВАСИЛЬЕВ.

Подробнее с вопросом о биомагнетизме и дискуссиями по этому поводу можно ознакомиться в статье из журнала «Наука и жизнь»: Жизнь и магнитное поле | Наука и жизнь

Что касается животных, то достоверно известно, что перелётные птицы умеют во время сезонных миграций ориентироваться по магнитному полю Земли — это показало множество экспериментов. Правда, стало понятно, что птицы не умеют отличать север и юг — для них оба полюса равнозначны и, по всей видимости, они просто летят на тот полюс, который теплее. Возможно, они даже могут видеть полюса как некий градиент, наложенный на фон неба — за это ответственны определённые соединения в глазах птиц. Анимация ниже взята из видео Побединского, посмотрите, если интересно узнать подробнее про механизм магниторецепции у животных: https://vkvideo.ru/video-71138395_456239506?t=13m20s

Относительно человека, повторюсь, доказательств нет: мы не можем почувствовать столь слабые изменения в магнитном поле Земли, которые происходят даже при самых мощных солнечных вспышках.

Но это чувствует наша техника. Спутники теряют высоту при повышении электронной концентрации во время магнитных бурь. Возникают помехи в связи, электронные устройства спутников могут выйти в строя, следовательно, и наши смартфоны, принимающие с них сигнал, перестанут корректно работать. Плюс ко всему этому происходит наводка на линии электропередач, так что могут возникнуть перебои в работе любых приборов, потребляющих электроэнергию.

2. Влияние на технику и инфраструктуру: реальные риски сегодня

Почти полный список того, к чему в действительности приводят вспышки на Солнце

COSMIC RAYS (космические лучи) — высокоэнергетические заряженные частицы галактического происхождения, проникающие в околоземное пространство и способные повреждать электронику и повышать радиационную нагрузку.

ASTRONAUT RADIATION (радиация для космонавтов) — воздействие ионизирующего излучения на организм космонавтов во время космических полётов, повышающее риски для здоровья.

SOLAR ENERGETIC PROTONS (солнечные энергичные протоны) — потоки протонов высокой энергии, выбрасываемые Солнцем во время вспышек; вызывают радиационные риски и сбои в работе спутников.

RADIATION DAMAGE (радиационные повреждения) — деградация материалов и электронных компонентов космических аппаратов под действием ионизирующего излучения.

NAVIGATION ERRORS (ошибки навигации) — неточности в определении местоположения из‑за сбоев в работе спутниковых навигационных систем (например, GPS, ГЛОНАСС) под влиянием космической погоды.

CORONAL MASS EJECTIONS (корональные выбросы массы) — масштабные выбросы плазмы и магнитного поля из солнечной короны; вызывают геомагнитные бури и сильные возмущения в магнитосфере Земли.

SOLAR CELL DEGRADATION (деградация солнечных батарей) — постепенное снижение эффективности фотоэлектрических панелей спутников из‑за длительного воздействия радиации.

SINGLE EVENT UPSET (одиночный сбой) — кратковременное нарушение работы микросхем (например, изменение бита в памяти) из‑за попадания одной высокоэнергетической частицы.

SOLAR FLARE RADIATION (излучение от солнечных вспышек) — интенсивное электромагнитное излучение (в том числе в рентгеновском и УФ‑диапазонах), испускаемое во время солнечных вспышек; влияет на ионосферу и радиосвязь.

ENERGETIC RADIATION BELT PARTICLES (частицы радиационных поясов) — заряженные частицы (электроны и протоны), захваченные магнитным полем Земли в радиационных поясах (поясах Ван Аллена); опасны для спутников и экипажей.

ENHANCED IONOSPHERIC CURRENTS AND DISTURBANCES (усиленные ионосферные токи и возмущения) — аномальные электрические токи в ионосфере, возникающие во время геомагнитных бурь; нарушают распространение радиоволн.

HF RADIO WAVE DISTURBANCE (помехи в КВ‑радиосвязи) — нарушения коротковолновой радиосвязи из‑за изменений в ионосфере, вызванных солнечной активностью.

CREW AND PASSENGERS RADIATION (радиация для экипажа и пассажиров) — облучение людей на борту высотных самолётов из‑за повышенной интенсивности космических лучей на больших высотах.

AURORA AND OTHER ATMOSPHERIC EFFECTS (полярные сияния и другие атмосферные эффекты) — свечение в полярных областях (аврора) и иные атмосферные явления, вызванные взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой и атмосферой Земли.

DECREASED DIRECTIONAL DRILLING ACCURACY (снижение точности направленного бурения) — ошибки в определении ориентации буровой колонны из‑за искажений магнитного поля Земли во время геомагнитных бурь.

SIGNAL SCINTILLATION (сцинтилляция сигнала) — быстрые флуктуации амплитуды и фазы радиосигналов из‑за неоднородностей в ионосфере; ухудшают качество спутниковой связи и навигации.

DISTURBED RECEPTION (нарушенный приём) — ухудшение или потеря приёма радиосигналов (включая телевизионные и спутниковые) из‑за ионосферных возмущений.

GEOMAGNETICALLY INDUCED CURRENTS IN POWER SYSTEMS (геомагнитно‑индуцированные токи в энергосистемах) — паразитные токи в протяжённых проводящих сетях (ЛЭП, трубопроводах), наведённые быстрыми изменениями магнитного поля Земли; могут повреждать трансформаторы и вызывать отключения электроэнергии.

INDUCED GEOELECTRIC FIELD AND CURRENT (индуцированное геоэлектрическое поле и ток) — электрические поля и токи, возникающие в земной коре и проводящих конструкциях из‑за вариаций геомагнитного поля; лежат в основе геомагнитно‑индуцированных токов.

Все события, происходящие в системе Солнце‑Земля, сегодня имеют огромное значение для человечества. Они прямо влияют на техносферу: их воздействие может приводить к сбою спутниковой навигации, выходу из строя космической электроники, повреждению наземной инфраструктуры — трубопроводов, энергетических систем, наземных радиотехнических систем и так далее, и так далее. Наводку на линии электропередач мы рассмотрим далее на примере Квебекского события, когда миллионы людей остались без электроэнергии из‑за солнечной вспышки.

На картинке выше хотелось бы отметить подверженность космической радиации космонавтов, находящихся на МКС. Для околоземной орбиты (а МКС летает на высоте примерно 400 км — это меньше, чем от Москвы до Питера) суммарно за всю карьеру космонавта врачи готовы ручаться за 4 года его пребывания на орбите. После этого порога стоит уже с большей осторожностью оценивать риски для здоровья. Но даже у рекордсмена по суммарной длительности полётов (космонавт Олег Кононенко набрал более 1000 суток полёта) предел по радиации ещё не достигнут.

И, кстати, опасения насчёт перелётов на самолёте преувеличены: да, радиационный фон там чуть выше, чем на поверхности Земли, но не настолько, чтобы даже за сотню полётов это могло навредить организму.

Кстати, космические лучи условно можно поделить на два вида: солнечные космические лучи (СКЛ) и галактические, здесь они просто подписаны как «космические лучи». Эти потоки находятся в противофазе, то есть когда Солнце в максимуме активности — галактические космические лучи в минимуме, потому что солнечный поток частично их экранирует, и наоборот.

Вот, что действительно может вызывать опасения — это состояние спутников во время солнечных вспышек и, как следствие, всех навигационных систем на Земле. А ещё бывает, что вспышки сопровождаются корональными выбросами массы — об этом мы поговорим отдельно.

3. Исторические вехи: как Солнце меняло жизнь людей

• Из летописей о битве на Чудском озере (1242)

• Событие Кэррингтона (1859): искрящиеся телеграфы и «атмосферный» ток

• Сияние на Чёрном море (1872)

Сияние на Чёрном море (в 1872 году) открыло историю наблюдений сияний Севастопольской Морской обсерваторией в виде багрового свечения небосвода.

Фотографий, конечно, нет, но говоря про Крым, нельзя не упомянуть ещё одну обсерваторию — Крымскую астрофизическую, с которой связано имя академика Северного.

Именно в этой обсерватории Андрей Борисович в 1950–1970-х годах впервые в мире организовал систематические измерения общего магнитного поля Солнца. Так что если пляшем от печки, то «танцы магнитного поля» впервые были организованы в Крыму. Он создал магнитограф с разрешением и чувствительностью, превосходящим прибор обсерватории Маунт‑Вилсон (в Калифорнии) и в 1976 году открыл 160-минутные глобальные колебания Солнца — открытие, которое положило начало гелиосейсмологии и на годы опередило мировые исследования. Он же предложил критерий для прогнозирования солнечных вспышек, который до сих пор используется. Так что Крымская обсерватория в те годы была впереди планеты всей.

К сожалению, в конце 2012 года эта уникальная обсерватория была едва не ликвидирована, и процесс этот, к счастью, прервался лишь благодаря тому, что Крым вернулся в состав России в 2014 г.

• Паника из‑за полярных сияний: шторм Фатима (1938)

• Сияние над Москвой (1950): реальное фото

• Квебекское событие (1989): 6 миллионов человек без электричества за 90 секунд

Квебекское событие (13–14 марта 1989 года), названо так из‑за отключения электроэнергии в Квебеке — крупнейшей канадской провинции. Вспышка на Солнце (класса X4.5) произошла 10 марта, а через несколько дней выброшенная плазма достигла Земли и вызвала сильную геомагнитную бурю. В результате в линиях электропередач этого района Канады индуцировались настолько мощные токи, что сработали автоматические выключатели, и вся энергосистема провинции вышла из строя за 90 секунд. Без электричества остались примерно 6 миллионов человек. Из‑за блэкаута встали метрополитен, аэропорт, закрылись школы и предприятия. Прямой ущерб от этого события оценивается приблизительно в 30 млн. долларов, а косвенный ущерб доходит до нескольких млрд. Полностью без электричества люди провели около 9 часов и ещё столько же потребовалось инженерам, чтобы вернуть всё в рабочее состояние.

• Геомагнитная буря 2012: «прошли мимо» — и что было бы, если бы удар пришёлся в цель

  

  

  Если бы удар пришёлся в цель, то, вероятнее всего, сценарий был бы примерно таким:

  Сначала верхние слои атмосферы подверглись бы сильной ионизации из‑за ультрафиолетового и рентгеновского излучения, и это привело бы к сбоям в радиосвязи и навигационных системах у некоторых спутников (не у всех, но у тех, которые либо не успели перестроиться на новую орбиту, либо оказались в зоне, наиболее подверженной влиянию от излучения).

  Затем, спустя примерно сутки, потоки заряженных частиц достигли бы Земли. В линиях электропередач индуцировались бы мощные токи, и это вызвало бы отключения электричества в тех областях Земли, куда прилетели заряженные частицы.

  Цепная реакция затронула бы и другие важные системы, например, водоснабжение (поскольку многие насосы сейчас электрические), телекоммуникации, компьютерные сети (в том числе доступ в интернет, разумеется).

  Глобальный экономический ущерб от такого события оценивается примерно в 2 триллиона долларов, а на восстановление могли бы уйти годы.

  К счастью, нам удалось избежать данного списка последствий благодаря тому, что Земля просто «разминулась» с основным потоком плазмы.

• «Буря Победы», «Гадкий утёнок»

4. Солнечная активность: 11-летний пульс Солнца

Из‑за повышенного внимания к солнечной активности сейчас всё больше становится сообщений о мощных вспышках на Солнце, хотя вообще‑то текущий цикл солнечной активности слабее тех, что были несколько ранее, так что оставим это перечисление событий и вернёмся к действительно мощной буре 1 сентября 1859 года.

В то время уже существовали телеграфные линии, и телеграфисты по всему миру видели, как аппараты буквально искрили в те дни, а кого‑то ударяло током, то есть произошла наводка на длинные линии. Был и парадоксальный эпизод. Два телеграфиста в США полностью отключили батареи от сети и продолжали обмениваться сообщениями, используя только тот ток, который наводила в проводах сама геомагнитная буря. В прессе даже сохранилась переписка, как бостонский оператор просил коллегу из Портленда отключить батарею на 15 минут, и после этого они около двух часов вели диалог исключительно за счёт такого «атмосферного» тока.

Итак, эта буря случилась в 1859 году и, по оценкам учёных подобные события могут случаться примерно раз в 200, 250, а может и 300 лет — дело в том, что у нас ещё нет достаточной статистики по Солнцу, чтобы делать достоверные оценки периодичности. Человечество наблюдает за своей главной звездой всего около 400 лет, причём 150 лет наблюдения велись не систематически, а эпизодически — от случая к случаю, так что достоверными их считать сложно. Нумерацию циклам присвоили с 1750-х годов, длительность каждого цикла составляет примерно 11 лет, так что событие Кэррингтона отнесли к 10-му циклу, Квебекское событие относится к 22-му, а мы сейчас находимся в 25-м цикле солнечной активности. Всего лишь.

Относительная мощность цикла оценивается по усреднённому определённым образом числу пятен на Солнце. Бывает и так, что пятен на Солнце вообще нет, что наблюдалось, например, в минимум Маундера. Учёные переписывались примерно такими диалогами в то время:

«Видишь пятна?»

«Не вижу».

«И я не вижу, хотя приборы не врут».

Так что это действительно был аномально «тихий период» на Солнце.

Рассмотреть подробнее эти циклы активности вы можете на сайте космической погоды. Там же даётся прогноз на полцикла вперёд, а вот дальше предсказать картину трудно, потому что даже на одной половине цикла бывают серьёзные погрешности. Наблюдать нужно ещё и ещё, не переставая. Вот некоторые сайты, где можно увидеть результаты наблюдений за Солнцем:

5. КВМ — корональные выбросы массы

Кстати, та картинка магнитного поля Земли, которую вы видели ранее, сильно грубая, упрощённая. Вот, как на самом деле выглядит магнитосфера Земли. Это даже не сфера, а такая очень вытянутая капля. Вот эти воронки, где заряженные частицы напрямую проникают в верхние слои атмосферы, называются ещё каспами (от англ. cusp — «заострение», «пик»).

В открытом доступе есть анимация Кэррингтоновского события, на которой учёные смоделировали, как изменилась магнитосфера Земли под воздействием выброса с Солнца.

Вот, как магнитосфера выглядела до столкновения с КВМ:

И вот, что произошло после:

КВМ — это выброс сгустков плазмы из солнечной короны в межпланетное пространство. Мощные вспышки на Солнце иногда сопровождаются такими выбросами, а иногда — нет. Понятно, что направления, в которых случаются эти выбросы, совершенно случайны. Отбор событий, которые могут долететь до Земли и вызвать геомагнитные возмущения — важная задача прогноза космической погоды.

Выше — реальный кадр со спутника, на которых виден КВМ. Спутник, который снял эти кадры, находится в одной из точек Лагранжа — L1, на линии между Солнцем и Землёй, так что эти выбросы прошли мимо нас — со стороны мы видим их, похожими на лампочку, расширяющуюся куда‑то вбок. А как будет выглядеть КВМ, если он летит в сторону Земли?

На синем кадре виден и «обычный» КВМ (гигантская «лампочка», направленная по диагонали влево вниз), и ореол вокруг Солнца — а значит, эта самая «лампочка» летит прямо на спутник. А ещё мы видим, что на изображении возникли дефекты, потому что на матрицу попадают заряженные частицы. И поскольку спутник находится ровно на линии Солнце — Земля, понятно, что этот выброс летит в нашу сторону. Такие события называются гало‑КВМ. Только не путайте это с атмосферным солнечным гало, которое случается иногда в зимний период из‑за преломления света на кристалликах льда в атмосфере, из‑за чего мы видим ореол в небе вокруг Солнца, и даже могут возникнуть «ложные солнца».

6. События Мияке: солнечные супервспышки в древесных кольцах

Есть ещё ряд событий, связанных с аномально высокой солнечной активностью, которые сейчас изучаются и ещё не объяснены до конца. Их назвали «события Мияке» в честь японской аспирантки, которая впервые обнаружила необычный всплеск радиоактивного углерода в годичных кольцах японского кедра, относящихся к 774 и 993 году нашей эры. Прекрасно, что на Земле есть деревья, которые могут жить больше тысячи лет! Изучая их, мы можем составить летопись подобного рода событий.

Примечательно, что событие Кэррингтона, которое мы считаем самым мощным за последние 400 лет, вообще не просматривается таким методом. То есть речь идёт о событиях на порядок или на два порядка мощнее.

Итак, Фуса Мияке изучала содержание радиоуглерода в каждом годичном кольце, а это дело совсем не быстрое — на рассмотрение только одного годичного кольца её команде требовалось несколько недель кропотливого анализа и взаимного сопоставления образцов. Вот на этой фотографии как раз видно промаркированные годичные кольца, вот 756 год, 796-й, а где‑то середине между ними тот самый 774-й. И где‑то там слева — 993-й.

Вот графики, которые были составлены по нескольким видам деревьев, потому что после статьи Мияке в 2012 году учёные по всему миру стали проверять годичные кольца в различных долгоживущих деревьях. Тонкими линиями показаны данные по отдельным деревьям, а толстыми — границы стандартного отклонения от средней по полушарию. Синие линии — деревья из северного полушария, красные — из южного. Как видим, событие 993-го года слабее, чем в 774-м.

Мияке сначала опубликовала в 2012 году статью про 774 год, а в 2013 выпустила ещё одну статью про аналогичное событие в 993-м. Сейчас известно как минимум 8 событий подобного рода, их теперь называют «события Мияке», некоторые из них датируются даже 5-ю, 7-ю тысячами лет ДО нашей эры, то есть 7–9 тысяч лет назад от текущего момента. И исследования в этой области ещё продолжаются.

Статьи про события Мияке:

«Событие Кэррингтона» 1859 года разрушило телеграфные линии. «Событие Мияке» может стать намного хуже / Хабр

Marking time: Cosmic ray storms can pin precise dates on history from ancient Egypt to the Vikings | Science | AAAS

События Мияке — феномены земной истории планетарного характера

Северные сияния госпожи Мияке — Сетевое издание СМИ «Научно образовательная политика»

Деревянная летопись радиоактивного углерода | Наука и жизнь

Три супервспышки за 10 тысяч лет

A signature of cosmic‑ray increase in ad 774–775 from tree rings in Japan | Nature

События Мияке. Как солнечные вспышки тысячелетней давности помогли совместить дендрохронологические шкалы

Дискуссии о природе аномальных солнечных вспышек тоже до сих пор продолжаются. Вот, например, можете почитать интервью российского астрофизика Бориса Штерна: Аномальные солнечные вспышки: «черные лебеди» или «короли драконов»? Часто такие мощные события сравнивают с «чёрными лебедями» и «королями драконов».

«Чёрный лебедь» — это событие, которое кажется невероятным исходя из наших текущих знаний, но если оно происходит, то постфактум его можно объяснить в рамках современной науки. То есть мы видим аномалию, но наше понимание механизмов, которые её породили, позволяет её как‑то интерпретировать.

«Король драконов» — это принципиально иной случай. Такое событие не только неожиданно, но и само по себе не имеет понятного объяснения в рамках существующей парадигмы. Это нечто выходящее за рамки нашего текущего понимания и, возможно, указывающее на необходимость пересмотра теорий.

7. Солнечный ветер и магнитосфера: невидимая защита Земли

Ещё совсем недавно, каких‑то 70 лет назад, само существование солнечного ветра ставилось под сомнение. Переломным моментом стала статья Юджина Паркера 1958 года. В ней он объединил идею Сидни Чепмена о том, что горячая корона Солнца не может оставаться в статическом равновесии, и гипотезу Людвига Бирманна про то, что именно поток заряженных частиц, а не давление света, объясняет характерное поведение кометных хвостов.

При этом близкие идеи развивались и раньше, и параллельно. Так, Е. А.Евгений Александрович Пономарёв в рамках работ Киевской корональной школы ещё до статьи Паркера разрабатывал теорию динамической солнечной короны. Только Пономарёв строил кинетическую теорию, учитывающую поведение отдельных частиц, электрические и магнитные поля и концепцию «корональных лучей», а Паркер предложил сферически‑симметричную газодинамическую модель. Поэтому речь идёт не о полном совпадении идей, а о параллельных, но разных по методу линиях исследований. Позднее Е. А. Пономарёв переехал в Иркутск и оказал большое влияние на развитие Института солнечно‑земной физики в нашем городе.

Тем не менее так получилось, что именно работа Паркера стала катализатором активных научных обсуждений. Кстати, его статью и публиковать‑то не хотели: рецензенты отклонили её, хотя математических ошибок в ней не нашли — им была непривычна сама физическая идея ветра, дующего с Солнца. Тогда Паркер обратился напрямую к редактору The Astrophysical Journal Субраманьяну Чандрасекару (будущему лауреату Нобелевской премии). И, несмотря на собственные сомнения, Чандрасекар принял решение опубликовать статью, что оказалось одним из поворотных моментов для гелиофизики. Сегодня на эту работу ссылаются в нескольких тысячах научных публикаций.

Окончательно споры насчёт существования ветра разрешил эксперимент. Первые прямые измерения горячей разрежённой плазмы в межпланетном пространстве выполнили советские аппараты «Луна‑1» и «Луна‑3»: они зафиксировали поток частиц со скоростями порядка 300–400 км/с. Позже эти данные дополнили измерения американского спутника «Маринер‑2». Так было подтверждено существование солнечного ветра, а позднее выяснилось, что такие скорости характерны для его «медленной» компоненты, тогда как «быстрый» солнечный ветер может иметь скорость свыше 1000 км/с.

Надо понимать, что эти измерения не закрыли все вопросы, а подтвердили только сам факт существования потока и дали первые количественные данные. Детали механизма, который разгоняет плазму до столь высоких скоростей, учёные продолжают уточнять и сегодня. Современная теория солнечного ветра — это синтез разных подходов: для описания крупномасштабной картины используют газодинамику (наследие Паркера), а для анализа микропроцессов и неоднородностей — кинетические методы (в духе идей Пономарёва).

А ещё нужно учитывать собственное вращение Солнца вокруг своей оси. Со стороны картина разлетающейся плазмы похожа на спираль, её так и называют — спиралью Паркера. Похожую картину можно наблюдать у вращающегося садового шланга: каждая отдельная капля воды летит прямо, но из‑за вращения общая форма водяной струи принимает форму спирали. Так и у Солнца: солнечный ветер вылетает из активных областей и улетает от Солнца по прямой, но эти области поворачиваются и в каждый следующий момент времени испускают плазму в новом направлении, так что мы наблюдаем спираль.

Давайте посмотрим на солнечную корону на разных стадиях цикла активности.

a) На первой фотографии (это затмение 1990 года) Солнце находится в максимуме своей активности, так что здесь наблюдается хаос в потока направлениях силовых линий магнитного поля.

b) На второй фотографии солнечная активность падает.

c) И на третьем фото хорошо выделяются корональные стримеры (от англ. stream — «поток, течение») — яркие вытянутые шлемообразные структуры с открытой вершиной, которые часто формируются над пятнами и областями повышенной активности в атмосфере Солнца. Они как раз лежат в плоскости гелиосферного токового слоя, о котором поговорим дальше.

d) Наконец, на фотографии 1998 года Солнце снова переходит в фазу нарастающей активности, приближается к максимуму.

Кстати, ещё более ранние предпосылки идей о солнечном ветре есть у С. К. Всехсвятского (учителя Е. А. Пономарёва), который в 1936 году на основе снимков солнечной короны во время затмений выдвинул близкие к этой идее соображения, а ещё раньше отдельные догадки высказывал и Ричард Кэррингтон — тот самый, который зарегистрировал бурю 1859 года.

У Солнца есть собственное магнитное поле, похожее на поле гигантского магнита‑диполя: силовые линии выходят из северного полушария и входят в южное. Солнечный ветер — это плазма, а плазма — отличный проводник, поэтому силовые линии ведут себя так, будто приклеены к веществу: куда движется плазма, туда «тянется» и поле. Это ключевое следствие магнитной гидродинамики — теорема вмороженности магнитного поля в вещество.

Разлетаясь от Солнца, ветер уносит его магнитное поле с собой, и так формируется межпланетное магнитное поле (ММП). При этом в какой‑то момент в северном полушарии его радиальная составляющая направлена от Солнца, а в южном — к Солнцу: всё межпланетное пространство в целом разделено на две такие огромные области с противоположным направлением поля. Граница между ними — и есть гелиосферный токовый слой: поверхность, на которой радиальная компонента ММП обращается в ноль и меняет направление, так что, пересекая её, вы переходите из области «поле от Солнца» в область «поле к Солнцу».

Там, где поле резко «переламывается», меняя направление на противоположное, его ротор отличен от нуля — а значит, по уравнениям Максвелла, в слое течёт электрический ток. Ток этот слабый, но вполне реальный, а сам слой — тонкая (в масштабах гелиосферы) область, разделяющая два магнитных полушария.

В реальности слой, конечно, не плоский. Магнитный экватор Солнца наклонён к плоскости эклиптики (то есть к той плоскости, в которой лежат орбиты планет — хотя и они немного наклонены друг к другу), к тому же солнечная корона неоднородна. Поэтому поверхность слоя постоянно изгибается, образуя волнистые складки — те самые «воланы юбки» на иллюстрации. А ещё раз в 11 лет магнитные полюса Солнца меняются местами, и вместе с ними «переворачивается» вся картина полярностей в гелиосфере.

Космический аппарат, летящий в плоскости, наклонённой к этому волнистому слою, несколько раз его пересекает; каждое пересечение — это резкое переключение направления радиальной компоненты ММП: то «от Солнца», то «к Солнцу». Такие чередующиеся области называют секторной структурой ММП. Точно так же и планеты — в том числе Земля — то пролетают над «юбкой», то под ней.

Давайте вернёмся к Земле. Допустим, на Солнце произошёл КВМ — корональный выброс массы. Хотя, вообще‑то, для магнитной бури он не обязателен: даже сама по себе вспышка, мощный выброс электромагнитного излучения, может заметно повлиять на нашу планету, без всякого выброса вещества.

Но ударит ли вспышка или КВМ по магнитосфере Земли — это отдельный вопрос. Выбросы летят куда угодно: веером, во все стороны. Прицельно по нам Солнце, разумеется, не целится, и далеко не каждый выброс попадает в Землю.

Допустим, нам не повезло — мы оказались на пути выброса. Следующий вопрос: в каком секторе межпланетного магнитного поля мы находимся в этот момент? То есть пролетаем ли мы «над юбкой» или «под ней» — в области, где поле направлено от Солнца, или в той, где оно направлено к Солнцу.

Здесь важно вот что. Магнитное поле Земли меняется чудовищно медленно: инверсии — смены полюсов — случаются по разным оценкам раз в двести‑триста тысяч лет, а то и раз в миллионы лет. За время существования человечества их вообще не было. Так что для разговора о космической погоде мы можем считать поле Земли постоянным: силовые линии нашей планеты всегда выстроены одинаково — вот так, как на следующем рисунке.

И теперь всё решает «встреча». Если наше поле встречается с северной компонентой ММП — той, у которой поле направлено так же, как у Земли, — силовые линии просто обтекают магнитосферу, и ничего особенного почти не происходит. А вот если наше магнитное поле сталкивается с южной компонентой ММП, силовые линии оказываются направлены навстречу друг другу, и возникает «конфликт» направлений. Происходит пересоединение силовых магнитных линий (посмотрите на анимацию, как это выглядит).

Именно через эту «дверь» энергия солнечного выброса закачивается внутрь нашей магнитосферы — и начинается то, что мы видим, как полярное сияние и геомагнитную бурю.

Такие же X‑точки возникают и в солнечной короне, что приводит к вспышкам. Всё это выглядит очень, но за этим стоит серьёзная физика, в подробности которой вдаваться сейчас не будет, потому что статья и так получилась слишком обширной.

8. Российская наука и наблюдения за Солнцем

А мы на Земле наблюдаем вот такую красоту. Думаю, у многих людей есть такое желание — увидеть когда‑нибудь полярное сияние. По всему миру есть сообщества людей, которые регулярно наблюдают за небом, чтобы зафиксировать полярные сияния. Есть даже специальные приложения, куда волонтёры (которыми можете стать и вы) загружают фотографии или видео полярных сияний с отметкой времени и места наблюдения, что позволяет учёным оценить масштаб и динамику процессов.

А возможные негативные влияния можно минимизировать или купировать, но для этого необходим точный прогноз. К сожалению, сегодня эта задача не до конца решена, в том числе и потому, что наблюдения ведутся разрозненно. Если объединить данные, полученные со спутников и от наземных обсерваторий, мы сделаем существенный шаг вперед. Но задача настолько масштабная, что в одиночку её решить не сможет ни одно научное учреждение. Однако именно наш Институт солнечно‑земной физики обладает наибольшим количеством инструментов, расположенных относительно близко друг к другу.

На слайде ниже показаны лишь некоторые из инструментов: обсерватория на Байкале (в Листвянке), Саянская обсерватория и Сибириский радиогелиограф в Тункинской долине, который состоит из более чем 500 таких тарелочек, которые работают абсолютно синхронно, трудно даже представить такое, но оно у нас есть. И это далеко не все инструменты, про них стоит рассказать отдельно. А в ближайшие годы будет построено ещё несколько в рамках Национального гелиогеофизического комплекса.

9. Полярные сияния: красота и физика

Завершить рассказ мне хотелось бы вновь полярными сияниями: они возможны на всех планетах, где есть атмосфера и условия для взаимодействия заряженных частиц с магнитным полем или другими источниками частиц. Из всех планет Солнечной системы только Меркурий не имеет необходимых условий для возникновения полярных сияний, а на всех остальных планетах сияния уже были зарегистрированы. У Меркурия магнитное поле настолько слабое (оно составляет приблизительно 1% от величины магнитного поля Земли), а атмосфера там настолько разрежена — её практически нет, потому что солнечный ветер просто сдул атмосферу с Меркурия, так что на Меркурии может возникать только рентгеновская флуоресценция — именно в рентгеновском диапазоне, которое невидимо невооружённым глазом.

Но если когда‑нибудь мне посчастливится увидеть полярное сияние, я вспомню одну песенку про танец солнечных протуберанцев… (песня «Танец протуберанцев»:)

Благодарю за внимание!