В своём интервью ФИАН-Информ директор Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) д.ф-м.н., Владимир Дмитриевич Кузнецов рассказал об исследованиях в области физики Солнца и Земли и значениях этих исследований для человечества.
Наш институт занимается исследованиями в области физики Солнца и Земли. Это значит, что нас интересует вся цепочка процессов, идущих от Солнца до Земли. Исследования земного магнетизма — главное направление интересов нашего института. Мы регистрируем магнитные бури, а также формируем прогнозы состояния геомагнитного поля Земли, которые передаются в разные организации, в частности, на телевидение.
Сейчас появилось понятие «космическая погода» – это то, что одновременно влияет и на Землю и на околоземное пространство, в котором летают космические аппараты. По этой причине наши космические проекты направлены сейчас не только на то, чтобы изучать Солнце, но и исследовать его влияние на Землю.
Сегодня мы в большой степени зависим от технических систем. Раньше, когда только появился телеграф, человечество очень слабо зависело, да и мало знало о своей зависимости от космической погоды, разве что наблюдало её в виде полярных сияний. Сегодня, когда появились развитые каналы связи, линии электропередач, космические системы и т.д., наша зависимость от солнечного влияния возросла многократно. Известны случаи, когда солнечные вспышки и связанная с ними повышенная радиация около Земли приводили к выходу из строя некоторых спутников. Поэтому наши интересы в исследованиях космической погоды понятны и Роскосмосу, и другим ведомствам, в том числе занимающимся эксплуатацией наземного оборудования и систем управления.
В целом космическая погода – это междисциплинарная область, в которой очень много взято из других областей науки. Здесь и ядерная физика, и физика плазмы, и радиофизика, и гидродинамика, и спектроскопия. То, что мы изучаем, является очень широкой областью знаний, в исследовании которых трудится много других отечественных и международных организаций. Но в основе нашей деятельности лежит, конечно, физика Солнца. Мы пытаемся понять, как работает Солнце, как оно устроено.
Основной особенностью Солнца является солнечный цикл, который имеет и разный период, и разную амплитуду. Сейчас идёт 24-й цикл активности, уровень активности в котором можно охарактеризовать как очень низкий. Среднее число Вольфа (показатель, отражающий число пятен и групп пятен на Солнце) в максимуме этого цикла был около 65. Это в 2 раза меньше максимума предыдущего, 23-го цикла. Число Вольфа тогда было около 125. Столь низкая активность необычна для Солнца, но она не является рекордной. Исторически зафиксированы и более глубокие спады, например, маундеровский минимум (1645 – 1710 гг.), когда на Солнце практически вообще не было пятен. На Земле он совпал с планетарным похолоданием. Ретроспективный анализ с глубиной 1000 лет показывает, что подобных минимумов за этот период было пять. В эти периоды солнечная активность либо совсем исчезала, либо была крайне мала, но важно лишь то, что во все эти периоды наблюдалось планетарное похолодание – ледниковый период.
Естественно задать вопрос, может ли это повториться. Есть подозрения, что да, и что мы находимся на пороге великого минимума солнечной активности – очередного ледникового периода. Мы имели длительный минимум активности при переходе от 23-го к 24-му циклу. Кстати, никто не угадал, что это будет длиться три года. Сегодня есть некоторые соображения, что и 25-й цикл будет очень низкий. Это всё должно сказываться на климате Земли. Сейчас мы уже наблюдаем очень много снега и дождей — три года подряд. Вопрос, а что дальше, если такой минимум продолжится?
Прямой связи погодных аномалий с влиянием Солнца нет, но есть косвенные механизмы. Например, космические лучи. Известно, что Солнце «выметает» галактические космические лучи, которые, вторгаясь в атмосферу, влияют на облачность и на альбедо нашей планеты ( лат. albus — белый, характеристика отражательной способности поверхности). А чем выше альбедо, чем больше солнечного света отражается от атмосферы обратно, тем ниже средняя температура. Если на Солнце сильна активность, космические лучи выметаются из солнечной системы, а если слабая, то проходят внутрь.
Таким образом солнечная активность может влиять на облакообразование.
Климат на Земле, конечно же, зависит от солнечной активности, потому что в долгосрочной перспективе само Солнце изменяется, и, соответственно, изменяется климат на Земле. Климат не может не зависеть от Солнца. Надо расшифровать эту зависимость, тем более что идёт спор, что сильнее влияет на климат – антропогенные загрязнения или солнечная активность. Работали группы учёных, были огромные доклады, но все точки зрения подвергаются сомнению, и всё это пока не имеет конца, т.к. слишком много факторов влияет на климат, и многого во всей этой цепочке мы пока ещё не знаем.
Сейчас есть реконструкции с использованием проб льда, извлечённого в Антарктиде. На льду оседало всё, что циркулировало в атмосфере разных эпох, по нему можно оценить и состояние атмосферы, и активность Солнца в прошлом. Но на эти образцы сильно влияли состояния магнитного поля, которые менее известны. Поэтому в моделях, создаваемых по пробам льда, следует учитывать модели магнитных полей, существовавших и тысячи, и десятки тысяч, и миллионы лет назад.
Сегодняшняя задача – научиться предсказывать поведение Солнца, изучить и научиться прогнозировать то, что нас ждёт. Этого пока сделать не удаётся. Много делается прогнозов относительно солнечных циклов. Все они совершенно разные, и кто-то обязательно угадывает, но это свидетельствует лишь о том, что однозначного ответа пока быть не может. И потом ведь на Солнце иногда происходят некие экстремальные события. За всё время наблюдений было несколько таких событий, самое известное из которых – каррингтоновская вспышка (1859 г.), после которой полярные сияния фактически перестали быть полярными — они наблюдались по всей Земле. Если бы на Земле тогда существовала развитая техносфера, то последствия были бы весьма тяжелыми.
Есть такая книжка, из фантастики, – «Вспышка». В ней описан случай, когда в период низкой солнечной активности земляне построили огромную аппаратную инфраструктуру, но потом Солнце активизировалось, и всё оборудование начало перегорать. Сейчас это приближается к нашей реальности. Например, в Квебеке 13-14 марта 1989 г. из-за вспышки на Солнце произошла техногенная катастрофа, тогда на 9 часов была отключена электроэнергия, а на атомном предприятии перегорел трансформатор. Мощнейшая электромагнитная буря случилась в 1921 году, когда магнитное поле по скорости нарастания в 10 раз превышало то, которое было в Квебеке.
Оба эти события произошли во время относительно слабых солнечных циклов, ниже среднего по амплитуде. Но результат события 1921 г. не идёт ни в какое сравнение с событием 1989 г., т.к. тогда на планете не было такой инфраструктуры как в 1989 г.
Вообще, складывается впечатление, что у солнечных циклов есть какая-то своя энергетика. Когда образуется мало активных зон, солнечных пятен, энергетика цикла остаётся как бы не реализованной. Но может наступить момент, когда эта энергия выплёскивается в виде отдельного грандиозного события. Сейчас мы имеем именно такой низкий цикл — ниже среднего — и не исключено, что аналогичное событие может произойти и сейчас.
У американцев в настоящее время вся территория картографирована, составлены карты риска электростанций по отношению к геомагнитным возмущениям. Всего, по их оценкам, этим рискам у них подвержены 365 станций. Есть отдельные карты с указанием различной вероятности аварий. В США даже внесён проект закона о защите электросетей от геомагнитных возмущений. У них это уже рассматривается как стратегическая проблема, связанная с национальной безопасностью. Рискам подвержены и спутники.
Проблема работы спутников во всех странах стоит достаточно остро. Бывают такие периоды, когда магнитосфера Земли сжимается до 5 радиусов планеты (обычно на солнечной стороне она составляет 10 радиусов). В этот момент все спутники на геостационарных орбитах оказываются в открытом, незащищённом, пространстве, и это создаёт глобальную угрозу выхода из строя всех группировок. Когда было квебекское событие, американская группировка – прообраз GPS – была вся дезорганизована. Часть спутников была просто утеряна, почти все спутники изменили орбиты, и их потом находили и переустанавливали.
Когда от солнечного облучения атмосфера Земли «разбухает», низколетящие спутники начинают тормозиться и менять орбиты. Именно поэтому когда-то упала американская станция Skylab. Из-за того, что не рассчитали солнечную активность, не учли эффект «разбухания» атмосферы, станция начала быстрее сваливаться с орбиты, и поскольку за оставшееся время не успевали забросить для неё топливо, она упала. Это не единичный случай.
Изменения солнечной активности влияют естественно также на работу навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Возмущенная во время магнитных бурь ионосфера рассеивает навигационный сигнал, ухудшая точность позиционирования, что в ряде случаев может быть критичным. В отдельных регионах земного шара ошибка в позиционировании может достигать ста метров. У нас нет статистики выхода из строя спутников из-за космической погоды, но и экстремальных событий давно не было. Последнее экстремальное событие было в 2003 году, когда магнитная буря продолжалась почти неделю. Это бывает очень редко, обычно буря длится несколько часов, или максимум сутки. Американцы тогда сообщали о сбоях и нарушениях по своим спутникам.
Конечно, со временем положение с защитой земных систем будет усложняться, т.к. техника развивается, становится более сложной и мощной. Солнце ещё 5 млрд. лет будет демонстрировать такую же активность, стабильно меняющуюся от цикла к циклу, с периодом около 200 лет будут происходить аномальные понижения активности. Нам лишь остаётся научиться предсказывать поведение Солнца, чтобы знать, что нас ждёт в будущем.
У нас в ИЗМИРАНе есть центр, который делает прогнозы для Роскосмоса и Центра управления полётами. Я являюсь экспертом от РАН в рабочих органах ООН, где есть специальная группа по долгосрочному прогнозу устойчивости космической деятельности. Группа занимается, в том числе, космической погодой.
Солнце – типичная звезда, и то, что мы можем детально наблюдать на Солнце, мы пока не можем наблюдать на звёздах, а это – огромное многообразие явлений: конвекция, динамо, вспышки, выбросы энергии. Солнце — это кусочек Вселенной, находящийся рядом с нами, и всё, что мы наблюдаем на нём, мы можем экстраполировать на то, что происходит на других звёздах. Это – стратегический аспект наших исследований.
В. А. Жебит,
АНИ «ФИАН-информ»
