Самая опасная погода: все о солнечной активности и «космических синоптиках»
Условия космического пространства как внутри, так и за границами нашей солнечной системы постоянно меняются. За эти изменения отвечают процессы, происходящие на Солнце и в межпланетной среде. Их мгновенные результаты человеческому взгляду как правило не доступны. Pro Космос разобрался, как эти изменения, обычно не угрожающие жизни людей напрямую, могут воздействовать на технологии и глобальную экономику.
Космический климат и зонтики от энергетических частиц
Солнечную систему можно сравнить с маленьким участком огромного невидимого океана, в котором есть свои потоки, водовороты и течения. Главный источник этих течений в нашей звездной системе — Солнце. Оно похоже на гигантский генератор энергии, постоянно испускающий потоки заряженных частиц, магнитные поля и радиацию. Эти потоки, как невидимые волны, достигают Земли и взаимодействуют с ее магнитным полем, атмосферой и климатом.
Космическая погода зависит от активности Солнца. Когда оно «бушует», порождая мощные вспышки или облака плазмы, на Земле могут возникать магнитные бури. Всплески солнечного рентгеновского излучения и космических лучей, в основном состоящих из высокоэнергетических протонов, представляют серьезную угрозу для жизни на Земле и для человеческих технологий — связи, навигации, транспорта, газопроводов, нефтепроводов и систем энергоснабжения. Они могут нарушить спутниковую связь и работу навигационных систем и даже угрожать жизни космонавтов на орбите.
От разрушительного воздействия этих факторов нас защищают геосферы — оболочки вокруг Земли.
Самая внешняя из них — магнитосфера, образованная магнитным полем планеты. Она не позволяет заряженным частицам солнечного ветра и космическим лучам проникать к Земле.
Самая близкая к поверхности оболочка — атмосфера, простирающаяся до высоты 80-100 километров. Она поглощает рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, защищая всё живое на планете.
Верхняя часть атмосферы, подвергаемая воздействию потоков заряженных частиц, ионизируется, образуя ионы и электроны. Эту область называют ионосферой. Ее нижняя границы расположена на высоте 50-100 километров, а верхняя достигает нескольких десятков тысяч километров.
Поскольку плотность свободных электронов в ионосфере достаточна, чтобы оказывать значительное влияние на распространение радиоволн, этот слой приобрел особую значимость в жизни человека с конца XIX века: благодаря способности отражать радиоволны, ионосфера сделала возможным беспроводную передачу сигналов на большие расстояния.
7 мая 1895 года Александр Попов, русский физик и электротехник, впервые продемонстрировал свое изобретение — «грозоотметчик», прибор для обнаружения и регистрации электрических колебаний в атмосфере. Это был фактически прототип радиоприемника. Радиосвязь быстро нашла применение в военной технике, науке и повседневной жизни, а ученые начали исследовать неизвестную ранее область Земли — ионосферу.
Ионосфера играет важную роль в формировании космической погоды и позволяет прогнозировать ее изменения. Она представляет собой идеальную природную лабораторию для изучения свойств плазмы в околоземном космическом пространстве, поскольку отражает состояние магнитосферы Земли во взаимодействии с солнечным ветром.
Невидимые нити, влияющие на жизнь
Солнце — это не просто яркий шар в небе, дарующий нам свет и тепло. Это массивная звезда, непрерывно выбрасывающая в космос заряженные частицы, которые называют солнечным ветром. Их потоки движутся со скоростью до 400 километров в секунду и, взаимодействуя с магнитным полем Земли, вызывают разнообразные эффекты. Например, могут сжимать и деформировать магнитное поле, приводя к геомагнитным бурям. Эти бури способны нарушить работу электросетей, спутников и навигационных систем.
Кроме того, существуют корональные выбросы массы — мощные потоки плазмы и энергии, исходящие из солнечной короны в межпланетное пространство и иногда достигающие Земли. Врезаясь в магнитосферу, они приводят к возникновению сильных геомагнитных бурь и способны вызвать геомагнитно-индуцированные токи в земной коре и электросетях. Это может привести к перегрузке трансформаторов и отключениям электроэнергии. Так, в 1989 году в Канаде из-за геомагнитной бури на девять часов без света осталась провинция Квебек. Кроме того, геомагнитные бури влияют на здоровье людей, вызывая головную боль, мигрень, изменения давления, слабость, тахикардию и гормональные сбои.
Еще одно явление — солнечные вспышки. Это интенсивные выбросы радиации на поверхности Солнца, возникающие в результате внезапного высвобождения магнитной энергии в солнечной короне и часто сопровождающиеся выбросами корональной массы. Солнечные вспышки могут оказывать значительное влияние на космическую погоду, вызывая геомагнитные бури, которые влияют на магнитное поле Земли и электросети, воздействуют на радиосвязь — как обычную (эфирную), так и спутниковую, навигационные системы и магнитное поле Земли.
При солнечных вспышках повышается уровень радиации в космосе, что представляет опасность для астронавтов и спутниковой электроники и вызывает ошибки в работе навигационных систем, причем не только рядом с нашей планетой. Осенью 2011 года на европейском зонде Mars Express были зафиксированы четыре случая нарушения работы бортовых систем из-за попадания в них тяжелых частиц.
Кроме того, каждые 11 лет у Солнца меняются магнитные полюса. В этот период увеличивается количество вспышек и корональных выбросов, что делает космическую погоду более нестабильной. В феврале 2022 года компания SpaceX потеряла 38 спутников Starlink. Причиной стала геомагнитная буря, вызванная высокой солнечной активностью. Она разогрела верхние слои атмосферы, которые стали плотнее. Спутники, выведенные на низкую орбиту, столкнулись с сильным аэродинамическим торможением и сгорели, прежде чем успели перейти на рабочую высоту. Эти циклические изменения необходимо учитывать.
Однако не все так мрачно. Солнечный ветер и другие явления рождают впечатляющие зрелища, такие как полярные сияния. Столкновение заряженных частиц с газами в верхних слоях атмосферы приводит к «авроральной активности»: в небе над полярными регионами вспыхивают яркие разноцветные всполохи и огни. Это красивое явление, но учёные больше обеспокоены защитой технологий и людей от негативных последствий космической погоды.
В общем случае солнечная активность влияет на верхние слои атмосферы, включая ионосферу и озоновый слой, которые играют важную роль в климате Земли.
Солнечно-земные отношения
Еще в XIX веке люди начали замечать связь между Солнцем и Землей. Тогда ученые обнаружили, что активность солнечных пятен совпадает с изменениями в магнитном поле Земли. Это стало первым намеком на то, что центральное светило влияет на нашу планету не только через свет и тепло.
Вскоре стало понятно, что между земной поверхностью и удаленной звездой есть некий слой, способный взаимодействовать с солнечным излучением и порождающий некие эффекты, возникающие на Земле. Им оказалась ионосфера.
При этом выяснилось, что исследовать этот таинственный рубеж нелегко. Наземные приборы, основанные на использовании коротких радиоволн и зондирующие оболочки геосферы с поверхности Земли, могут применяться до высоты максимум 200-400 километров. Этот метод исследования обладает невысоким пространственно-временным разрешением из-за стационарного положения наземных инструментов, низкой чувствительности к слабым возмущениям ионосферы и невозможности работы в области геомагнитных аномалий.
Во время магнитных бурь в ионосфере протекают сильные электрические токи, что усложняет получение точных измерений. А под воздействием солнечных бурь искажаются данные не только глобальных, но и локальных систем навигации и показания магнитометров.
Из-за этих ограничений наземные методы наблюдения не могут полностью охватить глобальную ионосферу. Для точного измерения неоднородностей ионосферы лучше подходят космические методы наблюдения, такие как зондирующие ракеты или спутники.
Вооруженные точными приборами, они уходят вверх за нижние границы ионосферы и позволяют добывать из космоса такие данные, как концентрация и распределение частиц околоземной плазмы, их состав, температура, а также характеристики электромагнитных полей и волновых пульсаций.
Чтобы составить полную картину, ученым нужно собрать информацию из разных источников и соединить ее в одно целое. Установив, что Солнце и Земля связаны невидимыми нитями, ученые исследуют эти связи разными способами:
Наблюдают и анализируют последствия солнечной активности. Например, мощная вспышка на Солнце вызывает цепочку событий, которые почти мгновенно достигают Земли. Электромагнитные волны проходят это расстояние за чуть более 8 минут.
Проводят эксперименты в магнитосфере и ионосфере, создавая условия, похожие на те, что возникают под влиянием солнечной активности. Для этого используются радиоволны от наземных источников, пучки электронов, облака натрия или бария, выпускаемые с ракет и спутников.
Пытаются предсказать солнечные бури и другие события, что помогает лучше понять, как Солнце влияет на Землю.
Используют спутники и дальние зонды для изучения солнечной активности. Эти аппараты измеряют рентгеновские и ультрафиолетовые лучи Солнца, солнечный ветер и другие явления. Малые космические аппараты, такие как микро- и наноспутники, помогают следить за изменениями в окружающей среде. Межпланетные станции, удаленные от Земли и работающие ближе к центральному светилу, позволяют засечь явления, возникающие на поверхности или в недрах Солнца, и оперативно передать информацию специалистам.
Исследования в этой области помогают объяснить многие явления на Земле. Например, почему иногда пропадает радиосвязь. Это происходит из-за ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, которое ионизирует верхние слои атмосферы.
Ученые также определяют, какие солнечные потоки вызывают геомагнитные бури разной силы. Изучение солнечно-земных связей важно для многих областей. Это помогает предсказывать состояние магнитосферы и других оболочек Земли. Это нужно для космонавтики, радиосвязи, транспорта, метеорологии, сельского хозяйства, биологии и медицины.
Нужны ли «синоптические станции» для предсказания космической погоды?
За прошедшие десятилетия наше понимание солнечно-земных связей значительно расширилось благодаря достижениям в области физики Солнца и магнитосферы, а также в климатологии. Развитие новых методов наблюдения, таких как спутниковая съемка и измерение магнитного поля, позволило ученым отслеживать и анализировать сложные взаимодействия между Солнцем и Землей с беспрецедентной точностью.
Солнечно-земные связи — это динамичные и сложные взаимоотношения между солнечной энергией и магнитным полем, атмосферой и климатом нашей планеты. Их изучение помогает понять основные механизмы таких явлений, как солнечные вспышки, корональные выбросы массы и геомагнитно-индуцированные токи. Как уже говорилось выше, эти явления могут вызывать сбои в работе спутников, навигационных систем, электросетей, а также влиять на климат и здоровье людей.
Изучение солнечно-земных связей — это междисциплинарная область, исследующая сложные взаимодействия между Солнцем, космическим пространством, магнитным полем Земли, атмосферой и климатом. Понимание этих взаимосвязей помогает прогнозировать и смягчать последствия космической погоды для наших технологий и окружающей среды. Эти знания расширяют наши представления о климате нашей планеты и его изменчивости и позволяют разработать новые стратегии прогнозирования и управления воздействием солнечной активности на магнитное поле и атмосферу Земли.
Ученые используют специальные инструменты, чтобы следить за солнечным ветром, радиацией и изменениями в атмосфере. Это помогает не только понять, как работает наша планета, но и предсказывать космическую погоду, чтобы защитить технологии и людей. Например, можно улучшить конструкцию спутников, чтобы они были устойчивы к радиации, или разработать системы раннего предупреждения о магнитных бурях.
Исследование солнечно-земных взаимодействий открывает и другие новые возможности. Для этого разрабатывают модели прогнозирования, внедряют стратегии сокращения выбросов парниковых газов, модернизируют инфраструктуру и создают резервные мощности. Создание точных моделей космической погоды поможет оперативно предупреждать об опасных явлениях и повышать устойчивость земной техники и экономики.
Современные спутники, такие как созданные по проекту «Ионозонд», и новейшие технологии математической обработки информации уже позволяют ученым собирать точные данные. В будущем появятся более совершенные космические комплексы, способные предсказывать солнечные вспышки и бури с точностью до нескольких часов. Это минимизирует риски для технологий и людей.
За изучение ионосферы Земли и процессов, которые в ней происходят, отвечают спутники «Ионосфера-М». На орбите теперь находятся четыре таких аппарата. Как они устроены и для чего нужны России — собрали все, что нужно знать.
Помимо двух спутников «Ионосфера-М», на орбиту были запущены кубсаты российской частной компании «Геоскан». В чем их основные задачи и каковы перспективы, обсудили в интервью.
