Зачем в Сколтехе учатся чувствовать настроение Солнца

Осенью 1859 года на Землю обрушилось мощное «солнечное цунами» - было зафиксировано сильнейшее за всю историю наблюдений нарушение магнитного поля планеты. Полярное сияние тогда было заметно даже в Гаване. Телеграфные аппараты внезапно остановились, ленты в них загорелись, что совершенно потрясло телеграфистов

Вот какой диалог между телеграфистами Бостона и Портленда был опубликован в газете The New York Times (тогда телеграфисты отключили свои аппараты от источников питания, поскольку телеграфы заряжались непосредственно из атмосферы):

- Бостонский оператор - оператору в Портленде: «Пожалуйста, полностью отключите свою батарею на пятнадцать минут».
- Оператор в Портленде: «Будет исполнено. Готово».
- Бостон: «Мой телеграф тоже отключен. Работаем от атмосферного электричества. Как принимаете?»
- Портленд: «Лучше, чем при включенной батарее. Напряжение то появляется, то исчезает».
- Бостон: «У меня напряжение временами очень сильное, и мы лучше будем работать без батареи, поскольку атмосферное электричество то нейтрализует их, то усиливает их зарядку. Думаю, поработаем без батареи, пока проблемы не закончатся».
- Портленд: «Отлично. Продолжаем?»
- Бостон: «Вперед!»

По данным The New York Times, телеграфы работали от источника «из воздуха» в течение двух часов.

Описываемые удивительные события происходили на заре эры электричества. Сегодня вспышка на Солнце сопоставимой силы могла бы уничтожить инфраструктуру на Земле и привела бы к глобальной технологической катастрофе, предположила в интервью Sk.ru Татьяна Подладчикова, специалист по космической погоде из Сколтеха. В 2008 году в докладе Национальной академии наук США утверждалось, что серьезная солнечная буря может причинить экономический ущерб в 20 раз более значительный, чем ураган «Катрина», ущерб от которого, по последним данным, превысил 100 млрд долларов.

Порой вспышки на Солнце и порожденные ей магнитные бури приводят  к появлению полярного сияния там, где его обычно не бывает. Фото: Vilseskogen/flickr.com

«Есть индексы, которые характеризуют уровень геомагнитной активности. Значение индексов - отрицательное, оно демонстрирует, насколько слабеет под воздействием солнечного ветра магнитное поле Земли. Сильной геомагнитной бурей считается та, показатель которой составляет, например, минус 200 нТл. Минус 400 нТл - это очень сильная буря, способная вывести из строя целый ряд технических систем. Так вот, показатель бури в 1859 году, по оценкам, достигал минус 1760 нТл. Повторится ли такой катаклизм и если да, то когда, пока прогнозировать очень трудно», - говорит математик, кандидат технических наук, исследователь Космического центра Сколтеха Татьяна Подладчикова. Она занимается обработкой космических данных и участвует в исследованиях, посвященных прогнозированию космической погоды как способу предотвращения и смягчения техногенных аварий. Основная задача Татьяны - выделение полезного сигнала из огромного потока зашумленных экспериментальных данных и поиск скрытых закономерностей для понимания сути наблюдаемых явлений.

Менее интенсивные возмущения магнитного поля Земли, чем то, что произошло в 1859 году, случаются гораздо чаще, и мир, который становится все более зависимым от технологий, переживает их весьма болезненно. Так, в начале ноября 2015 года аэропорты в Швеции приостановили работу из-за того, что радиолокационное оборудование вышло из строя после геомагнитной бури (неслучайно к прогнозам космической погоды все чаще и внимательнее прислушиваются представители Евроконтроля, Европейской организации по безопасности воздушной навигации). В 1972 году геомагнитное возмущение, вызванное активностью Солнца, привело к отключению телефонной связи в штате Иллинойс. В марте 1989 года порыв солнечного ветра вывел из строя оборудование Квебекской ГЭС, оставив без света 6 млн человек на 9 часов. Позднее в том же году другая вспышка на Солнце повредила компьютеры в Торонто, что вызвало остановку торгов на фондовой бирже Торонто, одной из крупнейших в мире. Это ЧП в Канаде дало импульс изучению космической погоды.

Это направление исследований Татьяна Подладчикова в интервью не раз называла «наукой будущего»: «В начале XX столетия идеи выдающегося отечественного биофизика Александра Чижевского не были приняты; правота ученого стала очевидна сравнительно недавно. О существовании солнечного ветра и радиации в космосе стало известно около полувека назад. Сейчас по всему миру открываются центры космической погоды, которые рассылают сводки прогнозов научным институтам, медицинским учреждениям, навигационной и космической индустрии, центрам управления полетами, национальным погодным центрам, поставщикам энергии, центрам космического туризма и так далее. Это следующий шаг в изучении космоса».

Татьяна Подладчикова. Фото: Sk.ru

Большой - и крайне неоднозначный - пласт исследований связан с тем, какое влияние космическая погода может оказывать на здоровье людей. Направление только формируется, и ученые пока накапливают информацию. «Некоторые работы указывают на то, что люди, которые живут около магнитных полюсов, например, в Мурманске, подвержены более высокой геомагнитной активности, чем жители Москвы, Петербурга или других городов, отдаленных от полюса. Объяснение тут, видимо, кроется в адаптационных возможностях организма. В максимуме солнечной активности мы привыкаем к повторяющимся бурям и реагируем на них в целом нормально. А вот в минимуме солнечной активности даже одиночная буря может оказать стрессовое влияние на неподготовленный организм», - рассказывает Татьяна Подладчикова. Другой пример: уже около 20 лет на базе одной из московских больниц проводятся исследования, цель которых - определить, есть ли связь между состоянием магнитного поля и количеством пациентов в реанимации.

Исследования космической погоды направлены на определение того, как солнечная активность влияет на процессы на Земле. «Чижевский говорил, что Земля постоянно находится в объятиях Солнца, и через них нам передается его настроение. Сегодня прогноз космической погоды стал неотъемлемой частью нашей жизни, потому что она, погода, влияет на самочувствие человека, технические устройства, например, самолеты и спутники, а также протяженные объекты инфраструктуры вроде железных дорог, линий электропередач, газо- нефтепроводов и так далее. Очевидно, что в качественном прогнозе возмущений на Солнце и, как следствие, возможных техногенных проблем на Земле заинтересованы владельцы наземных технических систем, авиакомпании и операторы спутников», - приводит примеры собеседница Sk.ru.

Земля постоянно обдувается солнечным ветром, потоком заряженных частиц, который проистекает из солнечной короны, атмосферы Солнца. Этот поток несет в себе энергию Солнца, растягивает и уносит солнечное магнитное поле в космическое пространство. В итоге вся солнечная система заполняется солнечным ветром и солнечным магнитным полем. А поскольку Солнце вращается вокруг своей оси, то и магнитное поле в межпланетном пространстве приобретает форму волнистых спиральных складок наподобие многослойной юбки балерины. «Земля и все планеты Солнечной системы обитают в этих складках, - описывает явление исследователь из Сколтеха. - Так же, как обычный ветер может усиливаться до состояния урагана, солнечный ветер тоже может переродиться в солнечный ураган. Этот процесс называется корональным выбросом масс. При нем из Солнца вытягивается огромное плазменное магнитное облако, которое распространяется в космическое пространство. Когда облако подлетает к Земле, магнитное поле нашей планеты останавливает этот поток, как подушка. Но при определенных условиях происходит пересоединение линий межпланетного магнитного поля и линий магнитного поля планеты, и солнечный ветер сносит их на ночную сторону Земли. Там магнитные линии опять перепутываются, и часть этого потока выбрасывается в межпланетное пространство, а часть возвращается на Землю. В полярных областях происходит высыпание частиц, и мы в итоге становимся свидетелями прекрасного явления - полярного сияния. Вокруг Земли образуется кольцо электрического тока, и на Земле происходит геомагнитная буря».

Любопытно при этом, что процессы на Солнце, предшествующие этой цепочке событий, ученым понятны в меньшей степени. Энергия, выделяемая в ходе ядерных реакций в центральной части Солнца, из-за многократного поглощения и переизлучения транспортируется к его поверхности за 1 млн лет, а потом за 8 минут в виде солнечного света достигает Земли. А поскольку экватор Солнца вращается быстрее, чем полюса, этот «шарик» перестает быть однородным, что приводит к так называемому эффекту динамо, самогенерации магнитного поля Солнца.

Поведение Солнца подчиняется определенному расписанию: между периодами солнечного максимума, когда выбросы плазмы происходят практически ежедневно, и солнечного минимума проходит в среднем 11 лет. Недавно завершился максимум 24-го солнечного цикла (циклы отсчитывают с XVIII века, когда начались регулярные наблюдения за количеством солнечных пятен). По словам Т. Подладчиковой, «сейчас мы находимся в падающей фазе цикла, которая несет в себе знание о силе будущего 11-летнего цикла; задача ученых в том, чтобы суметь эту ценную информацию выявить».

В минимуме солнечной активности магнитное поле Солнца выглядит, как обычный магнит, с круговыми магнитными линиями и двумя полюсами. С развитием солнечного цикла из-за дифференциального вращения Солнца его магнитное поле запутывается, как клубок ниток. По мере приближения к максимуму солнечной активности из звезды выдвигаются петли, которые прорываются сквозь фотосферу, видимую часть Солнца, в его атмосферу, выносят солнечное вещество, наполняются им, могут быть выброшены в космическое пространство в виде вспышек и корональных выбросов масс. Новый цикл зарождается с появления пятен на полюсах, которые с развитием цикла движутся к экватору. Во время максимума солнечной активности происходит смена магнитных полюсов Солнца, южный оказывается на месте северного, и наоборот. Это сложный процесс, который до конца не изучен, и модель солнечного динамо является одной из наиболее сложных нелинейных задач математической физики.

Можно ли прогнозировать магнитные бури, пусть не все, а те, которые из-за своей силы угрожают спутникам на орбите, земной инфраструктуре и здоровью людей? Делать это возможно и нужно, отвечает Татьяна Подладчикова: «Если мы видим на Солнце пятно (область сильных магнитных полей, которые сдерживают перенос энергии и тепла Солнца из ядра на поверхность), то можно предполагать, что через 27 дней (период вращения Солнца) пятно появится перед нами вновь. Это означает, что с большой степенью вероятности ожидается повышение геомагнитной активности. Если же мы видим пятно в центре солнечного диска, на геоэффективной солнечной долготе, то космоновтам лушче отложить выход в открытый космос, так как повышается вероятность вспышки. Когда корональный выброс масс, сопровождающий вспышку, зафиксирован специальным телескопом-коронографом, то в зависимости от скорости солнечного ветра и направления распространения магнитного облака можно с некоторой вероятностью ожидать геомагнитную бурю через 1-3 дня. Самый точный прогноз - за 1 -2 часа - дается на основе измерений межпланетного магнитного поля и солнечного ветра, выполняемых спутником, который находится на расстоянии 1,5 млн километров от Земли. Солнечный ветер и магнитное облако уже долетели до спутника, но еще не достигли Земли».

Сфера интересов Татьяны Подладчиковой связана как раз с прогнозированием таких событий. О том, насколько успешна в этом отношении исследователь из Сколтеха, можно судить хотя бы по тому, что в ноябре 2015 года она первой из россиян удостоилась престижной награды - международной медали им. Александра Чижевского. Ее вручили Подладчиковой на прошедшей в Бельгии Европейской неделе космической погоды (European Space Weather Week, ESWW). «Медаль Чижевского» вручается с 2013 года за значительный вклад в изучение космической погоды тем, «кто не боялся рисковать и ради успеха шел неизведанными путями», - говорится на сайте конференции ESWW.

Медаль Татьяне Подладчиковой присуждена за участие в создании нового сервиса по прогнозированию солнечной активности (работа выполнена на базе Королевской обсерватории Бельгии, Брюссель), сервиса по прогнозированию геомагнитных бурь (Институт космических исследований РАН, Москва) и работы, выполненные в Сколтехе и направленные на изучение состояния магнитосферы Земли. «Как известно, любой ветер, в том числе и солнечный ветер, определяющий геомагнитную бурю, капризен и непостоянен, поэтому прогнозировать характеристики солнечного ветра – это неблагодарная задача. Но мы можем подойти к этому вопросу с другой стороны и использовать подсказки, которые мы получаем, наблюдая за природой. Многие процессы, наблюдаемые нами в природе, стремятся к насыщению. Даже если вы очень любите мороженное, то, поедая его в неограниченном количестве, насытитесь. Геомагнитная буря, как бы сердита она ни была, тоже в конце концов насытится. И эту точку насыщения, силу геомагнитной бури, мы можем предсказать заранее, - уверяет Татьяна. - Прогнозирование максимума 11-летного цикла солнечной активности, ее динамики в ближайшее время, очень важная задача для планирования космических миссий, запусков коммерческих и научных спутников и так далее».

Для Сколтеха награждение сотрудницы Космического центра стало одним из знаковых событий в 2015 году. «Татьяна Подладчикова - талантливый, перспективный исследователь Космического центра Сколтеха - неслучайно была награждена Международной медалью им. Александра Чижевского. Её исследования в области космической погоды интересны как российским, так и иностранным ученым. В основе сервисов, разработанных Татьяной, прорывные исследования солнечно-земных взаимосвязей, а также свойств радиационных поясов Земли. Её проект имеет коммерческие перспективы, так как может повысить ресурс спутников, работа электронных компонентов которых в огромной степени зависит от состояния радиационных поясов нашей планеты. Достижения Татьяны полностью соответствуют концепции Сколтеха», - отметил в беседе с Sk.ru ректор Сколтеха, директор Космического центра Сколтеха Эдвард Кроули.