12 мая наша планета пережила самую мощную магнитную бурю за последние двадцать лет и третью по силе за всю историю наблюдений. С чем это связано? Почему мы стали видеть северные сияния над Европой и Сибирью? Оказывают ли магнитные бури влияние на климат? Действительно ли они вызывают повышенное давление, головную боль и бессонницу? Обо всем этом мы поговорили с заместителем директора Института солнечно-земной физики СО РАН, заведующим лабораторией средней и нижней атмосферы кандидатом физико-математических наук Романом Валерьевичем Васильевым.
— Почему за последний год участились магнитные бури и мы стали видеть северные сияния в необычных местах: в Новосибирске, Центральной России, в Европе и, говорят, даже в Африке?
— Это связано с 11-летним циклом солнечной активности. Раз в 11 лет увеличивается число пятен на Солнце, а они являются источником вспышек солнечного излучения в рентгеновском диапазоне и выбросов корональной массы. В обычном режиме от Солнца непрерывно течет водородно-гелиевая плазма — солнечный ветер. Однако солнечные пятна делают поток этого вещества неравномерным. Проще говоря, они генерируют порывы солнечного ветра, что приводит к возникновению на Земле геомагнитных бурь.
Одно из наиболее ярких проявлений этих бурь — полярные сияния. Плазма, исходящая от Солнца, затормаживается и накапливается в магнитном поле Земли. Если давление солнечного ветра усиливается, в ней могут начать происходить специфические процессы, в результате которых частицы плазмы высыпаются в верхнюю атмосферу. Это заставляет воздух светиться, и мы видим полярное сияние. Такая цепочка процессов активизируется раз в 11 лет. Увеличивается количество пятен, вспышек, выбросов вещества и, соответственно, возрастает число магнитных бурь и полярных сияний.
— Но кажется, будто в нынешнем году эти процессы проявлены сильнее, чем 11 лет назад? Я не помню, чтобы в 2013 году в Новосибирской области так часто наблюдались северные сияния.
— Причина этого явления многофакторная. В первый год цикла солнечной активности пятен на Солнце мало, потом их количество нарастает, достигает пика в пятый-седьмой год и снова снижается почти до исходного количество к одиннадцатому году. Люди уже достаточно долго наблюдают за динамикой появления пятен на Солнце. От начала наблюдений можно насчитать 25 циклов солнечной активности. Нынешний 25-й цикл подходит к своему максимуму, и уже понятно, что он сильнее 24-го (а возможно, и 23-го), — в каждый год этого цикла количество пятен на Солнце больше, чем в аналогичный период предыдущего.
Второй фактор заключается в том, что магнитное поле Земли нестационарно. Оно испытывает так называемые вековые вариации — медленные изменения своей конфигурации. Геомагнитный полюс не стоит на месте, а перемещается. Если недавно он гулял где-то по Канаде, то в последнюю сотню лет стремительно движется в сторону Сибири. Вся конфигурация магнитного поля могла измениться таким образом, что авроральный овал — то место, где частицы высыпаются на Землю, вызывая полярные сияния, — начал перемещаться из Америки в сторону Евразии. Это означает, что сейчас появляются более благоприятные условия для наблюдения полярных сияний на территории России.
Третья причина состоит в том, что люди сейчас хорошо оснащены смартфонами с очень качественными высокочувствительными камерами. Это значит, что практически у каждого человека есть возможность заснять неяркие сияния, возникающие в средних широтах. Кроме того, каждый смартфон имеет моментальный выход в интернет. Как только человек сфотографировал что-то интересное, он тут же выкладывает это в соцсети и снимок быстро распространяется на широкую аудиторию. Среднеширотные сияния, напоминающие полярные, наблюдались и раньше, просто об этом не так много говорили и возможностей их зафиксировать было меньше.
— Насколько современной науке понятна динамика циклов солнечной активности и можем ли мы предположить, что 26-й цикл солнечной активности может стать сильнее 25-го, а 27-й — сильнее 26-го?
— Я не специалист в теории Солнца. Картина того, как меняется его магнитное поле, в общих штрихах известна. Однако для того чтобы делать конкретные количественные выводы об усилении или ослаблении солнечной активности от цикла к циклу, данных пока недостаточно. Конечно, ученые строят модели и выдвигают гипотезы, но насколько хорошо они будут оправдываться, пока непонятно. Тем более что комплексная информация о Солнце, его магнитном поле, излучении и многих других параметрах стала накапливаться сравнительно недавно. Я думаю, нужно будет подождать еще как минимум пару циклов, чтобы получить более-менее детальную модель солнечной динамики и ее взаимодействия с солнечным ветром, с плазмой солнечной системы, с магнитным полем и плазмой Земли в ближайшем от нее космическом пространстве.
— Оказывают ли магнитные бури какое-то влияние на климат? Говорят, они могут вызывать природные аномалии, катаклизмы. Насколько это доказано?
— Есть различные представления на этот счет. Само магнитное поле и его вариативность не оказывает на атмосферу почти никакого влияния. Но во время геомагнитной бури Земля попадает в плазменный пузырь неоднородности солнечного ветра, экранирующий ее от галактического космического излучения, которое достигает поверхности планеты и вызывает ионизацию приземного воздуха. Есть косвенные свидетельства, что эти галактические космические лучи опосредованно воздействуют на климат, изменяя количество ионов в нижней атмосфере и ее электрические свойства.
Скорее всего, гораздо больше климат зависит от других космических факторов. Солнце и Земля существуют в Солнечной системе не изолировано — есть еще Меркурий, Венера, Юпитер, пояс астероидов и другие объекты. С гравитационной точки зрения это очень сложная конструкция, которая вращается вместе с Солнцем. Все эти небесные тела воздействуют друг на друга. Даже небольшие отклонения в орбитальном движении, возникающие вследствие их сложной гравитационной динамики, определяют климат в большей степени, чем солнечная активность. Расстояние от Земли до Солнца в этой системе, наклонение орбиты Земли могут варьироваться, приводя к ощутимому изменению потока солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли. Вариации этих параметров со временем называются циклами Миланковича.
Динамика самой атмосферы, ее устройство, взаимодействие с океаном, отклик на антропогенные выбросы вещества (углекислый газ, метан), способность экранировать поток основного солнечного излучения аэрозолями — это тоже сложные процессы, которые пока до конца не изучены. Скорее всего, они тоже в большей степени влияют на климат, нежели солнечная и геомагнитная активность. Точные знания, в каком пропорциональном соотношении находятся эти разные факторы, важны для понимания того, куда мы движемся и что происходит с климатом.
— Как магнитные бури воздействуют на технику и электронику? В сентябре 1859 года мощная геомагнитная буря — событие Кэррингтона — вызвала отказ телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке. А в марте 1989 года вся канадская провинция Квебек осталась без электричества на 12 часов. Возможно ли повторение подобных событий сегодня?
— Изменение магнитного потока в замкнутом контуре приводит к возникновению тока в этом контуре. Это означает, что любые вариации магнитного поля на Земле могут вызывать наведенные токи в протяженных проводниках. В тысячекилометровых трубопроводах, железнодорожных линиях и линиях электропередач могут образовываться достаточно сильные наведенные токи во время геомагнитных бурь. Существуют свидетельства, что при мощных и очень резких изменениях геомагнитного поля энергетическая инфраструктура может выходить из строя. Во время события Кэррингтона повреждения аппаратуры и несчастные случаи на телеграфных станциях происходили именно по такой причине. Но магнитная буря, случившая тогда, была очень сильной, в несколько раз мощнее той, которая произошла 12 мая этого года.
Также геомагнитные бури способны воздействовать на радиосвязь. В верхней атмосфере Земли существует ионосфера — холодный слой плазмы, образованный солнечным излучением. Когда происходит геомагнитная буря, он начинает нагреваться, деформироваться, в результате чего ионосферная плазма становится неоднородной и снижается ее концентрация. Из-за этого ухудшаются условия распространения радиоволн. Работа всех системы, эксплуатирующих радиосвязь: радиостанций (в особенности коротковолновых), спутниковых каналов связи, систем радио и спутниковой навигации, может ухудшиться.
Кроме того, геомагнитные бури могут создавать трудности для самих спутников. Спутники перемещаются в разряженном газе верхней атмосферы. При нагреве, вызванном солнечной активностью, расширяются слои атмосферы, лежащие ниже спутниковых орбит, и происходит перераспределение плотности газа, которое повышает его плотность наверху. Тогда спутники начинают интенсивней тормозиться, что может вызвать их падение.
О влиянии геомагнитных бурь на технику люди знают уже достаточно давно. Большинство систем в транспорте, энергетике, связи сегодня проектируются исходя из того, чтобы быть минимально подверженными влиянию эффектов солнечной активности. Для спутников, например, существуют специальные сценарии динамики, позволяющие нивелировать эффекты, связанные с космической погодой.
— Слышала мнение, что на усиление магнитных бурь может влиять деятельность человека. Мол, из-за космического мусора и мощных радиостанций, работающих на длинных волнах, ионосфера стала рваная и турбулентная. Что вы думаете на этот счет?
— Человек может воздействовать на ионосферу, но эти воздействия локальны. Ионосфера может измениться потому, что в ней нарушится химическое равновесие. Когда Солнце светит на Землю с одной стороны, оно производит реакции ионизации, диссоциации молекул, то есть закачивает в верхнюю атмосферу химический потенциал и, собственно, создает ионосферу. Когда Земля поворачивается к Солнцу другой стороной, этот химический потенциал начинает реализовываться, уничтожая созданную ионосферу, рекомбинируя ее и генерируя слабое свечение. Если человек в эту устоявшуюся природную систему внесет какой-то дисбаланс (например, взлетит туда на ракете и распылит некоторое химически активное вещество), то произойдет локальная модификация ионосферы — изменение однородности ионосферной плазмы.
Второй способ воздействия на ионосферу — через поглощение мощных коротких радиоволн на частотах плазменных резонансов. Если радиоизлучение, которое обычно отражается от ионосферы, сделать достаточно мощным, то при его отражении электроны ионосферы начнут ускоряться до достаточно больших скоростей. Это вызывает неоднородности ионосферной плазмы, ее искусственное радиоизлучение и искусственное свечение атмосферного воздуха. Однако такое воздействие могут оказывать только специализированные научно-исследовательские установки — нагревные стенды, которых по всему миру насчитывается несколько штук. Неоднородности и прочие явления, появляющиеся при таких модификациях, локальные. Их пространственные размеры ограничены сотней-двумя километров и не могут влиять на ионосферу и на верхнюю, а тем более нижнюю атмосферу в глобальном масштабе.
— Способны ли магнитные бури влиять на здоровье и самочувствие человека? Говорят, они могут вызывать заторможенность, головные боли, повышенное давление, бессонницу, боли в суставах. Что правда, а что миф? Насколько вообще изучена эта область?
— Серьезных свидетельств влияния магнитных бурь на здоровье человека пока нет. В древности солнечная активность людей особо не беспокоила. Конечно, они видели пятна на Солнце, и каждый астролог в меру своей испорченности мог рассказывать правителям про значения этих пятен. По мере развития науки стало известно про магнитные бури, связанные с пятнами, и почему-то заговорили про их влияние на здоровье. Не знаю, как это произошло. Скорее всего, были выполнены какие-то исследования с предварительными выводами и решением, что такие работы нужно продолжать. И на всякий случай службам, которые ведут мониторинг, выдали рекомендацию сообщать, что повышенная возмущенность магнитного поля, возможно, влияет на метеочувствительных людей. Наверное, так эта информация закрепилась в общественном мнении и стала регулярно сопровождать усиление геомагнитной активности в СМИ.
Конечно, само магнитное поле на живую природу и на организмы определенное влияние оказывает. Например, на него при помощи особенного устройства глазного нерва ориентируются птицы во время перелетов. Однако во время магнитной бури оно меняется всего лишь на один процент, и «датчики» птиц к этим вариациям, скорее всего, нечувствительны. Сегодня исследователи пытаются найти связь между изменением магнитного поля Земли и динамикой нервной или сердечно-сосудистой системы человека. Но на данный момент четкого, стопроцентного научно-медицинского определения такой связи с точки зрения физики я не нашел.
— Насколько точно на сегодняшний день ученые могут предсказывать вспышки солнечной активности и магнитные бури?
— Пока человечество не обладает устойчивым способом, позволяющим предсказывать солнечную активность. А вот прогнозировать геомагнитную активность научились уже достаточно хорошо, особенно от момента, как на Солнце произошли какие-то процессы, до того, как эти процессы повлияли на Землю. Относительно точно может быть измерена скорость движения солнечного ветра. Если на Солнце произошел выброс вещества и был зафиксирован какими-то аппаратами (например, спутниками), можно определить, когда он достигнет Земли. Таким образом, приблизительно за день-два вероятно предсказать, что будет геомагнитная буря. В общем доступе есть модели, которые показывают, как движется плазма от Солнца в межпланетном космическом пространстве. Благодаря им информация о приближении магнитной бури доступна всем желающим. Однако поскольку эта плазма летит по достаточно сложной траектории и может отклониться от изначального курса, нередко в этих прогнозах возникают ошибки.
Существуют также краткосрочные прогнозы. Между Землей и Солнцем, в точке Лагранжа, висит спутник, который гарантированно предупреждает о приближении солнечного ветра за полчаса-час до того, как этот ветер достигнет Земли.
Менее точные прогнозы, но зато на более длительный срок, можно делать благодаря вращению Солнца. Если сегодня на нем есть пятно, которое вызвало мощную геомагнитную бурю, можно сказать, что если это пятно переживет оборот Солнца, то через 20—21 день будет новая вспышка и очередное геомагнитное возмущение.
И как я уже говорил, самые долгосрочные предсказания можно делать благодаря 11-летнему циклу солнечной активности. Так, уже известно, что северные сияния, которые мы наблюдаем в этот раз, достигнут максимума где-то в 2024—2026 году, потом пойдут на спад, а через 7—8 лет практически исчезнут.
— Какие проекты и исследования в области изучения солнечной и геомагнитной активности сегодня реализует Институт солнечно-земной физики СО РАН?
— Самый главный наш проект сейчас — Национальный гелиогеофизический комплекс РАН. Первый этап этого объекта уже запущен в эксплуатацию. Он состоит из комплекса оптических инструментов и радиогелиографа. Радиогелиограф исследует верхнюю солнечную атмосферу и позволяет наблюдать, как от Солнца отрывается вещество и летит в сторону Земли. Это уникальная научная установка мирового значения, благодаря которой физика Солнца должна получить хороший прогресс в ближайшее время.
Комплекс оптических инструментов больше связан с процессами, которые происходят на Земле, в ее атмосфере. Он позволяет следить за температурой верхней атмосферы, скоростью ветра, динамикой различных химических компонентов. С помощью оптических инструментов мы уже исследовали мощную геомагнитную бурю, которая была в мае, и у нас появилась новые, достаточно интересные данные о том, как по-разному на нее откликаются разные химические вещества в верхней атмосфере Земли. Забегая вперед скажу, что новые спектрометры дали нам возможность достаточно хорошо по отдельности рассмотреть, как активизируются компоненты свечения верхней атмосферы, связанные с высыпаниями частиц, и компоненты, связанные с увеличением температуры верхней атмосферы. Данные новых узкоспектральных камер позволили собрать некоторую статистику наблюдений специфических форм среднеширотных сияний. Речь идет о стабильных красных авроральных дугах, характеристики которых могут дать новую информацию о степени искажения магнитосферы и плазмосферы Земли под действием неоднородного солнечного ветра.
Благодаря Национальному гелиогеофизическому комплексу РАН мы приобретем новую информацию о процессах, которые происходят во время геомагнитных бурь, и сможем проверить многие существующие теории и гипотезы. Этот комплекс уникален еще и тем, что мы сможем наблюдать один участок верхней атмосферы Земли одновременно большим количеством устройств разного рода, следящих как за ионизированной, так и за нейтральной компонентами. Получим новый телескоп, который позволит более тщательно изучать строение поверхности Солнца.
Знания, которые мы сможем получать с помощью Национального гелиогеофизического комплекса РАН, важны прежде всего для фундаментальной науки. Для понимания того, как устроена верхняя атмосфера, какие плазменно-химические процессы в ней происходят, как работает Солнце, как возникают и протекают геомагнитные возмущения и сопряженные с ними явления. Эту информацию в будущем можно применить в каких-то конкретных приложениях, например в атмосферной химии, в развитии спутниковых систем связи, навигации, в управлении спутниковыми группировками, а возможно, и во многих других областях.
Беседовала Диана Хомякова
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии