Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
National Geographic №195, декабрь 2019
National Geographic Traveler №72, ноябрь 2019 – январь 2020
Это новый сайт National Geographic Россия. Пока мы работаем в режиме бета-тестирования.
Если у вас возникли сложности при работе с сайтом, напишите нам: new-ng@yasno.media
Наука

Солнечный удар

Текст: Тимоти Феррис
24 сентября 2012
/upload/iblock/6c8/6c80c9001cab43b2cc2a7a6f66707223.jpg
1 сентября 1859 года. Астроном Ричард Кэррингтон зарисовывал солнечные пятна – участки повышенной магнитной активности на поверхности Солнца, – когда внутри одной из больших групп пятен появились две вспышки яркого света (А и B, вверху). А через некоторое время на Землю обрушилась геомагнитная буря – самая мощная за всю историю наблюдений.
Фото: Ричард Кэррингтон
/upload/iblock/c2b/c2bb96d9cd7f5593f5607d675c1de257.jpg
Фото: Обсерватория солнечной динамики НАСА
/upload/iblock/d1d/d1d7302e43c2633ea39a8f80ea832059.jpg
Остается загадкой, почему атмосфера этой звезды становится горячее с удалением от ее поверхности. Во время солнечных вспышек отдельные участки короны могут разогреваться более чем до 6 миллионов градусов.
Фото: Обсерватория солнечной динамики НАСА
/upload/iblock/b7f/b7f03c66c16481ade9f3b539c1db457c.jpg
22 сентября 2011 года. Плазменные петли, настолько огромные, что могли бы опоясать несколько планет размером с Землю, засняты «в профиль» на краю солнечного диска; зависший над ними протуберанец, похожий на волну, посылает в космическое пространство заряженные солнечные частицы. Ученые наблюдают на поверхности светила сейсмические звуковые волны, чтобы определить активные участки заранее.
Фото: Обсерватория солнечной динамики НАСА
/upload/iblock/746/7461eeb5de4414a63b00c519ab736deb.jpg
9 августа 2011 года. Вспышка класса Х, самого мощного по классификации Национального управления по исследованию океанов и атмосферы США, вызывает перегрузку одного из датчиков Обсерватории солнечной динамики. Учитывая, что на 2013 год должен прийтись пик цикла солнечной активности, можно ожидать, что Земля испытает на себе больше солнечных вспышек и коронарных выбросов массы. Прямое попадание мощного коронарного выброса в нашу планету может парализовать работу линий электропередачи.
Фото: Обсерватория солнечной динамики НАСА
/upload/iblock/d90/d9004ba4caa071d16b7cb2fa03f13d39.jpg
24 января 2012 года. Северное сияние переливается над мостом Соммарёй на острове Квалёйа в Северной Норвегии в один из дней недели повышенной солнечной активности. Северное сияние возникает, когда солнечный ветер сталкивается с атомами атмосферных газов, заставляя их светиться, как неон в неоновой лампе. Северное сияние – обычное явление в Заполярье, но во время сильных солнечных бурь может наблюдаться и в более низких широтах.
Фото: Бьёрн Йёргенсен
/upload/iblock/150/150dd088c813163459efb14dcbd27157.jpg
7 июня 2011 года. Обсерватория солнечной динамики сфотографировала коронарный выброс массы (все снимки сделаны в четыре часа дня) в разных световых диапазонах, которые отражают температуры в разных слоях солнечной атмосферы. В относительно прохладной хромосфере температура составляет всего 50 тысяч градусов Цельсия, но быстро повышается почти до миллиона градусов в находящейся выше короне (следующее фото).
Фото: Обсерватория солнечной динамики НАСА
/upload/iblock/bad/bad72f21698054d4cbfc9ceab90f21bf.jpg
21 июля 2011 года. Бурлящий хаос атмосферы нашего Солнца был запечатлен в дальнем ультрафиолетовом диапазоне Обсерваторией солнечной динамики НАСА (ОСД), отправленной в космос в 2010 году с целью изучения солнечной активности и ее влияния на Землю. На этом расцвеченном изображении (в НАСА снимки ОСД обрабатываются так, чтобы искусственные цвета отображали световые волны различной длины) яркие арки коронарных петель возвышаются между участками интенсивной магнитной активности, а более прохладные и темные нити плазмы висят в пространстве, удерживаемые магнитным полем Солнца.
Фото: Обсерватория солнечной динамики НАСА
Прогноз космической погоды на следующие несколько лет: солнечные бури, способные вызвать катастрофические перебои в электроснабжении на Земле. Готовы ли мы к этому?
В четверг, 1 сентября 1859 года, 33-летний пивовар и астроном-любитель Ричард Кэррингтон поднялся по лестнице своей частной обсерватории и установил телескоп так, чтобы видеть на расположенном под ним экране 28-сантиметровое изображение Солнца. Отмечая на листе бумаги перемещения солнечных пятен, он заметил, как в середине большой их группы внезапно сверкнули «две вспышки чрезвычайно яркого белого света». В ту же секунду в лондонской обсерватории Кью бешено заплясала стрелка магнитометра, подвешенная на шелковой нитке. Ночью небеса озарились гигантскими всполохами северного сияния, которое было видно даже на Гавайях и в Панаме. Туристы, отправившиеся в поход по Скалистым горам, приняли его за рассвет и начали готовить завтрак. Вспышка, которую наблюдал Кэррингтон, предвещала солнечную супербурю – грандиозный электромагнитный всплеск, в результате которого в сторону Земли устремляются мощные выбросы плазмы. Когда эта невидимая для человеческого глаза волна столкнулась с магнитным полем Земли, в телеграфных проводах начались скачки напряжения. Несколько станций вышли из строя, но телеграфисты с других участков обнаружили, что, если отключить батареи, можно продолжать работать на одном лишь геомагнитном электричестве. «Мы сейчас используем только ток от северного сияния, – отстучал телеграмму оператор из Бостона своему коллеге в Портленд, штат Мэн. – Как доходит мое сообщение?»
В результате сильнейшей солнечной бури миллионы людей могут на несколько месяцев остаться без света, питьевой воды, канализации, отопления, телефонной связи, а также без скоропортящихся лекарств и продуктов питания – по экономическому ущербу такая буря будет равна 20 ураганам Катрина.
«Гораздо лучше, чем когда были включены батареи», – ответил Портленд. Операторам современных энергетических систем в схожих обстоятельствах вряд ли удалось бы сохранить столь же хорошее расположение духа. Солнечная буря, сравнимая по силе с «событием Кэррингтона», может повредить больше трансформаторов, чем хранится на складах энергетических компаний, в результате чего миллионы людей останутся без света, питьевой воды, канализации, отопления, кондиционеров, телефонной связи, а также без скоропортящихся лекарств и продуктов питания – на несколько месяцев, которые потребуются, чтобы произвести и установить новые трансформаторы. Согласно прогнозу, содержащемуся в недавнем докладе американской неправительственной научной организации – Национальной академии наук, по экономическому ущербу такая буря будет равна 20 ураганам Катрина – один-два триллиона долларов США только в первый год, а на полное преодоление экономических последствий уйдет десятилетие. Солнце нельзя назвать ни твердым, ни жидким, ни газообразным – оно состоит из плазмы, «четвертого состояния материи», которое возникает, когда от атомов остаются лишь голые электроны и положительные ионы. (К слову, физики предполагают, что 99 процентов массы Вселенной приходится именно на вещество в состоянии плазмы.) Кроме того, Солнце нашпиговано магнитными полями. Большая их часть погребена глубоко внутри массивной солнечной туши, но некоторые магнитные трубы диаметром с Землю появляются на поверхности в виде солнечных пятен. Их магнетическое воздействие и дирижирует танцем стихий в солнечной атмосфере, а также дает силу солнечному ветру, каждую секунду выбрасывая в пространство миллион тонн плазмы со скоростью 700 километров в секунду. Источник всех этих процессов – сложнейший механизм самой обычной звезды. Солнечное ядро – бурлящий сфероид из плазмы с плотностью, в шесть раз большей, чем у золота, и разогретый до 15 миллионов градусов Цельсия – ежесекундно вплавляет по 700 миллионов тонн протонов в ядра атомов гелия; попутно высвобождается энергия, равная взрыву 10 миллиардов водородных бомб. Ядро слегка пульсирует, расширяясь, когда процесс ядерного синтеза нарастает, и сжимаясь, когда он ослабевает. На это медленное, глубокое сердцебиение накладываются мириады других ритмов, от 11-летнего цикла солнечных пятен до циклов протяженностью в столетия. Энергия, порожденная в процессе ядерного синтеза внутри солнечного ядра, выносится наружу высокоэнергетическими фотонами, которые пробираются сквозь тесный лабиринт ионов и электронов. Материя в этой зоне, которая называется зоной лучистого переноса, сжата так плотно, что фотонам требуется более 100 тысяч лет, чтобы добраться до окружающей ее конвективной зоны, занимающей 70 процентов расстояния от центра солнца. Еще примерно через месяц фотоны достигают фотосферы – той части Солнца, которую мы видим. А для того чтобы добраться отсюда до Земли в виде солнечного света, им требуется всего восемь минут. Как нетрудно предположить, термоядерная печь таких колоссальных размеров издает чрезвычайно сильный шум. «Солнце трезвонит, словно колокол, обладающий миллионом разных тонов», – говорит Марк Миш из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо. Эти звуковые волны создают на поверхности Солнца рябь, которую ученые-гелиосейсмологи изучают, чтобы проследить потоки, перемещающиеся в глубине конвективной зоны. Данные, передаваемые гелиосейсмическими датчиками, установленными на борту Обсерватории солнечной динамики НАСА, недавно позволили исследователям из Стэнфордского университета обнаружить магнитные пучки на глубине 65 тысяч километров и предсказать, что через несколько дней они появятся на поверхности в виде солнечных пятен.
Проникнув в верхние слои атмосферы, заряженные частицы вызвали яркое северное сияние в небе над значительной частью земной поверхности. Некоторым людям казалось, что их города объяты огнем.
Такие сведения помогают собрать важнейшую информацию о том, как зарождаются солнечные бури. Солнце работает как гигантская динамо-машина, от полюса до полюса оплетенная силовыми линиями глобального магнитного поля, словно птичья клетка. Силовые линии локальных полей, опутанные плазмой в конвективной зоне, изгибаются и вылезают на поверхность, образуя петли. Когда такие петли, видимые благодаря раскаленной сияющей плазме, пересекаются, может произойти, по сути дела, короткое замыкание, результатом которого становится грандиозный плазменный взрыв – этот взрыв и называют солнечной вспышкой. Подобные вспышки высвобождают энергию, эквивалентную взрыву сотен миллионов мегатонн тротила; в пространство извергаются рентгеновское и гамма-излучение, а также заряженные частицы, несущиеся со скоростью, близкой к световой. «Событие Кэррингтона» представляло собой мощную солнечную вспышку, которая породила второй подряд (что бывает крайне редко) коронарный выброс массы – гигантское магнитное извержение раскаленной плазмы в пространство. Первый выброс, вероятно, достиг Земли за стандартный промежуток времени – от 40 до 60 часов, и расчистил в солнечном ветре путь для второго, который преодолел то же расстояние всего за 17 часов. Объединенный удар двух выбросов смял магнитосферу Земли (ее граница проходит там, где магнитное поле планеты взаимодействует с солнечным ветром) так, что ее высота опустилась с 60 тысяч километров до 7 тысяч, из-за чего на время исчезли окружающие Землю радиационные пояса Ван Аллена. Проникнув в верхние слои атмосферы, заряженные частицы вызвали яркое северное сияние в небе над значительной частью земной поверхности. Некоторым людям казалось, что их города объяты огнем. Супербури масштаба «события Кэррингтона» происходят лишь раз в несколько столетий. Но такие явления даже меньшей силы могут причинить серьезный ущерб в наше время, когда люди становятся все более зависимы от высокотехнологичного оборудования, запущенного в космос. Солнечные бури возмущают ионосферу – слой земной атмосферы, в котором возникает северное сияние, расположенный более чем в 100 километрах над поверхностью планеты. Пилоты почти 11 тысяч коммерческих рейсов, ежегодно пролетающих над Арктикой севернее 80-го градуса северной широты – то есть вне зоны охвата спутников связи, орбиты которых проходят над экватором, – держат связь с Землей с помощью коротковолновых радиосигналов, отражающихся от ионосферы. Когда космическая непогода вызывает возмущения в ионосфере и нарушает коротковолновую связь, пилоты обязаны изменить маршрут – авиакомпании это может обойтись в 100 тысяч долларов за рейс. Возмущения в ионосфере воздействуют и на сигналы системы GPS, что приводит к ошибкам в определении местонахождения – до 50 метров. Это означает, что плавучие нефтяные платформы могут сдвинуться с места, а пилотам нельзя будет при посадке полагаться на показания GPS-навигаторов, которые сегодня все шире применяются в аэропортах. Да и радиационная безопасность пилотов и пассажиров снижается. Рентгеновское излучение, испускаемое во время солнечных вспышек, также может влиять на низкоорбитальные спутники, поскольку нагревает атмосферу и тем самым увеличивает ее сопротивление. По оценкам НАСА, в периоды солнечной активности Международная космическая станция опускается более чем на 300 метров в день. Солнечные бури могут воздействовать и на электронную начинку спутников связи, превращая их в «спутники-зомби» – кружащиеся вокруг Земли мертвые болванки. У космических спутников, впрочем, есть встроенная защита от мощных геомагнитных бурь, а вот у большинства энергетических сетей ее нет. Поскольку крупные трансформаторы заземлены, электрический ток, порожденный геомагнитными бурями, может привести к их перегреву, возгоранию и даже взрыву. Ущерб от этого может быть катастрофическим. По мнению Джона Кэппенмэна, главы консалтинговой компании Storm Analysis Consultants, изучающего воздействие космической погоды на энергетические сети, солнечная буря вроде той, что произошла в мае 1921 года, сегодня погрузила бы во тьму половину Северной Америки, а буря масштаба 1859 года способна обесточить энергетическую систему всего континента, и тогда сотни миллионов человек окажутся отброшенными в доэлектрическую эпоху на недели, а может быть, и месяцы. Мы, по выражению Кэппенмэна, «играем с Солнцем в русскую рулетку». Но, по крайней мере, играем мы не вслепую. В 1859 году в мире существовал весьма ограниченный набор инструментов для изучения Солнца – фактически только телескопы и несколько геофизических станций, наблюдавших за состоянием магнитного поля. Сегодня ученые постоянно следят за нашей родной звездой с помощью армады спутников, которые могут делать снимки в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах, чего нельзя сделать с поверхности Земли. Почтенный космический аппарат ACE (Advanced Composition Explorer), запущенный в августе 1997 года и до сих пор пребывающий в добром здравии, отслеживает интенсивность солнечного ветра, находясь на орбите вокруг точки L1 – гравитационно стабильного участка на расстоянии примерно полутора миллионов километров от Земли в сторону Солнца. SOHO (Солнечная и гелиосферная обсерватория) располагает 12 датчиками, которые принимают и обрабатывают огромную информацию – от движения высокоскоростных протонов солнечного ветра до медленных звуковых волн, производимых Солнцем. Космическая система STEREO состоит из двух спутников, один из которых летит впереди Земли на ее орбите, а другой следует за ней. Вместе они создают трехмерные изображения Солнца, на которых видно, как коронарные выбросы массы отрываются от его поверхности и уносятся в открытое пространство. Тем временем Обсерватория солнечной динамики, выведенная на геостационарную орбиту в феврале 2010 года, ежедневно передает 1,5 терабайта информации об атмосфере и магнитном поле нашей звезды. Поскольку последствия солнечной бури отчасти зависят от того, как ее магнитное поле будет взаимодействовать с магнитным полем Земли, ученые не могут точно предсказать силу приближающейся бури, пока она не достигнет спутника АСЕ – а оттуда на то, чтобы добраться до Земли, ей может хватить всего 20 минут. Поэтому усилия ученых сосредоточены на том, чтобы прогнозировать потенциальную силу бури и приблизительное время ее встречи с Землей. Это позволит подготовить к встрече с ней наиболее уязвимые системы. В октябре прошлого года Центр прогнозирования космической погоды ввел в действие новую компьютерную модель, названную «Энлиль» в честь шумерского бога ветра. «Энлиль» может предсказывать, когда коронарный выброс массы достигнет Земли с точностью плюс-минус шесть часов, то есть вдвое точнее, чем предыдущие модели. Задача «Энлиля» очень сложна, в частности потому, что выброс активно взаимодействует с обычным солнечным ветром и магнитным полем Солнца. Как бы то ни было, в своем прогнозе относительно бури, достигшей Земли 8 марта этого года, «Энлиль» ошибся всего на 45 минут. Буря, правда, оказалась скорее из тех, что бывают в стакане воды – но в следующий раз нам может повезти куда меньше.