В круговороте повседневности мы редко вспоминаем тот удивительный факт, что наша Земля вращается вокруг огромного природного термоядерного реактора, дающего всему живому свет и тепло. Впрочем, у активности нашего светила есть обратная сторона: за энергию мы порой платим недомоганием и сбоями в работе техники. Во Всемирный день Солнца рассказываем о том, как и с какими целями российские ученые исследуют нашу звезду, и обсуждаем актуальные вопросы в области изучения Солнца с научным руководителем Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН (ИСЗФ СО РАН) академиком Гелием Александровичем Жеребцовым.
Двуликое светило
«Солнце — главный источник энергии на Земле. Все, что происходит на нашей планете, — это результат изменения или влияния солнечной энергии. Поскольку Солнце не представляет собой стационарный источник и обладает изменчивостью, ритмы в природе подчиняются этим колебаниям. Вспышки на Солнце вызывают нарушения в верхних слоях атмосферы Земли и изменения в околоземном космическом пространстве. Огромное количество научных работ еще во времена А.Л. Чижевского указывало на то, что и животный, и растительный мир также по-разному откликаются на события, которые происходят на Солнце», — подчеркнул в беседе с корреспондентом «Научной России» академик Гелий Александрович Жеребцов.
О влиянии Солнца на жизнь на Земле и изучении нашего светила российскими исследователями рассказал научный руководитель Института солнечно-земной физики СО РАН академик Г.А. Жеребцов.
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
Значимое влияние на жизнь человека оказывают солнечные вспышки — прорывы плазмы звезды, которые случаются в местах ослабевания магнитного поля Солнца и сопровождаются электромагнитным излучением с широким диапазоном. Предвестником их появления нередко служат солнечные пятна — темные области на светиле с пониженной температурой и повышенным магнитным полем. Столкновение пятен с разной магнитной полярностью и порождает солнечные вспышки. Большое количество пятен — признак повышенной активности Солнца.
Когда Земля попадает под поток вещества, выброшенного Солнцем в результате вспышки, в магнитном поле планеты возникают возмущения — геомагнитные бури, оказывающие влияние как на живых существ, так и на аппаратуру.
У человека воздействие магнитной бури способно спровоцировать замедление кровотока в капиллярах, бессонницу, мигрень и тахикардию, ухудшить проблемы с кровяным давлением, усилить нарушения в работе сердечно-сосудистой и нервной систем. Из-за солнечной вспышки на Землю может начать поступать больше ультрафиолетового излучения, что грозит опасными долгосрочными последствиями для кожи — от преждевременного старения до рака.
Не менее чувствительны к солнечным вспышкам и технологии. Сильные геомагнитные бури могут вызывать сбои в работе электроники и систем связи, нарушать электроснабжение.
«Во время мартовской бури 1989 г. <…> наступил так называемый блэкаут на территории Канады: наведенные токи вызвали выгорание трансформаторов, так что из строя вышла значительная часть энергосистемы страны, — привел пример в интервью для издания «КоммерсантЪ» директор ИСЗФ СО РАН член-корреспондент РАН Андрей Всеволодович Медведев. — А в октябре 2003 г. мощная “хэллоуинская” вспышка на Солнце повредила ряд спутников, вызвала перебои в телефонной и мобильной связи. <…> Так что в целом катастрофы на Солнце могут привести глобальную экономику в состояние коллапса, причем в первую очередь пострадают страны в высоких широтах».
Космические спутники — уязвимое место человечества перед воздействием вспышек на Солнце.
Источник изображения: abidal / фотобанк 123RF
Космические спутники — ахиллесова пята человечества перед воздействием солнечных вспышек. Поэтому к геомагнитным возмущениям чувствительны навигационные спутниковые системы, такие как GPS и ГЛОНАСС.
«Техносфера в современном мире развивается бурными темпами, и геомагнитные возмущения, вызываемые солнечными вспышками, оказывают на нее активное влияние. Околоземное космическое пространство и межпланетная среда переполнены спутниками, уязвимыми к солнечному излучению. Космическая радиация оказывает агрессивное воздействие на электронику этих аппаратов. В настоящее время принимаются все возможные меры по обеспечению радиационной стойкости нашей микроэлектроники: синтезируются новые вещества, создаются инновационные материалы. Но это приводит к удорожанию технологий, — отметил Г.А. Жеребцов. — Чтобы космические аппараты эффективно работали, необходимо хорошо понимать и изучать природу Солнца, а также успешно прогнозировать его состояние».
Серьезному облучению во время вспышек могут подвергнуться космонавты. Грозит радиация и пилотам, чьи маршруты пролегают над полюсами Земли, где солнечное вещество почти беспрепятственно доходит до поверхности планеты.
Прогнозирование солнечной активности важно для обеспечения безопасности космонавтов на орбите.
Источник изображения: cookelma / фотобанк 123RF
Прогнозирование солнечной активности важно для развития многочисленных сфер жизни. От того, насколько успешно ученые смогут предугадывать поведение светила, зависит наш привычный быт с удобствами в виде мобильной связи, интернета, спутниковой навигации, электроснабжения. Своевременный прогноз солнечной вспышки позволит заблаговременно защитить от сбоя линии электропередачи, перевести в спящий режим спутники, переключить самолеты на более устойчивые каналы связи.
«Еще в таком прогнозе остро нуждаются специалисты, работающие на современных радарах и локаторах. Ведь во время солнечной вспышки можно увидеть ложные отметки о целях, и, если принять помехи за вражеские объекты, <…> это может стать причиной катастрофы», — сообщил А.В. Медведев в интервью для «КоммерсантЪ».
Чтобы успешно прогнозировать солнечную активность, нужно досконально изучать все особенности поведения нашей звезды. К этому и стремятся исследователи Солнца в России и мире.
Как изучают Солнце в России: настоящее и будущее
Один из крупнейших астрономических инструментов на планете — Сибирский солнечный радиотелескоп (ССРТ), приступивший к работе в 1984 г. Масштабная система, включенная в перечень уникальных установок России, располагается в долине между двумя хребтами Восточного Саяна. Радионаблюдения Солнца — единственный способ достоверного измерения коронального магнитного поля звезды. Лишь с их помощью можно исследовать, как выделяется энергия и ускоряются частицы во внешней короне нашего светила. ССРТ настолько чувствителен, что позволяет отслеживать области активности на Солнце на всех стадиях их формирования.
В горах Восточного Саяна располагается еще один важный комплекс для изучения Солнца, служащий российской науке уже 60 лет, — Саянская солнечная обсерватория. Она построена на высоте около 2 тыс. м, где высокая прозрачность воздуха и обилие солнечных дней позволяют эффективно изучать наше светило. На территории площадью 50 га располагаются разнообразные инструменты: от горизонтального солнечного телескопа до спектрографического комплекса космических лучей. Важнейшие задачи Саянской обсерватории — измерение солнечных магнитных полей, а также наблюдения за активностью и динамикой атмосферы Солнца.
Сибирский многоволновый радиогелиограф позволил исследователям объяснить нагревание атмосферы Земли под влиянием Солнца.
Источник изображения: merydolla / фотобанк 123RF
Современные исследователи продолжают путь, заложенный предшественниками. В настоящее время в Сибири создается Национальный гелиогеофизический комплекс РАН — один из самых масштабных научно-исследовательских проектов в истории, который позволит России выйти на новый уровень в изучении Солнца. В его структуру войдут семь объектов: несколько уже построены, некоторые только предстоит возвести. Новый комплекс поможет исследовать процессы, связывающие Солнце и Землю, с охватом всего пространства от фотосферы звезды до атмосферы планеты.
Первый «кирпичик» Национального гелиогеофизического комплекса — обсерватория возрастом около 50 лет в бурятском поселке Торы. Здесь ученые могут отслеживать свечение неба, фиксировать инфразвук, принимать сигналы со спутников. Недавно обсерваторию серьезно модернизировали.
Второй объект комплекса — Сибирский многоволновый радиогелиограф — включился в работу в ноябре 2023 г. Это один из крупнейших астрономических инструментов России, в создании которого использовались отечественные технологии, не имеющие аналогов в мире. Система из 528 антенн располагается в бурятском урочище Бадары и предназначена для изучения солнечной активности и наблюдений за поверхностью светила. Первые результаты работы радиогелиографа были получены еще в процессе его настройки и порадовали научной ценностью. Изыскания, проведенные с помощью нового инструмента, впервые позволили объяснить, почему атмосфера Земли нагревается от Солнца, несмотря на огромное расстояние до звезды. Оказалось, что тепло приносит воздействие электрического тока, создаваемого электромагнитными полями.
Техносфера напрямую зависит от солнечного воздействия: сильные вспышки на светиле могут провоцировать перебои со связью и электроснабжением. Поэтому активность Солнца важно изучать и заблаговременно прогнозировать.
Фото: mariyaermolaeva / фотобанк 123RF
С августа 2023 г. ведутся подготовительные работы для развертывания строительства крупного солнечного телескопа-коронографа (КСТ-3) — третьего объекта комплекса. Масштабы совместного проекта ИСЗФ СО РАН и госкорпорации «Ростех» впечатляют: планируется, что диаметр главного зеркала телескопа из особого стеклокерамического материала астроситалла составит 3 м, а общая масса коронографа достигнет 120 т. Конструкция КСТ-3 будет создаваться с расчетом на девятибалльные землетрясения, так как телескоп строится на территории сейсмоопасной Байкальской рифтовой зоны. КСТ-3 поможет ученым исследовать магнитные поля Солнца и отслеживать циклы солнечной активности, изучать тонкую структуру фотосферы Солнца, недоступную для телескопов малого диаметра и орбитальных обсерваторий. Коронограф также поможет глубже исследовать природу солнечных вспышек, корональных выбросов массы и других явлений на нашей звезде.
«Мы должны заранее прогнозировать <…> такие события, чтобы не только обогащать науку знаниями о нашем светиле, но и делать безопасной нашу жизнь», — подчеркнул на открытии работ президент РАН академик Геннадий Яковлевич Красников.
В дальнейшем Национальный гелиогеофизический комплекс РАН должны пополнить еще четыре объекта: радары для исследования верхних слоев атмосферы и ионосферы Земли вместе с околоземным космическим пространством, лидар для изучения земной атмосферы, нагревный стенд для изучения влияния радиоволн на ионосферную плазму, а также центр управления данными.
Сила — в единстве
В беседе с корреспондентом «Научной России» Гелий Александрович Жеребцов сообщил, что, несмотря на успешные наземные исследования, российская наука остро нуждается в космических аппаратах для изучения Солнца. Пока в космосе работает только солнечный телескоп СОЛ, который был выведен на орбиту в конце июня 2023 г.
Академик Гелий Александрович Жеребцов: «В нашей стране катастрофически не хватает средств космического базирования, способных помогать нам в области изучения физики Солнца».
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
«В нашей стране катастрофически не хватает средств космического базирования, способных помогать нам в области изучения физики Солнца. Действительно, в России был создан небольшой аппарат СОЛ, над которым работали Институт солнечно-земной физики РАН, Институт космических исследований РАН, Институт физики микроструктур РАН, Новосибирский государственный университет. Этот спутник позволяет регистрировать изменения в верхних слоях атмосферы Солнца. Сообщается, что его вывод на орбиту поможет не ждать экстремальных случаев солнечной активности и наблюдать практически все вспышки. Создатели СОЛ считают, что один из наиболее значимых объектов исследований — жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Руководитель работ — доктор физико-математических наук Сергей Вадимович Кузин, сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, совместно с которым у ИСЗФ РАН организована лаборатория, — поделился Г.А. Жеребцов. — В то же время у наших зарубежных коллег сейчас имеются очень крупные солнечные инструменты. Тем не менее мы стараемся».
Гелий Александрович объяснил разницу между наземными и космическими исследованиями нашей звезды: «Нельзя противопоставлять изучение Солнца с поверхности Земли и при помощи космических аппаратов. Самый эффективный научный вклад дают совместные исследования. Наземные изыскания помогают судить о процессах, происходящих на Солнце, при этом они могут проводиться только в течение светового дня и не позволяют оценить общее состояние звезды. А спутник, пролетая над Солнцем, способен фиксировать его состояние. Таким образом, у каждого из этих двух направлений есть свои задачи, свои плюсы и минусы».
От минимума к максимуму
В феврале 2024 г. на Солнце впервые за семь лет одна за другой произошли две вспышки высшей силы — класса X. Гелий Александрович Жеребцов прокомментировал это явление.
«В феврале 2024 г. на Солнце действительно произошли две нетривиальные крупные вспышки. Но не каждая солнечная вспышка способна оказать воздействие на околоземное космическое пространство и саму Землю. Масса, которую выбрасывает Солнце, может пересечь орбиту нашей планеты раньше, чем Земля пройдет по ней в этой точке, или позади Земли, когда планета уже удалится от данного места. Иногда на Солнце происходит небольшая вспышка, но ее координаты столь удачны и магнитное поле звезды сориентировано таким образом, что эта масса встречается с Землей и производит на планете магнитные бури. Две февральские вспышки вызвали небольшие геомагнитные возмущения, но не оказали на Землю существенного воздействия», — объяснил исследователь.
В 2024–2025 гг. ученые ожидают наступление вершины максимума солнечной активности.
Источник изображения: vampy1 / фотобанк 123RF
Г.А. Жеребцов рассказал и о том, чего нам стоит ждать от солнечной активности в ближайшем будущем.
«Сейчас мы подходим к вершине максимума солнечной активности. Максимум — это не отдельная наивысшая точка. Иногда после возрастания активности происходит ее падение, а затем — снова подъем до вершины, так называемое двугорбое расщепление максимума, — сообщил ученый. — Примерно в 2024–2025 гг. (скорее в 2025 г.) ожидается максимум солнечной активности в этом 11-летнем цикле. Затем начнется снижение, которое продлится пять-шесть лет до минимума, после чего пройдет еще около пяти-шести лет до нового максимума. Стоит отметить, что длина солнечного цикла в 11 лет принята исследователями для удобства. На самом деле цикл нашего светила может длиться от восьми до 14 лет. К тому же солнечный максимум не всегда легко выявить, потому что порой он бывает не очень ярко выражен».
Гелий Александрович обратил внимание на интересную закономерность в циклических изменениях активности Солнца: «На спаде солнечной активности количество вспышек падает, а вот их мощность оказывается достаточно высокой».
Естественный щит, защищающий Землю от губительного солнечного излучения, — озоновый слой. Мы узнали у исследователя, не грозит ли планете катастрофическое облучение из-за истощения озонового слоя человеческой деятельностью.
«Несмотря на то что было много разговоров об антропогенном влиянии, приводящем к исчезновению озонового слоя, сейчас ситуация стабилизировалась. Все изменения, которые происходят в озоновом слое, не выходят за рамки нормального», — заключил Г.А. Жеребцов.
Источники
Беседа с академиком Г.А. Жеребцовым
«Интерфакс. Россия». Солнечный телескоп начал строить «Ростех» в горах Восточного Саяна
ИСЗФ СО РАН. ССРТ — Сибирский солнечный радиотелескоп
ИСЗФ СО РАН. Саянская солнечная обсерватория
Лаборатория солнечной астрономии ИКИ и ИСЗФ. Поступили первые изображения с телескопа СОЛ
Лаборатория солнечной астрономии ИКИ и ИСЗФ. Солнечные вспышки
Научно-популярный журнал Российской академии наук и Астрономо-геодезического общества «Земля и Вселенная». Б.В. Сомов. Физика солнечных вспышек
«Российская газета». Ученых удивило исчезновение пятен на Солнце
«Московский комсомолец. Иркутск». Нина Писаренко. Новый взгляд на Солнце: иркутские ученые получили первые уникальные результаты
«КоммерсантЪ». Елена Кудрявцева. «Солнце — очень активный объект» (интервью с директором ИСЗФ СО РАН А.В. Медведевым для журнала «Огонек»)
РБК Life. Валерия Гордийко, Яна Баширова. «Архипелаг солнечных пятен» грозит Земле мощными магнитными бурями
Источник изображения на главной странице: cookelma / фотобанк 123RF
Источник изображения на превью: pitris / фотобанк 123RF
Источники изображений в тексте: Елена Либрик / «Научная Россия», abidal / фотобанк 123RF, cookelma / фотобанк 123RF, merydolla / фотобанк 123RF, mariyaermolaeva / фотобанк 123RF, vampy1 / фотобанк 123RF.