Старший преподаватель Космического центра Сколтеха (SSC), специалист по космической погоде Татьяна Подладчикова недавно выступила с лекцией на тему «В объятьях звезды по имени Солнце» в Парке «Зарядье» (18 июня 2019 года). Выступая перед многочисленной аудиторией, собравшейся в лектории Заповедного посольства «Зарядье», Татьяна рассказала о том, что такое космическая погода и как она влияет на Солнечную систему, планету Земля, жизнь ее обитателей и работу наземных технических систем, а также о том, как при помощи современного оборудования можно составлять краткосрочные и долгосрочные прогнозы космической погоды.

Для большинства людей космическая погода ‒ понятие весьма абстрактное. Первое, что приходит в голову, когда речь заходит о космической погоде, это северное сияние, при котором ночное небо озаряется огнями красного, синего и зеленого оттенков. Но далеко не все знают, что космическая погода ‒ это довольно сложный феномен, способный оказывать серьезное влияние на всю земную цивилизацию, которую уже сложно представить без современных технологий.

Впервые человечество пришло к пониманию потенциального воздействия космической погоды на земную жизнь еще в середине XIX века. В то время основным средством связи между правительствами, частными компаниями и иногда отдельными гражданами был телеграф. В 1859 году на Солнце произошла мощная вспышка и выбросы солнечной массы, вызвавшие сильнейшую геомагнитную бурю, которая вывела из строя телеграф во многих странах мира, привела к возникновению полярного сияния, которое можно было наблюдать даже в тропических регионах к югу от Кубы, и оставила след в ледниках Гренландии. Эта мощная солнечная буря, получившая название “Событие Кэррингтона” по имени британского ученого Ричарда Кэррингтона, и по сей день остается одним из наиболее наглядных примеров влияния космической погоды на человеческую цивилизацию.

В современном мире подобные явления не менее опасны, скорее, наоборот: по мере развития новых технологий мы становимся еще более зависимыми от современных технологий, а значит, у космической погоды появляется все больше «шансов» для дестабилизации нашей жизни. Если на Солнце произойдет новый выброс такой же мощности, как вспышка Каррингтона, ущерб для мировой экономики, по некоторым оценкам, будет исчисляться триллионами долларов. Вот что рассказала нам старший преподаватель Космического центра Сколтеха Татьяна Подладчикова о сфере своей деятельности и предмете научных исследований.

 

 Расскажите о Вашей сфере деятельности и направлении научной работы

‒ Представьте себе, что вы просыпаетесь утром, на дворе середина марта, стоит холодная погода, а у вас не работает центральное отопление. Вы идете на кухню, чтобы сварить кофе, и понимаете, что света нет, холодильник не работает, чайником воспользоваться вы не можете и, наконец, Интернета тоже нет. На улице все будто замерло ‒ не работают светофоры, встали заводы, аэропорты, закрылись школы, не ходит электротранспорт. Все, на чем держится современная цивилизация, просто отключилось. Похоже на конец света, не правда ли?

Нечто подобное случилось в Канаде в 1989 году. В результате сильнейшей геомагнитной бури полностью вышла из строя энергосистема страны, что привело к массовому отключению электричества ‒ без электроэнергии на всю ночь остались около 6 миллионов человек, остановилась вся промышленность, не работали объекты инфраструктуры. Общий экономический ущерб от этой геомагнитной бури составил около 300 миллионов долларов США.

  

Известный русский ученый, основоположник гелиобиологии А.Л. Чижевский сказал: «Земля всегда находится в объятиях Солнца, и настроение Солнца передается Земле».

Цель моей работы ‒ разобраться в механизмах передачи энергии от Солнца к Земле и понять, как они влияют на жизнедеятельность человека и работу техники на Земле и в космосе. Для того чтобы понять суть наблюдаемых нами солнечных явлений, необходимо исследовать целый ряд задач солнечной физики. Результаты наших исследований мы используем для разработки сервисов космической погоды, позволяющих составлять точные прогнозы, с тем чтобы минимизировать последствия неблагоприятных проявлений космической погоды.

Мы уже достаточно хорошо понимаем суть происходящих на Солнце процессов и можем выполнять их количественную оценку ‒ а это уже немало для обеспечения стабильной работы технических средств. Мы научились выявлять опасные уровни солнечной активности и своевременно отключать спутниковое оборудование во избежание его повреждения. В случае обнаружения потенциальной опасности, которая может быть связна с самыми разными проявлениями космической погоды, может быть даже принято решение об отмене космического запуска.

Солнечные вспышки ‒ это выбросы электромагнитного излучения, которые достигают Земли всего за восемь минут (скорость света). Для измерения мощности солнечных вспышек используется рентгеновский диапазон. Достигнув Земли, электромагнитное излучение Солнца способно создавать помехи для радиолокационного оборудования в системах радиосвязи. Именно это произошло в Швеции в ноябре 2005 года, когда с радаров исчез пассажирский самолет и все полеты в воздушном пространстве Швеции были полностью прекращены.

Приведу еще один пример. При запуске спутников также важно планировать их возвращение с орбиты в атмосферу Земли. При повышенной солнечной активности может наблюдаться сильный нагрев атмосферы, в результате которого под действием сопротивления атмосферы спутник может отклоняться от заданной орбиты, поэтому в периоды пиковой солнечной активности нам приходится один раз в три недели корректировать положение спутника на орбите. Кроме того, по пути движения спутника встречается немало космического мусора, преимущественного очень мелкого. Если спутник неожиданно отклонится от своей орбиты и на высокой скорости столкнется даже с мелким объектом космического мусора, эффект будет таким же, как при столкновении с бомбой.

Еще одним опасным проявлением космической погоды являются зарождающиеся в других галактиках космические лучи, которые воздействуют на солнечные панели геостационарных спутников, находящихся на высоте 36-40 тысяч километров, что может приводить к потере космического аппарата и его падению. История знает немало подобных случаев ‒ например, гибель спутника Galaxy 10 в 2010 году. Выход из строя геостационарного спутника чреват последствиями для работы авиации, так как при потере GPS-сигнала самолет вынужден двигаться практически вслепую. На выполнение полетов влияет и уровень радиации в атмосфере; в России у каждого пилота, выполняющего рейс в высоких широтах, есть специальная карточка, где регистрируется количество полетных часов в рамках допустимой нормы. В средних широтах (например, на широте Москвы) доза облучения при очень сильной солнечной вспышке может быть равна дозе, получаемой суммарно за 100 флюорографических обследований. Но и опасный уровень радиации ‒ далеко не единственная проблема. Финансовые затраты на непредвиденную корректировку маршрута одного самолета составляют от 100 тысяч долларов и выше.

Но вернемся к спутникам. Хотя солнечные вспышки, подобные той, о которой я только что рассказала, происходят крайне редко, следует помнить, что полеты человека в космос все-таки не лишены опасностей. Во время одного из двух последних пилотируемых полетов на Луну на кораблях Аполлон-16 и 17 была зарегистрирована мощнейшая солнечная вспышка. Если бы астронавты оказались в зоне ее прямого воздействия, они получили бы смертельную дозу радиации.

Если говорить о геостационарных спутниках ‒ а на геостационарной орбите их великое множество, причем в основном это спутники связи ‒ то все они естественным образом экранированы от воздействия солнечного излучения земной магнитосферой, которая также защищает и все живое на Земле. Однако нельзя исключить ситуации, когда под действием солнечного ветра и межпланетного магнитного поля установится опасный уровень давления, при котором магнитосфера Земли опустится ниже геостационарной орбиты, тем самым лишив спутники естественной защиты.

Если рассматривать пространство, находящееся ближе к поверхности Земли, то там в геомагнитном поле во время геомагнитных бурь происходят изменения, которые приводят к возникновению геомагнитно-индуцированных токов, влияющих на работу всех технических средств на Земле ‒ трубопроводов, систем подачи электроэнергии (отключение электричества в Квебеке), железнодорожных семафоров (включение красного цвета вместо зеленого и наоборот). В ближайшем будущем возможность прогнозирования космической погоды будет приобретать все бо́льшее значение для обеспечения безопасности автономного транспорта, поскольку сильные геомагнитные возмущения способны привести к полной остановке беспилотных автомобилей. Во время войны во Вьетнаме вблизи побережья этой страны неожиданно взорвались 25 подводных мин, и никто не мог понять, почему. Впоследствии выяснилось, что взрыв был спровоцирован изменениями магнитного поля, которые в свою очередь были вызваны мощным корональным выбросом массы Солнца. Повторения таких явлений исключить нельзя.

 

Не могли бы Вы поподробнее рассказать о том, как защититься от неблагоприятных воздействий космической погоды?

‒ Нам, землянам, повезло в том смысле, что мы имеем естественную защиту в виде магнитного поля, которое отводит бо́льшую часть попадающих в околоземное пространство галактических космических лучей, которые затем поглощаются атмосферой. И все-таки, во время сильных солнечных выбросов радиация может достигать Земли, подвергая опасности не только технические средства, но и жизнь космонавтов. В сентябре 2017 года произошли две самые мощные за предыдущие 12 лет вспышки на Солнце, и экипаж, работавший в это время на борту МКС (которая находится на высоте 400 км над Землей), был вынужден перейти в специальное укрытие. На самом деле, это даже не специально экранированное помещение, а просто отсек с более толстыми стенами, где установлено большое количество электроники. За пределами магнитосферы можно ожидать чего угодно ‒ этим и опасны пилотируемые космические полеты. Для длительных космических полетов необходима надежная защита от радиации.

В настоящее время известны два основных метода защиты от радиации. Первый метод ‒ это экранирование, т.е. установка экрана между источником излучения и человеком. Экранирование обеспечивает надежную защиту, но существенно увеличивает массу космического аппарата и стоимость его запуска. Еще одним недостатком этого метода является так называемое пассивное вторичное излучение, которое может оказаться еще опаснее, чем сами галактические лучи.

Второй метод основан на модели активной защиты от излучения, построенной по образу и подобию самого магнитного поля Земли и способной отводить и улавливать потоки частиц падающего излучения. Однако эта модель скорее из области фантастики. Для отвода наиболее опасных галактических космических лучей потребуется сила такой величины, которой обладает только магнитное поле Земли.

Известно, что Солнце является источником света, тепла и жизни на Земле, но при этом происходящие на Солнце процессы способны сильно влиять на работу систем коротковолновой радиосвязи и навигации. Уже в годы Второй мировой войны люди знали, что некоторые «земные» проблемы каким-то образом связаны с процессами, происходящими в атмосфере: тогда приходилось ежедневно оценивать солнечную обстановку и принимать решение о том, на какой частоте передавать сигнал.

В наши дни во избежание негативных последствий повышенной солнечной активности отключают чувствительное спутниковое оборудование, прекращают все спутниковые маневры, космические запуски и полеты самолетов через полюса. Любой запуск производится только при благоприятном космическом прогнозе.

 

А как прогнозируют космическую погоду?

‒ Методы прогнозирования космической погоды в сущности основаны на двух подходах, которые вначале используют раздельно, а затем объединяют. Первый ‒ это статистический метод. Что это значит? Предположим, вы выходите на улицу, смотрите на автомобили и видите на каждом регистрационном номере три числа. Вопрос: «Какова вероятность того, что первые два числа у разных автомобилей будут одинаковыми?». Это задача из области теории вероятностей, а ее решение ‒ это единица, поделенная на десять, т.е. 10%. Если решить ту же задачу для 300 автомобилей, то первые два числа совпадут у 30 из них, если взять 1000, совпадение будет уже у 100 машин, и так далее. Этот метод применяется очень широко, поскольку он позволяет устанавливать определенные закономерности для больших объемов данных.

Второй подход строится либо на очень серьезной физической идее, либо на реально наблюдаемых данных, но здесь все не так просто. В Древней Греции жил человек по имени Эратосфен, который заведовал Александрийской библиотекой в Египте. Однажды он оказался в городе Сиене (ныне Асуан), расположенном на берегах реки Нил в нескольких сотнях километров к югу от Александрии. Он заметил, что в Сиене в период летнего солнцестояния предметы не отбрасывают тени. В Александрии ничего подобного он не наблюдал. Из этого он сделал вывод, что Земля имеет форму шара, и, зная расстояние между этими двумя городами, он смог очень точно посчитать радиус Земли. Позднее другой грек повторил этот эксперимент, но в своем расчете радиуса Земли допустил ошибку. Именно этот более поздний результат расчета впоследствии использовал Христофор Колумб. И только Магеллан, совершивший первое в истории кругосветное плавание, подтвердил, что прав был Эратосфен. К чему я все это рассказываю? Я лишь хочу сказать, что существует статистический подход и подход, основанный на физике, на реальных наблюдениях, причем эти два подхода можно совмещать.

В наши дни наблюдения за Солнцем и межпланетным пространством ведутся с многочисленных наземных и космических обсерваторий и станций, а полученные результаты используются для составления прогнозов космической погоды. Например, если мы наблюдаем большее скопление солнечных пятен на геоэффективной солнечной широте, то существует риск того, что произойдет солнечная вспышка или корональный выброс массы Солнца, который сможет достигнуть Земли. Также можно ожидать, что эта же группа солнечных пятен вновь появится на том же месте через 27 дней (1 полный оборот Солнца вокруг своей оси), поэтому у нас есть некоторое время на принятие решения. Если скопления солнечных пятен будут обнаружены на солнечном лимбе (слева), можно ожидать, что в течение 5-6 дней они достигнут геоэффективной солнечной широты. В этой ситуации высока вероятность возникновения солнечной вспышки, поэтому запуск лучше отложить. При наличии солнечных пятен проводить запуски крайне рискованно, так как солнечная вспышка может достигнуть Земли всего за 8 минут, а мы уже знаем, какой ущерб она может нанести.

Еще одним проявлением космической погоды являются так называемые корональные дыры (см. выше), участки на поверхности Солнца с разомкнутыми магнитными линиями, вдоль которых частицы устремляются в межпланетное пространство, формируя высокоскоростной поток солнечного ветра, способный достигать Земли за 1-5 дней. Этот феномен служит еще одним предупреждением о предстоящем солнечном «нашествии». Когда мы обнаруживаем корональный выброс массы ‒ гигантского облака плазмы Солнца, движущегося со скоростью 100–3500 километров в секунду, мы можем, просто наблюдая за этим явлением, определить, достигнет ли облако Земли или нет. Если на изображениях коронографа со всех сторон виден плазменный пузырь, т.е. так называемые корональные выбросы типа «гало», то в ближайшие 1-5 дней можно ожидать геомагнитную бурю. Эту информацию можно использовать для разработки оперативных прогнозов, которые помогут в буквальном смысле спасти спутник. Такая мера, как превентивное отключение наиболее чувствительного спутникового оборудования, уже неоднократно применялась на практике. В частности, в 2000 году в период очень высокой солнечной активности наземным операторам удалось спасти один из российских спутников, отключив оборудование. У других аппаратов, которые работали без отключения, возникали серьезные технические проблемы.

Однако, сам факт обнаружения коронального выброса массы вовсе не означает, что геомагнитная буря обязательно начнется. Облако солнечной плазмы в течение нескольких дней движется по направлению к Земле, приближаясь к ее магнитному полю, но не всегда достигает нашей планеты, поскольку магнитное поле Земли пропускает солнечную плазму только при определенных условиях. Магнитосфера Земли «раскрывается» лишь в том случае, если солнечный ветер вытягивает межпланетное магнитное поле (являющееся компонентом магнитного поля Солнца) из солнечной короны в направлении, противоположном направлению магнитного поля Земли. В этом случае происходит пересоединение магнитных линий. Солнечный ветер продолжает дуть, а магнитные линии смещаются к ночной стороне Земли, где они вновь соединяются. При этом часть энергии выбрасывается в космос, а другая часть направляется по линиям магнитного поля к магнитным полюсам Земли. Именно тогда мы и наблюдаем северное сияние. Достигнувшие Земли частицы солнечной энергии захватываются магнитным полем Земли, и в магнитосферу попадает значительное количество энергии, вызывая сильные возмущения, которые и принято называть геомагнитной бурей. Основным показателем интенсивности геомагнитной бури является сила кольцевого тока, создаваемого вокруг Земли и вызывающего ослабление магнитного поля Земли. На самом деле, мы живем в самом центре большой электростанции.

 

Чтобы знать наверняка, произошло ли магнитное пересоединение и открыта ли магнитосфера Земли для доступа солнечной энергии, можно взглянуть на данные со спутников в точке либрации L1, которая находится на расстоянии 1,5 миллионов километров от Земли. Когда энергия достигает этой точки, но пока находится на значительном удалении от Земли, мы по радиоканалу получаем данные, на основе которых успеваем за несколько часов подготовить краткосрочный прогноз.

Предсказаниями космической погоды и исследованиями солнечно-земных связей занимаются ученые во всем мире. В этих исследованиях одновременно используются полученные в результате наблюдений реальные данные и сложные физические и математические модели, многие из которых уже реализованы в конкретных системах реального времени.

 

Если резюмировать, какое значение ваши исследования имеют для промышленности?

‒ Прежде всего, нужно понимать, что за космическую погоду «отвечают» Солнце и происходящие на нем активные процессы. Согласно принятому в НАСА определению, космическая погода ‒ это совокупность условий на Солнце, иными словами, активность солнечного ветра, который постоянно дует из солнечной короны (солнечной атмосферы) и, попадая в магнитосферу Земли (ионосферу и термосферу), может сказываться на работоспособности и надежности космических и наземных технических систем и представлять угрозу жизни и здоровью человека. Понимание, прогнозирование и уменьшение последствий экстремальных космических погодных явлений приобретает все бо́льшую актуальность в современных условиях, когда негативному воздействию космической погоды подвергаются спутниковые системы, прочно вошедшие в нашу повседневную жизнь и широко используемые для организации связи, навигации, наблюдения Земли, мониторинга погоды/климата, борьбы с чрезвычайными ситуациями, проведения экономических операций и других задач. Наглядным свидетельством повышенного внимания к этой проблеме в мире является создание специальной программы ЕКА по повышению информированности о космической обстановке и деятельность НАСА, направленная на предоставление сервисов прогнозов космической погоды конечным пользователям.

Космическая погода ‒ это новая дисциплина, которая имеет чисто прикладную направленность. Она требует постоянного мониторинга Солнца и космического пространства и направлена на разработку пользовательских сервисов и решений. Однако, разработка и совершенствование сервисов предсказания космической погоды невозможна без дальнейших углубленных исследований в области солнечно-земной физики. Нам предстоит проделать немалый путь, прежде чем мы сможем до конца разобраться в том, что происходит на Солнце, и понять все тонкости взаимодействия между Солнцем и Землей.
Активное внедрение передовых исследований солнечно-земных связей и научных достижений в области космической погоды в новых государственных и коммерческих космических сервисах в свою очередь будет способствовать развитию новых технологий, а также обеспечению безопасности человека и техники в космосе и на Земле.

 

 

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81