Глава 2
Геомагнитные бури

Все начнется с невыносимых мигреней у значительной части населения планеты. Люди, которые восприимчивы к перепадам атмосферного давления, почувствуют надвигающуюся катастрофу раньше прочих – за сутки или двое до того, как основной удар превратившегося в шторм солнечного ветра достигнет магнитного поля Земли. Направленная на Солнце космическая аппаратура сможет передать данные о случившемся выбросе гораздо раньше – съемки этого решающего для судьбы человечества события поступят на Землю в прямом эфире.

Вероятно, это вызовет бессмысленную (все же с этой планеты бежать некуда) панику. От упреждающей информации будет мало пользы, поскольку нельзя предотвратить последствия солнечных вспышек, как и отвести солнечный ветер куда-нибудь в сторону. Человечеству пока еще рано спорить с настроениями светила. А после этого случая будет, вероятно, уже поздно – развитие цивилизации будет отброшено назад на тысячелетия. Немногим людям, которых помилует эта катастрофа, в дальнейшем останется лишь бороться за выживание.

Посудите сами: основным уроном от катаклизма будут даже не оборванные жизни невообразимого количества людей, а полное обесточивание Земли. В первые же минуты космического шторма будут безвозвратно потеряны несколько сотен ключевых трансформаторов по всей планете. Современный мир не может жить без электричества – без него будет невозможно даже оказание адекватной медицинской помощи пострадавшим, число которых будет лишь возрастать.

Итак, в данном сценарии конца света главная роль также принадлежит Солнцу. А точнее, Солнцу, находящемуся на пике очередного цикла активности. Чтобы добраться до истоков угрозы, необходимо заострить внимание на самом явлении цикла солнечной активности. И, конечно, на геомагнитных бурях, возникновение которых связано с высшими точками этого цикла.

Геомагнитной бурей называется возмущение магнитного поля Земли, возникающее во время его столкновения с ударной волной высокоскоростных потоков солнечного ветра^[4]. Ударная волна солнечного ветра возникает во время вспышек на нашем светиле. Вспышки и корональные выбросы массы (подробнее о них читайте далее) становятся результатом внутренних магнитных сдвигов Солнца, признак которых – образование пятен на видимой поверхности светила. Таким образом, все этапы процесса, предваряющего воздействие на магнитное поле Земли, можно показать простой последовательностью.

Геомагнитное поле Земли под ударной волной солнечного ветра

Внутренние процессы Солнца солнечные пятна вспышки, сопровождающиеся выбросами гигантских объемов солнечного вещества – ударная волна, несущая это вещество к Земле с огромной скоростью (солнечный ветер) – столкновение солнечного ветра с магнитным полем Земли – геомагнитная буря.

Итак, пятна появляются на фотосфере – видимой поверхности Солнца с температурой около 5800 градусов. Пятна – это области с пониженной относительно фотосферы температурой – около 4500 градусов. Продолжительность существования «холодных» участков обычно не превышает нескольких дней, но отдельные крупные пятна порой не исчезают неделями. Поскольку затемнения возникают вследствие существенных магнитных сдвигов внутри Солнца, они имеют собственное весьма мощное магнитное поле. Достаточно сказать, что уровень поля среднего по размерам пятна на Солнце в десятки тысяч раз превосходит магнитное поле Земли по всем показателям.

Затемнения, как правило, возникают на поверхности Солнца не поодиночке, а парными группами с разной полярностью поля. Пятна первой группы имеют положительную полярность, а пятна образовавшейся относительно недалеко от нее второй группы – отрицательную. И те и другие представляют собой области возникновения мощнейших солнечных вспышек. Взрывы происходят вследствие взаимодействия силовых линий и свидетельствуют о протекающих в глубинах звезды сложнейших процессах, которые, по всей видимости, так и останутся загадкой для земных исследователей.

Модель солнечного пятна (в затемнении). На рисунке область пятна черная по сравнению с более горячими окрестностями – сказывается разница температур: пятно примерно на 1300 градусов холоднее.

Однако именно в этой относительно холодной области до поры затаилась невероятная сила потенциальной солнечной вспышки

Мощные солнечные вспышки – явление нечастое. От слабых они отличаются не только количественными, но и качественными показателями – в частности, диапазоном электромагнитного излучения. Известно, что сильная вспышка генерирует излучение в расширенном диапазоне – от радиоволн до жесткого рентгеновского излучения. Такая вспышка охватывает все слои солнечной атмосферы – корону, хромосферу и фотосферу – и длится зачастую не более нескольких минут. Количество выделяемой во время этого взрыва энергии слишком велико для человеческого сознания: оно достигает биллионов мегатонн в тротиловом эквиваленте.

Факты

Согласно некоторым подсчетам, мощности одной крупной вспышки с лихвой хватило бы для обеспечения электроэнергией Москвы и Санкт-Петербурга в течение 380 миллионов лет.

Световая, тепловая и кинетическая энергии солнечной вспышки проявляются в виде заряженных частиц и излучений (оптического, рентгеновского, ультрафиолетового и гамма-излучений), а также в гидродинамических течениях плазмы.

Для определения мощности вспышки, как правило, используют показатели яркости ее рентгеновского излучения. В зависимости от этих величин солнечные вспышки относят к соответствующему классу (А, В, С, М или Х). Если условно принять интенсивность рентгеновского излучения вспышки класса А за единицу, то возрастание мощности вспышек разных классов будет выглядеть так: А = 1, В = 10, С = 100, М = 1000, Х = 10 000.

Многочисленные наземные и орбитальные солнечные обсерватории сегодня оснащены телескопами, работающими в линии атома водорода Н-альфа. Фильтры, которые позволяют увидеть эти расположенные в красной области спектра линии в общем потоке, наиболее удобны для фиксации процесса возникновения солнечной вспышки в ее динамике. Причем опыт подобных «документированных» наблюдений не нов – первые фильмы с заснятыми солнечными вспышками относятся к середине XX века. Например, фильм, записанный во время выброса протуберанца лимбовой солнечной вспышки 10 октября 1971 года в обсерватории Big Bear Solar Observatory. Как и многие другие, эта запись доступна для просмотра в Интернете.

Что ж, нам удалось выяснить, что значительная часть энергии солнечной вспышки является кинетической энергией заряженных частиц. Солнце исторгает из себя миллиарды тонн вещества со скоростью от 20 до 2000 километров в секунду (в зависимости от силы вспышки). Это явление называется корональными выбросами массы.

Геомагнитные бури бушуют именно тогда, когда выплеснутые миллиарды тонн солнечного вещества достигают магнитосферы нашей планеты. Но подобная бомбардировка не только сминает магнитное поле Земли, как сообщают нам популярные источники, – это упрощение. На самом деле возникновению геомагнитной бури предшествует еще один важный этап.

При нормальной солнечной активности потоки горячей плазмы движутся от Солнца к Земле непрерывными равномерными волнами. На расстоянии около десяти земных радиусов от поверхности планеты частицы несколько изменяют направление под влиянием магнитного поля Земли. Обтекая планету, они образуют кометообразную плазменную полость, которую принято называть магнитосферой. Это весьма сложный объект с множеством удивительных особенностей. Основные его показатели связаны с силой потоков солнечной плазмы и с солнечной активностью в целом. Хвост магнитосферы Земли направлен в противоположную Солнцу сторону – он служит своеобразным накопителем магнитной энергии. Заряд в хвосте накапливается до определенных пределов, после чего происходит нечто вроде магнитного взрыва в удаленной от нас на сотни тысяч километров точке хвоста магнитосферы. Высвобождение накопленной в этом резервуаре энергии нагревает плазму всей магнитосферы. Движения дополнительно разогретой плазмы приводят к возникновению электрических токов мощностью миллионы ампер.

Вследствие вспышек на Солнце подобные высвобождающие энергию плазмы взрывы возникают не только в хвосте магнитосферы, но и по всей ее площади, а электрические токи окутывают пространство около земного шара подобием многократно превосходящей нашу планету грозовой тучи. Это и есть геомагнитная буря – опасное космическое явление. Человечество ощущает на себе лишь малую его часть – настолько малую, что она подобна вершине айсберга. Но что, если на нас обрушится весь айсберг?..

Сделанные LASC0 фотографии Солнца в ультрафиолетовом диапазоне

Из-за нависающей над цивилизацией постоянной угрозы разработка системы раннего прогнозирования солнечных вспышек имеет приоритетное значение. В этом направлении ведутся весьма дорогостоящие работы – по всей планете на них расходуются миллиарды. И сегодня можно с уверенностью утверждать, что техническая база для успешного прогнозирования взрывов в областях солнечных пятен уже подготовлена – чего стоит хотя бы большой космический коронограф LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph), который находится на борту знаменитой станции-обсерватории SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). Этот прибор уже больше десяти лет детально фиксирует все солнечные вспышки. Благодаря его показаниям получены неплохие результаты.Так, например, при помощи LASCO доказано, что частота многотонных выбросов массы нашей звезды непосредственно связана с солнечным циклом – при минимуме солнечной активности, как правило, происходит не более 3-4 средних и совсем небольших вспышек в месяц, а во время максимума на это же время приходится около 50 корональных выбросов массы.

Пожалуй, изучив эти данные, можно прийти к выводу, что опасения ученых по поводу приближающегося пика активности очередного солнечного цикла имеют под собой прочную научную основу. Чтобы лучше понять, чего нам следует ожидать уже через пару лет, попытаемся разобраться в некоторых особенностях теории солнечных циклов.

Факты

Лавры первооткрывателя солнечных пятен принадлежат Галилео Галилею. Научившись ослаблять режуще яркий солнечный свет, ученый уже в 1610 году стал изучать Солнце при помощи зрительной трубы – подслеповатого прародителя современных сверхмощных телескопов, от которых уже ничему не укрыться. В 1613 году были опубликованы иллюстрированные письма Галилея, описывающие открытие.

Вышеуже говорилось о Маундеровском минимуме солнечной активности, который пришелся на 1645-1715 годы. Несмотря на то что это явление было зафиксировано в период, когда достойный уровень наблюдений за Солнцем был невозможен даже технически, в длительном спаде активности светила сомневаться не приходится – слишком много тому пугающих доказательств.

Основной показатель колебаний солнечной активности – изменения числа Вольфа, или. как его иногда называют, цюрихского числа солнечных пятен. Благодаря астроному Р. Вольфу, собравшему и систематизировавшему данные о периодах солнечной активности, первый опыт ежедневного наблюдения солнечных пятен принадлежит именно обсерватории в Цюрихе (Швейцария) – одной из старейших в Европе. Специалисты занимаются их подсчетом и регистрацией с 1749 года. До того, как появилась возможность делать фотографии Солнца, пятна изображали от руки.

Смелый первооткрыватель солнечных пятен Галилео Галилей

С 1874 года изучением солнечных пятен занялись астрономы английской Королевской обсерватории Гринвича (Royal Observatory, Greenwich). Эти наблюдения были уникальны для своего времени тем, что англичане не ограничивались простым подсчетом затемнений на солнечном диске, а пошли дальше – они определяли размер пятен и места их возникновения на солнечной поверхности. Проанализировав эти данные, королевские астрономы пришли к выводу, что пятна чаще всего появляются в тех поясах Солнца, которые расположены по обеим сторонам от экватора звезды. Стало известно, что в начале цикла активности пятна возникают на значительном расстоянии от экватора, а с приближением пика активности новые пятна образуются все ближе к нему. Затемнения с обеих сторон окружают экватор Солнца, и, когда цикл подходит к концу, обе зоны возникновения пятен примыкают к нему вплотную.

На фотосфере, видимой оболочке Солнца, пятна нередко возникают группами, и подсчитать отдельные затемнения зачастую весьма проблематично. Считается, что основные трудности связаны с условиями наблюдения, ведь Солнце – весьма сложный объект, к тому же отделенный от нас немалыми расстояниями. Однако можно говорить и о проблемах, которые возникают из-за самой природы солнечных пятен: по сути, четких границ они иметь не могут. Тем не менее не стоит считать, что сливающиеся для наших приборов пятна группы – это одно пятно, так как эти затемнения нередко разделяют тысячи километров (число условное) «нормальной» поверхности Солнца.

Как же их сосчитать? Принцип определения числа Вольфа довольно прост.

Известно, что количество пятен в группе колеблется в пределах 5-15, то есть в среднем составляет один десяток. Поэтому, чтобы определить число Вольфа для конкретного периода, достаточно подсчитать возникавшее за это время количество групп пятен, умножить на 10 и прибавить число отдельных, «отбившихся» от группы затемнений.