В необъятных просторах Вселенной, на расстоянии 26 000 световых лет от центра своей звездной семьи, которую мы называем Галактикой, летит со скоростью около 250 км/с небольшая жёлтая звезда, которая мало отличается на фоне миллиардов других звёзд. Надеюсь, Вы догадались, что речь идёт о нашем Солнце. Да, именно о нашем Солнце, ближайшей к нам и самой главной нашей звезде, главном теле нашей Солнечной системы, одной из 250 миллиардов звёзд нашей Галактики. А других галактик во Вселенной – миллиарды и миллиарды ...

По космическим меркам, то есть по классификации звёзд, Солнце является небольшой жёлтой звездой-карликом спектрального класса G2V с довольно скромной температурой поверхностных слоёв и медленным вращением. Согласно моделями звёздной эволюции, наше Солнце является звездой второго или, возможно, даже третьего поколения, то есть оно образовалось из вещества, которое уже частично прошло эволюционный путь звёзд первого поколения, когда в результате взрывного ядерного нуклеосинтеза образовались тяжёлые химические элементы.

Солнце является огромным почти сферическим газо-плазменным шаром диаметром около 1400000 километров, вращающимся вокруг своей оси. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции так называемого протон-протонного цикла превращения водорода в гелий, происходящие в солнечном ядре при температуре около 15 млн градусов. При этом выделяется энергия в виде гамма-квантов, которые постепенно, испытывая бесконечное количество поглощений и переизлучений атомами и увеличивая при этом свою длину волны, на протяжении сотен тысяч лет «пробиваются» от ядра, через зону лучистого переноса энергии и конвективную зону, к внешним слоям Солнца, чтобы наконец беспрепятственно «улететь» из фотосферы в бескрайний космос.

Сейчас Солнце находится на стабильном этапе своей жизни, на «главной последовательности» звёздной эволюции. Общая продолжительность его жизни оценивается в 10–12 миллиардов лет, то есть «светить» оно будет ещё более 5 млрд лет. Именно эта относительно продолжительная стабильность и дала возможность зародиться и существовать жизни на нашей планете.

Поскольку вращения Солнца является не твердотельным, а дифференциальным (экваториальные слои вращаются быстрее приполярных) и вследствие наличия магнитного поля (вероятно, реликтового), процесс переноса энергии в верхней части конвективной зоны и во внешних слоях является неоднородным, что приводит к существованию в фотосфере, хромосфере и короне различных явлений с изменяющимися характеристиками (пятна, протуберанцы, факелы, вспышки, корональные выбросы массы, корональные дыры и т.п.).

Именно комплекс различных явлений, происходящих в атмосфере Солнца, охватывающих сравнительно большие области, диаметром не менее нескольких тысяч километров, и отличающихся весьма значительными изменениями со временем физических характеристик всех слоёв солнечной атмосферы, и называют солнечной активностью, а числовые характеристики этих явлений (количественные, энергетические, пространственные) – индексами солнечной активности. В общем, солнечная активность имеет магнитную природу (подробнее см. «Страна знаний» № 5 за 2018 г.).

Джордж Гейл (1868–1938) первым установил в начале ХХ века, что в солнечных пятнах наблюдается сильное магнитное поле величиной несколько тысяч гаусс, а два 11-летних цикла образуют 22-летний магнитный цикл Солнца. Он нашёл, что кроме магнитных полей солнечных пятен существует ещё и крупномасштабное магнитное поле с характерными размерами, сопоставимыми с размерами Солнца. Это поле называют общим магнитным полем Солнца. Оно в 100–1000 раз слабее магнитного поля больших солнечных пятен.

В очень упрощённом виде структуру и динамику общего магнитного поля Солнца можно описать следующим образом. В минимуме активности магнитное поле Солнца является почти дипольным, похожим на магнитное поле обычного двухполюсного магнита. Магнитный «экватор» совпадает с солнечным экватором.

С ростом активности структура магнитного поля усложняется, магнитный «экватор» становится волнистым, подобно юбке балерины, приобретает наклон относительно солнечного экватора. Этот наклон растёт и становится максимальным в максимуме цикла. При этом размах складок «юбки балерины» растёт, на Солнце могут появляться участки одного знака магнитного поля с размером, близким к диаметру видимого диска, от полюса до полюса. Далее наклон снова уменьшается и становится минимальным в минимуме следующего цикла, с противоположными магнитными полями на полюсах. Как бы внутри Солнца с 22-летним периодом вращается огромный двухполюсный магнит.

Учёные называют магнитное поле Солнца, ориентированное вдоль меридиана, с севера на юг или с юга на север, полоидальным, а поле, ориентированное вдоль параллелей, с запада на восток или с востока на запад, – тороидальным. Полоидальное поле наблюдается в виде полярного поля, тороидальное – в виде магнитного поля солнечных пятен.

Согласно современным представлениям, магнитное поле Солнца генерируется в нижней части конвективной зоны или в тахоклине (это – относительно тонкий слой между зоной лучистого переноса энергии и конвективной зоной, на глубине примерно 200 000 километров от фотосферы) с помощью механизма солнечного альфа-омега-динамо, который является разновидностью гидромагнитного динамо.

В начале цикла активности полоидальное магнитное поле растягивается дифференциальным вращением, закручивается и выносится на поверхность силами магнитной плавучести в виде солнечных пятен (это – так называемый «омега-эффект»).

Другая часть механизма солнечного динамо – «альфа-эффект» – ответственная за преобразование тороидального поля снова в полоидальное: локальные магнитные поля пятен дрейфуют в полярные области и рассеиваются, что приводит, благодаря наличию небольшой составляющей вращательного движения групп пятен, к воссозданию полоидального поля.

Солнечные пятна являются наблюдаемой на фотосферном уровне частью значительно большего комплексного явления – активных областей и комплексов активности (состоят из нескольких активных областей), охватывающих все слои солнечной атмосферы и вызванных генерацией и последующим распадом мощных магнитных полей.

Во время перестройки магнитного поля в активных областях происходят солнечные вспышки, охватывающие все слои солнечной атмосферы и сопровождающиеся значительным ростом потока ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения и солнечных космических лучей, и выбросы огромных облаков коронального вещества (корональные выбросы массы) в межпланетное пространство.

 Над видимой «поверхностью» Солнца, фотосферой, температура которой составляет около 6 тысяч градусов), находится хромосфера – достаточно узкий слой атмосферы толщиной 10–20 тысяч км, который наблюдается во время полных солнечных затмений в виде узкой цветной полоски (это – свечение бальмеровских линий водорода, линий гелия, ионизированного кальция и некоторых других).

В хромосфере температура составляет уже 10–20 тысяч градусов. А ещё выше – в короне – температура возрастает до одного-двух миллионов градусов. Поскольку вокруг Солнца – почти «пустое» космическое пространство, горячая солнечная корона будто непрерывно «расширяется» в окружающее пространство. Как показал американский физик Юджин Паркер в 1950-х годах, это расширение является гидродинамическим сверхзвуковым.

С тех регионов солнечной короны, где силовые линии магнитного поля обоими концами «закреплены» на Солнце, то есть имеют «закрытую» конфигурацию, поток солнечного ветра вблизи земной орбиты имеет скорость 300–500 км/с и концентрацию частиц примерно 10–15 см^-3. Это – медленный, или спокойный солнечный ветер.

А из тех регионов, где силовые линии магнитного поля являются открытыми (то есть «замыкаются» на очень-очень далёких расстояниях от Солнца), из районов корональных дыр, исходит быстрый солнечный ветер со скоростями 700–1000 км/с и с концентрацией частиц до 3–4 см^-3. Там, где быстрый поток догоняет спокойный, образуется ударная волна, в которой концентрация частиц и напряжённость магнитного поля выше, чем в других частях потока.

Вместе с веществом, которое непрерывно расширяется, словно бы «летит» от Солнца, летит и магнитное поле, «вмороженное» в вещество. Именно вследствие расширения в околосолнечное космическое пространство солнечной короны с вмороженным магнитным полем и образуется межпланетное магнитное поле.

Силовые линии межпланетного магнитного поля вследствие солнечного вращения приобретают вид спиралей Архимеда, закрученных против направления вращения Солнца. Вблизи орбиты Земли угол наклона спирали относительно радиального направления составляет 45–55º, с удалением от Солнца спиральный характер межпланетного магнитного поля усиливается, и на очень больших расстояниях оно становится преимущественно азимутальным, почти круговым.

Вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля движутся заряженные частицы солнечного ветра и солнечных космических лучей. Именно поэтому наибольшую геоэффективность имеют те солнечные вспышки, которые возникают примерно на 45–55º справа от центра солнечного диска (в сторону западного солнечного лимба).

Межпланетное магнитное поле распространяется далеко за пределы орбиты Плутона, а всю часть пространства, где влияние Солнца (в том числе и его магнитного поля) преобладает над влиянием окружающей галактической межзвёздной среды, называют гелиосферой. Области пространства, где солнечное воздействие уравновешивается с влиянием галактических факторов, называют гелиопаузой.

Полёты космических аппаратов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» показали, что гелиопауза находится примерно на расстоянии 120 а.е. от Солнца. Конечно же, размеры гелиосферы и гелиопаузы не являются чем-то слишком стабильным, а несколько изменяются вследствие изменений солнечной активности и условий в межзвёздном пространстве.

В результате наклона экватора относительно плоскости эклиптики и «волнистости» дипольной составляющей солнечного магнитного поля межпланетное магнитное поле в плоскости земной орбиты приобретает секторную структуру, состоит из чётного количества секторов, в которых магнитное поле имеет противоположные направления – от Солнца или к нему. В пространственном измерении граница между секторами, особенно в максимуме солнечной активности, может иметь довольно сложную форму искривлённой спиралевидной плоскости.

В плоскости на границе между секторами текут электрические токи, перпендикулярные направлению магнитного поля. Эту плоскость называют гелиосферным токовым слоем (его толщина составляет примерно 10 000 км).

Планета Земля находится относительно недалеко от Солнца, во внутренней части гелиосферы. Поэтому условия в околоземном космическом пространстве определяются почти исключительно Солнцем, оно «делает погоду» у Земли. Именно состояние околоземного космического пространства и верхних слоёв земной атмосферы в любой заданный отрезок времени, которое определяется процессами и явлениями на Солнце, и называют космической погодой. Так же можно говорить и о космической погоде, например, на Марсе.

Изменения условий в солнечной атмосфере (перестройка магнитного поля, проявлением которой являются солнечные вспышки или внезапное исчезновение протуберанцев, рост потока солнечного ветра или потока ультрафиолетового и рентгеновского излучения, выбросы сгустков коронального вещества в сторону Земли) приводят к изменению условий в магнитосфере и ионосфере, которые могут влиять на работу космических и наземных технологических систем и устройств, а также на жизнь и здоровье людей.

Земля имеет атмосферу и собственное магнитное поле, которые защищают её от пагубного для живых организмов влияния потоков солнечной ультрафиолетовой и рентгеновской радиации и солнечных космических лучей. Магнитное поле Земли создаётся в результате электрических токов в расплавленной металлической верхней части земного ядра и не является чем-то неизменным.

Так, за последние 150 лет напряжённость земного магнитного поля уменьшилась примерно на 10%. Происходит также движение магнитных полюсов Земли, а иногда – даже изменение, или инверсия магнитных полюсов. Геологические исследования показывают, что инверсия полюсов Земли происходит обычно несколько раз в течение миллиона лет. Последний раз такое событие произошло примерно 780 000 лет назад.

Магнитосфера Земли выступает тем барьером, который не пропускает заряженные частицы солнечного ветра и солнечных космических лучей к поверхности. Они могут проникать в нижние слои земной атмосферы только в зоне северного и южного полярных авроральных овалов, где магнитные линии земного поля являются почти перпендикулярными, вызывая красивые полярные сияния в результате столкновения с атомами и молекулами воздуха, главным образом – кислорода и азота.

Наибольшие возмущения магнитосферы происходят тогда, когда вектор межпланетного магнитного поля имеет В_z-компоненту, противоположно направленную к направлению магнитного поля Земли (компоненты B_x и B_y лежат в плоскости эклиптики).

Только очень энергичные солнечные космические лучи, возникающие при мощных солнечных протонных вспышках, могут достигать земной поверхности. Другие события – потоки быстрого солнечного ветра, более слабые солнечные вспышки, корональные выбросы массы, прохождение через секторную границу – вызывают временные возмущения или некоторую перестройку структуры земного магнитного поля.

Эти возмущения магнитного поля Земли характеризуют величиной К_р-индекса («р» – планетарный), который определяется как средняя величина возмущения компонент магнитного поля по измерениям 13 избранных околоавроральных станций. При К_р < 3 геомагнитное поле считается спокойным, при К_р = 3–5 – возмущённым, а при К_р = 6–9 говорят о геомагнитной буре.

Именно во время мощных геомагнитных бурь существенно увеличивается радиационный фон в верхних слоях земной атмосферы, происходит ухудшение или потеря связи со спутниками, самолётами и наземными станциями, могут выходить из строя системы GPS и навигации, происходить даже катастрофические аварии на линиях связи и электропередач. Особенно ощутимо это влияние в приполярных широтах.

В протяжённых металлических технологических системах (трубопроводы, линии электропередач, железнодорожные пути) могут возникать сильные индукционные электрические токи, вызванные изменениями земного магнитного поля. Это приводит к усилению коррозии трубопроводов, перегрузке и выходу из строя электрических трансформаторов, неправильной работе систем сигнализации на железной дороге (самопроизвольному переключению семафоров «красный–зелёный»).

В настоящее время на орбитах вокруг Земли вращается большое количество низкоорбитальных спутников: спутники связи, навигационные, дистанционного зондирования и картографирования, научные, военные и др. В среднем срок эксплуатации низкоорбитальных спутников составляет 5–7.5 лет.

Вследствие роста потока ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца во время вспышек увеличивается плотность и температура верхних слоёв земной атмосферы, увеличивается трение о воздух низкоорбитальных спутников и космических станций, что может привести к их «неожиданному» торможению и уменьшению высоты их орбиты или даже к резкому торможению и дальнейшему сгоранию в плотных слоях атмосферы. Именно такое произошло в июле 1979 г. с американской космической станцией «Скайлэб» после мощной солнечной вспышки.

Внезапное увеличение потока солнечного излучения и солнечного ветра может привести не только к быстрому торможению спутника и его гибели, но и просто к выходу из строя электронного оборудования на спутнике. В результате действия солнечного ветра и солнечных космических лучей уменьшается время эксплуатации электрических солнечных батарей космических аппаратов и ПЗС-камер.

Увеличение уровня радиационного фона может быть очень опасным для космонавтов, работающих на орбите, а также для пилотов и пассажиров самолётов, выполняющих приполярные или трансарктические рейсы.

Приведём ещё несколько примеров влияния космической погоды на Землю.

1. Керрингтоновское событие 1–2 сентября 1859 г. Британский астроном Ричард Керрингтон наблюдал 1 сентября 1859 г. мощную вспышку на Солнце, сопровождавшуюся корональным выбросом массы в сторону Земли. Уже через 18 часов этот корональный выброс массы вызвал мощнейшую магнитную бурю из всех наблюдавшихся на Земле, во время которой вышли из строя телеграфные линии связи по всей Европе и Северной Америке, а полярные сияния наблюдались даже на Карибских и Гавайских островах.
2. 13 мая 1921 г. на Солнце наблюдалось огромное пятно размером около 150000км, в нём началась перестройка магнитного поля, что привело к геомагнитной буре 15 мая, вызвавшей остановку телеграфного сообщения в США на линиях от атлантического побережья до р. Миссисипи и в городах на северо-западе США. Полярные сияния наблюдались 14–15 мая в Европе и Северной Америке.
3. 13 марта 1989 г. сильная геомагнитная буря вызвала внезапное изменение магнитного поля Земли, образовались сильные индукционные электрические токи, что привело к отключению системы трансформаторов в канадской провинции Квебек, в результате чего почти на сутки около 6 млн жителей остались без электроснабжения и, следовательно, без тепла. На несколько часов была потеряна связь с несколькими орбитальными спутниками Земли.
4. В период 19 октября – 5 ноября 2003 г. на Солнце произошло 17 мощных вспышек. Одна из них привела к отключению высоковольтной линии 130 кВ на юге Швеции в результате появления индукционного тока величиной 330 ампер и выхода из строя трёхфазного трансформатора большой мощности. Были внесены также значительные изменения в графики и маршруты авиасообщения в северных регионах.

4 ноября 2003 г. на Солнце, возможно, произошла самая мощная за всю историю наблюдений системой спутников GOES (Geostationary Operational Environment Satellites) вспышка балла X28 (некоторые специалисты оценивают её величину как Х40 и даже Х45), на 11 минут датчики спутника «зашкалило». К счастью, эта вспышка произошла на лимбе и практически не повлияла на Землю. Если бы она «ударила» по Земле, то её влияние было бы значительно сильнее того, которое наблюдалось во время Керрингтоновского события. Однако и она привела к отключению почти на час электроэнергии на юге Швеции. Полярные сияния наблюдались на широтах южнее Техаса (США), в небе Флориды и Австралии, в нескольких средиземноморских странах Европы.

Конечно же, влияние факторов космической погоды является не таким разрушительным и катастрофическим и не вызывает таких больших жертв и материального ущерба, как внезапные землетрясения или просто большие техногенные катастрофы (например, авария на АЭС «Фукусима»), вызванные человеческим фактором или техническими либо технологическими поломками (как, например, Чернобыльская катастрофа). Однако влияние космической погоды является глобальным; в наше время сплошной компьютеризации, повсеместного использования GPS-устройств, систем навигации и связи, разветвлённой системы электрических сетей, железных дорог, различных трубопроводов внезапный выход из строя всех этих систем может также привести к огромным убыткам и неудобствам.

Для мониторинга космической погодой созданы специальные центры, как, например, Центр прогнозирования космической погоды США в г. Боулдер (штат Колорадо), где постоянно следят за космической погодой и ежедневно готовят сводки космической погоды, предупреждения и прогнозы на основе данных, полученных из разветвлённой системы наземных и космических обсерваторий (данные также представлены на сайте spaceweather.com). В Украине работает Главный Центр Специального Контроля, специалисты котрого также постоянно отслеживают космическую погоду.

За ситуацией на Солнце и в околоземном космическом пространстве постоянно наблюдают спутники. Так, Солнечная Орбитальная Гелиофизическая Обсерватория (СОГО), расположенная в точке Лагранжа L1 на расстоянии от Земли около полутора миллионов километров в сторону Солнца, постоянно с декабря 1995 г. посылает информацию об ультрафиолетовом и рентгеновском излучении Солнца, о выбросах коронального вещества.

Спутники СТЕРЕО А и СТЕРЕО В, движущиеся вдоль земной орбиты впереди и сзади Земли примерно на угловом расстоянии 90º каждый, также постоянно с 2006 г. присылают данные о ситуации на Солнце. 1 октября 2014 связь со СТЕРЕО В была утрачена, однако в августе 2016 г. – восстановлена.

Обсерватория Солнечной Динамики (SDO) с 2010 г. отслеживает эволюцию и динамику магнитных образований на Солнце. Постоянно присылают информацию и спутники уже упомянутой выше серии GOES.

Спутник АСЕ (Advanced Composition Explorer), который также находится в точке L1 Лагранжа и оборудован 5-ю спектрометрами высокого разрешения и тремя приборами для изучения солнечного ветра и высокоэнергетических частиц, летящих от Солнца, постоянно с 1997 года направляет информацию о космической погоде.

Учитывая расстояние спутника от Земли и скорость солнечного ветра и корональных выбросов массы, «заблаговременность» информации о геомагнитных возмущениях составляет полчаса–час. Для замены спутника ACE, который может в любой момент выйти из строя, планируется запустить спутник DSCOVR (Deep Space Climate ObserVatoRy), он уже полностью собран, укомплектован и находится в ожидании запуска, который уже несколько лет откладывается из-за финансовых проблем.

12 августа 2018 г. запущен спутник Parker Solar Probe (кстати, за запуском этого спутника наблюдал сам 91-летний Юджин Паркер, именем которого и назван спутник) для изучения условий в межпланетном пространстве, особенно в отношении образования и распространения солнечного ветра. Этот спутник будет постепенно, с каждым оборотом, используя семь гравитационных маневров в поле притяжения Венеры, приближаться к Солнцу и во время 24-го оборота 19 декабря 2024 г. приблизится к нему на рекордно короткое расстояние 6 млн км от солнечной поверхности, пролетит через корону Солнца.

10 февраля 2020 г. осуществлён запуск космического аппарата Solar Orbiter для детального исследования Солнца и его внутренней гелиосферы с высоким разрешением с минимально возможного расстояния, для исследования зарождения солнечного ветра, а также для наблюдения полярных участков Солнца, которые трудно наблюдать из Земли.

Для исследования полярных участков Солнца наклон орбиты спутника к плоскости солнечного экватора планируется постепенно увеличивать до 25º путём нескольких гравитационных маневров вблизи Земли и Венеры, чтобы достичь за 3.5 года рабочей орбиты. Задачи спутника Solar Orbiter близки к задачам Parker Solar Probe, предусмотрено координацию наблюдений на обоих спутниках.

В связи с подготовкой пилотируемой миссии на Луну «Артемида» и возможных пилотируемых миссий на Марс также является очень важным умение прогнозировать космическую погоду с как можно большей заблаговременностью, чтобы астронавты меньше подвергались опасности в открытом космосе, могли в случае опасности заблаговременно спрятаться в специальных помещениях космических станций.

Учёные постоянно работают над тем, чтобы лучше понимать процессы, происходящие на Солнце, в межпланетной среде и в магнитосфере Земли. Это всё также позволит лучше прогнозировать космическую погоду для нашей планеты, а значит сделать жизнь людей комфортнее и безопаснее.

Н.И. Пишкало, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник