NASA пытается спасти нас от Солнца

В 2012 году на Солнце произошла вспышка – на фотографии видно, как, вследствие этого явления происходит выброс струи плазмы с поверхности светила. В скором времени NASA запускает исследование, в котором измерит интенсивности этих вспышек и тем самым поможет нам понять: опасны ли они для наших спутниковых систем связи, или нет.

Это было мрачное и ненастное утро в Карибском море. Как и 7 сентября 2017 года, рассветало, а ураган Ирма 5 категории несся на запад, к Барбуда, Сен-Мартин, Ангилье и Виргинским островам. Тропические циклоны Катя и Хосе расположились недалеко от Ирмы. И где-то в 8 утра разразился еще один шторм, только на этот раз на расстоянии 93 миллионов миль отсюда. 

Во время этой сильнейшей вспышки с поверхности Солнца произошел выброс плазмы с одновременным выделением рентгеновского излучения во всех направлениях. В результате образовалось гигантское облако энергии. Спустя 8 минут после взрыва рентгеновские волны дошли до верхних слоёв атмосферы Земли и вывели из строя аварийные радиомаяки в Карибском море. В норме радиоволны «отскакивают» от верхних слоев атмосферы, называемой ионосферой, что позволяет им преодолевать огромные расстояния. Но при действии рентгеновских лучей происходит ионизация слоев ионосферы, что заглушает радиосигналы и приводит к аномалиям их распространения. Так называемый блэкаут (или системная авария) длился до полудня, накрыв все высокочастотные каналы связи, которые используются командами самолетов, кораблей, экстренных служб и диспетчерами.

Суммарно на той неделе около дюжины раз Солнце производило такие вспышки, прерывавшие всю радиосвязь между пострадавшими из-за ураганов островами в Карибском море. С этим практически ничего нельзя было поделать, к тому же едва ли можно было зафиксировать приближение «солнечного шторма». Однако возможно, что в скором времени, ученые смогут понять, как предсказывать космическую погоду. Где-то после 11 августа NASA планирует запустить солнечный зонд «Паркер» во внешний слой атмосферы Солнца, где он будет фиксировать вспышки звезды. Этот космический аппарат сможет дать ответы на самые «горячие» вопросы в современной астрофизике и помочь ученым защитить системы коммуникации и электросети на Земле, до того, как они поджарятся. 

С нашей точки обзора Солнце выглядит спокойно, но на самом деле это настоящее инферно, регулярно извергающее из себя материю, которая может нанести серьезный ущерб Земле. Солнце целиком организовано в решетку из конвекционных ячеек, похожих на соты, в которых происходит перенос подогретых слоев вещества на поверхность, по аналогии с пузырьками в чайнике с кипящей водой. Так этот процесс объясняет Крейг ДеФорест, астрофизик из Юго-западного исследовательского института:

«Горячие слои поднимаются на поверхность, испускают солнечные лучи, генерируют магнитное поле, затем охлаждаются и меняются местами с подошедшими разогретыми участками. Каждая такая конвекционная ячейка размером с целый Техас, и их на поверхности Солнца находится постоянно около миллиона. Там происходят две вещи: хаос и производство невероятного количества энергии»,  – добавляет ДеФорест.

Много информации о Солнце до сих пор скрыто от понимания ученых, поэтому сложно делать достоверные прогнозы, где и когда произойдет очередная вспышка. Температура и размеры атмосферы Солнца, называемой солнечной короной при этом не играют никакой роли: опираться можно только на законы физики. Точнее на то, как мы их понимаем. Корона огромная и прозрачная, ее температура намного выше, чем на видимой поверхности Солнца. И если вдуматься, такого просто не может быть – это как если бы воздух вокруг костра на пикнике был намного горячее самого пламени. Такое нарушение законов термодинамики просто не укладывается в голове. Каким образом на Солнце происходят выбросы плазмы, которые называются корональными выбросами, тоже остается тайной. Точно так же, мы не можем объяснить как солнечный ветер – поток ионизированных частиц гелия и водорода, благодаря которому существует полярное сияние – вырывается из атмосферы Солнца. Или как тот же солнечный ветер способен достигать сверхзвуковых скоростей, проносясь по Вселенной. Это лишь некоторые вопросы, на которые сможет дать ответ зонд «Паркер».  

Говоря о космической погоде, существует 3 основных варианта развития событий, говорит Дуг Бисекер, физик из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA). Солнечные вспышки вызывают блэкауты, что и произошло в сентябре. Корональные выбросы массы и высокоскоростные солнечные ветра врываются в ионосферу Земли и приводят к появлению полярного сияния и геомагнитных бурь – главных нарушителей порядка в верхних слоях атмосферы и окружающем планету космосе. И наконец, протоны, несущиеся с околосветовой скоростью, вызывают радиационные штормы, лавируя между спутниками, со свистом проносясь через атмосферу и бомбардируя людей. 

Самая серьезная солнечная вспышка была зарегистрирована в 1859 году – эту геомагнитную бурю назвали «Событие Керрингтона». Она направила на Землю столько энергии, что сгорели телеграфные линии, а летевшие искры от них привели к пожарам. Если что-то похожее повторится сейчас, по всему миру начнутся перебои в электричестве и разовьется настоящий национальный кризис. Например, жесткая солнечная вспышка 13 марта 1989 года привела к обесточиванию всей провинции Квебек в Канаде. 

На сегодняшний день, отмечает Бисекер, Центр космической метеорологии NOAA может передавать свои прогнозы по одной линии экстренной связи – чем-то напоминающей красный телефон, но только для солнечных вспышек – и за 75 секунд сообщение дойдет всем операторам электростанций Северной Америки, оповещая  их о приближающейся солнечной вспышке или корональном выбросе массы. Получив подобное сообщение, работники электростанций могут предпринять определенные меры, например, подготовить временные трансформаторы и направить потоки радиочастот в ином направлении.

Прогнозирование таких погодных космических явлений — очень непростая задача. Когда пятна на Солнце попадают в поле зрения ученых, они могут отметить постепенный рост «недовольства» звезды и оправить предупреждения о ее надвигающемся «гневе». Но эти прогнозы не абсолютно точны, потому что ученые не могут предсказать, когда именно вспышка «вырвется» на свободу, в каком направлении пойдет материя и насколько сильно она будет поляризована. А именно эти параметры чрезвычайно важны для оценки последствий вспышки для Земли и её жителей. 

Математические модели для прогнозирования космической погоды, похожие на те, что используются в метеорологии (они называются численными прогнозами погоды). Они развиваются очень много лет, но увидели свет только в 2011 году. «Мы однозначно продвинулись вперед от времен, когда метеоролог облизывал свой палец, поднимал его в воздух и говорил: «Кажется, дождь начинается!». Используя современные модели, метеорологи могут оценить активность разных регионов Солнца и вычислить, скажем, что существует 30-процентная вероятность появления вспышки», – говорит Бисекер, являющийся также главным научным сотрудником в проекте DSCOVR satellite,  который занимается мониторингом солнечной активности.

Джастин Каспер, физик Мичиганского университета в Энн-Арбор, который занимается испытаниями устройства SWEAP – оно будет вести подсчёт электронов, протонов и ядер гелия, измерять их скорости, плотность и температуру – считает, что предупреждения должны передаваться именно в таком виде. Он объясняет это так: 

«Мы правда из кожи вон лезем, чтобы успешно прогнозировать, достигнет ли очередная вспышка Земли, какое будет у неё направление, будет ли она заряжена и т.д.». В зависимости от таких факторов, как угол сближения волн вспышки, направления магнитных волн, их интенсивности, буря может быть более разрушительной для Европы, чем для Северной Америки, или наоборот. Однако Европа примет на себя удар утром, а Северная Америка позже тем же днем. 

Солнечный зонд «Паркер» не будет делать прогнозов в реальном времени, но его измерения помогут физикам понять Солнце лучше, что даст им возможность делать более точные прогнозы. Следовательно, получив более точную информацию, местные власти смогут подготовиться к «плохой погоде» раньше и лучше: в ожидании блэкаута, экстренные службы и диспетчеры радио смогут обратиться к менее уязвимым способам связи, таким как спутниковая и телефонная. Реакция на события все равно должна оставаться быстрой, так как 8 минут, которые требуются солнечным лучам для достижения Земли, не оставляют возможности для долгого планирования. 

Русские хакеры, чья работа возможно привела к нарушениям в работе электросетей, какое-то время занимали мысли конгрессменов, но сейчас они обратили внимание и на космическую погоду. В июле комитет по науке, космосу и технологиям (House Science, Space and Technology Committee) одобрил меры, которые направят Национальный совет по космосу координировать исследования и угрозы в отношении космической погоды. И это произошло впервые, когда конгресс выразил свой интерес к космической погоде.  

Мечта о миссии на подобии той, что ожидает солнечный зонд «Паркер» стара как само агентство NASA. В 1958 Национальная академия наук США объявила, что только что созданное космическое агентство отправляет космический корабль на орбиту Меркурия для изучения солнечной активности. В тот же год, молодой физик Юджин Паркер опубликовал статью, описывающую явление, которое он назвал солнечным ветром -сложным по составу потоку заряженных частиц, плазмы и магнитного поля. «Одноименная миссия – это то, что такие физики как Паркер тогда считали невозможным, – говорит Каспер, работавший в лаборатории Паркера в Чикагском Университете, когда был студентом. – Прошло 50 лет и наконец создан самый прочный космический корабль – миссия Паркера стала возможной».

Сейчас Каспер принадлежит золотому веку изучения космической погоды. Этой осенью Бисекер и его коллеги представят новейшую математическую модель для симуляции космической погоды, в целях усовершенствования её прогнозирования. В 2020 году на Гавайях увидит свет новый солнечный телескоп «Дэниел К. Иноуай», который будет каждодневно создавать карту солнечной короны. В том же году Европейское космическое агентство запустит свой проект Solar Orbiter, целью которого будет изучение полюсов Солнца и его неизученных широт. Эти усилия приблизят нас к понимаю природы самой важной звезды во Вселенной, по меньшей мере в той степени, в которой это нужно человечеству. 

«И именно солнечный зонд «Паркер» начнет космическую эстафету, – говорит ДеФорест. – Через несколько месяцев мы получим первые данные о том, что наблюдаем сейчас. Это как открыть маленькое окно в гробницу Тутанхамона. Ты еще не видишь гробницу полностью, но знаешь, что когда сможешь рассмотреть ее, найдешь там потрясающие вещи.