Физик Владимир Махмутов о солнечных вспышках и геомагнитных бурях

За высокими современными корпусами МФТИ в Долгопрудном будто затерялись во времени и пространстве маленькие архаичные домики, построенные много десятилетий назад. Здесь расположилась лаборатория физики Солнца и космических лучей Физического института им. П. Н. Лебедева. Несмотря на неказистый внешний вид, в этих стенах проводятся научные исследования, помогающие понять, как живет и работает наше светило. Что такое солнечный ветер и откуда берутся солнечные пятна? Может ли от потока заряженных частиц ломаться земная техника? Как это сказывается на нашем самочувствии? А политическая ситуация может меняться в зависимости от активности Солнца? Рассказывает заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук Владимир Махмутов.

— Владимир Салимгереевич, знаю, вашей лаборатории уже более 75 лет. Как все начиналось?

— Наша лаборатория физики Солнца и космических лучей им. академика Сергея Николаевича Вернова берет начало в 1946 году, когда за подписью И. В. Сталина вышло закрытое Постановление СНК СССР от 4 марта 1946 года о мерах по развитию исследований космических лучей. В постановлении, в частности, было предписано «создать в г. Долгопрудном Московской области научную станцию Физического института им. П. Н. Лебедева Академии наук СССР». Тогда была поставлена задача получить новые экспериментальные данные по сечению взаимодействия частиц высоких энергий, то есть ответить на вопрос, какова вероятность и результаты взаимодействия частиц высоких энергий. Эти данные были необходимы для решения некоторых вопросов в рамках атомного проекта. В то время не было ускорителей частиц до таких высоких энергий, которые сейчас доступны и используются учеными.

— То есть задача, которая была поставлена тогда, для вашей лаборатории уже не актуальна?

— Нет, но тогда лаборатория выполнила свою задачу. В то время эти данные можно было получить только в атмосфере, потому что там всегда присутствует поток заряженных частиц, так называемые галактические космические лучи. Энергия этих частиц — от десятков МэВ до 1021 эВ. Состав частиц представлен в основном протонами (~90%), потом по убыванию идут ядра гелия, а набор остальных частиц, составляющих несколько процентов, включает в себя электроны, ядра многих химических элементов (в том числе ядра тяжелых элементов).

Для того чтобы получить количественные характеристики этого взаимодействия, в лаборатории создавалась специальная аппаратура с мишенями, которая поднималась в атмосферу.

Дело в том, что поток вторичных космических лучей возрастает в атмосфере, его максимум находится на высотах примерно 15–20 км в зависимости от региона, в котором мы проводим измерения.

Поэтому первые циклы работ — это измерения на аэростатах, на шарах-зондах, на связке шаров, которые позволили проводить экспонирование образцов различных материалов под действием этого природного космического излучения. Так были получены первые экспериментальные данные о ядерном взаимодействии частиц, ценность которых невозможно переоценить.

— А какие были фундаментальные результаты этой работы?

— Одним из многих важных результатов, который был получен нашей лабораторией, я бы в первую очередь назвал тот, который крайне актуален сегодня,— это открытие 22-летнего магнитного цикла вариации космических лучей. Этот цикл связан с природой магнитных полей на Солнце — каждые 11 лет происходит инверсия полярных магнитных полей на нашем светиле, и это оказывает влияние на распространение космических лучей в гелиосфере. Благодаря взаимосвязи между солнечными и межпланетными магнитными полями и их взаимодействию с заряженными частицами возникает 22-летний цикл солнечной активности. Кроме этого, известный 11-летний цикл солнечной активности связан с 11-летней цикличностью самой солнечной активности.

— А это неслучайно, что числа именно такие?

— Эти числа не являются точными — они варьируют в довольно широких пределах, обусловлены природой Солнца как звезды и связаны со сложными процессами солнечного динамо. Есть работы, в которых пытаются связать воедино проявления солнечной активности, но окончательного ответа на этот вопрос нет.

Тем не менее закономерности 11-летнего цикла, продолжительность которого может быть от 9 до 12 лет, довольно хорошо изучены. Начинается все со спокойного Солнца без пятен, и, если смотреть на него через затемненные стекла, вы не увидите там никаких особенностей. Но когда возрастает солнечная активность, на Солнце появляются центры активности — единичные пятна, группы солнечных пятен. Активные области возникают, развиваются и исчезают, число их варьирует во времени. Эти области можно увидеть как участки затемнения на солнечной поверхности.

Максимум солнечной активности — когда пятен становится много, все Солнце «запятнено», и в это время солнечная активность максимальная. В это же время наблюдается максимальное число солнечных вспышек.

— Мы часто слышим пугающие сообщения о том, что солнечная активность растет и это влияет на наше самочувствие. Это правда?

— Нельзя однозначно говорить, что это лженаука. В этой области еще предстоит многое понять в плане изучения биофизических воздействий. Поэтому точного ответа на ваш вопрос нет, могу лишь сказать, что сейчас мы находимся на фазе подъема нового, 25-го 11-летнего солнечного цикла.

— Пятен пока нет?

— Их уже довольно много, нарастает вспышечная активность разной мощности. Наиболее опасны с точки зрения потоков заряженных частиц, которые потом попадают в атмосферу Земли и вызывают дополнительную ионизацию, мощные солнечные вспышки и высыпания частиц из радиационных поясов Земли.

— Чем же они опасны?

— Они опасны с той точки зрения, что если есть живые объекты на той или иной орбите, то эти дополнительные потоки частиц приводят к увеличению радиационной нагрузки. На поверхности Земли это влияние опосредованно, потому что потоки солнечных протонов теряют свою энергию в атмосфере и к Земле практически не доходят, их энергии малы.

Но потеря энергии означает, что эта энергия выделена в нашей атмосфере в виде увеличения ионизации. А ионизация — это один из основных процессов, которые влияют на атмосферные процессы, на зарождение кластеров молекул. Число и мощность активных областей и солнечных вспышек, как мы поняли, изменяется в течение 11 лет.

Существует специальная градация вспышек: слабые, средние и мощные солнечные вспышки, когда потоки электромагнитного излучения становятся крайне значительными.

Солнечные вспышки поставляют нам энергию электромагнитного излучения вплоть до рентгена и гамма-излучения, которые опасны наряду с потоками заряженных частиц, которые к нам приходят от солнечных вспышек и заполняют межпланетное пространство. Кроме того, солнечная активность влияет на состояние земной магнитосферы и приводит к высыпаниям электронов из радиационного пояса в атмосферу. По сути дела, эти потоки заряженных частиц влияют на аппаратуру, которая находится на орбите Земли, и приводят, например, к деградации панелей солнечных батарей, к сбоям в научной аппаратуре.

— Что происходит, когда наступает максимум солнечной активности?

— Примерно через три-четыре года наступит максимум цикла солнечной активности. В это время возрастет число активных областей, солнечных вспышек, выбросов корональной плазмы на Солнце. Это приводит, в частности, к появлению повышенных потоков солнечной плазмы, межпланетных ударных волн, приводящих к усилению модуляционных эффектов в космических лучах. Повышенные магнитные поля, ударные волны приводят к тому, что из околоземного пространства выметаются потоки космических лучей сравнительно малых энергий — тех, на которые магнитные поля могут воздействовать. Часто наблюдаются кратковременные, длиной в несколько суток понижения потоков галактических космических лучей (так называемый Форбуш-эффект).

А затем по мере снижения активности Солнце успокаивается, модуляционные эффекты в межпланетном пространстве и гелиосфере ослабевают и потоки галактических космических лучей начинают нарастать в околоземном пространстве.

— Вы очень много узнали о физике Солнца за последние годы. А есть ли что-то, что для вас остается загадкой?

— До сих пор не ясна модель солнечной вспышки. Несмотря на разнообразие теоретических подходов, экспериментальных данных, аппаратуры, которая исследует солнечные вспышки в разных геомагнитных диапазонах, пока нет согласованной теории, которая могла бы все объяснить. А поскольку нет модели, трудно с хорошей точностью прогнозировать наступление этих вспышек. Поэтому задача исследования солнечных вспышек не потеряла свою актуальность — во всем мире исследования проводятся, и мы стараемся не отставать. Теория солнечного динамо тоже остается незавершенной.

— Эти вспышки характерны для каждой звезды или Солнце какое-то исключительное?

— Те закономерности, которые обнаруживаются на Солнце, по моему мнению, справедливы для многих астрофизических объектов. Другое дело, что у них будут разные количественные характеристики, потому что это разные масштабы: размеры звезды, величины магнитных полей, которые существуют на поверхности в этих активных центрах, атмосфера звезд.

Нам достаточно много известно о структуре и составе атмосферы Солнца, или солнечной короны. А по поводу короны звезд данные пока что очень скудные. Но на самом деле фундаментальные механизмы ускорения заряженных частиц на Солнце в результате возникновения электрических полей, думаю, применимы и для других астрофизических объектов, где тоже наблюдаются звездные вспышки.

— Что сейчас представляет собой научная работа вашей лаборатории?

— Во-первых, продолжаются наши теоретические исследования. Сотрудники участвуют в развитии МГД-модели солнечной вспышки. Речь идет о том, чтобы правильно описать магнитную обстановку в активных областях, а потом показать, как из этой сложной магнитной структуры на Солнце, когда магнитные поля нескольких групп пятен переплетаются между собой на разных высотах, появляются электрические поля в результате их пересоединения. Они могут ускорять заряженные частицы — протоны, электроны и другие частицы вплоть до ядер железа, которые тоже могут ускоряться.

Кроме того, наша лаборатория сейчас участвует в разработке научной аппаратуры в рамках проекта «Солнце-Терагерц», предназначенной для измерения терагерцового излучения Солнца. Если работы будут успешны, то я надеюсь, что в 2024 году нам удастся начать этот эксперимент на борту МКС. Может быть, тогда мы сможем обсудить полученные результаты.

Еще один важный проект: последние годы показали, что имеют практическую и теоретическую важность исследования процессов высыпания магнитосферных электронов из атмосферы Земли во время геомагнитных бурь.

Я уже говорил, что один из показателей активности Солнца — это солнечные магнитные поля, солнечная активная область, размеры которой могут быть крайне протяженными и способными приводить к появлению больших солнечных вспышек. Но, кроме этого, на фазе спада солнечной активности появляются солнечные корональные дыры. Они служат источниками высокоскоростных потоков солнечного ветра. Если обычный солнечный ветер в цикле минимума солнечной активности имеет скорость 300–400 км/с и это средние «спокойные» скорости, то из солнечных дыр солнечный ветер достигает скоростей 1000 км/с и выше, что раза в три выше фонового значения. Эти солнечные корональные дыры служат поставщиком высокоскоростных потоков солнечного ветра, которые несут с собой и магнитные структуры, воздействующие на геомагнитное поле.

— В чем их опасность?

— В том, что, доходя с такой скоростью до магнитосферы Земли, они возмущают ее, происходит ее «поджатие» с подсолнечной стороны. Удар высокоскоростного потока солнечного ветра возмущает геомагнитное поле, приводит к изменению состояния магнитосферы и нарушению условий стабильного захвата заряженных частиц в радиационном поясе Земли.

Известно, что геомагнитное поле Земли имеет две стабильные структуры — внутренний радиационный пояс, который в основном состоит из протонов с энергиями десятки МэВ, и внешний радиационный пояс, который в основном представлен потоками электронов. Энергии этих захваченных электронов в основном составляют десятки-сотни кэВ, но эти потоки всегда существуют в поясах Земли и не достигают атмосферы и поверхности Земли.

А вот взаимодействие высокоскоростного потока солнечного ветра и геомагнитного поля приводит к возникновению геомагнитной бури, ускорению частиц и изменению условий стабильного захвата, в результате чего происходит высыпание потоков заряженных частиц в атмосферу.

— И ломается техника?

— Происходит процесс высыпания энергичных электронов из магнитосферы Земли. Эти потоки воздействуют на космические аппараты в околоземном пространстве. Главным становится эффект деградации панелей солнечных батарей — сокращается срок их службы. Если энергии электронов достаточно и она попадает на малозащищенную аппаратуру, это тоже приводит к выводу из строя.

— Это на орбите. А что происходит на поверхности Земли?

— А для поверхности Земли уже известно, что на высоких широтах, где геомагнитное поле ослабленное и наблюдается наибольшее возмущение от солнечных корональных дыр, происходит нарушение разных систем коммуникаций, газопроводов, нефтепроводов, что приводит к блокаутам, о которых уже были написаны статьи. Эффект этих геомагнитных возмущений известен.

Возникают вопросы: измерение потоков высыпающихся электронов проводится на спутниках, которые быстро пересекают пространственные области высыпаний. И определение, например, первичных энергетических спектров высыпающихся электронов становится затруднительным. В этом случае наш эксперимент — измерения на баллонах — позволяет установить временные, пространственные и энергетические характеристики потоков электронов, которые высыпаются в атмосферу Земли.

В нашей базе данных до сегодняшнего времени накоплено более 500 событий, мы их анализируем, есть публикации на эту тему.

Недавно вышла наша статья в авторитетном научном журнале Atmospheric Chemistry and Physics, где мы показали, что высыпания иногда наблюдаются на средних широтах, например на высоте Москвы. Там же рассмотрен возможный эффект, вызываемый в атмосфере этими электронами.

— А на наше здоровье и самочувствие эти геомагнитные бури влияют?

— Опять же исследований на эту тему недостаточно, но я думаю, что существует категория людей метеозависимых, которые сильно откликаются на изменение атмосферного давления, на геомагнитные возмущения. Окончательного ответа на вопрос, каков механизм влияния магнитного поля, нет, научная модель таких явлений отсутствует. Эти вопросы необходимо исследовать, потому что человек все увереннее проникает на околоземные орбиты, становится нормой работать в этих условиях, идет активное продвижение в космос. Поэтому вопросы, связанные с радиационными эффектами заряженных частиц, как космических лучей, так и потоков высыпающихся электронов, крайне актуальны для обеспечения жизнедеятельности людей в длительных перелетах.

Надо для человека создать максимально комфортные условия с точки зрения возможных дополнительных радиационных нагрузок. С точки зрения материаловедения надо создавать зоны на космическом корабле или станции, куда человек мог бы спрятаться, зная о приближении солнечной вспышки. А медикам, поняв природу такого воздействия, надо научиться помогать человеку выживать в условиях повышенных уровней радиации и вариабельности межпланетных и геомагнитных полей. Эта задача по-прежнему актуальна.

— В чем оригинальность ваших исследований?

— Прежде всего в получении единственных в мире длительных рядов данных о радиации в атмосфере, которые позволяют проводить исследования в разных направлениях. В нашей лаборатории в последние годы очень интенсивно развивается направление, которое связано с исследованиями событий с высыпающимися электронами, мы исследуем физические причины их возникновения. В этом плане наши данные, полученные на шарах-зондах в атмосфере, уникальны: в мире не существует такого эксперимента, который с той же самой аппаратурой проводил бы измерение потоков высыпающих электронов в течение десятков лет.

В базе однородных данных, как я сказал, порядка 500 событий за тот период, и все эти данные получены однотипной аппаратурой. А однородность данных обеспечивает возможность исследований и сравнение результатов, которые мы получили в предыдущих событиях. Например, характеристики высыпаний электронов, которые были наблюдены в 1963 году, можно сравнить с характеристиками высыпания в 2021 году. Это обеспечивает возможность сравнительного анализа и построения более полной картины физического механизма высыпаний электронов.

Кроме того, наша лаборатория участвует в проекте CLOUD в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований). Мы были в числе «зачинщиков», организаторов этого эксперимента.

Для этого проекта мы разработали и изготовили научную аппаратуру, состоящую из сцинтилляционного годоскопа и детектора космических лучей, предназначенную для измерения пространственно-временных характеристик потока заряженных частиц от ускорителя в ЦЕРНе и потоков космических лучей в месте проведения эксперимента.

— Какова цель этого проекта?

— Суть проекта заключается в том, чтобы понять, каким образом заряженные частицы влияют на процессы в атмосфере. Известно, что та же самая облачность образуется на очагах зарождения, или центрах конденсации, необходимых для образования облачности и выпадения осадков.

Рассматриваются два направления развития этих центров конденсации. Первое — это центры, которые образуются за счет аэрозолей, фракций, забрасываемых в атмосферу с поверхности Земли, например в результате выгорания лесов. Второе направление мало изучено, оно исследует процесс зарождения этих капель на основе другого механизма, так называемой ионно-индуцированной нуклеации — создания кластеров частиц из отдельных молекул.

Здесь наш эксперимент направлен на то, чтобы получить количественные и качественные характеристики этого процесса нуклеации молекул в атмосфере Земли, и этот механизм изучается у нас в камере CLOUD, в которой мы создаем условия, адекватные атмосферным: нужная влажность, нужный состав воздуха, близкий к атмосферному, нужный состав ионизации. С помощью сложнейшей аппаратуры, которая сейчас установлена участниками этого проекта в ЦЕРНе, мы можем количественно ответить на вопрос, каким образом происходит кластеризация молекул на основе ионно-индуцированного механизма зарождения центров конденсации.

В нашем эксперименте задействовано сейчас более десятка международных групп, в основном это европейцы, но наши данные здесь незаменимы.

Из них мы можем знать величины потоков космических лучей и величину ионизации, которую они производят на разных высотах в атмосфере. В рамках нашей коллаборации опубликованы работы во многих журналах, включая Nature и Science.

— Какую роль сыграли солнечные параметры — светимость, размеры и прочие характеристики — в зарождении жизни на нашей планете? И почему ее нет на соседних?

— Мне это тоже интересно. Но я не специалист в науках, которые изучают появление жизни. Могу лишь сказать, что условия на нашей планете Земля создались и продолжают быть таковыми, потому что Солнце вышло на квазистабильный уровень активности, поэтому наша биологическая система по-прежнему продолжает существовать. Я думаю, что она еще будет существовать сотни миллионов лет. Есть теории, которые говорят, что по мере выгорания водорода в солнечном ядре Солнце превратится в красный гигант. И тогда его раскаленная атмосфера достигнет орбиты Земли и других планет…

— Это случится внезапно или будет происходить постепенно?

— Постепенно, на шкале времен — в течение сотен миллионов лет. К тому времени, надеюсь, человечество освоит многие удаленные объекты Вселенной и приспособится к новым условиям жизни на других объектах…

— Под землей, например?

— Это не спасет: огромная температура приведет к тому, что Земля просто исчезнет.

— А что спасет? Переселение на другие планеты?

— Верно. В другие звездные системы, которые похожи на солнечную и где можно найти такие же условия для существования человека. Но речь, повторюсь, идет о сотнях миллионов лет.

— Есть время подумать. Как вы относитесь к различным «солнечным» теориям, например гелиобиологии Александра Чижевского?

— Советский биофизик, основоположник гелиобиологии А. Л. Чижевский, я считаю, внес огромный вклад в науки о влиянии Солнца. Его монография «Земное эхо солнечных бурь» известна многим ученым. Там много ценного и интересного для изучения возможного влияния солнечной активности на биофизические, медицинские и социальные явления на Земле.

— А теория Льва Гумилева о том, что в определенные периоды солнечной активности рождаются пассионарии, меняющие наш мир?

— Есть и такая точка зрения. Им был опубликован своеобразный список пассионарных толчков в книге «Этногенез и биосфера Земли». Проведенный анализ совокупности экспериментальных данных позволил ему выдвинуть гипотезу о том, что пассионарным толчкам предшествуют аномалии в уровне солнечной активности.

Но важно понять и установить механизм появления таких зависимостей. Например, как это влияет на психику отдельного человека и большого сообщества, на его поведение? Почему люди становятся более непримиримыми с ростом солнечной активности? По-прежнему многие вопросы остаются без обоснованного ответа…

— Что бы вам самому хотелось успеть понять про Солнце?

— Хотелось бы в первую очередь получить первые данные о терагерцовом излучении Солнца. Это тот диапазон волн, который мы намерены исследовать в нашем терагерцовом эксперименте. Аппаратура непростая, потому что детекторы терагерцового излучения до сих пор находятся в начальном развитии. Поэтому наши первые данные будут интересными — они помогут ответить, например, на вопрос, на каких высотах разыгрывается процесс ускорения на Солнце.

Современные теории говорят, что в основном это корона Солнца, достаточно далеко от поверхности. Но существуют косвенные данные, которые свидетельствуют о том, что этот процесс может располагаться в нижней хромосфере Солнца, в условиях других плотностей солнечной плазмы и величины магнитных полей.

Я думаю, что данные по терагерцовому излучению помогут построить более адекватную картину относительно механизма ускорения заряженных частиц.

И, кроме этого, нам важно понять механизм самого терагерцового излучения, как оно возникает. Существует несколько теоретических подходов, из которых можно, например, выделить два основных направления — это тепловой механизм терагерцового излучения и нетепловой, например гиросинхротронный. Интерес к этому диапазону крайне велик в последние годы, потому что именно там была обнаружена так называемая терагерцовая аномалия: возрастание потоков вспышечного радиоизлучения в субмиллиметровом диапазоне электромагнитных волн во время вспышки.

— Что это такое?

— Например, из хорошо известного гиросинхротронного спектра, который предполагает уменьшение вспышечного потоков в области терагерцового излучения, ожидалось, что потоки будут уменьшатся, но измерения в субмиллиметровой области показали, что это не всегда так. В этой связи необходимо отметить уникальные многолетние измерения солнечного излучения на частотах 210 ГГц и 405 ГГц, проводимые за рубежом на солнечно-субмиллиметровом телескопе. Потоки излучения вместо ожидаемого уменьшения начинают возрастать и достигают крайне заметных величин. И сейчас надо понять, действительно ли это так. Наш эксперимент поможет пролить свет на эту интересную особенность солнечного излучения.

— Все знают легенду об Икаре, который полетел к Солнцу, обжегся и погиб. Как вы думаете, возможно ли будет создать когда-нибудь аппараты, которые смогут достичь поверхности Солнца, сесть на нее, исследовать наше светило?

— Работы в этом направлении всегда проводились. Известна система «Гелиос», ее спутники Helios-1 и 2 могли подлетать достаточно близко к атмосфере Солнца на расстояние меньше 61 солнечного радиуса (менее 0.4 а.е.). В последние годы солнечный зонд «Паркер» позволяет гораздо ближе продвинуться к фотосфере Солнца на расстояние меньше 10 радиусов Солнца (менее ~7 млн км, 0.04 а.е.). Получены очень интересные данные о солнечной атмосфере и заряженных частицах. Таким образом, процесс приближения космических аппаратов к фотосфере Солнца успешно продолжается. Надеюсь, судьбу Икара, который был любопытен, но мало что знал, мы не повторим.

Беседовала Наталия Лескова