Как Солнце влияет на Землю, возможна ли жизнь на звезде и каковы главные загадки нашего светила? На эти и многие другие вопросы отвечает Андрей Всеволодович Медведев, член-корреспондент РАН, директор Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН.
— Как Солнце влияет на температуру на Земле, какой вклад вносит в глобальное потепление?
— Вопрос очень дискуссионный. Согласно наиболее распространенной сегодня версии, одной из главных причин глобального изменения климата считается антропогенный фактор; при этом, на мой взгляд, природным процессам уделяется недостаточно внимания, и солнечная активность может играть здесь далеко не последнюю роль.
Очень многие факты нашей истории говорят о том, что существует несомненная связь между солнечной активностью и климатом. Многие наверняка слышали о таком явлении, как минимум Маундера, когда на протяжении практически сотни лет, с 1645 по 1715 г., солнечная активность была минимальна. Этот же период соответствует и внезапному похолоданию климата нижней атмосферы на всей Земле — так называемому малому ледниковому периоду.
— А что имеется ввиду под минимальной солнечной активностью?
— Маленькое количество солнечных пятен. Начиная с XVII в., со времен Галилея, ведутся систематические наблюдения пятен на Солнце. Благодаря этим исследованиям мы можем сегодня говорить, насколько активно или неактивно Солнце было в тот или иной период в истории. Так вот, упомянутый маундеровский минимум — это период крайне низкой солнечной активности, который длился на протяжении 70 лет.
— Что спровоцировало это явление?
— А это, собственно, самый главный вопрос, который мы задаем и себе, и природе; что служит причиной солнечной активности и ее цикличности? Давно известно, что наше Солнце циклично. Выделяют 11-летний, 22-летний и другие циклы солнечной активности, которые связаны с регулярной перестройкой магнитных полей на Солнце. В периоды минимума солнечной активности пятен на Солнце практически нет, можно сказать, что оно пассивно и его воздействие на Землю минимально, если говорить об эффектах, связанных с геомагнитными событиями: бурями, полярными сияниями и пр. Тем не менее, как мы знаем, светимость Солнца примерно постоянна.
Динамо-эффект (гидромагнитное динамо) — самовозбуждение магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Динамо-эффект привлекают для объяснения происхождения и поддержания магнитных полей Земли и других планет с жидким ядром, Солнца и звезд. Источник: «Академик»
Геомагнитная активность, то есть то, что происходит здесь, на Земле, связана с периодической активностью различной природы на Солнце; как я уже сказал, речь идет о регулярной перестройке магнитных полей на Солнце. И сегодня уже есть устойчивые, хорошо развитые теории, объясняющие эти процессы и подтверждающиеся экспериментами. Одна из таких теорий — схема солнечного динамо, которая связана с дифференциальным вращением Солнца.
— Расскажите об этом подробнее.
— Солнце можно рассматривать и как жидкость, и как газ — в зависимости от того, на какой высоте ведутся наблюдения. Угловая скорость вращения вещества Солнца различается в зависимости от широты (полюс или экватор) и глубины слоя. При этом заряженные частицы получают различную угловую скорость и составляющую движения Друг относительно друга, которое создает сложную картину электрических токов, индуцирующих не менее сложное переменное магнитное поле. Так вот, динамо-эффект обеспечивает наше понимание этой периодичности солнечной активности. Но в целом, конечно, фундаментальных вопросов к Солнцу у нас еще очень много, в том числе и по теории динамо.
— Вернемся к малому ледниковому периоду, предположительно коррелирующему с Маундеровским минимумом. Какие события тогда происходили? Люди в Европе катались на коньках по замерзшим рекам и каналам?
— Вспомните картины художников той эпохи — Брейгелей, Абрахама Хондиуса и других, где как раз таки изображены замерзшие реки, каналы и люди, играющие в снежки и катающиеся на коньках. Сегодня нам сложно представить нечто подобное в той же Голландии или, например, Бельгии. А для них это было обычным явлением. Похолодание в Европе началось даже раньше 1645 г., причем Россия была одной из наиболее пострадавших стран в этот период. Многолетние неурожай и голод впоследствии привели к Смуте.
Ян Брейгель Старший. Зимний пейзаж. Около 1625 г. Источник иллюстрации: Gallerix.
— А если уйти еще дальше в историю, к последнему ледниковому периоду, который завершился примерно 13 тыс. лет назад, — он мог быть связан с понижением солнечной активности?
— Это очень непростой вопрос, который остается открытым. Мне встречались заметки о существовании методов определения палеогеомагнитной активности на основе содержания космогенных изотопов различных элементов в кернах льда, но я пока не берусь судить, насколько они достоверны. Солнечная вспышка — явление очень кратковременное. Может ли отклик от него сохраниться на протяжении тысяч лет? Не уверен.
— Как вы относитесь к идеям биофизика и философа А.Л. Чижевского, который считал, что социальные процессы на Земле, например революции, связаны с солнечной активностью? И не только они, но еще и эпидемии среди людей и животных.
Солнечные пятна — это темные области на поверхности Солнца, вызванные интенсивным магнитным потоком из недр звезды. В области активных зон, окружающих солнечные пятна, происходят вспышки, при которых выделяется значительная энергия. Источник фото: Обсерватория ГМИК им. К.Э. Циолковского.
— А.Л. Чижевский — замечательный ученый и во многом, конечно, провидец. Но все-таки нам не стоит впадать в солнечный детерминизм и утверждать, что абсолютно все жизненные процессы на Земле, в том числе социальные, обусловлены активностью Солнца.
В свое время я прочел очень много книг и статей А. Л. Чижевского и могу сказать, что графики и корреляции, приведенные в них, могут вызвать даже некоторую оторопь у человека, не пытающегося проникнуть в глубину проблемы — ну настолько там все детерминировано Солнцем! Но на самом деле, если пытаться осмыслить это на более профессиональном и въедливом уровне, многие корреляции солнечной активности с событиями на Земле становятся очень малозначительными — что-то на уровне информационного шума.
В целом, конечно, это та область исследований, в которой нам еще предстоит поработать, но на новом уровне, в том числе и математических знаний, то есть поиска статистически достоверных явлений. Пока я не могу сказать, что все гипотезы А.Л. Чижевского подтверждаются на современном уровне знаний.
— Влияет ли Солнце на извержение вулканов на Земле?
— Этот вопрос ученые обсуждают довольно часто, и исследования продолжаются. На сегодняшний день достоверно подтвержденных корреляций между уровнем солнечной и сейсмической активности не существует.
— Сейчас, когда весь мир окутан проводами, изучение активности Солнца становится особенно актуальным. А случались ли в прошлом какие-то техногенные аварии, спровоцированные нашей звездой?
— Да. Мы можем вспомнить как минимум о двух таких событиях. Одно из них, так называемое Квебекское событие, произошло в 1989 г. в одноименной канадской провинции: из-за атаки магнитной бури, которая вызвала огромные наведенные токи, все электричество почти на сутки вышло из строя, что привело к большим экономическим потерям. Другое, не менее интересное событие произошло гораздо раньше, в 1859 г., — это знаменитая геомагнитная буря Кэррингтона, мощнейшая за всю историю наблюдений. Солнечный супершторм, еще одно из названий этого события, вызвал отказ телеграфных сетей практически по всей Земле. Кроме того, по всему миру, даже в южных областях, 1-2 сентября 1859 г. наблюдались полярные сияния — одно из проявлений геомагнитной бури.
К тому моменту, когда произошла буря Кэррингтона, в мире уже существовали геомагнитные наблюдения, и сегодня мы можем говорить о примерной мощности этой бури в современных единицах. Она в разы превышала мощность события 1989 г. и составляла до 1500 наноТесла.
Геомагнитная буря 1859 г. поразила самую продвинутую часть техносферы того времени — телеграфную сеть, которая, между прочим, на тот момент имела общую протяженность как минимум в несколько тысяч километров. Медные провода вышли из строя, телеграфные аппараты искрили, переставали работать, телеграфистов било током. Сегодня мы можем только с ужасом представить, что было бы, если бы такая мощная геомагнитная буря случилась в наше время, с нашим уровнем технологического развития!
Воздействие Солнца на Землю — факт неоспоримый, и, к сожалению, это воздействие не всегда предсказуемо. Задача современной науки — создать модели и средства наблюдения, которые позволили бы за несколько суток предупредить жителей планеты о возможных последствиях явлений на Солнце.
— Разве сейчас таких средств нет?
— Они есть, но достоверность их предсказаний пока не вызывает удовлетворения. Но это направление развивается, и наш институт тоже занят разработкой новых инструментов большей чувствительности, информативности, которые, помимо решения фундаментальных неизученных проблем, связанных с Солнцем, помогут строить и предсказательные модели.
— А что это за фундаментальные и неизученные проблемы, связанные с Солнцем, о которых вы говорите? Расскажите о самых интересных.
— Во-первых, мы должны понять процесс трансформации магнитного поля, или так называемый альфа-эффект. О чем идет речь? Магнитное поле Солнца не просто уменьшается или усиливается, а периодически скручивается в торообразное состояние, а потом снова возвращается в шарообразное, грубо говоря, состояние. Изучение этой трансформации имеет фундаментальное значение. Процесс скручивания магнитного поля в тор, когда экватор движется быстрее, чем полюса, нам более или менее понятен, но восстановление полоидального поля из тороидального, тот самый альфа-эффект, уже совершенно неоднозначен, ведь самого процесса раскручивания мы не наблюдаем.
Есть несколько перспективных теорий, но для того, чтобы их проверить, необходимо разрешение телескопа по диску Солнца порядка нескольких десятков километров. Такое разрешение способны обеспечить только самые крупные солнечные инструменты с самыми совершенными системами устранения атмосферных искажений. Сейчас достраивается четырехметровый Солнечный телескоп им. Дэниела Иноуэ на Гавайях, наш институт в рамках проекта «Национальный гелиогеофизический комплекс РАН» закончил проектирование крупного отечественного солнечного телескопа с диаметром зеркала 3 м. Он будет построен в Саянской солнечной обсерватории на границе с Монголией.
Вторая фундаментальная проблема — повышение температуры плазмы в короне Солнца, то есть корона Солнца горячее его поверхности. За счет чего это достигается? А это тоже важнейшая фундаментальная задача, которую еще предстоит решить.
Третий, но не последний пример фундаментальной проблемы — все современные модели ионосферы Земли (ионизированная часть верхних слоев атмосферы Земли на высотах примерно от 50 до 1 тыс. км. — Примеч. ред.) опираются на уровни солнечной и геомагнитной активности. Во время последних двух солнечных циклов мы имели достаточно продолжительный период низкого уровня солнечной и геомагнитной активности, и в этом случае ионосфера у нас должна быть спокойной, но мы видим очень большие возмущения. Эта проблема имеет ряд прикладных аспектов, поэтому она особенно важна для изучения.
— Вы упомянули циклы Солнечной активности. А в какой фазе цикла мы находимся сейчас?
— Мы находимся в начале 25-го по счету 11-летнего цикла, когда идет нарастание солнечной активности. Мы немножко отдохнули в минимуме солнечной активности и теперь выходим на период учащенных наблюдений за Солнцем. Таких интересных явлений, как геомагнитные бури, становится все больше и больше, есть что наблюдать. Кстати, у нас в институте находится единственный в России радар некогерентного рассеяния, который может исследовать сразу целый спектр параметров верхней атмосферы Земли, или ионосферы. Для нас, ученых, предстоящий период геомагнитных бурь — самый информативный и интересный, так что мы активно включаемся в работу.
— Поговорим о будущем. Сфера Дайсона когда-то может стать реальностью?
— Давайте не будем говорить про техническую реализацию, но сама идея очень красивая и замечательная! С другой стороны, уже сейчас мы видим последствия использования энергетических ресурсов на Земле: глобальное потепление климата. Как же мы будем управляться с энергией Солнца, которая для нас вообще не предназначена, если даже на своей планете не можем остановить перегрев?
— Так это на Земле. А сфера Дайсона же будет далеко от нас, в районе Солнца.
— Не совсем так. Сфера Дайсона как раз и предназначена для того, чтобы собрать энергию и использовать ее для себя, на Земле, что у меня лично вызывает большие сомнения. Конечно, если собрать эту энергию где-нибудь на Луне, запитать ею парусник и отправить корабль в далекий космос, то это уже совсем другая история. Но глобально, в моем понимании, сфера Дайсона — это просто источник бесплатной энергии, причем в неограниченных количествах, для Земли. Хотя для путешествий в космосе ее теоретически тоже можно использовать. Сама идея, конечно, хороша, но как ее реализовать — большой вопрос.
Примечательно, что сфера Дайсона обещает какой-то поистине безумный поток энергии. Но все будет зависеть от того, как мы сможем ее развернуть. А вообще прямое наше будущее — это, конечно, термоядерная энергия, которая в отличие от сферы Дайсона у нас уже практически в руках.
Я уверен, что если рост цен на углеводороды продолжится и дальше, то появление термоядерной энергетики не заставит себя долго ждать.
Сфера Дайсона — предложенное Фрименом Дайсоном в 1959 г. огромное инженерное сооружение, собирающее излучаемую энергию звезды, в виде тонкой сферической оболочки большого радиуса со звездой в центре. Нечто похожее еще в 1937 г. описывал философ-футуролог Олаф Стэплдон. Источник фото: фотобанк 123RF
— Давайте еще немного пофантазируем. Стивен Хокинг говорил, что на газовых планетах-гигантах могут существовать инопланетяне из газа, которые используют энергию молниевых бурь ─ частое явление на таких планетах. А что насчет жизни на Солнце?
— Для начала давайте определимся с тем, что такое жизнь. Как известно из школьной программы, жизнь есть форма существования белковых тел. Но, боюсь, такое определение нам не очень подходит. Если же первым и главным признаком жизни считать воспроизведение самих себя или какой-то своей копии в окружающем мире (то есть размножение), тогда нам открывается очень большой простор для полета фантазии. Тогда окажется, что и земные кристаллы, между прочим, — это живые существа. Так что если мыслить в таком ключе, то почему бы и нет?
Я не химик и не биолог, поэтому не могу говорить с точки зрения воспроизведения химически сложных соединений. Но мы можем поговорить, например, о неких гипотетических плазменных образованиях. Наверняка все слышали о шаровой молнии. Вообще-то многие про нее только слышали, но мало кто видел. Так вот, возьмем такой объект, как шаровая молния, — некий плазменный сгусток, непонятно чем удерживаемый, может быть, самоиндуцированными магнитными полями. Но почему бы ему, например, кроме всего прочего, не иметь такое чудесное свойство, как самовоспроизводство, или размножение?
— Существуют сообщения о наблюдении целых групп шаровых молний. Вы имеете в виду что-то вроде этого?
— Я не знаю ни одной до конца выстроенной и обоснованной теории шаровой молнии. Назвать их теориями у меня пока язык не повернется. Возвращаясь к вашему вопросу: да, быть может, эти сгустки, семейки, клины шаровых молний, куда-то дружно летящие, и есть ответ. Может быть, жизнь на Солнце могла бы представлять собой что-то наподобие неких плазменных структур. Почему бы и нет?
— Вернемся на Землю, где прямо сейчас создается мегапроект «Национальный гелиогеофизический комплекс РАН». Расскажите о нем подробнее.
— Как я уже говорил, в системе «Солнце — Земля» существует множество интереснейших фундаментальных проблем, которые нужно решать. Каким образом? Создавая инструменты нового поколения. Строящийся на территории Иркутской области и Бурятии гелиогео-физический комплекс РАН — один из важнейших и крупнейших объектов научной инфраструктуры в стране. Он состоит из целого набора наземных инструментов совершенно нового уровня, которые либо находятся на вершине мировых достижений в этой области, либо их превосходят.
Проект включает в себя, в частности, крупный оптический солнечный телескоп с трехметровым зеркалом. Сложнейший объект! В составе комплекса также многоволновой радиогелиограф, то есть радиотелескоп, который не только сможет увидеть одну поверхность над Солнцем в области короны, но и проникнет вглубь этой короны. Фактически это томограф для солнечной короны, с помощью которого мы увидим ее на протяженной глубине.
Еще один крупный и важный инструмент — всеатмосферный наземный радар, который способен с высокой эффективностью исследовать воздействие солнечной активности на ближний космос и на атмосферу Земли. Радар будет изучать процессы, связанные с воздействием на нашу планету извне, вплоть до 2 тыс. км от Земли. Он также поможет пролить свет на вопрос, который вы задавали, — о влиянии Солнца на сейсмическую активность на Земле.
Все установки комплекса уникальны. Часть из них сейчас проектируются, часть уже прошли проектную экспертизу и готовы к строительству. Закончено строительство комплекса оптических инструментов для масштабного изучения разнообразных явлений свечения атмосферы. Упомянутый мной многоволновой радиогелиограф практически на выходе. Он уже дает научные результаты, от которых, кстати, приходят в восторг наши зарубежные коллеги.
Сибирский радиогелиограф. Автор фото: Евгений Козырев.
Сибирский радиогелиограф, один из уже построенных объектов Национального гелиогеофизического комплекса, должен быть введен в строй в этом году. В ходе тестовых наблюдений получены уникальные данные о Солнце, ведь СРГ позволяет получать, например, объемные изображения корональных дыр, протуберанцев, областей активности.
Эти данные уже широко обсуждаются на международных семинарах, а мировое научное сообщество признает российский радиотелескоп инструментом, который стоит на переднем крае науки и будет находиться там несколько десятилетий.
В декабре 2021 г. на семинаре в университете Беркли ученые отметили, что наши результаты являются великолепной иллюстрацией будущего радиоастрономических наблюдений Солнца.
Сибирский радиогелиограф.
Первый объект Национального гелиогеофизического комплекса РАН (НГК) ─ комплекс оптических инструментов в Торах (Бурятия). Автор фото: Евгений Козырев.
Первый объект НГК, комплекс оптических инструментов в Торах (Бурятия), уже готов. Он предназначен для изучения процессов и явлений в средних слоях атмосферы Земли, происходящих под действием крупномасштабных метеорологических возмущений, геомагнитных бурь, влияющих на полеты космических аппаратов. Вся аппаратура протестирована и прекрасно работает, говорят ученые.
Эти инструменты нужны для изучения высот, которые трудно наблюдать радиофизическими средствами, поэтому используется оптика, позволяющая исследовать собственное свечение атмосферы. Ученые получают интереснейшую информацию, в том числе о таких малоизученных и перспективных с научной точки зрения объектах, как высотные электрические разряды – эльфы, спрайты и другие.
Именно с помощью оптики мы можем получить информацию для осмысления теории общей электрической цепи Земли. Раньше считалось, что она замыкается на высотах облаков, накапливающих грозовые разряды. Однако оказалось, что цепь гораздо сложнее, и высотные электрические разряды также в нее входят, но как именно происходит это взаимодействие, однозначных ответов нет. Получить мы их можем как раз с помощью комплекса оптических инструментов.
Первый объект Национального гелиогеофизического комплекса РАН (НГК) ─ комплекс оптических инструментов в Торах (Бурятия).
— Андрей Всеволодович, и, все-таки, зачем нам изучать Солнце? Какой главный бонус для человечества в подобных исследованиях?
— Солнце, безусловно, нужно исследовать — и не только его, но и ближний космос, и межпланетное космическое пространство. И как бы нам ни казалось это чем-то абстрактным и далеким от нашей непосредственной жизни, такие исследования имеют самое что ни на есть прикладное значение, ведь чем больше мы развиваем нашу техносферу, тем больше начинаем зависеть от состояния окружающей среды. Заметьте, в эту окружающую среду у нас включен и ближний космос. Мы уже не мыслим свою деятельность без связи, навигации, радиолокации. Процессы, проходящие в ближнем космосе, уже сейчас сказываются самым непосредственным образом на системах ближайшего жизнеобеспечения, таких как энергетические системы и др., — и могут сказаться в будущем.
Изучение Солнца и космоса в целом еще интереснее с точки зрения получения новых фундаментальных знаний о физике, о том, что вокруг нас происходит, и для этого на современном уровне нам надо иметь высокотехнологичные приборы — да, они сложные и дорогие, но без них не обойтись.
