«Солнце — очень активный объект»

Солнце на глазах становится важнейшим объектом изучения для земной науки. Впервые зонды пролетели так близко, чтобы сфотографировать корону нашей звезды, математики моделируют процессы внутри нее, в России строят мощный комплекс по изучению его влияния на нашу планету. А что мы знаем о Солнце сегодня? Достаточно ли, чтобы защитить себя от вступления Солнца в активную фазу? Во сколько вообще экономике обходятся солнечные вспышки? И, наконец, зачем ученые кипятят небо у нас над головами с помощью сверхмощных антенн? Обо всем этом «Огонек» поговорил с директором Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН, членом-корреспондентом РАН Андреем Медведевым.

Андрей Медведев считает, что наблюдение за Солнцем должно быть приоритетом любой страны, претендующей на освоение космоса

Фото: Тимур Сабиров, Коммерсантъ

— Андрей Всеволодович, в последние годы появилось так много серьезных космических миссий по изучению Солнца, что невольно начинаешь подозревать что-то неладное. Только США запланировали целых пять…

— К Солнцу сейчас действительно повышенное внимание — одновременно осуществляется много интересных космических миссий. Например, Solar Orbiter впервые исследует полюса Солнца с максимально близкого расстояния. Интерес в целом понятен: ближний космос в последние годы осваивается как никогда активно, а с деятельностью Солнца связана работа огромного количества аппаратуры в космосе — систем связи, навигации, спутников мониторинга... От того, сможем ли мы достоверно предсказывать активность Солнца, зависит также развитие космонавтики и межпланетных перелетов.

Речь, впрочем, не только о космической деятельности. Еще в XIX веке, напомню, состоялась так называемая буря Каррингтона — из-за мощной солнечной вспышки на сотнях километров пропадала связь, выходили из строя телеграфные линии и аппараты, самих телеграфистов иной раз било током. С тех пор вспышек такой мощности у нас не было.

Чем известен Андрей Медведев

— А если такое произойдет сейчас? Можете предсказать последствия?

— Огромный поток частиц в первую очередь повредит космические аппараты в ближнем космосе, причем самым серьезным образом. Следом пострадает коротковолновая связь по всей Земле. Затем нарушится глобальное позиционирование, которое сейчас осуществляется при помощи навигационных спутниковых систем, таких как GPS, ГЛОНАСС и аналогичных структур в КНР.

На поверхности Земли пострадают все протяженные технологические системы — телеграф, энергетические службы и трубопроводы. Известно, что во время мартовской бури 1989-го в Квебеке (она была в разы слабее каррингтоновской) наступил так называемый блэкаут на территории Канады: наведенные токи вызвали выгорание трансформаторов, так что из строя вышла значительная часть энергосистемы страны. А в октябре 2003-го мощная «хэллоуинская» вспышка на Солнце повредила ряд спутников, вызвала перебои в телефонной и мобильной связи.

Эксперты оценивают разовый ущерб такого воздействия в триллионы долларов. Так что в целом катастрофы на Солнце могут привести глобальную экономику в состояние коллапса, причем в первую очередь пострадают страны в высоких широтах.

Помимо Канады это север Америки, север Европы и Россия с ее протяженным арктическим побережьем, которое сейчас интенсивно осваивается. Научное сообщество все это осознает, поэтому в США и Китае работают целые комитеты, которые курируют весь комплекс работ по изучению и мониторингу Солнца. Они также работают по комплексным проблемам прогноза и предотвращения катастрофических событий, связанных с возмущениями на Солнце.

— Учитывая актуальность темы, досадно, что в космосе нет работающих российских солнечных миссий.

— Да, мы серьезно отстаем и, безусловно, нуждаемся в создании космических аппаратов для работы вблизи Солнца. Сегодня, правда, есть точка зрения, что в науке должно быть разделение труда по странам. Но это, на мой взгляд, не снимает вопроса: есть страны, в том числе Россия, которые по своему положению в мире просто обязаны заниматься всем перечнем передовых научных проблем.

Восемь с половиной минут

— Взглянем с другой стороны. А что дает предсказание солнечной бури, если мы не можем ее предотвратить?

— Можно предотвратить последствия. К счастью, природа нам дает интервал времени в 8 с половиной минут: столько идет до Земли электромагнитное излучение от Солнца. И, что даже более важно, у нас есть еще время от полусуток до двух с половиной суток — столько доходит до нас в зависимости от скорости и мощности вспышки на Солнце само вещество, которое возмущает геомагнитное поле.

А вот за это время мы уже можем, к примеру, застраховать линии электропередачи, переключившись на вспомогательные источники электроэнергии. Можем перевести в состояние сна спутники. Перекинуть воздушные суда на резервные каналы связи, которые менее подвержены воздействию. А еще в таком прогнозе остро нуждаются специалисты, работающие на современных радарах и локаторах. Ведь во время солнечной вспышки можно увидеть ложные отметки о целях, и если принять помехи за вражеские объекты, которые вас атакуют, это может стать причиной катастрофы.

— Всерьез страдают только технические системы? Или людям тоже важно получать эти предупреждения?

— Последствия солнечных вспышек непосредственно влияют на пилотов дальней авиации при трансполярных перелетах. Понятно, как выгодно использовать полярную область для сокращения перелета, скажем, из Западного полушария в Восточное, когда летишь из РФ в Японию или США. Но на этой трассе серьезные технические трудности неизбежны: линии магнитного поля здесь образуют воронку, через которую солнечное вещество практически беспрепятственно доходит до поверхности Земли. То есть процессы высыпания высокоэнергетических частиц (речь о радиации.— «О») здесь куда более интенсивные. Если не учитывать прогнозы солнечной активности, то за один полет можно получить уровень радиации, который обычно пилот накапливает за всю профессиональную жизнь.

— А такая служба прогноза где-то работает? Могут сегодня отменить полет по прогнозу активности Солнца?

— Мы еще не вышли на уровень уверенного прогноза таких событий, чтобы выдавать предупреждение об отмене полетов. Но к тому идет. Для этого важно понимать, как устроены солнечно-земные связи, как представляет сегодня наука всю физическую цепочку процессов между Солнцем и поверхностью Земли.

— И как она ее видит?

— Пока это еще уравнение со многими неизвестными. Мы знаем, что процессы на Солнце не регулярны, но они имеют некие закономерности, которые во многом от нас ускользают.

Связь между Солнцем и Землей осуществляется через межпланетное космическое пространство, которое тоже контролирует Солнце, от него зависит плотность потока частиц — нейтронов, протонов, электронов и нейтрино.

«Общаются» Солнце и Земля и в пограничной сфере — в магнитной оболочке Земли. Долгое время, вплоть до ХХ века, ученые представляли, что Земля имеет магнитное поле простой конфигурации, в форме двух полусфер вокруг магнитного стержня, как рисуют в учебниках. Но в середине XX века стало понятно: мы живем в постоянном потоке солнечного вещества, которое обдувает Землю как ветер и серьезно деформирует ее магнитное поле: со стороны Солнца оно прижато потоком, а с ночной стороны — сильно вытянуто. При этом конфигурация нашего магнитного поля постоянно меняется — под порывами солнечного ветра оно трепещет, как аэродромная «колбаса», которая показывает направление ветра. Скажем, когда частицы солнечного ветра возмущают магнитное поле Земли, там индуцируются электрические токи, происходит высыпание частиц и это влияет сначала на космические аппараты и на космонавтов, а затем на ионосферу — верхнюю часть атмосферы.

— Именно благодаря ионосфере у нас есть современная связь?

— Да, начиная с работы первых радиоаппаратов стало понятно, что волны определенного диапазона вовсе не излучаются в космос, а распространяются вокруг Земли, огибая ее. Было высказано предположение, что в верхних слоях атмосферы Земли существует некий ионизированный слой, который отражает волны. Благодаря этому слою мы можем иметь связь с очень удаленными объектами, вплоть до кругоземной связи.

Так вот. Оказалось, что эту самую ионизацию обеспечивает солнечное излучение. Но поскольку оно не постоянно, то и связь в некотором диапазоне может быть неустойчивой. Стало ясно: если мы хотим осуществлять связь на большие расстояния, нужно в первую очередь изучать Солнце.

— Вы упомянули космонавтов. А как они спасаются от порывов солнечного ветра? Ведь Солнце может выбросить массу вещества порядка 10 млрд тонн.

— На обитаемых космических аппаратах есть камеры с повышенной защитой от солнечного излучения. В них укрываются, когда предполагается выброс солнечного вещества. Но понятно, что все время там проводить нельзя, а обеспечить такой защитой весь корабль не получится — он будет слишком тяжелым. Но до начала длительных космических миссий эту задачу нужно решить.

Выследить пятно

— Мы все время говорим о вспышках и пятнах. Можно пояснить, что это с физической точки зрения?

— Нужно понимать: в космосе нет спокойных или умерших объектов, все обладают какой-то активностью. Солнце — объект очень активный. Для него характерен 22-летний цикл, во время которого происходят так называемые переполюсовки, когда северный и южный магнитные полюса полностью меняются местами. При этом изменяется и конфигурация магнитного поля Солнца, вплоть до того, что в какой-то момент оно похоже на скрученный жгут, бублик, который располагается в экваториальной плоскости. Затем оно снова распределяется между полюсами. Эти процессы сопровождаются серьезной перестройкой магнитных полей Солнца.

Вспышки и пятна напрямую связаны с этой динамикой магнитного поля. Там, где магнитное поле слабеет, оно плохо сдерживает солнечную плазму и в какой-то момент она прорывается — мы видим вспышку, которая сопровождается выбросом вещества и электромагнитным излучением в очень широком диапазоне.

— А исходя из чего тогда делается прогноз сегодня?

— Ученые наблюдают за появлением новых пятен. У Солнца период обращения вокруг своей оси — порядка 27 дней. Иногда пятно отрабатывает свой цикл и выбрасывает вещество, когда Солнце смотрит в противоположную сторону от Земли, тогда мы на какое-то время успокаиваемся. Если этого не происходит — ждем выброса.

— Насколько большими могут быть пятна на Солнце и как долго они живут?

— Они могут быть просто огромными и занимать до 10 процентов поверхности. Кроме того, чаще всего пятно не одно, а целая группа пятен. Вообще, за период наблюдений самое большое количество пятен на Солнце было на рубеже 1950–1960-х годов. С тех пор их становится меньше, но это не означает, что вероятность мощных вспышек падает: катастрофические события на Солнце возможны и в слабые циклы. Достаточно высокие циклы активности, в которые наблюдалось много пятен, были в 2001-м и 2003-м. Сегодня же мы живем в цикле с очень небольшим количеством пятен.

— Существует теория, что пониженная солнечная активность связана с похолоданием, в частности с малым ледниковым периодом в XVI веке. Подтверждается ли это?

— Крайне интересный вопрос. Малый ледниковый период в XVI–XVII веках действительно сопровождался продолжительным периодом очень низких температур на всей поверхности Земли и затяжным периодом низкой солнечной активности.

Но у нас, увы, до сих пор нет устоявшейся теории, которая позволяла бы связать циклы солнечной активности с циклами потепления и похолодания земного климата. Мы понимаем: связь есть. Но ее механизмы до конца неизвестны.

Чаще всего в климатологии нынешние процессы изменения климата связывают с антропогенной деятельностью. В этом есть серьезный резон, но очевидно, что это не единственный фактор воздействия. По точным наблюдениям, в том числе и палеоклиматическим, мы знаем, что серьезные циклы потепления и похолодания имели место. Причем циклы потепления были достаточно узкие, а циклы похолодания — продолжительные. Сейчас, конечно, антропогенный фактор присутствует, но мы и так находимся в рамках цикличности потепления. Возможно, природные циклы сработают так, что антропогенный фактор станет несущественным и мы вполне можем оказаться в ближайшее время в цикле похолодания, которого не ожидаем.

— А Солнце сейчас выходит из цикла минимальной активности?

— Да, Солнышко пробуждается, на нем изредка начинают появляться пятна.

— Только этого не хватало сейчас во время?пандемии…

— А от этого никуда не деться: от одного пика солнечной активности до другого примерно 11 лет. По этому поводу точно не нужно расстраиваться.

Вооруженным взглядом

— Институт солнечно-земной физики в Иркутске, которым вы руководите, десятилетиями вел фундаментальные исследования, но не так давно приступил и к прикладным — занялся составлением прогнозов. Какие технические средства вам понадобились для этого?

— В России наш институт — лидер по наземным экспериментальным наблюдениям всех факторов космической погоды. Поэтому речь об очень широком спектре приборов: крупные оптические телескопы, радиотелескопы, радары и оптические наземные устройства, которые изучают собственное свечение атмосферы. Расположены они на обширной территории: от крупной обсерватории рядом с заполярным Норильском до обсерватории в горах рядом с Монголией. Плюс накоплен огромный опыт экспериментально-фундаментальных исследований в области солнечно-земной физики. Это позволяет развернуть на базе нашего института крупный проект наблюдательных средств нового поколения. Работы в этом направлении сейчас объединены в Национальный гелиогеофизический комплекс РАН.

— Говорят, ничего более грандиозного у нас не строили уже полвека. Какие самые интересные инструменты входят в комплекс?

— Будет построено семь уникальных объектов: в Бурятии радиогелиограф в Тункинской долине, набор оптических инструментов у села Торы, лидар (лазер, работающий по принципу радара), комплекс радаров на озере Байкал, крупный солнечный телескоп на территории Саянской солнечной обсерватории. Нагревной стенд (оборудование для проведения испытаний.— «О») под Ангарском и Центр обработки данных в Иркутске.

— В 1960-е в СССР появилась служба Солнца, это будет что-то похожее?

— У службы Солнца была конкретная задача: обеспечивать постоянный мониторинг Солнца от восточных до западных границ страны. Гелиофизический комплекс заменить ее не сможет, так как он обеспечивает наблюдение в одной точке, но зато очень крупными инструментами. Мы наблюдаем такие структуры, которые недоступны ни одной службе. Таких установок не может быть много, их может быть несколько на всей Земле.

— В каком состоянии проект сегодня?

— В Бурятии строится уникальный радиогелиограф, планируем запустить его в следующем году. Он будет делать томографию короны Солнца и изучать ее более высокие и более низкие слои. Другой крупный объект — солнечный телескоп с диаметром зеркала 3 метра — будет построен на границе с Монголией, сейчас заканчиваем проектирование. Он сможет изучать поверхность Солнца с высочайшим временным и пространственным разрешением, недоступным до сих пор наземным инструментам.

— Кто же построит такое зеркало? Это же инженерное чудо.

— Планируем, что само зеркало будет производиться в России. Подобный опыт есть у подмосковного Лыткаринского завода оптического стекла, где сегодня выпускается примерно треть всего мирового рынка крупногабаритной оптики. Они изготовили зеркала для крупнейших телескопов — сети телескопов LGOGT, второго по размеру в Азии тайского телескопа TNT, обзорных телескопов VST и VISTA.

В состав комплекса войдет и один из лучших в мире направленных радаров, с помощью которого можно будет исследовать отклик на солнечное воздействие на высотах от 10 до более 1000 километров. Это важно, потому что средняя и высокая атмосфера — очень разные физические объекты и перекрыть весь этот диапазон одним радиофизическим устройством крайне трудно. Мы нашли уникальное технологическое решение вместе со специалистами Радиотехнического института им. Минца. У них есть опыт создания крупных радиолокационных станций, в том числе новейших радаров для предупреждения о ракетном нападении. На основе этих моделей, только, конечно, совсем с другими конфигурациями, будет создаваться новый радар НР-МРС (некогерентный радар «мезосфера — стратосфера — тропосфера») для фундаментальных исследований. Работа стала возможна, так как у нас в институте много лет эксплуатируется бывший военный радар, мы хорошо понимаем достоинства и недостатки такого оборудования и знаем, что нужно для решения нового класса задач.

— А как военный радар появился в вашем институте?

— В СССР система предупреждения о ракетном нападении создавалась с 1960-х годов на базе крупных и очень мощных радиолокационных станций. В конце 1980-х ряд этих станций начали выводить из состава Вооруженных сил. Когда речь зашла об установке в наших краях, академик Гелий Жеребцов, который 30 лет руководил нашим институтом, предложил передать ее ученым. Мы приняли станцию на баланс в начале 1990-х, в очень тяжелое время, сегодня это единственный в РФ (и один из десяти в мире) радаров некогерентного рассеивания подобного рода. Он занимается диагностикой ближнего космоса и верхней атмосферы. Чтобы вы поняли, о чем речь: с помощью этого радара можно «разглядеть» пятирублевую монету на расстоянии 200 километров, а куски космического мусора видны и за 1000 километров. Чрезвычайно важным будет исследование специальными оптическими средствами узкой области на высоте 80–100 километров, где фактически молчат все радиоволны. Чтобы исследовать волновые процессы, здесь мы будем использовать лидар.

— Когда должен быть завершен проект?

— Первые два объекта будут завершены в 2021-м, конечный срок ввода в эксплуатацию — 2028–2029 годы. Проблема в том, что в целом Национальной гелиогеофизический комплекс настолько сложен, что мы сейчас пытаемся понять, в какой организационной структуре он может существовать. Мы ведь планируем привлечь около 500 специалистов, в том числе из-за рубежа.

Вскипятить небо

— Одна из частей нового геофизического комплекса — установка для нагрева ионосферы. Ее иногда сравнивают с американским комплексом HAARP на Аляске, о котором так любят вспоминать, когда говорят о климатическом оружии.

— Речь идет о коротковолновом нагреве ионосферной плазмы. Наш нагревной стенд является аналогом известной установки HAARP на Аляске, но будет иметь свою специфику. Эта крайне интересная установка позволяет ставить лабораторные эксперименты над природной средой. То есть мы с помощью антенн радаров создаем очень мощное, точечное, контролируемое и хорошо дозированное воздействие на природную среду, а потом следим за реакцией с помощью всего арсенала диагностических средств.

— Ученые гигантским лучом разогреют небо?

— Давайте поясним, что такое нагревной стенд. Мы говорили, что существует диапазон длинных волн радиоизлучения, которые отражаются от ионосферы,— так выглядит нормальный процесс связи. А когда плотность энергии в этом излучении превосходит некий уровень, то внутри плазмы начинаются процессы разогрева и проявляется настоящий зоопарк разнообразных процессов, который очень интересно изучать. И чем больше установок вокруг, чтобы эти процессы фиксировать, тем лучше. Такие эксперименты весьма важны, потому что ионосфера защищает нас от?массы неприятностей, связанных с солнечными выбросами, и нам необходимо понимать, грубо говоря,?сколько она сможет выдержать.

— Какой объем ионосферы при этом нагревается?

— Объем гигантский: речь идет о десятках тысяч кубических километров на высоте от 150 до 400 километров. Хотя в глобальном смысле мы нагреваем очень локальный участок. А для наземного наблюдателя участок неба, куда направлено повышенное радиоизлучение, просто по-другому светится.

— Кто первым придумал такие эксперименты и откуда разговоры о климатическом оружии?

— Можем с гордостью сказать: пионеры — советские ученые. Один из первых инструментов — под Нижним Новгородом на реке Суре, там проходят интересные эксперименты, хотя сама установка нуждается в глубокой модернизации. А вообще, сегодня нагревными экспериментами очень серьезно занимаются в США, отлично работает стенд Arecibo в?Пуэрто-Рико, есть сложная норвежская установка EISCAT на Шпицбергене. Серьезно к вопросам создания таких центров относится и Китай.

Что касается вопроса о климатическом оружии, то теперь мы вряд ли поймем, откуда пошли подобные разговоры. На мой взгляд, такие установки с большой долей вероятности к климатическому оружию не относятся. Трудно представить себе физические механизмы, которые позволили бы осуществить что-то подобное: атмосфера, где мы летаем на самолетах и к которой мы с вами привыкли, очень плотная среда по сравнению с той, что находится выше. Плотность ионосферы ничтожна, поэтому очень сложно представить, что, изменяя среду с крайне низкой плотностью, можно воздействовать на среду с высокой плотностью.

— Вы не раз упомянули китайских коллег. В институте именно с ними хорошо налажено сотрудничество?

— Географически Китай нам ближе, и с ними проще общаться. Но это не главное. Главное, что комплекс задач солнечно-земной физики невозможно решать только в одной точке, нам нужны данные в меридиональном и в широтном разрезе. К тому же в Китае сегодня просто феерические успехи в развитии экспериментальной и наблюдательной базы. У них лучшее в мире покрытие современными оптическими средствами наблюдения той самой узкой области, где не работают радиоволны.

— Ваш институт в 2009-м зафиксировал столкновение искусственных спутников Земли в космосе — американского «Иридиума» и выведенного из эксплуатации «Космоса-2251». Реально ли предотвращать такие события?

— Мы можем отслеживать траектории объектов, опасных для действующих спутников, и предупреждать о возможных столкновениях. Это существенно, так как практически у всех объектов, за безопасностью которых мы следим, есть возможность для маневрирования. Но если, конечно, мусор возник внезапно, в результате какого-то взрыва, то тут мы мало что можем.

— Это как у китайцев, когда взорвался спутник?

— Они сами взорвали его ракетой, чтобы показать свои возможности. В итоге образовалось огромное облако осколков на высотах 800–900 километров.

— Мы начали с того, что наука сегодня помогает защищать все разрастающуюся техносферу, но, возможно, пора скорректировать этот рост?

— Проблема, которая касается непосредственно запуска спутников, давно обсуждается, с нашей стороны в этом участвуют специалисты Роскосмоса и МИДа. Полагаю, в скором времени должно быть заключено международное соглашение по квотам на запуски спутников. Ясно ведь, что прежняя свободная и вольготная деятельность в космосе достигла предела…

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с — Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18, со Львом Иоффе в № 24, с Фазоилом Атауллахановым в № 27, с Геннадием Борисовым в №30, с Владимиром Кекелидзе в №35, с Юрием Ковалевым в №39.