Отличные новости для наблюдателей за полярным сиянием. Плохие новости для спутников связи.
Примерно каждые 11 лет Солнце претерпевает эпическую трансформацию: его магнитные полюса меняются местами. Как и на Земле, у Солнца есть магнитный север и магнитный юг. Но в отличие от Земли, полюса которой меняются порядка сотен тысяч лет, эта процедура у Солнца — обычное явление. Последний раз солнечные полюса менялись местами в 2013 году. Итак, срок у нас вот-вот наступит — вероятно, начнется где-то в этом году.
Смена полюсов Солнца не является, как это может показаться, признаком надвигающегося апокалипсиса. Вы не заметите этого, когда это произойдет. Солнечный цикл лишь незначительно влияет на климат здесь, на Земле. Но то, что происходит перед переворотом, может вызвать проблемы.
В преддверии смены полюсов наступает время все более интенсивной магнитной активности на поверхности Солнца. Вот что происходит прямо сейчас. «Мы действительно видим Солнце более активным, чем оно было примерно за последние 20 лет », — говорит физик солнечной энергии из Монреальского университета.
В эти пиковые периоды солнечной активности это самый экстравагантный фейерверк в Солнечной системе. «Когда содержание магнитной энергии Солнца намного больше, тогда мы склонны получать больше солнечных вспышек, больше [корональных] выбросов массы — это очень интересные вещи», — говорит физик.
Особую озабоченность вызывают корональные выбросы массы. Это взрывы, которые разбрасывают заряженную материю, как выстрел из дробовика, по Солнечной системе — так называемые «солнечные бури». Если эти штормы достигнут нашей планеты, они смогут вывести из строя спутники связи в космосе, которых становится все больше благодаря спутникам интернет-провайдеров. Если условия подходящие, они даже отключат часть нашей энергосистемы на земле.
Но, по мнению ученых, это активное время солнечного цикла не представляет опасности — оно открывает широкие возможности. Активный период солнечной активности дает исследователям возможность более детально изучить Солнце для достижения двух больших целей: во-первых, они хотят лучше предсказать, когда солнечная буря может нанести ущерб Земле и космическим кораблям. Ученые хотят воспользоваться прогрессом, достигнутым метеорологами в предсказании погоды на Земле, и прогнозировать космическую погоду. Это может обеспечить более безопасные космические путешествия, поскольку интерес к пилотируемым полетам на Луну и Марс набирает обороты.
И, во-вторых, они хотят лучше понять таинственную внутреннюю часть Солнца, которая порождает такие впечатляющие зрелища и может помочь нам понять бесчисленное множество других звезд во Вселенной и, в конечном итоге, найти ключ к разгадке главной тайны: почему мы здесь?
По сути, Солнце представляет собой огромный магнит, работающий на ядерной энергии.
По своей сути Солнце соединяет атомы водорода, образуя гелий и выделяя при этом огромное количество энергии.
Что происходит за пределами этого ядра, менее ясно, поскольку ученые не могут напрямую изучать внутреннюю часть звезды. Во-первых, оно существует на расстоянии 93 миллионов миль от нас, и яркая, бурная активность на поверхности скрывает зверя, скрывающегося внутри.
Но за пределами ядра, в слое, называемом «конвективной зоной», тепло, выделяемое в результате термоядерного синтеза в ядре, перегревает газ в плазму (т. е. газ настолько горячий, что имеет электрический заряд). Эта плазма, по мнению ученых, движется внутри Солнца подобно тому, как вода в нашем океане движется в сильных конвективных потоках, когда более теплая вода поднимается, а более холодная опускается, или как атмосфера на Земле создает огромные течения.
Здесь, на Земле, движение воздуха и воды влияет на климат и погоду, в основном за счет переноса и распределения тепла от экватора к полюсам.
На Солнце происходит нечто более грандиозное, поскольку оно переносит не только тепло, но и электромагнетизм.
Этот процесс, посредством которого Солнце генерирует магнетизм, называется солнечным динамо. И многое из того, как это работает, до сих пор остается загадкой для физиков Солнца, поскольку оно скрыто от нашего прямого взгляда.
Но на поверхности Солнца мы можем увидеть силу динамо-машины. Если потоки плазмы и магнетизма внутри Солнца становятся нестабильными, «они прорываются через поверхность, а магнитные поля настолько интенсивны, что кажутся темными пятнами», — говорит физик солнечной энергии и заместитель директора Национального центра по атмосферным исследованиям. Исследователи называют их «солнечными пятнами». Они выглядят как веснушчатые пятна на поверхности Солнца.
На Земле нет аналогов солнечных пятен. Это как если бы часть реактивного потока вырвалась из нашей атмосферы в космос и закрыла астронавту обзор континентов под ним.
Астрономы веками наблюдали эти солнечные пятна в телескопы и заметили закономерность. Каждые 11 лет количество пятен на поверхности Солнца достигает максимума. В 1950-х и начале 1960-х годов исследователи поняли, что увеличение количества солнечных пятен предшествует смене полюсов.(Солнечное затмение в апреле этого года над Соединенными Штатами должно выиграть от того, что оно произойдет вблизи пика солнечного цикла. Если вы сможете увидеть затмение полностью, вы потенциально сможете увидеть петлевые области магнетизма, исходящие из солнечной атмосферы.)
Но прежде чем полюса перевернутся, из этих солнечных пятен могут появиться монстры. То есть чудовищные солнечные вспышки, представляющие собой яркие взрывы электромагнитного излучения (в том числе видимого света, рентгеновского и ультрафиолетового излучения), и корональные выбросы массы.
Особую озабоченность вызывают корональные выбросы массы. Это взрывы, которые посылают солнечную плазму и заряженные частицы, несущиеся по Солнечной системе со скоростью сотни тысяч миль в час. Они могут прибыть на Землю «обычно за три дня», говорит профессор аэрокосмической техники в Университете Колорадо в Боулдере.
Оказавшись здесь, последствия могут варьироваться в широких пределах. Большую часть времени собственное магнитное поле Земли просто отклонит шторм, как дождь, отражающийся от космического зонтика. В других случаях шторм «на самом деле может открыть магнитное поле Земли и пропустить через него гораздо больше энергии и массы, и когда это происходит, мы склонны видеть всевозможные воздействия».
С другой стороны, они могут привести к более ярким полярным сияниям, видимым в более низких широтах Земли. Полярные сияния — результат столкновения заряженных частиц Солнца с газом в нашей атмосфере. Отклоняющая сила магнитных полей Земли самая слабая на полюсах, поэтому вблизи них обычно возникают полярные сияния. Но иногда они могут дрейфовать ближе к экватору.
Это может привести к множеству катастроф. Солнечные бури могут нарушить работу спутников связи и GPS в космосе, а на земле потенциально вывести из строя части электрической сети. Точно так же, как электрические потоки могут индуцировать магнетизм, магнетизм может индуцировать электрический ток.
Возможность прямого попадания мощной солнечной бури редка. Но это может случиться. ПО данным NASA, в 1859 году недалеко от пика солнечного цикла произошел шторм, названный «Событием Кэррингтона» , который вызвал волны, проходящие через зарождающиеся телеграфные линии, вызывая пожары и блокируя сообщения. Полярные сияния можно было увидеть даже на юге, вплоть до Мехико. Если подобное событие произойдет сегодня, оно может обойтись очень дорого.
Во время последнего периода высокой солнечной активности в 2012 году ученые заметили пару корональных выбросов массы, пересекших орбиту Земли. К счастью, наша планета не оказалась в центре внимания. Но «если бы эти всплески попали в магнитное поле Земли, они могли бы вызвать сильные токи в земле, способные перегрузить наши электрические сети и вывести из строя трансформаторы, оставив целые регионы без электроэнергии».
Уникальная возможность в этом году открывается для солнечной науки
Выше приведено упрощенное описание того, как работает наша звезда. Но многие детали отсутствуют. У ученых нет идеальной рабочей модели — процесса, посредством которого движение плазмы и заряженных частиц внутри Солнца создает магнитную энергию. Это означает, что мы до сих пор не очень хорошо предсказываем, почему некоторые солнечные циклы более интенсивны, чем другие (действительно, было предсказано, что нынешний — очень активный — солнечный цикл будет намного мягче).
В настоящее время ученые не могут предсказать, когда произойдет извержение коронального выброса массы. И они все еще работают над созданием моделей прогнозирования, чтобы предсказать, как и когда солнечная буря достигнет Земли.
Выяснение того, что задумало Солнце, «на самом деле больше не является просто академической дискуссией», говорит Макинтош, «из-за растущего коммерческого аэрокосмического сектора». Число спутников на орбите Земли за последние годы выросло в тысячи. Только в системе Starlink Илона Маска, предназначенной для предоставления интернет-услуг из космоса, задействовано более 4000 из них. Все они, а также дополнительные спутники связи и GPS, могут подвергнуться воздействию или потенциально быть уничтожены космической погодой.
И чем глубже люди отправляются в космос, тем больше они подвергаются опасным штормам. Марс, цель исследования человеком, не имеет магнитного щита как Земля. Таким образом, «способность предсказывать и сохранять астронавтов на Марсе является прямым результатом наших возможностей наблюдать за Солнцем», — говорит Макинтош.
К счастью для этого солнечного цикла, у ученых есть несколько новых инструментов для проведения критических наблюдений.
Во-первых, это Solar Orbiter Европейского космического агенства, запущенный в 2020 году на орбиту Солнца. Он предназначен для первых в истории наблюдений за полюсами Солнца. Важно отметить, что «солнечные полюса хранят ключевые секреты для понимания солнечного цикла», — говорят ученые. Здесь происходит смена полярности. То, что происходит на полюсах, «закладывает основу для будущих солнечных циклов». Таким образом, понимание солнечных полюсов поможет нам, возможно, предсказать солнечные циклы в будущем».
Затем есть солнечный зонд NASA "Паркер" , который был запущен в 2018 году и приближается к самому близкому в истории расстоянию с Солнцем, приближаясь к его поверхности на менее 4 миллионов миль. Зонд может пролетать сквозь корональные выбросы массы, выполняя тщательные измерения того, как они ускоряют частицы в пространстве. Наконец, здесь, на Земле, находится Солнечный телескоп Иноуе на Гавайях, который был запущен в эксплуатацию в 2019 году и сгенерировал изображения поверхности Солнца с самым высоким разрешением, когда-либо сделанным.
Эти обсерватории присоединяются к другим, уже находящимся на орбите и на земле. Мечта — стать свидетелем извержения Солнца и проследить весь его путь через космос до Земли с помощью различных обсерваторий. Благодаря этим наблюдениям ученые могут делать более точные прогнозы.
И изучение этих всплесков во время активного солнечного цикла также может помочь ученым понять самого зверя: солнечное динамо.
Обнаружение этой большой машины имело бы важное значение.
«Многие люди шутили, что единственная Нобелевская премия, которую вы получите в области физики Солнца, — это, наконец, понимание процесса динамо», — говорит Макинтош. Частично это связано с тем, что Солнце — довольно распространенный тип звезд; в нашей галактике есть еще миллиарды подобных. И если ученые смогут понять, как это работает, знания мгновенно умножатся: внезапно они узнают, как бесчисленное количество звезд во Вселенной работают немного глубже. «Маловероятно, что то, что происходит на солнце, уникально, — говорит Макинтош, — но это то, что находится у нас на пороге».
И вместе с этими знаниями могут прийти ответы на еще более важные вопросы. Жизнь существует на Земле благодаря энергии, которую дает Солнце. Но если бы Солнце было более активным или если бы магнитный щит Земли был менее мощным, жизнь была бы невозможна. Итак, понимание того, как работает наша звезда, является частью головоломки в понимании того, как возникает жизнь — как здесь, так и потенциально вокруг других звезд.