Новое исследование международной группы ученых поставило под сомнение одно из устоявшихся представлений о космической погоде. Оказалось, что высокоэнергетические космические лучи могут реагировать на магнитные структуры солнечных бурь, хотя ранее это считалось невозможным. Авторы работы полагают, что открытие может стать основой для новых методов изучения солнечной активности и уточнения прогнозов космической погоды. Однако российские ученые считают, что говорить о его практической ценности пока преждевременно. Подробнее том, как открытие может повлиять на изучение связи между Солнцем и Землей, — в материале «Известий».
В чем суть открытия
Ученые обнаружили новый способ наблюдать за солнечными бурями — с помощью высокоэнергетических космических лучей, которые приходят на Землю из глубин Галактики. Результаты исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, показали, что даже частицы с энергией в тераэлектронвольтном диапазоне могут нести информацию о структуре магнитных полей внутри солнечных выбросов. Это стало неожиданностью для специалистов, поскольку ранее считалось, что столь энергичные частицы практически не реагируют на возмущения, возникающие в окрестностях Солнца.
Чтобы понять значение открытия, важно разобраться в том, как устроено пространство вокруг нашей звезды. Как объяснил директор Института космических исследований РАН Анатолий Петрукович, межпланетное пространство вовсе не является пустотой. Оно заполнено плазмой и магнитным полем, которые непрерывно выбрасываются Солнцем и образуют солнечный ветер. Земля постоянно находится внутри этого потока, и после вспышек через Солнечную систему проходят плотные облака плазмы и магнитного поля, способные вызывать магнитные бури.
— На этом фоне на Землю непрерывно поступают галактические космические лучи — высокоэнергетические частицы, рождающиеся далеко за пределами Солнечной системы. Прежде чем достичь нашей планеты, они проходят через магнитную среду, сформированную солнечным ветром. В результате вокруг Солнца возникает своеобразный «магнитный пузырь», который влияет на распространение космических лучей, отклоняя их,— объясняет эксперт.
Как отметил ученый, связь между солнечной активностью и потоком космических лучей известна давно. Чем активнее Солнце, тем сильнее становится окружающее его магнитное поле и тем эффективнее оно препятствует проникновению галактических частиц во внутренние области Солнечной системы. Поэтому уменьшение потока космических лучей уже много десятилетий используется как один из косвенных индикаторов солнечной активности.
Однако новое исследование показало, что эта взаимосвязь может быть значительно сложнее, чем считалось ранее. Международная группа ученых проанализировала данные китайской обсерватории LHAASO — крупнейшего в мире комплекса для регистрации космических лучей. Исследователи изучили солнечную бурю, произошедшую в ноябре 2021 года, и обнаружили необычный эффект: в течение нескольких часов высокоэнергетические космические лучи приходили на Землю неравномерно, причем с одного направления их регистрировалось заметно меньше, чем с других.
Ранее предполагалось, что частицы таких энергий должны практически беспрепятственно проходить через магнитные структуры солнечных бурь. Тем не менее наблюдения показали обратное. Авторы работы пришли к выводу, что магнитная турбулентность на переднем крае выброса солнечной плазмы способна рассеивать часть космических лучей и создавать измеримый дисбаланс в их распределении по направлениям.
Как новое открытие поможет лучше прогнозировать солнечные бури
Сегодня прогнозирование солнечных бурь строится прежде всего на наблюдениях самого Солнца. Астрономы фиксируют вспышки и корональные выбросы массы с помощью космических аппаратов и наземных телескопов, после чего оценивают скорость движения плазменного облака и вероятность его встречи с Землей. Заведующий кафедрой астрономии СПбГУ Сергей Петров в беседе с «Известиями» отметил, что именно этот подход остается наиболее эффективным.
— Самым надежным и долговременным прогнозом влияния солнечной активности на космическую погоду, безусловно, являются оптические и радионаблюдения солнечных вспышек и корональных выбросов массы, просто потому что электромагнитному излучению требуется всего восемь минут, чтобы достигнуть окрестностей Земли, а частицам солнечного ветра — от суток до трех, — поясняет ученый.
По его словам, обсерватории, подобные китайской LHAASO, играют важную роль в изучении космических лучей. Однако говорить о том, что они смогут заменить существующие системы мониторинга солнечной активности, пока оснований нет.
Схожей оценки придерживается и Анатолий Петрукович. Он подчеркивает, что важно различать прогнозирование самой солнечной вспышки и уточнение параметров уже произошедшего события.
— Изменения в потоке космических лучей нельзя использовать как предвестник вспышки на Солнце. Если такие изменения зарегистрированы, это означает, что солнечное событие уже произошло. Поэтому максимум, на что потенциально способен новый метод, — помочь точнее определить время прихода возмущения к Земле, — дополняет эксперт.
При этом, отмечает ученый, сегодня специалисты уже располагают достаточно эффективными средствами наблюдений. Космические аппараты позволяют увидеть момент выброса плазмы, проследить ее движение через межпланетное пространство и зафиксировать приближение облака к Земле. Поэтому пока нет оснований утверждать, что новый подход сможет существенно повысить точность существующих прогнозов.
Еще один вопрос, который предстоит решить исследователям, — понять физическую природу обнаруженного эффекта. Пока ученые зафиксировали лишь статистическую связь между солнечной бурей и изменением потока высокоэнергетических космических лучей, однако сам механизм остается предметом обсуждения.
— Прямое взаимодействие солнечного ветра с частицами столь высоких энергий представляется маловероятным, что признают и сами авторы работы. Одним из возможных объяснений являются процессы, происходящие в земной атмосфере, где также могут проявляться эффекты, связанные одновременно с солнечной активностью и космическими лучами, — объясняет Сергей Петров.
Впрочем, даже если в дальнейшем выяснится, что обнаруженный механизм работает иначе, чем предполагают авторы статьи, само исследование остается важным, считает Петров. Оно открывает новое направление для изучения взаимосвязи солнечной активности, космических лучей и процессов в околоземном пространстве.
Почему точный прогноз вспышек важен для человека
Современная цивилизация всё сильнее зависит от космической инфраструктуры, поэтому последствия проявлений солнечной активности сегодня могут ощущаться далеко за пределами научных лабораторий.
По словам Анатолия Петруковича, корректнее говорить не о «солнечных бурях», а о различных проявлениях солнечной активности — в первую очередь солнечных вспышках и связанных с ними выбросах плазмы. Они становятся причиной большинства опасных эффектов, с которыми сталкиваются спутниковые системы и наземная инфраструктура.
— Одним из первых последствий становится разогрев верхних слоев атмосферы под воздействием усиленного солнечного излучения, включая ультрафиолетовое. Из-за этого атмосфера расширяется, а ее сопротивление для космических аппаратов на низких орбитах возрастает. В результате спутники начинают быстрее терять высоту, а прогнозировать их движение становится сложнее, — уточняет эксперт.
Дополнительные проблемы возникают и при отслеживании космического мусора. Как пояснил Петрукович, из-за изменения плотности верхней атмосферы, его орбиты начинают заметно отличаться от расчетных, что снижает точность прогнозов и увеличивает сложность обеспечения безопасности космических полетов.
Не меньшую опасность представляют солнечные космические лучи — высокоэнергетические протоны, возникающие непосредственно во время солнечных вспышек. В отличие от галактических космических лучей, о которых идет речь в новом исследовании, они рождаются на самом Солнце и способны представлять серьезную угрозу для космических аппаратов и экипажей пилотируемых миссий. Кроме того, во время магнитных бурь из-за возмущения верхней атмосферы Земли — ионосферы, ухудшается качество радиосвязи.
История показывает, что последствия сильных проявлений солнечной активности могут затрагивать самые разные сферы жизни. Как рассказал Сергей Петров, известным примером является магнитная буря 1859 года, так называемое событие Кэррингтона. Тогда телеграфисты получали удары током, а некоторые линии связи продолжали работать даже после отключения электропитания благодаря наведенным токам.
— В XX веке влияние космической погоды стало еще более ощутимым. Так, в мае 1967 года солнечная вспышка вывела из строя американские радиолокаторы дальнего обнаружения. Из-за этого возник риск ошибочно принять помехи за начало военного нападения, и лишь своевременное вмешательство специалистов позволило избежать опасной эскалации. После этого министерство обороны США создало собственную службу космической погоды, — продолжает эксперт.
Другие примеры также наглядно демонстрируют масштаб возможных последствий. В августе 1972 года магнитная буря привела к самопроизвольной детонации американских морских мин в Южно-Китайском море. В марте 1989 года мощное геомагнитное возмущение оставило почти весь канадский Квебек без электричества примерно на девять часов, а также вызвало серьезные сбои в работе вычислительной техники. А совсем недавно, в феврале 2022 года, повышенная солнечная активность привела к потере 40 недавно запущенных спутников системы Starlink, которые не смогли выйти на расчетные орбиты и сгорели в атмосфере.
Именно поэтому ученые продолжают искать способы сделать прогнозы космической погоды более точными. Даже если дополнительная информация позволит выиграть всего несколько часов, этого может оказаться достаточно, чтобы скорректировать режимы работы спутников, подготовить энергетические компании к возможным геомагнитным возмущениям или заранее предупредить операторов систем связи.
Какую роль играет Россия в исследованиях космической погоды
Поиск новых способов изучения солнечной активности — задача, в которой Россия уже сегодня занимает заметное место. Анатолий Петрукович подчеркивает, что в стране сформировалась сильная научная школа в области космической погоды.
По его словам, в России постоянно работают наземные солнечные телескопы, которые следят за состоянием Солнца и околоземного пространства. Кроме того, недавно были запущены четыре спутника «Ионосфера», предназначенные для наблюдений за солнечной активностью и ее влиянием на верхние слои атмосферы Земли, ионосферу и радиосвязь.
— Не менее важную роль играют и наблюдения за космическими лучами. Сейчас действует сеть нейтронных мониторов, станции которой расположены, в частности, в Троицке, на Кольском полуострове и в других регионах страны. Эти установки непрерывно регистрируют изменения потоков космических лучей и позволяют фиксировать признаки того, что после солнечной вспышки к Земле приближается облако плазмы. Однако такие наблюдения не позволяют предсказать саму вспышку, они помогают отслеживать уже начавшиеся процессы и уточнять параметры их развития, — поясняет эксперт.
Помимо сети нейтронных мониторов, в России действует целый ряд крупных научных комплексов, изучающих Солнце и космические лучи. Среди них Сергей Петров отмечает телескопы и коронографы Кисловодской станции Пулковской обсерватории, инструменты Национального гелиогеофизического комплекса РАН, Байкальскую астрофизическую обсерваторию, Сибирский солнечный радиотелескоп, а также Тункинский комплекс, который является одной из наиболее современных российских установок для исследования космических лучей и гамма-астрономии.
При этом значение подобных исследований выходит далеко за рамки совершенствования прогнозов космической погоды. Как отмечает собеседник «Известий», сегодня перед учеными по-прежнему стоит множество фундаментальных вопросов о том, как именно взаимодействуют Солнце, межпланетная среда и Земля.
Как вы считаете, помогут ли новые технологии подготовиться к опасным космическим явлениям?