Что такое солнечная активность?

Изучение космической погоды началось в 1859 году, когда британский астроном Ричард Каррингтон увидел на экране, куда его телескоп проецировал изображение Солнца, крупную группу темных пятен, вскоре сменившихся ослепительно яркой вспышкой. На следующий день началось и вовсе что-то невероятное: Земля озарилась светом, и полярное сияние можно было наблюдать даже в тропиках. Еще более странно вела себя единственная имеющаяся в то время система связи — телеграфная: с проводов слетали искры, а телеграф работал без всяких батарей. Причиной этих явлений была очень крупная буря на Солнце, получившая позднее название «событие Каррингтона».

Долгое время этот случай оставался крупнейшей солнечной бурей, не знавшей себе равных. Однако в октябре 2003 года наше светило решило побить этот рекорд, породив гигантскую солнечную вспышку. Так как максимум ее воздействия пришелся на канун Дня всех святых, позднее ее назвали «Хэллоуинской бурей». Она повела себя совершенно по-хулигански, начав с выведения из строя японско-американско-французского спутника ADEOS II стоимостью $630 млн.

Поток высокоэнергетических электронов, по интенсивности превышающий обычные значения более чем в сто раз, вывел из строя систему ориентации солнечных батарей, в результате чего спутник оказался без питания и потерял связь с центром управления.

Количество заряженных частиц, достигших атмосферы Земли, было столь велико, что для пассажиров и экипажей самолетов, пролетавших в приполярных районах, возник серьезный риск получить повышенную дозу радиации, так что несколько десятков трансполярных пассажирских рейсов были перенаправлены другими маршрутами. Связь в полярных районах была нарушена, более суток не работали системы спутниковой дифференциальной навигации, вышли из строя некоторые сегменты систем энергоснабжения (жители шведского Мальме почти час просидели без электроэнергии).

Этот случай наглядно показал, насколько современная техногенная цивилизация уязвима перед подобными событиями. Солнечные бури, взаимодействуя с земным магнитным полем, вызывают множество различных разрушительных эффектов. Вспышки порождают потоки фотонов рентгеновского и УФ-диапазона, которые вызывают возмущения ионосферы, нарушая радиосвязь, и разогревают атмосферу, в результате чего она «вспухает», что приводит к торможению низкоорбитальных спутников.

Ионосферные возмущения также «сбивают с толку» загоризонтные радары, системы раннего предупреждения о ракетном нападении (что, вообще говоря, чревато глобальной войной!) и системы спутниковой навигации, на которые завязано множество коммерческих применений — от бурения нефти до гражданской авиации. Возмущения геомагнитного поля у поверхности Земли генерируют индуцированные токи в трубопроводах (что приводит к коррозии и вызывает ошибки в диагностике состояния труб), линиях электропередач (выводит из строя трансформаторы) и железнодорожных путях (нарушает системы железнодорожной сигнализации).

Заряженные частицы, выбрасываемые Солнцем во время подобных бурь, вызывают повреждения электронной аппаратуры космических аппаратов и повышают общую дозу радиационного облучения для космонавтов на МКС (в 2003 году экипаж на время солнечной бури переходил в защищенный модуль «Звезда»), а также для экипажей и пассажиров самолетов, выполняющих высокоширотные рейсы, количество которых за последние 12 лет возросло в тысячу раз (в 2000 году трансполярных рейсов было 15, а в 2012 году — уже 14000, поскольку такой маршрут позволяет экономить значительное количество топлива).

«Вообще для гражданской авиации прогноз космической погоды чрезвычайно актуален, — говорит заведующий аналитическим отделом Института прикладной геофизики Росгидромета Вячеслав Буров. — ИКАО, Международная организация гражданской авиации, рассматривает возможность перехода к 2020 году на новую технологию ADS-B (Automatic dependent surveillance-broadcast), получение высокоточной аэронавигационной и погодной информации непосредственно пилотами.

Система ADS-B гораздо более уязвима для различных помех, вызванных космической погодой, поэтому ИКАО планирует в ближайшем будущем оснастить все гражданские воздушные суда средствами информирования о состоянии космической погоды. Кроме того, прорабатывается новый регламент — что именно делать пилоту в том или ином случае. Варианты есть: скажем, в случае повышения уровня радиации командир воздушного судна (КВС) может принять решение снизить высоту полета или даже совершить посадку. При неблагоприятных прогнозах космической (как и обычной) погоды КВС также может использовать альтернативные системы навигации или изменить маршрут».

Хотя космическая погода представляет собой достаточно сложный процесс взаимодействия солнечных фотонов, заряженных частиц, облаков плазмы с земной магнитосферой и ионосферой, ученые активно изучают возможности ее прогнозирования.

«Данные для этого поступают от множества источников, — объясняет Вячеслав Буров. — Дальний космический сегмент — это спутники-близнецы STEREO. Они обеспечивают нас информацией о том, что происходит с активными областями Солнца в те моменты, когда они находятся на невидимой для нас стороне светила. Это находящиеся в точке Лагранжа L1 между Землей и Солнцем обсерватории ACE и SOHO, а также SDO на геостационарной орбите — они получают изображение Солнца в различных спектральных диапазонах, а также измеряют состояние межпланетной среды. Благодаря этому можно увидеть выбросы корональной массы, а также, зная конфигурацию магнитных полей в межпланетном пространстве, оценить вероятность того, что выброс заденет Землю.

Ближний космический сегмент — это американские геостационарные спутники GOES и российский «Электро-Л», обеспечивающие нас информацией о потоках заряженных частиц, уровне рентгеновского излучения, магнитных полях и ионосферных возмущениях.

Наземный сегмент представлен ионосферными зондами для определения концентрации электронов на различных высотах (наземные антенны излучают сигнал и принимают отраженный), магнитометрами для измерения магнитного поля и риометрами, которые измеряют поглощение радиосигнала, приходящего от Солнца в ионосфере. Кроме того, можно использовать радиотомографию атмосферы, измеряя прием сигнала на наземные антенны от различных спутников и тем самым оценивая толщину и состояние ионосферы».

Используя все эти данные, можно попытаться спрогнозировать дальнейшее поведение солнечной бури. Хотя, конечно, задача эта очень непростая и точность современных моделей пока еще явно недостаточна. Тем не менее по рентгеновскому изображению Солнца можно засечь начало вспышки, а по положению активной области — попытаться оценить, заденет ли выброс Землю, за несколько часов (а потом подтвердить это с помощью SOHO и ACE примерно за час). Состояние ионосферы, напрямую влияющее на радиосвязь, во время серьезной солнечной бури предсказать почти невозможно — модели этих процессов очень примерны. Величина наведенной ЭДС в линиях электропередач, трубопроводах и железнодорожных рельсах зависит от скорости изменения возмущения магнитного поля, и чтобы точнее оценивать эти величины, требуется как можно больше наземных станций и спутников с научной аппаратурой.