Одним из важных направлений космических исследований является изучение Солнца и солнечно-земных связей. Периодически напоминают о важности научных знаний в этой области аномальные солнечные явления и их "отголоски" в магнитосфере Земли. О значении научных исследований Солнца, а также о перспективных проектах российской научной космонавтики "Интерфаксу-АВН" рассказал заведующий отделом физики космической плазмы Института космических исследований РАН, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Анатолий ПЕТРУКОВИЧ.
      - Анатолий Алексеевич, на днях специалисты зафиксировали мощную вспышку на Солнце. Расскажите, что это была за вспышка, к каким последствиям она привела.
      - На Солнце 7 января произошла вспышка класса Х1. Она отнюдь не максимальная за последние десять лет и, даже не самая мощная, в сравнении со вспышками 2013 года. Просто солнечная активность в последнее время небольшая. Люди отвыкли от новостей про солнечные события и, не без участия СМИ, придают излишне большое значение рядовым космическим явлениям.
      Классами обозначается величина вспышек на Солнце - их сила в рентгеновском диапазоне. Есть класс М. Вспышки такого класса на порядок слабее, чем вспышки класса Х. В свою очередь, вспышки класса М разделяются на категории от 1 до 9. То есть вспышка М1 в 10 раз слабее, чем Х1. В 2013-м году на Солнце были зафиксированы вспышки классов Х2 и Х3. Ничего выдающегося, с точки зрения астрономии, подобные вспышки из себя не представляют.
      Да, и в целом текущий солнечный цикл довольно вялый, особенно по сравнению с максимальными вспышками прошлого 11-летнего цикла солнечной активности, одна из которых в 2003 году была класса не менее чем Х28. Это была максимальная вспышка за все время регистрации подобных явлений. Такие вспышки можно было увидеть в телескоп с Земли как яркую точку на Солнце.
      Вернемся к недавней вспышке. Её произвела довольно большая группа солнечных пятен, располагавшихся ровно по центру диска Солнца. Обычно, вещество, выбрасываемое с этой точки, может долететь до Земли и, вызвать магнитную бурю. Поэтому специалисты и говорили, что 9 января с утра должна произойти магнитная буря. Однако такой прогноз, который дают за двое суток, зачастую "сбоит". И в этот раз прогноз не оправдался, хотя шума в прессе было много. То ли выброс мимо прошел, то ли он был очень слабый... Такое бывает. То, что выброшенное из Солнца вещество не долетело до Земли, и говорит о том, что сама вспышка в целом была не очень сильной.
      - К каким последствиям на Земле приводят сильные вспышки на Солнце?
      - Существует несколько характерных параметров солнечных событий, которые влияют на Землю. Собственно, солнечная вспышка - это поток рентгеновского излучения. Такое излучение практически полностью поглощается верхними слоями атмосферы, поэтому до поверхности планеты оно не доходит. Однако происходит сильный нагрев ионосферы, что ведет к возрастанию теплового "шума" в ней и сбоям радиосвязи.
      Класс рентгеновского возмущения Солнца однозначно соответствует силе "засветки" ионосферы Земли, того полушария нашей планеты, которое обращено к светилу. Если происходит вспышка класса Х10, то ее воздействие существенно прерывает радиосвязь на дневной стороне Земли на многие часы. Имеется в виду, конечно, не сотовая или УКВ-связь, а, например, ухудшение приема сигналов GPS и ГЛОНАСС. Если вам в этот момент нужен высокоточный навигационный сигнал, допустим, при посадке самолета или при запуске высокоточной ракеты, в работе их навигационной аппаратуры и выдаваемых ею координатах могут возникнуть ошибки.
      Для связи с судами в океанах, с полярными станциями, используется коротковолновая радиосвязь. Это частоты порядка 10МГц. Особенность коротковолновой связи заключается в том, что такие радиоволны отражаются от ионосферы и от поверхности планеты и могут распространяться по всему земному шару. На таком же принципе работают и станции загоризонтной радиолокации. Коротковолновая радиосвязь очень чувствительна к состоянию ионосферы, и при больших солнечных вспышках возмущения, то есть сбои в КВ-связи, могут сохраняться до суток. Поэтому еще с 1940-х годов состояние ионосферы принимается во внимание всеми заинтересованными организациями. Кстати, именно в интересах обеспечения надежности коротковолновой радиосвязи начиналось в свое время изучение космической погоды.

      Кроме выброса рентгеновского излучения, есть еще два канала воздействия на живые и неживые объекты на Земле от вспышек на Солнце. Первый канал - солнечные космические лучи, поток протонов с энергией до 1 гигаэлектронвольта (то есть как бы ускоренных разностью потенциалов в один миллиард Вольт). Такой протон, например, легко проникает через оболочку спутника. Он может вызвать и одиночные сбои в памяти спутникового компьютера, и деградацию солнечных панелей. Поэтому все критические операции, связанные с космосом, во время вспышек на Солнце, как правило, откладываются. Например, из-за последней солнечной вспышки был перенесен на сутки запуск к Международной космической станции коммерческого космического грузовика "Сигнус". Откладываются в таких условиях и выходы в открытый космос, потому что космонавт может получить дозу радиации, достаточную для того, чтобы вызвать лучевую болезнь.
      Вспышки на Солнце также могут нести угрозу радиационного облучения для экипажей и пассажиров воздушных судов, летающих по трансполярным авиационным маршрутам.
      Кроме того, когда полярная шапка "зашумлена" солнечными излучениями, связь не работает (а самолет, летящий через полюс, использует коротковолновую радиосвязь для связи с наземными службами). В результате, по соображениям безопасности трассу сдвигают в более низкие широты для того, чтобы самолет "увидел" геостационарные спутники связи и доза облучения была ниже.
      Третий канал воздействия солнечной вспышки – так называемый солнечный ветер. Это поток ионизированных частиц, в основном водородной плазмы, истекающий из солнечной короны в окружающее космическое пространство со скоростью 300-1200 км/с. Солнечный ветер летит до Земли от одних суток до трех и наносит удар по магнитосфере Земли. Если в результате вспышки на Солнце происходит сильный выброс плазмы, это приводит к аномальному усилению скорости, плотности и магнитного поля потока. Такое аномальное взаимодействие ветра и магнитного поля Земли называется магнитной бурей. Плазма, попавшая в магнитосферу планеты, постепенно "высыпается" вдоль силовых линий магнитного поля в ионосферу, нагревается, появляются радиошумы, "набухают" радиационные пояса. Сильная магнитная буря, которая бывает обычно один раз в 11-летний солнечный цикл, сравнима по своей энергии со взрывом самой мощной термоядерной бомбы. Это десятки мегатонн.
      Магнитное поле Земли при воздействии солнечного ветра действует как активная защита на танке. Она парирует удар, но и сама разрушается (как говорят специалисты, магнитное поле аннигилирует). Поэтому во время сильных магнитных бурь внешние оболочки магнитного поля Земли, которые принимают первый удар, ослабевают. Магнитосфера сжимается и внешним частицам, тем же протонам высоких энергий, легче проникнуть к поверхности Земли, особенно в полярных областях.
      Магнитные бури наводят паразитные электрические токи в протяженных проводниках (электросистемах, железных дорогах, трубопроводах). Примером тому служит случай, зафиксированный в 1989 году в США. Тогда в ходе магнитной бури сгорел трансформатор ценой в несколько миллионов долларов, после чего из-за эффекта "домино" в течение менее чем минуты половина восточного побережья США осталась без электричества. Американцы после того случая провели модернизацию своих электрораспределительных сетей. Больше таких потерь не было.
      В северных широтах на железнодорожных путях возможно нештатное срабатывание автоматики (включение красного света) что приводит к длительным задержкам поездов. На трубопроводах применяется катодная защита, чтобы трубы не корродировали. При магнитной буре "паразитный" сигнал, смещает уровень катодной защиты, из-за чего коррозия может наоборот усилиться.
      - Какие последствия оказывают солнечные вспышки на здоровье и самочувствие человека?
      - По этому поводу существуют разные соображения. Если эффект влияния магнитных бурь и других последствий солнечных вспышек и существует, то он мало заметен. Если сегодня СМИ кричат о магнитной буре, а завтра голова у всех в офисе болит, то это, скорее всего, не последствие влияния Солнца, а результат самовнушения, инициированного прочтенным прогнозом космической погоды. В нашем институте ведутся работы по исследованию каналов воздействия на организм человека, и можно уверенно заявить, что возмущения магнитного поля Земли при магнитных бурях очень малы. Их амплитуда намного меньше, чем, например, воздействие электромагнитных полей при поездке на трамвае, в поезде метро или в лифте.
      С другой стороны, при исследовании большого количества людей статистика показывает, что небольшой эффект от воздействия "космической погоды" все же наблюдается. Например, специалисты изучили статистику работы "Скорой помощи" по Москве и увидели, что небольшое повышение сердечных заболеваний в дни магнитных бурь действительно есть.
      - Можно заранее предупредить людей о возможной вспышке на Солнце, и насколько точен будет такой прогноз?
      - Для наблюдения за Солнцем используются космические и наземные средства мониторинга. Если астрономы обнаружили на Солнце крупную группу пятен, которая состоит из образований разной полярности магнитного поля, и если эти пятна сильно перепутаны, можно говорить о возможности солнечной вспышки в ближайшее время. Каждое пятно - это "сгусток" магнитных полей, то есть избыток энергии. Эта энергия рано или поздно выделится в виде солнечной вспышки. Солнце совершает оборот вокруг своей оси примерно за 27 земных суток. Таким образом, если обнаружена новая группа пятен, то через примерно месяц она опять появится в поле зрения. Так дается предварительный прогноз.
      После того, как вспышка произошла, и мы ее зарегистрировали, специалисты смотрят, где она произошла, ее класс мощности. Если вспышка была в том месте, откуда велика вероятность, что выброс долетит до Земли, мы можем делать заявление о скорой магнитной буре. Этот более точный прогноз можно выдать за двое суток. Но примерно в половине таких случаев выброс Земли не достигает. На расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли, в передней солнечно-земной точке либрации L1, висит космический аппарат ACE, который способен примерно за час предупредить планету о надвигающемся магнитном шторме. Этот способ прогнозирования обладает высокой точностью и надежностью.
      - Какие космические аппараты сейчас изучают Солнце?
      - К сожалению, все спутники - либо американские, либо европейские. Российская наука сегодня не располагает собственными космическими аппаратами для наблюдения за космической погодой. На околоземной орбите находится российский метеоспутник "Электро-Л", но специализированная аппаратура на нем, предназначенная, в частности, для наблюдения за Солнцем, к сожалению, толком не работает. Спутник, отвечающий за измерение солнечного ветра - американский. Мониторингом интенсивности солнечных вспышек и состояния радиационного пояса Земли занимаются американские спутники GOES. За земной ионосферой тоже следят в основном американские аппараты. Некоторые операторы выкладывают полученные данные в Интернет, некоторые нет.
      США принадлежат и два основных спутника, следящих за Солнцем. Первый из них - SOHO, запущенный в 1996 году, находится в точке либрации между Солнцем и Землей. На нем остался включенным только коронограф, с помощью которого можно увидеть свечение короны Солнца, когда само светило закрыто черным диском. Он видит выбросы плазмы. Второй аппарат - SDO, запущенный в 2011 году. Он расположен на так называемой геосинхронной орбите, похожей на геостационарную, но отклоненной от экватора. Это сделано для того, чтобы он меньше времени находился в тени Земли.
      Спутник SDO следит за солнечным диском во всех диапазонах длин волн, но коронографом не оснащен. Он передает десять изображений Солнца в разных длинах волн, от рентгена до видимого спектра каждые десять секунд. Разрешение камеры составляет 16 мегапикселей, этого достаточно для подробного исследования диска светила. Спутник ежедневно передает на Землю терабайт информации. На сегодня это самый информативный научный орбитальный проект, ему уступает даже телескоп "Хаббл".
      Еще есть два спутника STEREO, один из которых обгоняет Землю по орбите вокруг Солнца, а другой отстает. Аппараты запущены в 2006 году и позволяют ученым, так сказать, заглянуть "за угол", увидеть части Солнца, в данный момент невидимые с Земли.
      - Вы перечисляете американские аппараты. Неужели ситуация с российскими спутниками настолько плачевна?
      - У России научных аппаратов пока очень мало. Что касается солнечных исследований, то в 2020 году планируется запустить проект "Интергелиозонд". Аппарат должен будет подлететь к Солнцу примерно на радиус орбиты Меркурия и изучить происхождение солнечного ветра. Кроме того этот аппарат позволит с высокой точностью разглядеть все мелкие детали на Солнце и, к примеру, подтвердить или опровергнуть существование так называемого кванта магнитного потока. Считают, что сгустки магнитного поля (мелкие пятнышки) на Солнце не могут быть бесконечно мелкими, они имеют какое-то минимальное зерно. По количеству этих минимальных составляющих как раз и определяется активность Солнца. Чтобы увидеть, есть ли этот квант на самом деле, нужно подлететь к Солнцу очень близко.
      На 2017-й год запланирован запуск проекта "Резонанс", предназначенного для мониторинга внешнего радиационного пояса Земли, в котором находятся геостационарные спутники. Там очень высокий уровень радиации, создаваемый релятивистскими электронами с высокими энергиями величиной в мегаэлектронвольты (то есть как бы прошедшими разность потенциалов в миллионы вольт). Электрон с такой энергией проходит через полусантиметровую алюминиевую пластину и может нанести ущерб чувствительной электронике космических аппаратов. Проект "Резонанс" нацелен как раз на изучение причин происхождения таких электронов.
      - Какие наземные средства наблюдения за Солнцем имеются в мире и в России? В чем их основные отличия от орбитальных обсерваторий?
      - Наземные станции есть, но основной поток информации идет все же из космоса. Ведь на Земле есть атмосфера, неблагоприятные для наблюдений погодные явления - все это в различной степени препятствует наблюдениям.
      На Земле развернута сеть оптических солнечных телескопов, которые следят за светилом в разных часовых поясах, "передавая" его друг другу как эстафетную палочку. Их данные тоже выкладываются в Интернет, но это, как правило, один снимок в несколько часов. Орбитальная же лаборатория SDO делает кадр каждые десять секунд.
      Между наземными и космическими солнечными телескопами сейчас очень большая конкуренция.
      В ряде случаев наземные обсерватории бывают незаменимы. Когда космическая буря "обрушивается" на Землю, в каждой точке формируется различное состояние ионосферы и геомагнитного поля. Тут уже без наземных измерений не обойтись.
      - Ранее сообщалось о завершении конкурса на создание Национального гелиофизического комплекса. Что это за комплекс? Что будет входить в его функции?
      - Главным исполнителем при реализации этого проекта выступает Институт солнечно-земной физики в Иркутске. Сейчас прошел конкурс на эскизный проект. Это небольшие деньги, порядка 1 млрд рублей.
      В рамках проекта планируется разместить солнечные телескопы и ионосферные станции. Трехметровый телескоп-коронограф будет установлен в Саянах. В некотором смысле он будет дополнять четырехметровый телескоп в США, строительство которого американцы планируют завершить к 2020 году.
      - Говорят, что на Солнце сейчас происходит смена магнитных полюсов и они сосредоточились чуть ли не в одном месте? Какими последствиями это грозит?
      - По сравнению с магнитным полем Земли или Юпитера магнитное поле Солнца достаточно слабое. К примеру, если посмотреть на карту магнитосферы Земли, можно увидеть стабильную конфигурацию радиационных поясов, которая практически не меняется.
      На Солнце такого нет. Плазма Солнца доминирует над магнитным полем и, условно говоря, солнечный ветер "растаскивает" его в разные стороны. Поэтому солнечное магнитное поле очень слабое и прослеживается в основном в пятнах, где его интенсивность повышена.
      Солнце и Земля напоминают большие электромагниты. У них внутри протекают конвективные течения, которые генерируют магнитное поле. Переполюсовка на Солнце происходит раз в 11 лет. По существу это и есть солнечный цикл. При этом магнитный диполь не переворачивается как целое, а основное магнитное поле как бы "умирает", а затем возрождается в противоположном знаке. Как раз в такие периоды и может показаться, что поле на одном полюсе уже сменило свой знак, а на другом нет.
      Это эффект интересный, но не важный, поскольку все это достаточно малые величины полей, не имеющие прямого отношения к солнечной активности. На Земле тоже возможна смена полюсов, но такие события происходят один раз в сотни тысяч лет.
      - Как вы относитесь к заявлению Центра плазменных и вакуумных технологий, что межпланетную станцию "Фобос-Грунт" и ряд других отечественных космических аппаратов могли погубить солнечные вспышки во время пролета над Бразильской магнитной аномалией?
      - Это полная ерунда. Да, траектория запуска с Байконура проходит через Бразильскую магнитную аномалию по чисто географическим причинам. В этом смысле расположение не очень удачное. Бразильская аномалия это область более слабого земного магнитного поля, поэтому проникновение радиации чуть больше именно в этой зоне. Но, например, МКС пролетает через эту зону раз в сутки. Причем стартовавшая ракета с космическим аппаратом летит на высоте 100 км, а станция пролетает на высоте 400 км. И при этом с ней ничего не случается.
      Да, по статистике, вероятность сбоя в электронике при пролете этой аномалии несколько выше. Но не настолько, чтобы списывать на это половину бюджета Роскосмоса.
      После аварии космического аппарата "Фобос-Грунт" и других неудачных запусков коллеги из промышленности обращались к нам за консультацией. В ответе на запросы мы указывали, что ничего особенного в эти даты не было.
      - Известно ли вам о проблеме "13", которая может возникнуть 13 октября 2015 года, когда продолжительность затенения Солнца Луной может составить до трех часов для некоторых геостационарных космических аппаратов? Смогут ли они работать, если панели их солнечных батарей останутся без света столь длительное время?
      - Во-первых, все солнечные затмения просчитываются на тысячи лет вперед. Кроме того, прохождение спутником тени Земли – совершенно обычное дело. В техническом задании на спутник указывается, что он должен выдерживать пребывание "в тени" определенное время. Естественно, в спутник заложена функциональность, которая позволяет эту тень пережить.
      Давайте разберемся, что такое тень? Это отсутствие энергии и холод. Спутник полностью отключиться не может, что-то на нем должно работать. Его нужно подогревать. Для этого рассчитывается емкость батарей.
      Научные спутники, с которыми мы работаем, выдерживали тени по несколько часов. Так что три часа это не "криминал". Активируется специальная программа работы, все ненужные приборы отключаются, нужные переводятся в режим минимального энергопотребления.
      - Одним из альтернативных движителей для космических кораблей будущего ученые рассматривают так называемые солнечные паруса. Можно ли их использовать для межпланетных перелетов?
      - Солнечный парус работает на солнечном свете. Поток солнечных фотонов достаточно велик для того, чтобы двигать аппарат с зеркальным парусом, от которого фотоны могут отразиться. Ничего нового в этом нет. Солнечные панели космических аппаратов тоже в некотором смысле паруса.
      Более того, уже сегодня это явление можно использовать для управления ориентацией спутника, для его небольшого смещения. Причем, чем меньше спутник, тем лучше. Такие эксперименты уже проводились. Если вы растянете над спутником пленку площадью, к примеру, двадцать на двадцать метров, то сможете воздействовать на его орбиту. Но пленка должна быть микронной толщины, чтобы спутник остался достаточно легким.
      Для того, чтобы разогнаться и полететь, к примеру, к Плутону, площадь паруса должна достигать нескольких квадратных километров. Это уже супертехнологии, новые материалы, в том числе супертонкие пленки. Все это станет возможным нескоро.
      Сейчас заговорили и об электромагнитном парусе. Дело в том, что солнечный ветер это заряженные частицы. Поэтому, если создать искусственное магнитное или электрическое поле, то солнечный ветер будет цепляться за него и двигать аппарат. Это тоже теоретически возможно, но это еще более далекое будущее.