Солнечная непогода

Вспышке на Солнце, зафиксированной службами слежения 6 ноября , был присвоен уровень M — четвертый по пятибалльной шкале Американской национальной информационной службы спутниковых данных об окружающей среде (GOES flare classification). Вспышку сопровождал резкий рост излучения Солнца в рентгеновском диапазоне, и, согласно сообщению Центра предсказания космической погоды (Space Weather Prediction Center), она оказалась самой мощной с 2007 года. Спустя шесть дней, 12 ноября , на Солнце была зафиксирована вспышка, отнесенная уже к уровню С (предшествующего уровню M). Вспышки сопровождались усилением солнечного ветра — выбросов плазмы с поверхности Солнца. В настоящее время астрономы получают информацию о Солнце одновременно из трех точек — от солнечной обсерватории SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) и двойного зонда NASA STEREO, — что позволяет с высокой точностью прогнозировать перемещение частиц солнечного ветра в космическом пространстве.

Несколько дней в прессе делались попытки раздуть панику, предсказывали неслыханной силы магнитные бури 14 или 15 ноября . Предполагалось, что к этому времени плазма солнечного ветра достигнет магнитосферы Земли , и говорилось о вероятных нарушениях работы спутников связи и навигационных спутников, систем безопасности орбитальной космической станции, а также разветвленных линий передачи электроэнергии. По счастью, ничего подобного не произошло. Наблюдались, правда, необычайно сильные наводнения в Европе, аномально теплая погода в центральной России и обильные снегопады на Камчатке, но о связи этих событий с солнечным ветром говорить можно сугубо гипотетически. Между тем ученым представился случай всерьез испытать разрабатываемые в настоящее время системы своевременного оповещения о наиболее опасных магнитных бурях.

В частности, серьезной проверке подвергся запущенный несколько лет назад проект «Солнечный щит» (Solar Shield). Информация со спутников NASA используется для формирования трехмерного образа движущегося к Земле облака заряженных частиц и определения места, где на поверхности нашей планеты возмущения магнитного поля будут максимальными. Предполагается, что, получив соответствующее предупреждение, инженеры компаний смогут спасти наиболее уязвимые трансформаторы распределительных подстанций, временно отключив их от нагрузок. Разумеется, даже такое плановое отключение чревато весьма серьезными последствиями, но это все же лучше, чем внеплановое, к тому же, если оно на неопределенный срок. В этот раз система не дала никаких оснований для беспокойства относительно энергетических систем, и ее оптимизм оказался вполне оправданным.

Кроме сугубо практической задачи оповещения населения планеты о грозящей со стороны нашего светила опасности, проекты вроде «солнечного щита» позволят значительно улучшить наше понимание солнечно-земных связей. Среди уже привлекших внимание ученых загадок — влияние солнечной активности на скорость суточного вращения Земли.

День на день не приходится

Хотя мы этого и не замечаем, продолжительность суток все время слегка изменяется и становится чуть-чуть большей или чуть-чуть меньшей привычных 24 часов. Это «чуть-чуть» сильно зависит от того, что именно понимается под сутками. Проще и естественнее всего определять сутки по солнцу — обычно мы говорим «от заката до заката», но это очевидно неточное определение из-за сильных изменений продолжительности дня; солнечные сутки определяются как промежуток времени от полудня до полудня. В полдень солнце пересекает небесный меридиан, что обеспечивает значительно большую устойчивость.

Заметить изменчивость солнечных суток совсем нетрудно. Достаточно сравнить показания солнечных часов и любых других — хотя бы даже морского хронометра, — чтобы заметить расхождения, достигающие почти четверти часа. Но причина ясна — видимое движение солнца по небесной сфере довольно неравномерно. Этот эффект возникает из-за того, что Земля в своем движении по эллиптической орбите то приближается к Солнцу, то удаляется от него.

Гораздо лучше себя ведут так называемые звездные сутки. Для их измерения надо засечь момент, когда небесный меридиан пересекает не солнце, а точка весны (весеннего равноденствия): поскольку по отношению к земному наблюдателю любая точка на небесной сфере должна совершить за сутки полный оборот, можно выбирать любую. Однако и точка весны на небесной сфере не постоянна: она движется по эклиптике, совершая полный оборот за 25 776 лет. Есть способы, позволяющие учесть и эту неравномерность, однако ни один из них не идеален: флуктуации в доли секунды все равно остаются.

Основная причина этих флуктуаций — движения воздушных масс в атмосфере Земли и масс воды в ее океанах. При этом полный момент импульса системы Земля + гидро- и атмосфера должен оставаться неизменным. Именно из-за этого Земля и вращается вокруг своей оси то медленнее, то быстрее. Для наглядного представления о том, как перераспределение масс внутри вращающегося твердого тела приводит к вариациям угловой скорости вращения при сохранении момента импульса, часто приводят пример крутящегося на льду фигуриста, то прижимающего к груди руки, то разводящего их в стороны. Соответственно, его скорость то увеличивается, то падает. Наблюдения показывают, что «чувствительность» скорости вращения Земли к процессам в ее атмосфере меняется со сменой времен года.

Группа исследователей из Парижского института геофизики (Institut de Physique du Globe de Paris) под руководством Жана Луи Ле-Муэля (Jean-Louis Le Mouël) установила недавно, что этот эффект по-разному проявляется в различных фазах 11-летнего цикла солнечной активности. В период наиболее активных астрономических наблюдений с 1962 по 2009 год сезонное изменение скорости вращения Земли было больше тогда, когда пятен на Солнце было относительно немного, и меньше, когда число пятен увеличивалось.

Результаты парижских геофизиков были опубликованы в августовском номере журнала «Geophysical Research Letters» за этот год. Как известно, количество и площадь пятен являются визуальной характеристикой солнечной активности. Увеличение их числа и площади означает, кроме всего прочего, возрастание интенсивности солнечного ветра — потока заряженных частиц, возникающих в ходе реакций термоядерного синтеза в недрах Солнца.

Озоновый слой и длительность суток

Лет десять назад обнаруженной корреляции вряд ли удалось бы дать какое-то разумное объяснение, поскольку все измерения показывали, что, в отличие от интенсивности солнечного ветра, излучаемая Солнцем энергия меняется в течение 11-летнего цикла крайне незначительно — в пределах десятых долей процента. Однако в 2003 году начались активные исследования Солнца в инфракрасном, ультрафиолетовом и рентгеновском участках электромагнитного спектра и были обнаружены весьма существенные временные колебания ультрафиолетовой (UV) составляющей солнечного излучения. Оказалось, что при переходе активности Солнца из фазы максимума в фазу минимума интенсивность ультрафиолетовой компоненты может изменяться в несколько раз.

Как утверждают Жан Луи Ле-Муэль и его коллеги, связь между количеством пятен и сезонными колебаниями скорости вращения Земли обусловлена именно «фактором солнечного ультрафиолета». Каким же образом может изменять погоду коротковолновая составляющая излучения Солнца? Как известно, энергия единичного фотона ультрафиолета достаточна для разрушения молекул кислорода на отдельные атомы; из которых образуются молекулы озона O3 . Озон эффективно поглощает UV-излучение, а потому, вслед за ростом его концентрации в стратосфере, растет также и поглощение энергии солнечного излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Отсюда следует, что в периоды повышенной солнечной активности температура стратосферы будет возрастать — что не может не влиять на интенсивность перемещения воздушных масс в этом слое.

Стоит напомнить, что непосредственно под стратосферой расположена ответственная тропосфера — тот слой атмосферы, который «отвечает» за погоду. Таким образом, нагревая стратосферу, солнечный ультрафиолет становится фактором, определяющим погоду на нашей планете. В фазе минимума 11-летнего цикла солнечной активности мы имеем прямо противоположную ситуацию: уменьшение поглощаемого стратосферой ультрафиолета приводит к снижению интенсивности воздушных потоков в тропосфере, что повышает вероятность длительных периодов экстремальной погоды. В этом смысле и аномально холодная зима 2009/10 года в Европе, и аномальная жара в России в июле–августе 2010-го вполне могут оказаться связаны с зафиксированным в последние года аномальным снижением активности Солнца .

Специалисты не торопятся принимать высказанную гипотезу. Комментируя ее в журнале «New Scientist», Стивен Маркус (Steven Marcus) из Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory in Pasadena) замечает, что для обоснованного подтверждения или опровержения гипотезы нужно значительно больше информации. Необходимы, в частности, сведения о том, в каких именно участках атмосферы (и когда) происходят изменения, и о том, связаны ли на самом деле эти изменения с колебаниями интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца.

Ответив на вопрос о влиянии ультрафиолета на состояние атмосферы, можно дальше попытаться прогнозировать возможные изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси. В таких прогнозах может оказаться пользы отнюдь не меньше, чем в прогнозе погоды, — в них заинтересованы, прежде всего, службы слежения за межпланетными космическими станциями. Действительно, если зонд удален от Земли на расстояние, равное расстоянию до Марса , то миллисекундная ошибка в численном значении периода вращения Земли приведет к тысячекилометровой ошибке в определении координат зонда. В тех случаях, когда программа полета предполагает высадку зонда на поверхность планеты или его выход на околопланетную орбиту, такая ошибка может стать критической.

Сверху вниз и снизу вверх

Эффект, связанный с воздействием солнечного ультрафиолета, известен под именем «top — down» («сверху — вниз»). Противоположный ему по механизму действия эффект называют «bottom — up» («снизу вверх»), он связан уже с воздействием на погоду видимой части солнечного спектра. Он состоит в следующем. В фазе максимума солнечной активности поверхность Земли получает несколько большее, чем обычно, количество солнечной энергии в видимой части спектра. Эта избыточная энергия поглощается, в частности, океанами, расположенными в тропических широтах. В итоге испарение воды с поверхности океанов растет — вследствие чего в экваториальных широтах выпадает больше осадков.

Из-за крайне малой амплитуды колебаний видимой части солнечного излучения роль эффекта «bottom — up» в изменениях погоды представляется весьма незначительной; в то же время нельзя исключать вариант, при котором оба эффекта — «top — down» и «bottom — up» — усиливают друг друга. Такую гипотезу высказывает, в частности, Катя Маттес (Katja Matthes) из находящегося в Потсдаме исследовательского центра наук о Земле (GFZ German Research Centre for Geosciences). Располагая данными многолетних наблюдений о возрастании частоты муссонных дождей в Юго-Восточной Азии в периоды солнечных максимумов, потсдамский геофизик попыталась воспроизвести их в численном эксперименте. Добиться соответствия между компьютерной моделью и наблюдениями ей удалось только после того, как ее модель стала учитывать одновременно и эффект «top — down», и эффект «bottom — up».

Анализируя возможные механизмы влияния Солнца на изменения земной погоды, эксперты до сих пор все же исходили из неизменности 11-летнего цикла солнечной активности. Отклонения солнечной погоды последних лет от привычного 11-летнего ритма вызывают поэтому огромный интерес у специалистов по климату. Характерны слова Джоанны Хэйг (Joanna Haigh) из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London), что с точки зрения исследователя «неожиданное поведение Солнца — это лучший подарок, теперь нам осталось только проследить реакцию Земли».

Это она и пытается делать в октябрьском номере журнала «Nature». Изучив архив данных со спутника Solar Radiation and Climate Experiment за период с 2004 по 2007 год, Джоанна Хэйг обнаружила, что при пятикратном уменьшении интенсивности солнечного ультрафиолета излучение в видимой части спектра непрерывно возрастало. Из-за этого понижалось содержание озона в стратосфере ниже 45 км, но повышалось его содержание выше 45 км. В итоге вместо ожидаемого для солнечного минимума похолодания мы получили потепление. Впрочем, и этот результат пока следует считать промежуточным.

Солнечный ветер как защита от космических лучей

Не менее активно обсуждается в последнее время еще один механизм воздействия Солнца на земную погоду — связанный уже не с особенностями различных участков спектра солнечного излучения, а с самим солнечным ветром.

Как известно, составляющие его заряженные частицы «уносят» с собой солнечное магнитное поле. В отношении галактических космических лучей (ГКЛ), источниками которых являются, в частности, взрывы сверхновых звезд , это поле выполняет функции своеобразного экрана. Попадая в магнитное поле солнечного ветра, заряженные частицы ГКЛ закручиваются словно в магнитной ловушке и не попадают в атмосферу Земли. Результаты более чем пятидесятилетних наблюдений за космическими лучами действительно показывают рост их интенсивности в фазе солнечного минимума и уменьшение интенсивности в фазе максимума.

Но роль космических лучей в формировании погоды на Земле не очень ясна. Правда, специалистам по физике атмосферы хорошо известно, что космические лучи ответственны за формирование в атмосфере участков повышенной электрической проводимости — именно в них наиболее вероятны разряды молний .

Весьма правдоподобной выглядит и модель, согласно которой космические лучи способствуют формированию в атмосфере ионизированных молекул, становящихся центрами конденсации водяного пара. В результате ускоряется образование облаков и повышается альбедо Земли (коэффициент отражения падающей на Землю солнечной энергии), что в итоге может стать причиной похолодания. Наблюдения со спутников указывают на отчетливую корреляцию между интенсивностью космических лучей и интенсивностью образования нижних облаков. В то же время компьютерные модели такой отчетливой корреляции не показывают.

И все же проблема безусловно заслуживает масштабного исследования, и гипотезу о роли космических лучей в образовании и эволюции облаков было решено проверить на одном из ускорителей знаменитого CERN (The European Organization for Nuclear Research). Проект получил название CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplet); в нем участвуют специалисты 18 институтов из 9 стран, представляющие несколько областей физики: физику атмосферы, солнечную физику, а также физику космических лучей и элементарных частиц. Роль источника космических лучей будет выполнять протонный синхротрон, а реакцию земной атмосферы предполагается изучать с помощью камеры Вильсона. Ситуация для CERN и для климатологов весьма необычна: впервые ускоритель высокой энергии будет использован для проведения исследований по физике атмосферы и климатологии.

Проект CLOUD — отличный повод для экскурса в историю. В 1895 году в Кавендишской лаборатории (Cavendish Laboratory), которой в то время руководил Дж. Дж. Томсон (Sir Joseph John Thomson, 1856–1940), появился новый сотрудник — Чарльз Томсон Рис Вильсон (Charles Thomson Rees Wilson, 1869–1959). Коллеги быстро переименовали метеоролога-романтика Вильсона из Чарльза в Клауда (Cloud), благо первая буква его имени позволяла это сделать. Тему для своей научной работы Вильсон выбрал после путешествия на горную вершину Бен-Невис в Шотландии — под впечатлением от увиденных там оптических эффектов, возникавших, когда Солнце светило сквозь облака и туман. В исследованиях под руководством «легендарного Джи» (лорда Томсона) Клауд Вильсон стремился воспроизвести в лаборатории процесс формирования облаков, с помощью специально сконструированной для этих целей «туманной камеры» ему удалось установить, что для образования облака совершенно необязательно присутствие в воздухе частичек пыли и что капли воды могут образовываться на заряженных ионах.

Как вспоминал позже сам Вильсон, ему необычайно повезло, что именно в эти годы Вильгельм Рёнтген (Wilhelm Conrad Röntgen, 1845–1923) открыл свои знаменитые X-лучи, а Анри Беккерель (Antoine Henri Becquerel, 1852–1908) — излучение урановой соли. С помощью «туманной камеры», которую физики вскоре стали называть камерой Вильсона, удалось обнаружить ионизирующее действие рентгеновских лучей. Оказалось, что заряженные частицы, образовывавшиеся при рентгеновском облучении, становились отличными центрами конденсации. С помощью нового прибора удалось визуализировать траектории элементарных частиц — по капелькам воды, образовывавшихся там, где частица, летящая через заполненную насыщенным паром камеру, оставляла на своем пути заряженные ионы.

Романтическое увлечение метеорологией в итоге привело Вильсона к Нобелевской премии, присужденной ему в 1927 году «за метод визуального обнаружения траекторий заряженных частиц с помощью конденсации пара». Спустя восемьдесят с лишним лет проект CERN с романтичным названием возвращает камере Вильсона ее первоначальное предназначение: выяснить, как же все-таки образуются облака в атмосфере Земли.