Солнечный ожог
Январь, глухая зимняя пора в северном полушарии Земли. Короткими днями Солнце неохотно и не всякий раз показывается невысоко над горизонтом, чтобы всего через несколько часов снова скрыться за ним. Кажется, оно едва согревает планету. На холоде люди совсем не беспокоятся о Солнце. Они бы даже и не подумали, что оно сильно влияет на их жизни.
Скоро они поймут, что были не правы.
У Солнца космическое похмелье. За несколько последних лет оно пережило ряд бурных припадков, множество раз извергая в космос грандиозные потоки материи и энергии. По чистой случайности практически все они прошли мимо Земли. Самое плохое, что случилось, — один выброс зацепил Землю, породив прекрасные полярные сияния на обоих полюсах и нарушив некоторые каналы радиосвязи: неприятно, но захватывающее зрелище того стоит.
Сейчас уже все идет на спад, Солнце, похоже, успокаивается. Ученые только начинают думать, что можно вздохнуть с облегчением.
Поэтому выглядывающая из-за края солнечного диска большая группа солнечных пятен застает их врасплох. Солнечные пятна — это темные участки более холодного вещества, вызванные скручиваниями и переплетениями в магнитном поле Солнца, предвестники солнечной активности. Ученые бросаются наблюдать группу солнечных пятен, нацелив на звезду целый парк наземных и орбитальных телескопов. Глазам их открывается неприглядное зрелище: поверхность Солнца искажена, исковеркана, затемнена, изуродована пятнами. Эта группа чудовищных размеров, такая же, как крупнейшие из групп, наблюдавшихся в 2003 г. и до сих пор обсуждаемых учеными, или даже крупнее.
Больше недели астрономы с волнением следят за активной областью, измеряя ее размеры, форму и магнитную активность. Магнитная активность, похоже, улеглась, и это может свидетельствовать о том, что магнитное поле либо слабеет, либо накапливает силы, подобно вулкану.
Вскоре все становится ясно. Обычно темные, через несколько секунд солнечные пятна вспыхивают необычайно ярко и остаются такими в течение нескольких минут. В это же время орбитальные солнечные телескопы отмечают бешеные магнитные флуктуации на Солнце, а несколько минут спустя спутники заливает высокоэнергетическое рентгеновское и гамма-излучение. Астрономы, наблюдающие с поверхности Земли за орбитальными обсерваториями, видят небывалые взрывные выбросы энергии, от которых зашкаливают приборы, после чего, внезапно, передача данных обрывается. Озадаченно они проверяют оборудование, но вскоре понимают, что проблема не на земле, а в небе: массивный поток энергии поджарил их орбитальные спутники.
Зная, что коммерческим спутникам также угрожает серьезная опасность, взволнованные ученые принимаются звонить в другие обсерватории, но телефоны тоже не работают. Бросившись к компьютерам, они пробуют электронную почту, мессенджеры, голосовые протоколы, все, что есть, но связь установить невозможно. Ничего не работает. Затем отключается электричество, и они понимают, что дальше будет еще хуже.
Вскоре после вспышки Солнце извергает еще один поток, на этот раз в виде бешеной волны субатомных частиц. Двигаясь с феноменальной скоростью, волна достигает Земли, врезаясь в защитное магнитное поле планеты и обходя его. В электромагнитном хаосе спутники гибнут один за другим от смертельного солнечного ожога.
Эффект ощущается и на поверхности. В линиях электропередачи внезапно резко подскакивает ток, они нагреваются, провисают и обрываются. Трансформаторы взрываются от перегрузок. Повсюду в США и Канаде рутинный распорядок персонала электростанций внезапно нарушен, и они самоотверженно и лихорадочно пытаются справиться с каскадом отключений, но ситуация безнадежна. Станция за станцией выходят из строя. Сначала электроэнергия пропадает на северо-востоке США, но уже через несколько секунд распространяющаяся волна отключений выводит из строя всю энергосистему. Квебек, Бостон, Нью-Йорк, Филадельфия... через несколько минут сотни людей остаются без электричества ночью, в самую суровую зимнюю пору. На следующее утро они просыпаются в промерзших домах, без света и возможности узнать, что случилось.
Через несколько часов более половины планеты остается без электроэнергии в одну из самых холодных зим на нашей памяти. В первую же ночь погибают тысячи, а в последующие несколько недель еще больше. Подключаются военные, делая все возможное, чтобы помочь тем, кто оказался в беде, но бедствием охвачена слишком большая территория. Количество смертей ужасает, это чудовищная катастрофа небывалых масштабов. Один лишь экономический ущерб оценивается триллионами долларов, и целые страны становятся банкротами.
В конце концов Солнце успокаивается. Группа активных пятен исчезает. Но магнитные процессы на Солнце невероятно сложны. Не проходит и нескольких недель, а в магнитном поле Солнца уже возникли новые петли и связи. Только ситуация на Земле нормализовалась, а люди похоронили умерших, как на поверхности звезды появляется новая группа уродливых пятен.
Мое Солнце — звезда
Издержки профессии астронома заключаются в том, что нам приходится получать по почте бесплатные учебники по астрономии. Как и спам в электронной почте (но массой в 5 кг), они приходят без уведомления и обычно отправляются прямиком в букинистический магазин собирать пыль (эквивалент спам-фильтра в реальной жизни).
Я не могу удержаться, чтобы не пролистать их. Я знаю, что для меня это будет пытка, потому что я обязательно найду странную компоновку глав, несколько научных ошибок, какие-то фразочки, которые выбьют меня из колеи. И всякий раз, без исключений, я нахожу все это в разделе, посвященном Солнцу. В нем неизменно будет тот или иной вариант следующего предложения: «Солнце — это обычная, среднестатистическая звезда».
Если вы решите прочитать только эту главу и навсегда закрыть мою книгу, пожалуйста, запомните лишь одно: Солнце — это звезда со всеми вытекающими последствиями. Солнце — мощный, огромный, бурно кипящий котел массы и энергии. В масштабах бушующего внутри него пламени все ядерное оружие, когда-либо созданное человечеством, кажется микроскопически ничтожным. Чтобы заполнить объем Солнца, понадобится миллион планет размером с нашу, а излучаемый им свет виден на триллионы и триллионы километров. Невидимые силы переплетаются и сражаются друг с другом за контроль на его поверхности, а когда оно выходит из себя, последствия могут быть печальными или даже трагическими.
Вот что означает «обычная» звезда.
Давайте проясним — существует множество звезд, подобных Солнцу, и, если тщательно подбирать слова, тогда да, Солнце — это среднестатистическая звезда. Самые маленькие звезды имеют массу примерно в одну десятую от массы Солнца, а самые большие в сотни раз массивней, поэтому Солнце находится где-то ближе к нижней границе диапазона. Но здесь не учитывается реальная численность звезд: звезды с малой массой гораздо, гораздо многочисленнее, чем их более тяжелые сестры. Более 80% звезд в нашей Галактике имеют массу меньше Солнца, примерно у 10% такая же масса, как у Солнца, а оставшиеся 10% имеют бо́льшую массу. Поэтому да, за стандартный космический тест Солнце получает довольно хорошую оценку. Может быть, 4+.
Разумеется, астрономы — признаюсь, я тоже этим грешу — любят использовать уменьшительные прилагательные, описывая звезды с малой массой: миниатюрные, крошечные, слабые. Но это вряд ли справедливо: даже самая маленькая звезда гораздо, гораздо крупнее, чем Юпитер, а Юпитер огромный — в него поместилось бы 1400 планет Земля, поэтому даже маленькая звезда — это гигантский объект.
И тем не менее Солнце крупнее, чем большинство звезд в Галактике: их средний диаметр составляет лишь десятую часть диаметра Солнца. Поэтому даже в космических масштабах Солнце большое.
В человеческих масштабах, как вы можете вообразить, это страшное, страшное место.
Солнце находится от нас на расстоянии 150 млн км. Если бы мы могли проложить к нему шоссе, то понадобилось бы 170 лет, чтобы доехать до него. Даже на самолете пришлось бы лететь два десятилетия, если бы это было возможно.
Тем не менее... представьте, что сейчас лето и вы стоите на улице. Вы подставляете лицо Солнцу. Чувствуете тепло? Конечно! Солнце такое яркое, что на него даже невозможно смотреть. А если вы постоите на солнце дольше нескольких минут, то рискуете повредить свою кожу.
Внушительная энергия Солнца генерируется глубоко в его сердцевине, где идет ядерная реакция: внутри Солнца постоянно происходит слияние ядер водорода с образованием ядер гелия. При каждой такой реакции высвобождается немного энергии, а в недрах Солнца эти реакции происходят постоянно: каждую секунду каждого дня Солнце преобразует 700 млн т водорода в 695 млн т гелия.
Недостающие 5 млн т преобразуются в энергию согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc2, которое демонстрирует, что масса и энергия могут превращаться друг в друга и что крупица материи производит колоссальное количество энергии. Пять миллионов тонн — это огромное количество материи, эквивалентное массе семи доверху груженых нефтеналивных супертанкеров... а Солнце пережевывает столько водорода каждую секунду.
Энергия, ежесекундно генерирующаяся в ядре Солнца и равная энергии, излучаемой его поверхностью, эквивалентна детонации 100 млрд ядерных бомб мощностью 1 Мт. Это в 200 млн раз больше суммарной мощности всего ядерного оружия, когда-либо взорванного на поверхности Земли, под землей и в воздухе... а Солнце делает это каждую секунду каждого дня и не перестанет еще миллиарды лет.
Некоторые любят говорить, что Солнце, по сути, это гигантская ядерная бомба, но это ошибочное мнение: бомба взрывается. Но Солнце не взрывается, потому что имеет большую массу. Это означает, что оно обладает значительными силами тяготения, уравновешивающими энергию, которую оно генерирует. За счет образующегося тепла Солнце стремится расшириться (как надувается воздушный шар), но собственные силы тяготения не дают ему это сделать. Это состояние равновесия; в принципе, газовый шар с ядерным синтезом в центре, удерживаемый собственными силами тяготения, — это хорошее определение звезды.
Однако тот факт, что Солнце не взрывается целиком как бомба, не означает, что взрывов не происходит. На деле, Солнце способно на эпические взрывы; но они не ядерные по своей природе, они магнитные.
Текущие события
Когда я был маленьким (да что уж, даже сейчас, надо признаться), меня зачаровывали магниты. У меня было несколько разных, и я постоянно с ними играл. Я много читал о магнетизме, и в одной из моих книг говорилось, что магнетизм можно уничтожить теплом. Я (осторожно!) подержал брусок магнита несколько минут в пламени свечи и точно, после этого он перестал притягивать гвозди и иголки.
Уже в то время я увлекался астрономией, и у меня была книга, рассказывающая о магнитном поле Солнца. Я помню, что меня смущал один факт: как у Солнца может быть магнитное поле, если оно такое горячее?
Тогда я не понимал, что магнитное поле может возникать разными путями. Проще говоря, магнитное поле могут генерировать движущиеся электрические заряды. Например, когда вы включаете свет, электроны (отрицательно заряженные субатомные частицы) движутся по проводам от розетки в стене к лампе. Этот поток создает вокруг провода локальное (временное) магнитное поле. Однако, когда вы выключаете свет, поток электронов прекращается, и магнитное поле пропадает.
Это очень интересный и полезный эффект. Если токопроводящий объект, например провод, движется в магнитном поле, по этому проводу будет протекать электрический ток. Этот ток, в свою очередь, генерирует собственное магнитное поле. Если ток будет течь в подходящем направлении, его магнитное поле будет усиливать внешнее магнитное поле, и вы получите самоподдерживающуюся систему.
Однако это срабатывает только в том случае, если имеется внешний источник энергии, приводящий объекты в движение. Например, вы могли бы использовать пусковую рукоятку и вращать катушку из медного провода внутри магнитного поля (создаваемого постоянным магнитом). В этом случае источником внешней энергии является ваша рука. А если вы сообразительны и хотите генерировать много электричества, вы помещаете эту конструкцию у источника проточной воды, например внутрь плотины, и делаете гигантские турбины из меди, которые вращает текущая вода... именно по такому принципу работает гидроэлектростанция. Система, таким образом преобразующая механическую энергию в электрическую, называется динамо.
Солнце — именно такое динамо. Внутри оно горячее: настолько горячее, что электроны срывает с орбит атомов и они могут двигаться более или менее свободно. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, называют ионизированным. Свободные электроны, двигаясь в ионизированном газе, генерируют магнитные поля.
Если бы Солнце просто висело в пространстве, как неподвижный и невращающийся раскаленный газовый шар, электроны внутри него двигались бы хаотично, поэтому все возникающие отдельные магнитные поля были бы ориентированы в произвольных направлениях и компенсировали друг друга. Но движение электронов внутри Солнца далеко не беспорядочное. Начнем с того, что Солнце совершает один оборот вокруг своей оси в месяц, и благодаря этому внутри него возникают потоки газа. Для электронов такое преобладающее направление движения означает, что их индивидуальные магнитные поля могут усиливать друг друга, создавая более сильное магнитное поле, как ручьи, все вместе впадающие в реку.
Если бы это было так просто, ученые понимали бы все о том, что происходит на Солнце. Но на самом деле Солнце устроено невероятно сложно, внутри у него находится обширная система движущегося газа. От тепла ядра газ поднимается, генерируя исполинские газовые конвейерные ленты высотой свыше 160 000 км, движущиеся вверх и вниз внутри Солнца. Другие реки газа похожи на высотное струйное течение на Земле, а третьи текут на север и также на юг. Солнце становится больше похоже на клубок извивающихся червей, чем на простой газовый шар. Похоже на карту Токио, но в трех измерениях и изменяющуюся с течением времени. В результате магнитное поле Солнца — просто кошмар, в нем жутко сложно разобраться. Плюс, однако, в том, что благодаря ему множество гелиофизиков не слоняются по улицам.
Все это, вместе взятое, и создает солнечное динамо. Внутри Солнца протекают токи из заряженных частиц. Так как эти токи движутся в магнитном поле, они и сами генерируют магнитное поле, в результате вся система усиливает саму себя. В данном случае пусковая рукоятка — само Солнце, собственным вращением прикладывающее механическую энергию, необходимую для того, чтобы генерировать динамо. Солнце огромное и массивное, поэтому в энергии вращения недостатка нет. Солнечное магнитное поле создается за счет вращения Солнца, но, чтобы хоть сколь-нибудь заметно его затормозить, энергия должна расходоваться миллиарды лет.
Солнечное магнитное поле устроено сложно и интересно, и под интересным я, конечно же, подразумеваю «опасное».
Или вы забыли, какой у этой книги заголовок?
Магнитный пузырь, катушка и неприятности
Ранее я упоминал, что звезде можно дать следующее определение: объект, в центре которого происходит ядерный синтез, а стремление к расширению, обусловленное генерируемой энергией, уравновешивается силами тяготения.
В этом отношении звезды — это упражнение на соблюдение баланса. Если бы их силы тяготения были слабее, они бы раздулись или взорвались. Если бы они генерировали чуть меньше энергии, они бы сжались или пережили гравитационный коллапс (оба этих явления будут описаны подробнее в следующих главах). В стабильной звезде существует деликатный баланс между вращением, химическим составом, силами тяготения, теплом, давлением и да, магнитным полем.
Но иногда система дает сбой.
На иллюстрации простого магнитного поля вы обычно видите группу линий, выходящих из полюсов магнита и соединяющих один магнитный полюс с другим. Силовые линии магнитного бруска, например, похожи на пончик. С помощью линий магнитного поля удобно показывать силу магнита: там, где линии сходятся (как у полюсов магнитного бруска), магнитное поле сильнее; там, где они проходят на расстоянии друг от друга, поле слабее. Если вы поместите небольшой магнитный брусок в магнитное поле более крупного магнита, магнит меньших размеров сориентируется по направлению линий поля более крупного. Именно поэтому стрелка компаса указывает на север; стрелка — это магнит, и она ориентируется вдоль линий магнитного поля Земли.
Если магнит имеет более сложную форму, ситуация усложняется. Если магнитный брусок изогнуть, силовые линии поля также изогнутся. Если взять дюжину, сотню магнитов и смешать их в кучу, силовые линии поля могут сильно искривиться, потому что каждый фрагмент магнитного поля привязан к создающему его объекту. Сдвиньте один, и вы повлияете на другой.
Магнитное поле Солнца создают движущиеся потоки газа — течения, которые перекручиваются, искривляются и извиваются, как реки на Земле. Силовые линии поля возникают под поверхностью Солнца, но там не остаются; их петли прорываются сквозь поверхность Солнца наружу и ныряют обратно невероятно хитросплетенным и взаимосвязанным образом. Эти магнитные силовые линии могут сильно переплетаться и спутываться. Когда такое случается, на поверхности Солнца происходят кардинальные изменения.
Прежде всего, так как линии поля и газ взаимосвязаны, когда линии спутываются и уплотняются, движение газа затрудняется. Это как если бы на него набросили гигантскую сеть, не дающую ему двигаться свободно. Более горячий газ, поднимающийся из глубин, не может достичь поверхности, и области, в которых линии особенно плотные, начинают остывать. Поскольку яркость Солнца зависит от его температуры, более холодный участок становится тусклее, образуя темную область на Солнце, которая называется солнечным пятном. Так как по своей сути солнечные пятна — явление магнитное (на самом деле это поперечное сечение линий магнитного поля в том месте, где они пересекают поверхность Солнца), они всегда появляются парами с разной полярностью: одно как северный полюс магнита, а второе — южный полюс.
Солнечные пятна могут быть маленькими, еле заметными в телескопы на Земле, а могут быть гигантскими, гораздо больше размеров Земли, при этом некоторые из них настолько большие, что их можно видеть невооруженным глазом, когда Солнце находится у горизонта.
Собственно, именно наблюдения за солнечными пятнами дали астрономам первый ключ к пониманию магнитного поля Солнца. Генрих Швабе наблюдал за Солнцем в начале XIX в., десятилетиями, день за днем подсчитывая количество солнечных пятен. Он обнаружил, что оно увеличивается и уменьшается с периодичностью примерно 11 лет — сегодня мы называем этот период циклом солнечной активности. На максимуме на Солнце может быть свыше сотни пятен, но на минимуме это число уменьшается практически до нуля.
В 1859 г. Швабе решил опубликовать свои результаты, и очень скоро выяснилось, что периоды пикового количества солнечных пятен совпадали с периодами пиковой геомагнитной активности на Земле, указывая на связь между солнечными пятнами и магнетизмом. В 1908 г. астроном Джордж Эллери Хейл выяснил, что магнитные поля на солнечных пятнах могут быть в тысячи раз сильнее земного, что свидетельствовало о значительных запасах энергии в тех областях.
И мы возвращаемся к равновесию. Когда магнитные силовые линии спутываются, между давлением, нарастающим за счет накопленной в них магнитной энергии, и напряжением, существующим в силовых линиях, устанавливается равновесие. Магнитные силовые линии можно представить в виде витых стальных пружин, сваленных в кучу и спутанных между собой. Пружины сжаты и стремятся распрямиться, но не могут этого сделать, потому что переплетены друг с другом. Теперь продолжим сжимать их и добавлять новые и новые пружины. При этом накапливается очень впечатляющая энергия.
Что произойдет, если взять болторез и перекусить одну из пружин?
Правильно. Лучше отойти в сторону.
То же самое происходит и в солнечном пятне — на самом деле физические процессы тут практически такие же, как и в клубке витых пружин, с аналогичными напряжением и давлением. По мере того как силовые линии все больше переплетаются и к ним добавляются новые, давление нарастает. Иногда давление сбрасывается в начале этого процесса, и тогда практически ничего не происходит. Но в других случаях оно накапливается и накапливается...
Сейчас что-то не выдержит.
В конце концов что-то действительно не выдерживает. Силовые линии вырываются из Солнца высокими, грациозными петлями, при этом один их конец является северным магнитным полюсом, а второй — южным. Если газовый поток внезапно меняет характер движения, концы линий могут сойтись или переплестись. Давление в витках нарастает, но напряжение не может компенсировать его. Линия обрывается.
В силовой линии накапливается очень большая энергия (как и в пружине). Когда она обрывается — гелиофизики называют это магнитным пересоединением, — энергия высвобождается. Огромная энергия. Титанический взрыв, но в целом он ограничен одной областью, генерируя то, что называется вспышкой.
Вспышка — знак опасности
По совпадению, первую вспышку на Солнце увидели в 1859 г. — в том же году Генрих Швабе опубликовал свое открытие цикла солнечной активности.
1 сентября 1859 г. астрономы Ричард Каррингтон и Ричард Ходжсон независимо друг от друга вели наблюдения за Солнцем. Прямо на их глазах небольшой, обычно спокойный участок солнечного диска внезапно вспыхнул, став гораздо ярче. Этот всплеск излучения длился 5 минут, и даже по сей день, возможно, является самой яркой вспышкой за всю историю наблюдений. Через несколько часов после наблюдавшейся вспышки, магнитометры (приборы, измеряющие силу и направление магнитного поля) на Земле сошли с ума, регистрируя масштабные флуктуации магнитного поля Земли.
Тогда они об этом и не подозревали, но в тот момент родилось научное направление, изучающее космическую погоду.
Они также не могли знать о том, что вспышка произошла, когда переплетенные магнитные силовые линии на поверхности Солнца внезапно выровнялись. Накопленная в них энергия выделилась, подобно взрыву бомбы — эквивалент 15 млрд единиц ядерного оружия мощностью 1 Мт, или 10% суммарной энергии, излучаемой Солнцем каждую секунду, сконцентрированной в одной точке, — запустив высокоэнергетические фотоны (частицы света) и субатомные частицы вверх в космос и вниз на поверхность Солнца. При обычной вспышке Солнце извергает миллиарды тонн субатомных частиц со скоростями, достигающими 8 млн км/ч, — а в 2005 г. необычно мощная вспышка выбросила поток фотонов, который достиг Земли всего за 8 минут, это значит, что они двигались со скоростью, равной одной второй скорости света. Обычно субатомные частицы извергаются прямо из центра вспышки. Поэтому частицы, вылетающие вверх и наружу, как правило, не представляют проблемы для нас на Земле: их поток достаточно сильно сфокусирован, поэтому они обычно пролетают мимо и не опасны для нас.
Но, кроме частиц, извергаемых в космос, другой массивный поток частиц устремляется вниз, на поверхность Солнца. От этого газ внутри Солнца чрезвычайно раскаляется и возникает невероятно мощный световой импульс. Что ж, возможно, это не кажется серьезной проблемой; в конце концов, насколько опасным может быть свет?
Еще как может быть опасным. Но это зависит от того, какой это свет.
То, что мы называем «видимый свет», — это узкий срез гораздо более широкого спектра электромагнитного излучения. Инфракрасный свет, например, обладает меньшей энергией, чем видимый свет, а энергия радиоволн еще меньше. Ультрафиолетовый (УФ) свет обладает большей энергией, чем свет, который мы видим. Энергия рентгеновского излучения еще выше, и так далее до гамма-излучения. УФ, рентгеновское и гамма-излучение в больших количествах опасны. Каждый фотон переносит столько энергии, что может радикально изменить любой атом, с которым сталкивается, срывая с него электрон и ионизируя атом.
Вспышки излучают огромное количество такого света. И в отличие от частиц материи, извергнутых вспышкой, этот свет распространяется расходящимся пучком. Частицы, выброшенные вспышкой на кромке солнечного диска, практически наверняка не заденут нас, но любая вспышка в любом месте на видимой поверхности Солнца несет потенциальную угрозу из-за высокоэнергетического света, который она излучает.
Представьте себе вспышку на Солнце: переплетенные магнитные силовые линии над солнечным пятном внезапно разрываются, перегруппируясь и высвобождая энергию. Они локально разогревают газ до миллионов градусов, и наружу устремляется поток рентгеновского излучения.
Двигаясь со скоростью света, высокоэнергетическое излучение достигает Земли всего за восемь с небольшим минут, пройдя около 145 млн км. При этом оно обрушивается на все, что находится у него на пути: спутники, астронавтов и даже земную атмосферу.
Нас, находящихся на поверхности Земли, защищает толстый слой воздуха над головой. Но астронавты на орбите практически обнажены, ничто не закрывает их от волны фотонов. Астронавт, работающий снаружи станции и застигнутый одной единственной вспышкой рентгеновского излучения, получает дозу, эквивалентную сотне или даже тысяче рентгеновских снимков грудной клетки.
Рентгеновское излучение опасно потому, что при поглощении вся его энергия переходит в ткани тела. Это может приводить к повреждению клеток и ДНК. Повреждения ДНК могут вызывать мутации, а те, в свою очередь (но не всегда), могут вызывать рак.
Поглощение излучения измеряется в единицах, которые называются бэр. Мы постоянно окружены фоновым излучением, исходящим из поверхности Земли; просто существуя на Земле, за год вы получаете дозу облучения в размере примерно 0,3 бэр. На большой высоте над уровнем моря, например в Денвере, эта доза может достигать 0,5 бэр за счет как земных, так и внеземных источников излучения. Сравните: когда вы делаете рентгеновский снимок зубов, вы получаете дозу примерно 0,04 бэр, это одна десятая обычной годовой дозы фонового облучения. У правительства США есть рекомендации для людей, работающих в зонах с повышенным излучением: максимальная безопасная доза облучения для всего тела, установленная в них, составляет 5 бэр в год.
Не очень мощная вспышка может подвергнуть астронавта облучению в несколько десятков бэр. Несмотря на то что это кажется опасным, на деле человеческое тело может прекрасно справиться с такой однократной дозой облучения. Клетки заживают, а с небольшими повреждениями ДНК могут справиться собственные защитные силы организма. Я не говорю, что это хорошо: проблемы, вызываемые подобной дозой облучения, — это раздражение кожи, а также более высокий риск развития рака кожи и других видов рака. Астронавты-мужчины могут также становиться на несколько месяцев бесплодными; кроме того, у астронавтов обоих полов могут выпадать волосы.
Но если поврежден значительный объем тканей, то организм не в состоянии вылечить себя. В случае мощной вспышки тело астронавта способно поглотить сотни бэр рентгеновского излучения. Эта доза может оказаться смертельной: организм не справится с повреждением клеток в таком объеме. В течение нескольких часов и дней астронавт будет медленно умирать по мере того, как умирают клетки его тела, отслаивается слизистая оболочка кишечника, жидкость просачивается из разорванных клеток в окружающие ткани... результаты ужасающие. NASA относится к этой угрозе очень серьезно. В случае вспышки на Солнце астронавты на космической станции укрываются в более защищенной секции, а излучение поглощается самой станцией и не вредит людям внутри.
Когда астронавты снова полетят на Луну, им также придется иметь с этим дело. Лунные породы прекрасно поглощают радиацию, поэтому вполне вероятно, что колонисты покроют свои жилые модули на Луне слоем скальных пород и камней толщиной в два или три метра. Это не так романтично, как стеклянные купола на поверхности, но возможность пережить вспышку может оказаться приоритетной по сравнению с нашими представлениями о том, как должна выглядеть колония из фантастических фильмов.
Мощная вспышка, однако, представляет опасность не только для людей: она может поджарить и наши спутники. Когда металл спутников подвергается рентгеновскому или гамма-излучению, он ионизируется. Очень мощное гамма-излучение может ионизировать множество атомов на спутнике, и от этих атомов каскадом полетит «шрапнель» электронов. Не забывайте, движущиеся электрические заряды создают магнитное поле. Этот внезапный сильный импульс магнитной энергии может повредить электронные компоненты спутника (как магнит может повредить жесткий диск вашего компьютера). Сами электроны также могут вызывать короткие замыкания в аппаратуре.
Многие гражданские спутники были утрачены из-за вспышек на Солнце. Военные спутники во многих случаях имеют защиту от повреждений такого рода, и более прочные спутники могут продолжать работать даже при мощной вспышке. Последствия близкого ядерного взрыва схожи с последствиями вспышки на Солнце, поэтому эти спутники могут пережить и ядерный взрыв в космосе (если не будут повреждены осколками и теплом от взрыва).
Далее, атмосфера Земли поглощает приходящее извне высокоэнергетическое излучение. Да, мы на поверхности защищены, но верхние слои атмосферы могут разогреваться и раздуваться от излучения, как воздушный шар. Если атмосфера разбухнет достаточно сильно, она может достичь высоты орбит некоторых спутников. Спутник, обычно летящий по орбите практически в вакууме, может внезапно почувствовать сопротивление, проходя через очень разреженную раздувшуюся атмосферу. В результате этого спутник переходит на более низкую орбиту, в еще более плотный воздух, отчего снижается еще больше, и так далее. Даже если он переживет исходную вспышку, он все равно может быть разрушен, сгорев в атмосфере Земли! В каждый цикл солнечной активности по этой причине теряются многие спутники, находящиеся на низких орбитах. Именно это произошло с американской космической станцией Skylab в 1979 г.
Поэтому космические агентства и владельцы коммерческих спутников очень пристально наблюдают за солнечными вспышками. Вспышки связаны с 11-летним циклом солнечной активности и, как правило, происходят в момент максимума пятен на солнце или примерно в это время, хотя по причинам, до сих пор не вполне понятным, самые интенсивные вспышки обычно случаются примерно через год после максимума. Между прочим, вспышка в 1859 г., возможно, ярчайшая за все время, произошла за год или около того до максимума солнечной активности.
Та вспышка вызвала большую геомагнитную активность. Хотя и сама она, вероятно, оказала определенное непосредственное воздействие на Землю, сейчас считается, что у нее были помощники.
Гало, как дела?
Обычно от Солнца исходит относительно постоянный поток вещества. Он называется солнечным ветром и представляет собой поток субатомных частиц, ускоряемых тем же самым «подозреваемым»: магнитным полем Солнца. Солнечный ветер дует от Солнца во всех направлениях и не ослабевает на протяжении миллиардов километров; это гораздо дальше орбиты Земли. У поверхности Солнца эти частицы можно видеть как слабое жемчужное свечение, называемое короной. Корона невероятно горяча, миллиарды градусов, но очень разрежена, почти как вакуум. Однако над триллионами кубических километров поверхности Солнца даже что-то настолько рассеянное в совокупности может составить большую массу. Астрономы считают корону солнечной атмосферой, поэтому, в буквальном смысле, мы живем в атмосфере звезды.
У этого имеются определенные недостатки. В атмосфере иногда бывает плохая погода.
Вполне понятно, что взрывная вспышка на поверхности Солнца, как правило, оказывает влияние на его окружающую среду. Во время вспышки поток энергии и частиц, разумеется, устремляется вверх, от Солнца, но он также направлен и вниз, создавая на поверхности Солнца сейсмическую волну с энергией, в десятки тысяч раз превышающей энергию самых сильных землетрясений на Земле. Поверхность Солнца покрывается рябью от обрушивающихся на нее волн энергии. Магнитные силовые линии, окружающие энергию, также получают невероятную встряску, от которой часто разрываются. Линии, входящие в поверхность Солнца и выходящие из нее в этой зоне, соединяются вновь, высвобождая энергию и разрывая другие линии вокруг. По мере распространения этого эффекта и повторного соединения все большего числа линий высвобождается все больше и больше энергии.
При этом материя, ранее удерживаемая этими магнитными полями, внезапно обнаруживает, что может увеличиться в объеме под действием интенсивного давления. Вместо одной петли, подброшенной кверху, как в случае вспышки, это выглядит так, будто всех их уже ничто не сдерживает. Материя внезапно выплескивается, и этот процесс называется корональным выбросом массы, или КВМ.
Энергия коронального выброса больше расходуется на ускорение частиц, чем на излучение света, поэтому в самом начале это событие очень сложно зарегистрировать. Действительно, несмотря на то что первую вспышку наблюдали почти 200 лет назад, корональные выбросы массы впервые обнаружили только в 1970-х гг.!
Они оказывают огромное влияние. В отличие от вспышек, которые, по сути, являются локальными возмущениями, корональные выбросы охватывают гигантские области на Солнце. Если вспышки можно сравнить с торнадо — они локальные, интенсивные, краткие и сконцентрированные, то корональные выбросы массы — это солнечные ураганы. Эффект не такой ударный, но имеет гораздо, гораздо большие масштабы: до 100 млрд т материи выбрасывается в пространство со скоростью 1,5 млн км/ч, и это может причинить гораздо больше ущерба.
Оторвавшись от поверхности Солнца, корональный выброс прорывается сквозь межпланетное пространство и расширяется до десятков миллионов километров. Он создает широкий фронт ударной волны, проходя сквозь разреженное вещество, ранее унесенное солнечным ветром. Это межпланетный звуковой удар, который может разгонять субатомные частицы до крайне высоких энергий и до скоростей, составляющих существенную долю от скорости света. Это как огромное цунами, запущенное Солнцем, и оно выдвигается вперед... иногда и в нашу сторону.
После извержения корональный выброс может пройти расстояние от Солнца до Земли за срок от одного до четырех дней. И для нас это единственное предостережение.
Само событие можно даже увидеть в тот момент, когда оно происходит. Что вы делаете, когда пытаетесь разглядеть самолет, пролетающий по небу на фоне Солнца? Вы прикрываете ладонью глаза, чтобы загородить Солнце и увидеть самолет. Астрономы делают то же самое. Оно оборудуют телескопы, направленные на Солнце, коронографами. Обычно это простые маски из металла, блокирующие пронзительный свет, исходящий от поверхности Солнца, и позволяющие увидеть находящиеся неподалеку менее яркие объекты. Телескопы регистрируют корональный выброс массы в виде расходящейся от Солнца световой волны. Если астрономы видят корональный выброс, отходящий от Солнца сбоку, они выдыхают с облегчением: он пройдет мимо Земли, потому что направлен в достаточно далекую от нас сторону. Но иногда Солнце бывает не столь покладистым, тогда оно швыряет в нашем направлении сотни миллиардов тонн плазмы, раскаленной до миллиона градусов. Это событие регистрируется как расходящееся гало, светящийся ореол, потому что мы смотрим в лицо надвигающегося на нас с бешеной скоростью фронта ускоренных субатомных частиц.
Когда он доберется до нас, разверзнется ад.
Звонок в дверь
Магнитное поле Земли отчасти похоже на магнитное поле Солнца. Вероятно, оно создается за счет движения горячих, расплавленных скальных пород и металла внутри Земли в процессе, подобном тому, что происходит на Солнце (однако в случае Солнца движущееся вещество — это раскаленный газ), и питается от динамо, как и поле Солнца. Это магнитное поле простирается далеко в космос от поверхности Земли, образуя область, называющуюся магнитосферой. Если бы Земля была одинока в пространстве, окружающее ее поле имело бы форму пончика — трехмерный вариант полукруглых линий, в которые выстраиваются железные опилки на бумаге, если снизу поднести магнит. Однако постоянный поток частиц солнечного ветра, огибающий Землю, придает магнитосфере Земли форму капли, как вода намывает песчаные отмели в форме капли на реке. Удлиненный конец всегда направлен от Солнца и называется геомагнитным хвостом.
Большинство людей знают, что магнитное поле Земли можно использовать, чтобы определить, в какой стороне находится север, но оно также действует как своего рода защитное силовое поле, отбрасывая любые заряженные субатомные частицы, пролетающие поблизости, и отправляя их восвояси. Это бережет нас от более серьезных последствий вспышек солнечного гнева. Оно даже защищает нашу атмосферу: без магнитосферы солнечный ветер уже давно бы сдул воздух, оставив на Земле голые скалы, как на Меркурии. Марс, вероятно, именно так потерял большую часть своей атмосферы.
Так что магнитное поле Земли — это хорошая штука. Обычно.
Когда корональный выброс массы от Солнца достигает Земли, он взаимодействует с магнитосферой нашей планеты. Мощная энергия этого потока способна разорвать магнитные силовые линии Земли со стороны Солнца и загнуть их на ночную сторону в геомагнитный хвост, где они могут вновь соединиться, — это немного похоже на то, как сильный встречный ветер сдувает ваши волосы от лица и они спутываются у вас на затылке.
Когда силовые линии магнитного поля земли вновь соединяются в геомагнитном хвосте, выделяется масса энергии. Заряженные субатомные частицы движутся вдоль линий вниз, к поверхности Земли. Ускоряясь в магнитном поле, они врываются в земную атмосферу, ионизируя молекулы воздуха, срывая с них электроны. Когда впоследствии электроны воссоединяются со своими атомами, излучается свет характерного цвета: молекулы кислорода испускают красный свет, а азота — зеленый. Так как это происходит там, где магнитные силовые линии Земли входят в атмосферу в районе полюсов, обычно людей, живущих на высоких северных и южных широтах и не боящихся выйти из дома во время такого события, встречает потрясающее зрелище полярного сияния — северного полярного сияния на севере и южного полярного сияния на юге. Во время особенно мощного коронального выброса их можно наблюдать и на средних широтах; в 1859 г. солнечная вспышка породила массивный корональный выброс, в результате чего полярное сияние можно было видеть даже на широте Пуэрто-Рико.
Тысячи лет полярные сияния завораживают людей, и только недавно мы стали понимать, что это предвестники огромных невидимых сил, действующих высоко у нас над головами, сил, зародившихся в нашей ближайшей звезде, в невообразимых неистовых процессах, бушующих в ней.
Однако крупный корональный выброс имеет гораздо больше последствий, чем простое световое шоу. Прежде всего, они сдавливают магнитосферу Земли. Спутник, вращающийся на орбите внутри защитного магнитного поля Земли, может внезапно обнаружить, что его уже ничто не защищает от всей мощи коронального выброса. И тогда он может сгореть от воздействующего на него излучения.
Большие корональные выбросы имеют более серьезные последствия, даже на поверхности Земли, непосредственно затрагивая нас.
Помните, что переменное магнитное поле может возбуждать ток? Так вот, когда магнитное поле Земли быстро изменяется из-за воздействия КВМ, любой находящийся поблизости проводник может внезапно обнаружить, что по нему проходит мощный импульс тока.
На поверхности Земли таких проводников хватает... например, вся энергосистема Северной Америки. Только подумайте: миллионы километров проводов, специально предназначенных проводить ток из одного места в другое! В штатных рабочих условиях эти провода легко справляются с большим током, и электричество, генерируемое, скажем, на плотине Гувера, можно направить в Лос-Анджелес, чтобы кто-то приготовил коктейль «Маргарита» в блендере.
Но эти провода очень чувствительны к солнечным бурям. Во-первых, такие бури оказывают дополнительную гигантскую нагрузку на систему. Во-вторых, ток нагревает провода, и они начинают провисать. Инженеры хорошо знакомы с этим процессом, поэтому система рассчитана на то, чтобы в нормальных рабочих условиях противостоять ему. Тем не менее мощный скачок тока, вызванный бурей, может увеличить уже существующую нагрузку, отчего линии разогреются слишком сильно и оборвутся. В-третьих, за все эти годы количество генераторных установок в энергосистеме увеличилось, а количество проводов осталось тем же. Со временем потребность в электроэнергии в Америке выросла. Изначально провода были рассчитаны на определенный ток, но во многих случаях они работают в режиме все более и более близком к максимальной нагрузке. От сильного скачка могут сгореть гигантские трансформаторы, чья жизненно важная задача заключается в том, чтобы снижать ток высокого напряжения в проводах до гораздо меньших напряжений перед тем, как он попадет к вам в дом. Это дорогие трансформаторы (некоторые из них размерами с дом), и если они выйдут из строя, то целые города могут лишиться электроэнергии на длительное время.
Вот конкретный случай: 6 марта 1989 г. Солнце развернулось к нам, показав огромную группу безобразных пятен на поверхности. Растянувшись почти на 70 000 км, они уже породили множество вспышек, которые регистрировались, даже когда сами пятна находились еще на противоположной стороне Солнца. Астрономы ожидали худшего.
И они не ошиблись. В течение двух недель активная область 5395 извергла почти 200 солнечных вспышек, причем четверть из них относилась к категории самых мощных. В то же время были зарегистрированы 36 корональных выбросов, сорвавшихся с Солнца.
По сравнению с масштабами этого события некоторые последствия были просто неприятностями. Одному производителю микросхем пришлось временно приостановить производство, потому что во время магнитного хаоса некоторые чувствительные приборы стали шалить. Компасы сбивались на много градусов, усложняя морскую навигацию. Многие спутники потеряли высоту — на целых 800 м, — а один военный спутник не смог компенсировать воздействия и начал беспорядочно кувыркаться. На других спутниках перегорела аппаратура.
Но самое худшее произошло 13 марта, когда результатом бури стал сильный ток, наведенный геомагнитным полем. Колебания напряжения вызвали проблемы с электропитанием на всей планете. В Нью-Джерси от тока, наведенного действующими на большой высоте силами, на одной электростанции перегорел трансформатор на 500 000 В, замена которого обошлась в $10 млн. На ремонт ушло шесть недель, а упущенная выгода от непоставленной энергии, которую потеряла компания за это время, почти в два раза превысила эту сумму.
В Квебеке последствия были гораздо серьезнее. Скачок тока отключил энергоблок, и от резкой потери мощности вышла из строя вся энергосистема. На огромной территории повреждались линии электропередачи, некоторые из них загорались взрываясь. В холодную зимнюю ночь Солнце отключило электричество у 6 млн человек в Канаде. На полное восстановление энергосистемы ушло много дней. По оценкам инженеров, смоделировавших это событие, суммарный ущерб составил несколько миллиардов долларов.
Как и при падении астероида, существуют способы смягчить последствия вспышек и корональных выбросов массы. Спутники можно проектировать так, чтобы они выдерживали воздействие частиц и гамма-излучения, но производителю это обойдется недешево. То же относится к энергосистемам; на модернизацию электростанций и увеличение количества линий электропередачи, чтобы справиться с еще одним событием масштабов марта 1989 г., потребуются миллиарды.
Это редкие события, они случаются два или три раза в 100 лет. Однако с увеличением нагрузки на наши энергосистемы риск потенциального ущерба от Солнца только возрастает.
Но есть еще одно прямое последствие солнечной активности. Модели воздействия выброса масштабов 1859 г. на нашу атмосферу показывают, что каскад субатомных частиц, ускорившихся в магнитосфере Земли в результате этого события, проник бы в атмосферу, разбивая молекулы озона в ее верхних слоях (ученые называют этот процесс диссоциацией). Озон — это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (в молекуле кислорода, которым мы дышим, два связанных между собой атома). Она очень эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, защищая нас от него. Истощение озонового слоя от вспышки 1859 г. должно было быть относительно скромным, всего на несколько процентов. Однако этого вполне достаточно, чтобы до поверхности Земли доходило больше УФ-излучения. Каковы были последствия для людей неясно, так как до нас дошли лишь разрозненные истории болезни, составленные более 100 лет назад, но, вероятно, в годы, последовавшие за этим событием, наблюдался небольшой, но выраженный рост числа кожных заболеваний. Увеличение интенсивности УФ-излучения может также затронуть экосистему и пищевую цепочку (в главе 4 это описано даже подробнее, чем вам нужно знать), но опять же — исторические записи того времени неполные.
Тем не менее у события 1859 г. было по крайней мере одно измеримое последствие. Разбитые летящими частицами диссоциированные молекулы воздуха могут соединяться снова, образуя другие химические соединения, включая NO2, диоксид азота. Образовавшись высоко в атмосфере, этот красновато-коричневый газ попадал на Землю вместе с дождем, и его молекулы оседали на поверхности. Изучение ледяных кернов из Гренландии показало рост отложений нитратов в слоях, соответствующих тому времени.
Проблема в том, что NO2 может окисляться в атмосфере с образованием азотной кислоты. Растворяясь в каплях воды, она может проливаться кислотным дождем и приводить к ужасным последствиям для экосистемы Земли. В 1859 г. это, похоже, не стало серьезной проблемой, но, если когда-нибудь в будущем более мощные всплески излучения проникнут в нашу атмосферу, нам, возможно, удастся оценить эффект и от этого. Просто Солнце может еще и таким увлекательным способом обрушиться на нас.
Климат перемен
Обсуждая все эти магнитные бури, вспышки и корональные выбросы массы, причиняющие ущерб на Земле, не упускаем ли мы из виду что-то более очевидное? Все-таки Солнце — это, несомненно, главнейший источник тепла в Солнечной системе. Несмотря на то что энергия, излучаемая Солнцем, кажется совершенно неизменной, мы уже установили, что это переменная звезда. Солнечные пятна появляются и исчезают с периодичностью в 11 лет; может ли это привести к изменениям в количестве энергии, поступающей от Солнца? И если на Землю попадает больше или меньше солнечного света, может ли это, в свою очередь, вызвать изменение климата на Земле и возможное массовое вымирание?
Следует сразу отметить, что люди постоянно пытаются увязать 11-летний цикл солнечной активности с событиями на Земле. Ситуация на фондовой бирже, бейсбольный счет, даже особенности характера (сомнительная, в лучшем случае, идея) увязываются с количеством пятен на Солнце. Проблема в том, что, если понаблюдать за достаточным количеством циклов, обязательно найдутся внешние совпадения. Вы должны уметь отделять зерна от плевел, а это может быть очень сложно.
Годами ученые спорят о том, есть ли какая-то корреляция между солнечной активностью и погодой на Земле. Кажется, что есть, но действующие факторы слабо выражены, и их сложно точно определить. Если бы они были явными, спорить было бы не о чем. Однако, похоже, существуют и некоторые четкие связи... и солнечные пятна на самом деле играют определенную роль. Но вы можете удивиться, узнав, к чему ведет эта роль.
Солнечные пятна — это темные, менее горячие участки на поверхности Солнца. А значит, вы можете подумать что, если солнечных пятен много, мы получаем меньше света и, следовательно, меньше тепла от Солнца. Соответственно, много солнечных пятен равно более холодному климату.
Но пятна выглядят темными только в видимом свете. Вокруг солнечных пятен имеются яркие области, которые называются факелами (буквально «фонарики» на латыни), образующиеся благодаря сложной взаимосвязи между магнитным полем поверхности Солнца и горячим газом, поднимающимся из глубин. Газ в факелах более горячий и, следовательно, более яркий. В среднем солнечные пятна на 1% темнее, чем поверхность Солнца, но факелы ярче на 1,1% — 1,5%. Это означает, что, когда Солнце покрыто пятнами, на самом деле оно ярче в видимом свете, чем когда на нем меньше пятен!
Основной источник тепла для поверхности Земли — это видимый свет от Солнца. Исследования показали, что, когда Солнце находится на пике своего цикла активности, когда на нем больше солнечных пятен и факелов, общее облучение Земли солнечной радиацией увеличивается всего на 0,1%. Это небольшое, но существенное увеличение, оно приводит к повышению температуры на всей Земле примерно на 0,1–0,2 °С. Также верно обратное: на минимуме солнечной активности средняя температура на Земле снижается на долю градуса.
Признаем, это довольно слабое воздействие. Само по себе оно вряд ли что-то меняет на Земле. Однако нагрев Солнцем поверхности Земли — это лишь один способ повлиять на климат. Существует множество других источников изменения климата, как мы сейчас уже очень хорошо знаем. Во многих случаях сами по себе эти источники мало что значат для климата.
Но что, если две или больше таких причин суммируются?
Дела могут пойти плохо. Нам нужно только заглянуть в недалекое прошлое, чтобы увидеть насколько.
О существовании солнечных пятен было известно столетиями, даже еще до изобретения телескопа. Но как только телескопы направили на Солнце, картина, естественно, стала четче. Люди следят за размерами и количеством солнечных пятен практически постоянно с начала 1600-х гг.
В 1887 г. астроном по имени Густав Шпёрер заметил, что, оказывается, данные наблюдений за солнечными пятнами свидетельствуют об отсутствии пятен в период с 1645 по 1715 г. Буквально 70 лет лик Солнца был практически пустым, чистым, без солнечных «прыщиков». В конце 1800-х гг. ученый Э. Маундер свел воедино полученные Шпёрером данные и опубликовал их. Сегодня мы называем этот период отсутствия солнечных пятен «минимум Маундера».
Все это имело бы исключительно академический интерес, если бы не один довольно критический момент: в период с 1645 по 1715 г. температура в Западной Европе и Северной Америке была гораздо ниже средней. Было настолько холодно, что река Темза покрылась льдом (чего обычно не происходит даже зимой), ледники в Альпах продвинулись, разрушая целые деревни, а Голландский флот намертво вмерз в лед в своей гавани. Это время назвали малым ледниковым периодом.
Весьма соблазнительно непосредственно увязать минимум Маундера с малым ледниковым периодом, но нам нужно быть очень осторожными. В природе отдельное последствие редко имеет отдельную причину, особенно когда последствие столь колоссальное, как длительное изменение климата. Обычно для таких серьезных изменений должны произойти несколько событий одновременно.
Оказывается, малый ледниковый период мог начаться задолго до минимума Маундера, еще в середине XIII в. Каспар Амманн, гелиофизик, пристально изучающий взаимосвязь между выделяемой Солнцем энергией и климатом Земли, отмечает, что малый ледниковый период не был одним непрерывным событием, а состоял из «нескольких наступавших и отступавших эпизодов похолодания... причем первый начался в 1250-х гг. и продолжался до 1300 г., после периода средневекового потепления». Ясно, что были и другие причины падения температуры.
Основной виновник, вероятно, вулканическая активность. Существуют достоверные свидетельства об извержениях во время малого ледникового периода, в основном наблюдаемые в ледяных кернах: атмосферные газы, захваченные полярными льдами, можно изучать, чтобы узнать, что происходило в воздухе Земли в определенные периоды в прошлом. Любопытно, что в 1690-х гг. малый ледниковый период стал очень суровым, особенно в Западной Европе — рассказывают о птицах, буквально замерзавших насмерть, сидя на ветвях. Именно в это время в ледяных кернах обнаруживается значительный скачок в содержании серы в атмосферы, что указывает на высокие уровни вулканической активности. Вулканы извергают в атмосферу пыль и газы, отражающие солнечный свет и уменьшающие количество видимого света, достигающего поверхности Земли. От этого планета остывает, так как уменьшается количество тепла, которое может поглощать поверхность.
Само по себе это не могло стать причиной самых суровых эпизодов малого ледникового периода. Но в совокупности с минимумом Маундера, когда температура во всем мире падала, это могло еще больше снизить среднюю температуру Земли.
И все же, если бы это был глобальный эффект, почему Западная Европа пострадала гораздо сильнее, чем другие места?
Оказывается, в этой игре есть и третий игрок. Сейчас будет немного посложнее, так что «пристегните ремни».
Во время минимума солнечных пятен солнечная активность в целом падает. Кроме спада интенсивности излучения в видимой части, Солнце излучает меньше во всем своем спектре, включая ультрафиолетовое излучение. Оказывается, это важно: ультрафиолетовый свет — это то, что помогает создавать озоновый слой на Земле, он превращает обычный атмосферный кислород (O2) в озон (O3). Когда УФ-излучения меньше — меньше озона. А озон очень важен для температурного баланса в верхней части атмосферы, называемой стратосферой. Когда озона много, стратосфера теплее (потому что поглощает УФ-излучение), а когда озона меньше, стратосфера становится холодней.
Большая часть озона, но не весь, образуется в тропиках, на низких широтах вблизи экватора. Это объясняется тем, что в этой части Земля получает больше всего солнечного света и, следовательно, больше всего УФ-излучения. Летом озоновый слой может создаваться как на экваторе, так и на полюсе, потому что все полушарие освещается Солнцем. В этом случае разница в температуре стратосферы на полюсе и экваторе минимальна.
Но зимой на полюсе темно. УФ-излучение совсем не попадает в стратосферу, поэтому озон там не создается. В свою очередь, это означает большую разницу в температуре озонового слоя между экватором и полюсом.
Проблема заключается в том, что к этим перепадам температуры чувствительно высотное струйное течение. Зимой температура между широтами сильно разнится. Это приводит к возникновению сильного высотного струйного течения, устойчиво циркулирующего вокруг земного шара. Но летом, когда разница меньше, высотное струйное течение ослабевает. Вместо того чтобы четко идти по кругу, оно извивается, спускаясь бессистемно в более низкие широты. При этом оно может приносить холодный воздух из Арктики дальше на юг, а теплый воздух с юга на более высокие широты.
Между прочим, в определенных местах на Земле высотное струйное течение, как правило, опускается ниже, чем в других. Одно из таких мест — Западная Европа.
Тогда это самый вероятный сценарий очень резкого похолодания в 1690-х гг. в Европе: вулканическая активность, а также минимум Маундера, привели к снижению температуры на всей планете. Вместе они вызвали похолодание, но не жестокое. Однако снижение солнечной активности означало снижение излучения в ультрафиолетовой области спектра, отчего на Земле стало образовываться меньше озона. Это изменило направление высотного струйного течения, которое принесло необычно холодный арктический воздух в Западную Европу.
И тогда люди смогли кататься по Темзе на коньках.
Следует отметить что, согласно Амманну, в Западной Европе «лето в те годы совсем не было необычным». Получается, что бы ни вызвало такое интенсивное наступление холодов, оно ограничивалось зимним периодом, и это согласуется с описанной выше последовательностью событий.
Как я и сказал, все сложно. Но в этом-то и смысл. Если бы все было просто, мы бы лучше это понимали, и никто бы не спорил о том, как Солнце влияет на климат. По сути, все эти процессы довольно хорошо исследованы в целом, но проблема заключается в масштабе каждого. Насколько меньше ультрафиолета излучало Солнце во время минимума Маундера? Насколько меньше озона образовывалось? Как далеко к югу отклонилось высотное струйное течение? Сколько серы выбросили в воздух вулканы? При изменении любого из этих факторов результат будет другим, поэтому очень сложно узнать, насколько каждый из них влияет на климат.
Важно помнить: несмотря на то что наш климат зависит от Солнца, изменения в суммарной мощности его излучения в 11-летнем цикле активности магнитного поля / солнечных пятен невелики. Они определенно влияют на Землю, но это скорей запальный заряд, а не сам взрыв. Нужны другие катастрофические события — извержения вулканов, столкновения с астероидами, эмиссии CO2 и метана, вызванные деятельностью человека, — чтобы воспользоваться чувствительностью климата Земли и вызвать бедствие. И даже тогда, по крайней мере в данном конкретном случае, проблемы, как правило, ограничены отдельными регионами. Окружающая среда на всей планете так сильно не меняется.
Разумеется, это слабое утешение для людей, которых это затрагивает. И если какой-то конкретный регион очень уязвим или этот регион имеет глобальное значение, тогда последствия могут быть гораздо хуже. Десятилетия суровых зим в США, например, или Китае, могут привести к голоду и экономической депрессии. В результате начинаются войны, а современные войны могут причинить гораздо больше ущерба, чем простой минимум солнечной активности. Когда дело касается потенциальных внеземных источников разрушений, последнее, что нам нужно, это добавлять к ним свои собственные возможности.
Более уместна следующая мысль: может ли такой минимум случиться снова? Да, может. Хуже — не похоже, чтобы такие события были полностью предсказуемы. Ученые, изучающие возникновение длительных минимумов в количестве солнечных пятен, свидетельствуют, что появляются они с нерегулярной периодичностью, следовательно, в долгосрочной перспективе это, по своей сути, непрогнозируемое явление, хотя и существует минимальная возможность предсказать самую ближайшую последовательность в солнечном цикле. Итак, через несколько циклов нас, возможно, ждет следующий минимум или же этого не случится еще 1000 или 10 000 лет. Но, безусловно, очень вероятно, что это случится снова.
Горячие планеты и горячий воздух
Итак, если Солнце на самом деле может влиять на климат Земли, что можно сказать про глобальное потепление? Оно вызвано Солнцем, не людьми?
На эту тему уже было много шума, но ученые на самом деле согласны в следующем: Солнце не является причиной роста температуры, наблюдаемого со второй половины XX в. и до сегодняшнего дня.
На самом деле это несложно продемонстрировать. Количество излучения, поступающего от Солнца, измеримо, и с 1950-х гг. до настоящего момента увеличения интенсивности солнечного излучения не наблюдалось. Другими словами, Солнце не становится ярче в течение всего этого времени, когда на Земле становится теплее. С 1950 г. интенсивность солнечного излучения остается вполне стабильной и очевидно не является причиной глобального потепления. Подавляющему большинству ученых, независимо изучающих это явление, ясно, что за нынешним резким ростом температур во всем мире стоит именно деятельность человека, наша деятельность.
Этот самый существенный факт не останавливает некоторых, заявляющих, что многие другие планеты также переживают глобальное потепление и, следовательно, причиной потепления на Земле никак не может быть деятельность человека. «Единственное, что связывает все планеты, — это Солнце, — говорят они, — и, следовательно, Солнце вызывает это потепление».
Однако это вздор. Они заявляют о том, что Марс, Юпитер, Тритон (спутник Нептуна) и даже Плутон разогреваются. Но у потепления на каждом из этих небесных тел имеются собственные причины, обусловленные их собственной атмосферой и орбитой, и любое упоминаемое в этом контексте потепление не связано с Солнцем.
И давайте проясним: эти объекты находятся на гораздо большем расстоянии от Солнца, чем Земля, и получают пропорционально меньше тепла. Чтобы нагреть Плутон даже на 1 °С, Солнце должно стать настолько ярче и горячей, что это не останется незамеченным — фактически Земля тогда просто зажарится. Так как потепление у нас меньше, чем на один градус, ясно, что потепление на других планетах должно быть вызвано какими-то другими причинами, а не Солнцем.
Светлые перспективы
Мы живем на маленькой планете, где должно сойтись значительное количество факторов, чтобы она стала благоприятной для жизни. Но мы живем около буйной звезды, которая неминуемо сделает все возможное, чтобы нарушить этот баланс. Как это ни парадоксально, слишком сильная солнечная активность способна вызвать мгновенные и глобальные разрушения, но слишком слабая может в долгосрочной перспективе быть не менее разрушительной. Как и в большинстве случаев во Вселенной, это хрупкое равновесие, и отклонение в ту или иную сторону привело бы к катастрофе.
Однако мы уже пережили многие такие колебания. Малый ледниковый период наступил и закончился, и люди спокойно пережили его — они катались на коньках по замерзшей Темзе. Огромные солнечные вспышки наносили серьезный ущерб нашим энергосистемам, но чуть больше внимания, прогнозирование и куча денег помогут избежать полной катастрофы.
Что касается больших колебаний... ну, посмотрим. Их может не быть столетия или даже тысячелетия, а к тому времени у нас, вероятно, уже будет возможность принять меры. Но начинать думать об этом мы должны сейчас, и мы думаем. Умные люди работают именно по этим направлениям, и, несмотря на то что на прояснение всех нюансов может уйти время и по дороге будет много споров, мне кажется, что в конце концов мы разберемся во многих из этих проблем.
Тем временем я по-прежнему наслаждаюсь солнечным деньком... Но я также буду помнить, что у меня за спиной, в нескольких астрономических шагах, находится огромная и мощная звезда. И у нее есть характер.
