Глава 7. Электрическое эхо космических бурь

Возьмем, например, изменения электрического поля атмосферы, в которое мы погружены как в некий электрический океан. Не только температура, степень влажности, давление воздуха, мгла, туманы, облачность или другие метеорологические факторы, как циклоны, грозы и т. д., оказывают влияние на изменения этого поля, но даже и такие ничтожные с виду явления, как неровность почвы, порыв ветра, пыльный вихрь, небольшое, плывущее на высоте облачко, – все эти факторы уже выводят из спокойного положения стрелку измерительного прибора и заставляют ее колебаться. Мало того, на величину напряженности электрического поля в данном месте влияют дым, вылетающий из трубы, снежинки, несущиеся в воздухе, цветочная пыль, реющая на цветущем ржаном поле. Проезжающая мимо телега иногда может настолько изменить электрическое поле, что наблюдения при помощи чувствительного электрометра становятся невозможными.

А. Чижевский. Земля в объятиях Солнца

В начале прошлого века известный российский ученый Александр Леонидович Чижевский высказал парадоксальную для того времени идею о влиянии солнечной активности на неживой мир, биосферу и социальные процессы. Чижевский фактически создал основы новой науки биогелиофизики и положил в ее основу удивительную концепцию «космической погоды», связав ее с хорошо известными фактами о влиянии величины и количества солнечных пятен на полярные сияния и колебания геомагнитного поля, вызывающие магнитные бури.

Так как физические основы подобного воздействия были тогда совершенно неизвестны, взгляды Чижевского многие считали близкими к мистицизму. Это трагически сказалось на судьбе ученого, а его основополагающие труды были изданы лишь спустя много лет.

В книге Чижевского «Земля в объятьях Солнца» впервые было прослежено влияние солнечной активности – «космической погоды» – на биологические и социальные явления: изменение численности животных, возникновение эпидемий и даже начало войн и революций. Сегодня многое из этой работы имеет скорее исторический интерес, но солнечно-земные связи, о которых впервые заговорил Чижевский, привлекают все более пристальное внимание исследователей. Особенно интересны следующие суждения ученого о том, что нет ни одного метеорологического явления, которое бы не было связано с известными изменениями атмосферного и земного электричества и геомагнетизма. Очень часто бывает даже трудно определить, что является причиной, а что представляет собою следствие. Быть может, в электрических и магнитных явлениях и нужно искать саму причину метеорологических пертурбаций.

Как бы там ни было, изучение электрических и магнитных явлений, развертывающихся в атмосфере и литосфере, представляет очень большой интерес и для понимания многих явлений биологических. Поэтому мы сосредоточим внимание на этой категории внешних влияний, представляющих, однако, во всех отношениях выдающийся интерес, а именно о влиянии некоторых электрических и магнитных феноменов на изолированные нервы и целые организмы. Наконец, коснемся вопроса и о биологическом влиянии поляризованного света.

А. Л. Чижевский (1897–1964).

Постараюсь наметить ряд влияний физико-химической среды, окружающей организм, – влияний, которыми обычно пренебрегали, но которые в ближайшее время необходимо будет исследовать экспериментально. Физиология еще до сих пор не дает нам ответа на ряд важных вопросов, связанных с этой проблемой. Сложнейшая обстановка для осуществления опытов тормозит их решение, которого мы ждем и которое должно будет сыграть роль не только в физиологии, но, быть может, и в социологических, и вообще гуманитарных дисциплинах.

Время подтвердило правоту слов Чижевского о том, что Земля находится в объятиях Солнца. Силовые линии межпланетного магнитного поля, начинаясь на поверхности Солнца, за счет его вращения изгибаются в пространстве и соединяют светило с Землей. Солнечный ветер – радиальный поток ионов и электронов, – «дующий» со скоростью до 450 км/с, сносит магнитосферу Земли в ночную сторону а на дневной стороне образует околоземную ударную волну. Чижевский замечал, что пертурбации метеорологических или геофизических факторов, зависящие от пертурбации в деятельности Солнца, охватывают с молниеносной быстротой огромные территории и могут оказывать мгновенное влияние на население целых стран или даже материков, повышая или понижая степень их возбудимости. Ученый писал, что магнитные бури движутся со скоростью 225 км/с, ход вариаций атмосферного электричества показывает, что однородные наступают почти одновременно во многих очень удаленных одна от другой местностях, то же можно сказать и о радиоактивных эманациях в воздухе, и так далее. Но мы не знаем, какие агенты внешней среды оказывают свое влияние на степень возбудимости нашего организма.

Солнце является мощным генератором электромагнитных колебаний самых разных частот, и каждой частоте соответствует своя длина волны. В солнечном спектре заключены и невидимые лучи: инфракрасные и ультрафиолетовые, а также рентгеновские с длиной волны в стомиллионные доли сантиметра; много в нем и обычных радиоволн. Каждый однородный солнечный луч, состоящий из фотонов – частиц света – одной частоты несет вполне определенную энергию. При этом есть лучи сравнительно малой энергии (видимый свет, инфракрасные лучи и радиоволны и лучи, обладающие большой энергией: ультрафиолетовые и рентгеновские). Естественно, поведение лучей зависит от их энергии – так, наиболее активны самые энергичные коротковолновые. Например, ультрафиолетовое излучение вступает в реакции с пигментом человеческой кожи и приводит к появлению золотистого загара. Эти лучи обеспечивают разнообразные красители, имеют сильное бактерицидное действие, убивая микробы.

Чтобы понять причины солнечной активности, придется познакомиться поближе с магнитным полем Солнца. В период минимума активности конфигурация солнечного магнитного поля близка к дипольной и похожа на форму магнитного поля Земли. При приближении к максимуму активности структура магнитного поля по не вполне понятным причинам усложняется. Одна из наиболее красивых гипотез гласит, что при вращении Солнца магнитное поле как бы навивается на него, постепенно погружаясь под фотосферу.

По мере удаления от Солнца плотность солнечного ветра ослабевает, и наступает момент, когда он оказывается больше не в состоянии сдерживать давление межзвездного вещества. В процессе столкновения образуется несколько переходных областей. Сначала солнечный ветер тормозится, уплотняется и закручивается в вихревой поток на границе ударной волны в 90 астрономических единицах от светила (а. е. – расстояние Земли от Солнца). Еще приблизительно через 40 а. е. солнечный ветер сталкивается с межзвездным веществом и окончательно останавливается. Эта граница, отделяющая межзвездную среду от вещества Солнечной системы, называется гелиопаузой. По форме она похожа на пузырь, вытянутый в противоположную движению Солнца сторону. Область пространства, ограниченная гелиопаузой, называется гелиосферой.

Со временем, в течение солнечного цикла, магнитный поток, накопленный под поверхностью, становится таким большим, что жгуты силовых линий начинают выталкиваться наружу. Места выхода силовых линий образуют пятна на фотосфере и магнитные петли в короне, видимые как области повышенного свечения плазмы. Величина поля внутри солнечных пятен достигает величин в сто раз больше, чем поле спокойного Солнца.

Интуитивно энергию магнитного поля можно связать с длиной и количеством силовых линий: их тем больше, чем выше энергия. При подходе к солнечному максимуму накопленная в поле огромная энергия начинает периодически взрывным образом высвобождаться, расходуясь на ускорение и разогрев частиц солнечной короны. Резкие интенсивные всплески коротковолнового электромагнитного излучения Солнца, сопровождающие этот процесс, носят название солнечных вспышек.

Поток солнечного ветра обтекает Землю, формируя магнитосферу, а межпланетное магнитное поле играет роль ключа, открывающего ее и соединяющего геомагнитное поле с солнечным магнитным полем. Солнечная активность, как настроение человека, передается Земле через эти объятия. С технической точки зрения магнитосферу удобно представить себе как совокупность электрических токов, текущих по цепи, в которой различные области магнитосферы и ионосферы играют роль резисторов и конденсаторов.

Так как движущееся магнитное поле создает динамо-эффект, магнитное соединение магнитосферы с межпланетным магнитным полем, вмороженным в поток солнечного ветра, эквивалентно подключению к нашей схеме электродвижущей силы, возрастающей в несколько раз во время магнитных бурь. Нетрудно подсчитать, что средняя мощность магнитосферной цепи (суммарная сила всех токов близка к 10 млн А) составляет величину, равную мощности всей мировой электроэнергетики. Таким образом, Земля фактически находится в середине исполинской электроустановки. Последствия подобного соседства для человека и современной техники являются темой множества междисциплинарных научных исследований.

Наряду с Чижевским большое внимание теоретическому анализу солнечно-земных связей уделял Владимир Иванович Вернадский, один из создателей философского учения космизма и биогеохимии, а также основоположник космонавтики Константин Эдуардович Циолковский. Так, академик Вернадский много писал о влиянии вариаций околоземной гелиосферы на земные явления, уделяя при этом особое внимание влиянию изменений солярной радиации на химический состав геологических и органических отложений. В настоящее время благодаря космическим исследованиям природа нашей зависимости от Солнца стала более понятной, а предупреждения о влиянии солнечных вспышек и магнитных бурь на состояние здоровья и работоспособность технических систем стали частью нашей жизни.

С приближением к очередному максимуму солнечной активности термин «космическая погода» прочно завоевал свое место как в научной литературе, так и в средствах массовой информации. Фундаментальная наука в очередной раз стала основой для прикладных исследований, ориентированных на непосредственные нужды общества. Подобно тому как метеорологический прогноз опирается на исследования физики атмосферы и океана, прогноз космической погоды основывается на наших знаниях о Солнце и околоземном пространстве. Чтобы познакомиться ближе с увлекательным миром солнечно-земных связей, где органично сочетаются стабильность и изменчивость, нам придется погрузиться в океан плазмы – газа заряженных частиц, заполняющего всю Солнечную систему. Однако прежде нужно хотя бы поверхностно познакомиться с законами, управляющими этим миром.

Хотя практически везде в Солнечной системе концентрация плазмы так мала, что заряженные частицы пролетают от Солнца до Земли, не испытав ни одного столкновения, они все же взаимодействуют друг с другом с помощью электромагнитных полей как внешних, так и созданных самими зарядами. Ионы и электроны свободно движутся по силовым линиям вдоль направления магнитного поля, но их смещение в поперечном направлении затруднено: частицы, подчиняясь силе Лоренца, как бы навиваются на силовую линию, при этом чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус спирали. Поэтому даже соседние силовые линии можно считать электрически изолированными друг от друга. Такое поведение позволяет оперировать силовыми линиями как реальными объектами, а заряженные частицы выделяют их так же, как железные опилки позволяют увидеть конфигурацию поля обычного магнита, лежащего на столе. При этом магнитное поле, энергия которого больше энергии движения частиц, тащит частицы и само увлекается плазмой, если энергия ее движения превосходит магнитную.

Астрономы всего мира уже давно пытаются понять причину колоссальной разницы температур на поверхности Солнца и в его короне. Температура на поверхности достигает 10 тысяч градусов, а в короне – 3 млн. Фантастические фонтаны огня, вылетающие с поверхности Солнца, могут стать ключом, который поможет объяснить загадку солнечной атмосферы. Фонтаны огня представляют собой петлевые потоки наэлектризованного газа, который и раскаляет атмосферу Солнца до температуры в несколько миллионов градусов. Последние исследования ясно показали, что максимальная температура петли достигается на высоте приблизительно 16 тысяч км, что и вызывает колоссальное нагревание короны Солнца.

Астрономы давно уже считали причиной высокой температуры солнечной короны вихревые магнитные поля неизвестной природы, поднимающие гигантские протуберанцы и петли солнечной плазмы над фотосферой. Подробные наблюдения корональных пятен свидетельствуют, что нагревание происходит у основания петель там, где они соединяются с поверхностью Солнца.

Поток энергии Солнца, питаемый термоядерной реакцией в его центре, к счастью, исключительно стабилен, не в пример большинству других звезд. Большая его часть, в конце концов, испускается тонким поверхностным слоем Солнца – фотосферой – в виде электромагнитных волн видимого и инфракрасного диапазона.

Над фотосферой расположена корона Солнца – зона, видимая с Земли только во время солнечных затмений и заполненная разреженной и горячей плазмой с температурой в миллионы градусов. Это самая нестабильная оболочка Солнца, в которой зарождаются основные проявления солнечной активности, влияющие на Землю. Косматый вид короны Солнца демонстрирует структуру его магнитного поля – светящиеся сгустки плазмы вытянуты вдоль силовых линий. Горячая плазма, истекающая из короны, формирует солнечный ветер – поток ионов, в основном состоящий из ядер водорода протонов и электронов, а также ядер гелия, альфа-частиц, – разгоняющийся в межпланетное пространство со скоростью 400–800 км/с.

Видимая поверхность Солнца выстелена настоящим магнитным ковром из десятков тысяч северных и южных магнитных полюсов, соединенных петлями линий магнитного поля и простирающихся в солнечную корону. Компьютерное картографирование солнечной поверхности показывает большое число сгущений магнитных силовых линий, соединяющих на солнечном ландшафте области сильного магнитного поля. Эти небольшие области сильного поля появляются, делятся и исчезают, происхождение их загадочно, и их сложно уложить в современные теории солнечного магнитного поля.

На поверхности Земли вспышки регистрируются в видимом диапазоне как небольшие увеличения яркости отдельных участков солнечной поверхности. Однако уже первые измерения, выполненные на борту космических аппаратов, показали, что наиболее заметным эффектом вспышек оказывается значительное (до сотен раз) увеличение потока солнечного рентгеновского излучения и энергичных заряженных частиц – солнечных космических лучей. Во время некоторых вспышек происходят также выбросы значительного количества плазмы и магнитного поля в солнечный ветер – так называемых магнитных облаков, которые начинают быстро расширяться в межпланетное пространство, сохраняя форму магнитной петли с концами, опирающимися на Солнце. Плотность плазмы и величина магнитного поля внутри облака в десятки раз превосходят типичные для спокойного времени значения этих параметров в солнечном ветре.

Известно, что почти дипольное магнитное поле внутренней магнитосферы Земли создает особые зоны «магнитных бутылок», в которых заряженные частицы могут захватываться на длительное время, вращаясь вокруг силовых линий. При этом частицы периодически отражаются от околоземных концов силовой линии (где магнитное поле увеличивается) и медленно дрейфуют вокруг Земли по окружности. В наиболее мощном внутреннем радиационном поясе хорошо удерживаются высокоэнергетические протоны, и дозы облучения, которые можно получить при его пролете, настолько велики, что долго в нем рискуют находиться только автоматические научно-исследовательские спутники. Пилотируемые корабли располагаются на более низких орбитах, а большинство спутников связи и навигационных космических аппаратов находится на орбитах выше этого пояса. Наиболее близко к Земле внутренний пояс подходит в точках отражения.

Из-за наличия магнитных аномалий (отклонений геомагнитного поля от идеального диполя) в тех местах, где поле ослаблено (над так называемой Бразильской аномалией), частицы достигают высот 200–300 км, а в тех, где оно усилено (над Восточно-Сибирской аномалией), – 600 км. Над экватором пояс отстоит от Земли на 1500 км. Сам по себе внутренний пояс довольно стабилен, но во время магнитных бурь, когда геомагнитное поле ослабевает, его условная граница спускается еще ближе к Земле. Поэтому положение пояса и степень солнечной и геомагнитной активности обязательно учитываются при планировании полетов космонавтов и астронавтов, работающих на орбитах высотой 300–400 км.

Еще один важный и самый нестабильный источник космической радиации – солнечные космические лучи. Протоны, электроны и альфа-частицы высокой энергии заполняют Солнечную систему только на короткое время после солнечных вспышек, но интенсивность частиц делает их главным источником радиационной опасности во внешней магнитосфере, где геомагнитное поле еще слишком слабо, чтобы защитить спутники. Солнечные частицы на фоне других, более стабильных источников радиации, ответственны за кратковременные ухудшения радиационной обстановки во внутренней магнитосфере, в том числе и на высотах, используемых для пилотируемых космических и суборбитальных полетов.

Наиболее глубоко в магнитосферу энергичные частицы проникают в приполярных районах, по скольку частицы здесь могут большую часть пути свободно двигаться вдоль геомагнитных силовых линий, почти перпендикулярных к поверхности Земли. Приэкваториальные районы более защищены: там геомагнитное поле, почти параллельное земной поверхности, изменяет траекторию движения частиц на спиральную и уводит их в сторону. Поэтому трассы полетов, проходящие в высоких широтах, значительно более опасны с точки зрения радиационного поражения, чем низкоширотные. Эта угроза относится не только к космическим аппаратам, но и к авиации. На высотах свыше десяти километров, где проходит множество авиационных маршрутов, общий фон космической радиации уже настолько велик, что годовая доза, получаемая экипажами, оборудованием и часто летающими пассажирами, должна контролироваться по правилам, установленным для радиационно-опасных видов деятельности. Сверхзвуковые самолеты, поднимающиеся на еще большие высоты, имеют на борту счетчики радиации и обязаны лететь, отклоняясь к югу от кратчайшей северной трассы перелета между Европой и Америкой, если текущий уровень радиации превышает безопасную величину. Однако после наиболее мощных солнечных вспышек доза, полученная даже в течение одного полета на обычном самолете, может быть больше, чем доза сотни флюорографических обследований, что заставляет всерьез рассматривать вопрос о полном прекращении полетов в такое время. К счастью, всплески солнечной активности подобного уровня регистрируются реже, чем один раз за одиннадцатилетний солнечный цикл.