Недавно завершился пик текущего солнечного цикла, который, хотя и не стал рекордным, значительно превзошел ожидания. Он принес нашей планете несколько крупных солнечных вспышек и мощных магнитных бурь. В то же время, наблюдения показывают, что в XXI веке солнечная активность может достичь еще больших значений, чем в прошлом столетии.
О том, насколько возможно прогнозировать солнечную активность, можно ли на ее основе предсказывать ледниковые периоды, действительно ли геомагнитные бури вредны для человека, а также о предпочтении российского научного сообщества к революционным проектам и будущей космической погоде на ближайшие десять лет, рассказал в интервью Денису Кайырану, специальному корреспонденту, руководитель Лаборатории солнечной астрономии Института космических исследований (ИКИ) РАН Сергей Богачев.
Интервью с Сергеем Богачевым
О работе лаборатории
— Чем занимается ваша лаборатория?
Направление нашей лаборатории естественно связано с деятельностью Института космических исследований. Космос огромен, но его можно разделить на категории: галактики, звезды, Луна, планеты. Мы специализируемся на Солнце. В современном мире изучение Солнца во многом воспринимается как прикладная наука. Ученые часто задаются вопросом о его влиянии на Землю, поэтому физика Солнца смещается в сторону изучения солнечно-земных связей. Нас часто спрашивают о телескопах, но у нас их нет; мы работаем с данными, полученными из космоса. Кроме того, лаборатория обладает производственными мощностями: мы разрабатываем приборы, создаем электронику и проводим их испытания.
— На вашем сайте в основном публикуется информация о вспышках на Солнце и их последствиях для Земли. Какую долю от задач лаборатории занимает эта работа?
Эта деятельность востребована, но, как ни странно, является второстепенной. Основная наша задача — это фундаментальная наука, которая может быть не так заметна, как подводная часть айсберга. Например, сейчас мы активно исследуем малые вспышки на Солнце. Это можно сравнить с тем, что общая масса бактерий на Земле намного превышает массу всех слонов. Существует гипотеза, что и на Солнце самые крупные вспышки, которые мы наблюдаем, составляют лишь малую часть реальной энергии, а скрытую часть мы не видим из-за недостаточной чувствительности приборов. Косвенные признаки подтверждают это. Например, солнечная корона имеет температуру в миллионы градусов, но ее температура не падает при исчезновении больших вспышек. Это означает, что ее нагревает что-то еще, «невидимое глазу». Конечно, мы стремимся увидеть эти скрытые процессы. Поэтому мы активно работаем, доказывая необходимость запуска высокоточных телескопов в космос, способных наблюдать такие явления. Мы также ведем теоретические исследования и, возможно, являемся одной из ведущих групп в мире, занимающихся этими вопросами.
О пике солнечной активности
— Пик солнечной активности текущего цикла, по всей видимости, пройден. Так ли это, или есть нюансы?
На данный момент мы считаем возвращение к пиковым значениям прошлого года невозможным, поскольку наблюдаемое снижение солнечной активности уже превышает все возможные случайные отклонения. Например, за первое полугодие прошлого года было зафиксировано более 30 вспышек высшего Х-уровня, тогда как в этом году за тот же период их всего 10. Максимальная вспышка в прошлом году достигала Х8.7, а в этом — Х2, то есть она в четыре раза слабее. Есть и другие признаки: на Солнце сейчас много корональных дыр, характерных для минимума активности, и значительно уменьшилось число солнечных пятен. Для специалиста по физике Солнца это столь же очевидные признаки, как пожелтение листьев или сокращение светового дня к осени.
Некоторые указывают на то, что в солнечных циклах часто бывает два максимума, предполагая, что мы прошли первый и движемся ко второму. Это возможно, но, во-первых, не бывает таких глубоких провалов между максимумами. Кроме того, два максимума наблюдаются примерно в половине циклов, а не всегда. Мы полагаем, что максимум в этом цикле был один, и он пройден; сейчас идет медленная, но устойчивая фаза спада.
— Каким был прошедший максимум по сравнению с предыдущими?
Самым мощным за всю историю наблюдений был 19-й цикл с пиком в 1958 году, который совпал с так называемым вековым максимумом. Текущий цикл, по прогнозам нескольких лет назад, должен был совпасть с вековым минимумом. Все предсказания указывали на очень низкую активность, но они не оправдались: зарегистрированная активность оказалась примерно вдвое выше ожиданий. Прошедший цикл заметно, примерно на 50%, превосходит предыдущий. Но он все же не рекордный; до максимумов середины XX века он не дотягивает те же 50%. Так что, хотя цикл был неожиданно сильным, если кто-то считает, что пережил нечто исторически беспрецедентное, то это не так – ничего выдающегося в этом цикле не произошло.
Более того, если говорить о XXI веке, самый активный период пришелся на 2001–2003 годы. Тогда были очень сильные магнитные бури и, что главное, исключительно мощные вспышки уровня до Х40. В прошедшем же цикле не было ни одной вспышки даже уровня Х10. Мы не пережили ничего рекордного, но, возможно, в следующем цикле природа возьмет свое.
Долгосрочные прогнозы
— Можно ли на основе данных о прошедших циклах сделать долгосрочный прогноз?
С одной стороны, предсказывать солнечный цикл кажется простым, поскольку он 11-летний. Кажется, зачем его предсказывать: пик был в 2014-м, добавляем 11 лет – получаем 2025-й, еще 11 лет – 2036-й. И так можно прогнозировать хоть на миллион лет вперед. Но это не совсем корректно, потому что, во-первых, существуют флуктуации: следующий пик может быть и через 10, и через 9, и через 12 лет. Но главное не это. Радиолюбители поймут: в радиопередаче есть несущая частота и огибающие модуляции, на которых шифруется сигнал. Вот несущая частота (11 лет) работает более-менее стабильно. А модуляция, определяющая высоту цикла, меняется довольно значительно. За 25 наблюдавшихся циклов видно, что такие огибающие существуют. Есть даже признаки того, что эта огибающая развивается по столетнему циклу.
Но какова природа этой огибающей и по каким законам она развивается, мы не знаем. Помимо столетней, может быть и тысячелетняя, и даже миллионнолетняя. В целом мы понимаем, что такой процесс существует, и если в какой-то момент совпадут вековой, обычный, тысячелетний и стотысячелетний минимумы, возможен глобальный провал активности. Например, новый минимум Маундера (период с 1645 по 1715 год, когда на Солнце было крайне мало пятен), что может привести к ледниковому периоду. А если, наоборот, совпадут все максимумы, то могут произойти новые события Кэррингтона (мощнейшая вспышка и геомагнитная буря 1859 года) или события Миякэ (периоды значительного повышения радиоактивного изотопа углерода в атмосфере в 773 и 993 годах).
По-видимому, нижнюю точку векового цикла мы все же прошли в предыдущем цикле, и сейчас активность растет, а все ближайшие последующие циклы будут более сильными. Поэтому, если вы спрашиваете мой прогноз на ближайшие 20-30 лет, я считаю, что мы будем наблюдать значительный рост, и каждый новый цикл будет все мощнее. Однако природа славится своей непредсказуемостью, и возможно, все произойдет наоборот.
— Достигнет ли солнечная активность значений 2001-2003 годов или вообще рекордов середины прошлого века?
Возможно, активность будет даже сильнее, поскольку мы не знаем, какие глобальные огибающие влияют на этот процесс. Вековые максимумы, имеющие свою собственную огибающую, тоже могут расти. Вполне вероятно, что вековой максимум середины XXI века будет выше, чем вековой максимум прошлого столетия. Но здесь мы вступаем на территорию, где у нас нет достаточных данных. Проблема еще в том, что солнечные вспышки не оставляют следов. Например, если метеорит упал миллион лет назад, мы находим кратеры и получаем всю информацию о нем. Солнечная же вспышка, произошедшая миллион лет назад, не оставит на Земле абсолютно никаких следов. Даже вся произведенная ею радиоактивность полностью рассеется. Таким образом, у нас нет информации о солнечной активности старше 10 тысяч лет. Поэтому, к сожалению, наши предсказания достаточно неуверенны.
— Откуда тогда у ученых данные о солнечной активности старше 10 тысяч лет?
В основном данные получены по радиоактивному углероду C-14. Это хорошо известный элемент, который образуется из азота, и его производство стимулируется солнечной активностью. Углерод — основа всего вокруг нас, всей жизни. Он легко поглощается растениями или накапливается в антарктических льдах. События Миякэ были обнаружены по годичным кольцам деревьев. На срезе можно увидеть, что в определенный год произошел пик невероятной мощности. Именно отсюда мы знаем, что на Солнце могут происходить вспышки в сотни и тысячи раз мощнее событий Кэррингтона. Вспышка Кэррингтона, точная дата которой нам известна, не оставила никаких следов в кольцах деревьев. А событие 773 года нашей эры оставило такую радиоактивность, что мы видим этот след спустя более тысячи лет.
— Есть ли шанс как-то приблизиться к пониманию огибающих модуляций?
Прогресс в любой науке возможен только после создания адекватной физической модели. Пока вы собираете данные наугад, вы, конечно, что-то узнаете, но это знание слепца, ощупывающего предмет. Как только вы поймете физику процесса, картина, безусловно, станет намного яснее. Сейчас ясно, что в физике Солнца действует механизм, называемый динамо-механизмом. Но параметры, управляющие им, остаются непонятными. Возможно, это планеты своей гравитацией раскачивают Солнце, или какие-то внутренние колебания ядра Солнца. Можно лишь гадать, так как нет ни одной обоснованной гипотезы.
— Следующий пик будет через 9-10 лет. Все это время Солнце будет спокойно?
Здесь уместно провести аналогию с обычным климатом. Например, мы все знаем, что температура постепенно растет от зимы к лету. Но это не исключает, что в мае может выпасть снег, или что на фоне общего осеннего снижения температуры вдруг наступит жара в сентябре. Примерно то же самое происходит и в солнечном цикле. Цикл будет медленно снижаться около четырех лет. В этот период возможны неожиданные, очень сильные события: мощные вспышки и бури. В двух предыдущих циклах рекордные события происходили не в пик, а через 2-3 года после него. Самая сильная вспышка XXI века, балла X40, случилась в 2003 году, тогда как максимум был в 2001-м. А самая сильная вспышка следующего цикла – в 2017-м, спустя три года после пика. По-настоящему «мертвыми» обычно бывают всего два-три года. В предыдущем цикле это были 2018-2020 годы, в этом — примерно 2029-2030 годы, возможно, частично 2031-й.
Солнечная активность и климат
— Можно ли научиться предсказывать ледниковые периоды, если понять, как этот механизм работает?
Это довольно умозрительная тема. Важно понимать, что Солнце как источник тепла и света светит достаточно стабильно: как светило миллион или даже сто миллионов лет назад, так и светит. То есть общая светимость Солнца не влияет на климат Земли. Считается, что главный фактор, регулирующий температуру на Земле, — это парниковые газы. Они пропускают свет к Земле, но не выпускают обратно тепло Земли, тем самым повышая ее температуру. В нашу современную эпоху средняя температура Земли должна быть около -15 градусов, но она составляет +15, то есть повышена примерно на 30 градусов по сравнению с тем, что дает нам Солнце. И это повышение обусловлено именно парниковыми газами. Парниковые газы, в основном трехатомные молекулы — водяной пар, CO2 (углекислый газ), O3 (озон), — находятся на больших высотах, где солнечное излучение довольно активно, и поэтому очень чувствительны к солнечной активности.
Поскольку изменения солнечной активности могут влиять на парниковые газы, гипотеза о том, что вспышки могут регулировать климат на Земле, правдоподобна и в целом широко распространена. Подтвердить ее трудно, потому что мы, к счастью, лично не пережили ни одного ледникового периода. Но были так называемые малые ледниковые периоды — климатические депрессии в Средние века. Они подтверждены воспоминаниями современников, которые описывали снег в июне, неурожаи. И как минимум одна такая депрессия, произошедшая в период активного изучения Солнца, совпадает с периодом низкой солнечной активности. Так что, понимая солнечную активность, предсказывать ледниковые периоды возможно, но мы ее пока, к сожалению, не понимаем. Именно над этим мы и работаем.
Влияние магнитных бурь на человека
— Еще более спекулятивный вопрос. Многие люди считают, что вспышки, магнитные бури влияют на самочувствие, в основном негативно. Как вы относитесь к такому представлению?
На самом деле, поражает поляризация мнений по этому вопросу, которая порой приводит к агрессивным спорам. Как ученый, я не люблю крайние точки зрения и хотел бы поправить обе. Людям, которые утверждают, что это все ерунда, говоря «вы не боитесь ездить в трамвае, а бурь боитесь», мы обычно советуем ознакомиться с нормами СанПиН. Это государственный документ, где прямо указано, что переменные магнитные поля вредны для человека. Более того, там есть нормы по защите. Конечно, не от магнитных бурь, а от переменных магнитных полей.
Бывает и другая крайность: люди, которые любое свое самочувствие пытаются объяснить внешними факторами. Это тоже не очень правильно, особенно если заниматься самолечением. Физика видит механизмы влияния магнитных бурь на человека. Переменные магнитные поля формируют вихревые электрические токи не только в технике, но и в организме человека. На уровне техники это влияние зафиксировано экспериментально, достоверно подтверждено, его можно измерить. К человеку амперметр не подключишь, поэтому подтвердить это влияние для человека гораздо сложнее. Этой тематикой профессионально занимаются врачи-кардиологи. На мой взгляд, это правильно, потому что если бы я, как физик, смотрел на человека, то, конечно, в первую очередь, вихревые токи влияют именно на кровеносную систему, где много ионов и плазма крови. Однако конкретные рекомендации, или точный уровень бури, при котором следует скрываться, а при каком можно жить спокойно, я дать не готов.
Развитие наблюдений за Солнцем
— Как изменились средства наблюдения за Солнцем с начала космической эры до сегодняшнего дня?
Главное, что принесла космическая эра, это сама возможность выводить приборы в космос. Земная атмосфера, к нашему общему счастью, довольно хорошо защищает от вредоносных излучений, радиации, жестких длин волн и частиц. Но для астрономии она защищает слишком хорошо: если смотреть с Земли, то просто ничего не увидишь. Чтобы наблюдать солнечные вспышки во всем их многообразии, в том числе вредоносном, приборы должны работать в космосе. Конечно, очень важен прогресс в электронике. Все, кто пользуется мобильными телефонами, видят, как растет число мегапикселей в камерах. В некотором смысле, космический телескоп — это большой фотоаппарат. И в значительной степени те удивительные снимки и та точность, с которой сейчас можно получать изображения Солнца, обеспечены прогрессом в электронике, в детекторах, в средствах обработки и хранения информации.
Сама оптика, из которой состоит телескоп — труба, зеркала, стекла, — как ни странно, за последние 100 лет почти не изменилась. Более того, на Земле существует множество обсерваторий с телескопами, оптика которых была создана еще в прошлом веке. Им просто обновили детекторы, и они прекрасно справляются с астрономическими задачами. Ну и, конечно, прогресс в компьютерах. Например, солнечный телескоп SDO, самый известный сейчас, ежедневно передает два терабайта изображений Солнца. Их совершенно невозможно просмотреть и осмыслить вручную. Конечно, без компьютерных средств обработки изучить было бы почти ничего невозможно.
— Какими возможностями спутникового мониторинга Солнца обладает Россия? Какими данными вы пользуетесь?
Последняя собственная солнечная обсерватория Российской Федерации, «Коронас-Фотон», завершила работу 30 ноября 2009 года. С тех пор основным источником данных являются открытые зарубежные источники. Я бы хотел отметить Росгидромет: они стараются исправить ситуацию, устанавливая солнечные приборы на свои метеорологические спутники. Однако это очень простые приборы второго эшелона. Они могут служить дополнением к крупным телескопам, но самостоятельно не способны формировать полноценный прогноз космической погоды.
— Вы говорили, что продвигаете идею о том, что нужен собственный телескоп. Именно об этом идет речь?
Да. Этот вопрос остро встал перед сообществом в 2009 году, когда прекратил работу отечественный солнечный спутник «Коронас-Фотон» и потребовалась замена. Тогда высказывались идеи, которые лично мне казались правильными, о повторении этого аппарата на более высоком техническом уровне. Речь шла о концепции установки большого количества мониторинговых приборов на одном спутнике. Однако была выбрана другая предложенная концепция — создать нечто совершенно новое, революционное. Поддержку получил проект «Интергелиозонд», в рамках которого спутник должен был лететь к Солнцу, закрываться тепловым щитом, а затем выходить из плоскости эклиптики, используя гравитационное поле Венеры! К сожалению, в нашем менталитете считается, что для запуска проекта он должен быть отчасти революционным, чтобы его идея захватывала дух. Во многом такой подход здесь и навредил. Проект шел довольно тяжело, а в последние годы, к сожалению, практически замер. По моему мнению, он в значительной степени надорвался под собственным весом. В последних докладах о программе фундаментальных и технологических космических исследований Российской академии наук аппарат «Интергелиозонд» уже не упоминается. В то же время, даже если речь идет о его закрытии, я считаю, что созданный в его рамках задел (приборы, макеты) должен быть сохранен и передан в новый проект, чтобы тот стартовал не с нуля. Собственная солнечная обсерватория стране нужна в любом случае, и сроки ее создания имеют существенное значение.
В качестве примера другой концепции можно привести ведущую зарубежную солнечную обсерваторию SDO, без данных которой сегодня не обходится ни одна научная статья по физике Солнца. Главный прибор SDO, называемый AIA, — это просто четыре телескопа, хотя и очень хороших, качественных. В нашей системе такой проект, как ни грустно, почти наверняка не получил бы поддержку: сказали бы, что он не решает никаких принципиально новых задач. Говоря о будущем, я думаю, нам нужен относительно простой и качественный спутник-монитор с хорошими современными солнечными телескопами, фотометрами, детекторами частиц и мониторами солнечного ветра. Запускать его, по-видимому, следует в точку L1, где уравновешивается влияние гравитации Солнца и Земли. Научное сообщество поддерживает такую концепцию и такую орбиту. Все необходимые приборы мы можем изготовить. А те, что не можем, знаем, где их можно просто купить «под ключ».
В качестве некоего суррогата сейчас мы активно работаем над наноспутниками. Но приборы, которые мы можем на них установить, очень простые, способные обеспечить лишь минимальный уровень исследований. Для полноценных исследований, конечно, нужен большой спутник.
Возможности приборостроения
— Какими возможностями в области приборостроения обладает ваша лаборатория?
В основном, работа ведется в рамках государственного заказа. Сейчас, к сожалению, по физике Солнца нет крупных проектов, которые реализовывались бы в «железе»; в основном идет эскизное проектирование и научно-исследовательская работа. Нашу страну затронула мировая тенденция к малым спутникам, так называемым кубсатам. Мы разрабатываем для них приборы. В 2023 году был крупный запуск, в ходе которого пять наших приборов отправились в космос, два из них до сих пор функционируют, и мы получаем с них данные. Сейчас мы создаем новые приборы для кубсатов, но запустить их раньше 2027 года, почти наверняка, не получится.
— Могут ли у вас заказывать приборы космические «частники»?
Научным организациям разрешено заниматься хозяйственно-договорной деятельностью в дополнение к государственным заданиям. Мы также участвуем в такой деятельности. Были случаи, когда мы производили что-то не для себя, а для других организаций. У нас есть уникальные компетенции в области детекторов и оптики. Такая работа ведется, но, в основном, ради финансовой поддержки и сохранения коллектива. К сожалению, к той науке, которой мы сами занимаемся — физике Солнца, — такая посторонняя деятельность не способствует развитию.
Дмитрий Верхов