Смерть с небес

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^[7].

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^[8], 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^[9].

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^[10]. 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^[11].

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.