Мы увидели полярное сияние в Москве. Планета защищается

От чего? Объясняем, что происходит в космосе и на Земле, уникально ли это и опасно ли

В ночь на 24 апреля в Москве, Франции, Польше и даже в Мексике было видно северное сияние (вообще его можно видеть у обоих полюсов, так что правильнее говорить «полярное сияние»). Не стоит пугаться, если вы видите его в небе: это значит, что естественная система обороны нашей планеты прямо сейчас выдерживает очередную атаку, защищая и вас, и все живое на Земле. Рассказываем, как она работает и от каких именно угроз защищает.

Чтобы не пропускать главные материалы «Холода», подпишитесь на наш инстаграм и телеграм.

Угроза

Космическая радиация — самая трудноустранимая опасность в межпланетном пространстве. От вакуума можно закрыться в герметичном космического корабле, а вот от радиации спастись гораздо сложнее. Космонавт, который отправится в 180-дневное путешествие к Марсу, получит дозу примерно в 350 миллизиверт — это все равно как если бы он раз в четыре дня делал компьютерную томографию брюшной полости.

Эту дозу создают несколько сортов космической радиации. Поставить заслон от электромагнитного ионизирующего излучения (ультрафиолет, рентгеновское и гамма-излучение) относительно просто, а на Земле его почти полностью блокирует атмосфера. Намного опаснее для живых организмов заряженные частицы высоких энергий — протоны, электроны и ионы кислорода, углерода, железа и более тяжелых элементов (и для электроники космических аппаратов: российская межпланетная станция «Фобос-Грунт», по официальной версии, была потеряна из-за того, что в ее бортовой компьютер попали тяжелые заряженные частицы).

От тяжелых частиц не сможет защитить и обычная толстая стена, поскольку в ней под действием тяжелого иона возникает целый поток новых частиц, способных нанести ущерб вашим клеткам и молекулам ДНК. Когда такие частицы попадают в атмосферу, они порождают целые дожди короткоживущих частиц, так называемые широкие атмосферные ливни.

Источников космических частиц в околоземном пространстве два: Солнце, которое является источником солнечного ветра — потока заряженных частиц, в основном протонов, электронов и ядер гелия, и галактическое пространство — именно оттуда в основном прилетают самые опасные тяжелые частицы. Их называют галактическими космическими лучами.

Атмосфера не только не способна защитить нас от них, она и сама нуждается в защите. Именно солнечный ветер, как считается, «сдул» в древности марсианскую атмосферу, когда она осталась без защиты. Что же спасает жителей Земли от непрерывной компьютерной томографии?

Защита

Наш главный щит — это естественное магнитное поле Земли. Это редкость: ни одна другая планета земной группы (в нее входят все планеты Солнечной системы с твердой поверхностью: Меркурий, Венера, Земля, Марс) не обладает собственным глобальным магнитным полем.

Наводят это поле электрические токи земного ядра. Некоторую роль играют токи и магнитные поля в земной коре и на границе атмосферы — в ионосфере.

У Марса нет глобального магнитного поля, ядро этой планеты не генерирует его, хотя так было не всегда. Остаточная намагниченность марсианской коры указывает, что в прошлом — примерно 4 миллиарда лет назад — полноценное магнитное поле у Марса все-таки было, но сейчас от него остались только намагниченные «пятна», где в самых намагниченных местах напряженность поля не превышает 2 микротесла.

При этом на Земле напряженность поля варьируется от 22 до 67 микротесла. Для сравнения: магниты на вашем холодильнике дают до 50 раз больше — около 1 миллитесла. Но земное магнитное поле имеет планетарные масштабы, поэтому может защитить нас всех.

Поскольку космические частицы — и протоны, и электроны, и ионы — имеют электрический заряд, они «чувствуют» земное магнитное поле, меняют свои траектории, поворачивают и двигаются по спирали вокруг силовых линий поля, в конечном счете минуя Землю.

Откуда готовится нападение?

Главный источник заряженных частиц в окрестностях Земли — Солнце, точнее исходящий от него солнечный ветер, который постоянно «дует» от светила со скоростью около 400 километров в секунду. Этот поток плазмы несет в себе «вмороженное» магнитное поле, под его действием силовые линии поля Земли вытягиваются назад, как длинные волосы от сильного ветра.

Но иногда у этого ветра бывают резкие порывы. Их источник — процессы в магнитном поле, только солнечном. Поскольку Солнце целиком состоит из плазмы, то есть заряженных частиц, его магнитное поле устроено значительно сложнее и хаотичнее, чем земное. Особенно сложным и закрученным оно становится в зонах сильного магнитного поля, в солнечных пятнах, которые ученые называют активными областями и пристально следят за тем, что там происходит.

А следить есть за чем: иногда магнитное поле в таких зонах слишком сильно закручивается, его структура резко «упрощается», происходит что-то вроде короткого замыкания, которое обычно сопровождается мощной рентгеновской вспышкой и выбросом в пространство гигантского облака солнечной плазмы.

Что это будет означать для нас, зависит от того, в каком месте солнечного диска произошла вспышка. Если ее положение было геоэффективным — то есть направленным на Землю, — то примерно через три дня облако плазмы долетит до нашей планеты и «ударится» в магнитное поле. Под действием «прилета» на Земле начнется магнитная буря, то есть колебания магнитного поля.

Помимо вспышек, источниками магнитных бурь могут быть корональные дыры — время от времени возникающие на Солнце области с «открытым» магнитным полем, откуда исходит высокоскоростной (до 1200 километров в секунду) поток солнечного ветра. Если Земля окажется в этом потоке, в ее магнитном поле тоже начнутся возмущения. А в небе появятся сияния.

Засияло

Заметить магнитную бурю люди не в состоянии: у нас нет органов, способных почувствовать колебания с амплитудой около 200–400 нанотесла. Но свечение в небе мы видим.

Полярные сияния порождают электроны, разогнанные энергией магнитных полей прилетевшего к Земле коронального выброса (протоны тоже могут порождать сияния, но они слабее и, как правило, не видны глазом). Выбросы или порывы солнечного ветра могут заставлять еще сильнее вытягиваться длинный «хвост» магнитного поля на ночной стороне Земли, и там могут возникать пересоединения силовых линий магнитного поля — своего рода короткие замыкания.

Благодаря этим пересоединениям электроны разгоняются до 35 тысяч километров в секунду и летят вдоль магнитного поля — к магнитным полюсам, где силовые линии сходятся вместе, становятся «гуще» и уходят в недра Земли. С дневной стороны, где электроны разгоняются в зоне ударной волны, электроны тоже приходят, но там их энергия обычно ниже.

Здесь, на высотах от 80 до 250 километров, электроны взаимодействуют с атомами и молекулами, заставляя их светиться.

Цвет сияния зависит от того, атом какого элемента высвечивает энергию, полученную от прилетевших электронов, и от того, в какое энергетическое состояние он попал. В большинстве случаев мы видим свечение кислорода.

Зеленым светом светятся атомы кислорода, под действием электронов высоких энергий попавшие в неустойчивое состояние с высокой энергией — синглетное состояние типа S. Как правило, они находится на высоте от 120 до 400 километров. Красным светятся синглетные атомы кислорода типа D, который в основном находится на высотах более 300 километров. Иногда «нижние края» сияния окрашиваются в фиолетовый цвет — это светятся молекулы азота на высотах от 120 до 200 километров.

Увидите ли вы полярное сияние в вашем городе и на вашей широте, прямо зависит от масштаба прилетевшего к Земле коронального выброса и, соответственно, магнитной бури. Чем заметнее буря, тем ближе к экватору сдвигается граница видимости полярных сияний.

Экстремально мощные магнитные бури могут сопровождаться сияниями, которые будут намного ближе к экватору, чем обычно.

Полярные сияния, которые наблюдали жители Москвы, Франции, Польши, Мексики и других совсем не полярных мест в ночь на 24 апреля, возникли на фоне мощной магнитной бури в момент, когда глобальный оценочный индекс геомагнитной активности достигал 8 (9 — максимальный балл). Буря эта была вызвана вспышкой и корональным выбросом 21 апреля. Вспышка не была чрезмерно сильной, но она находилась почти точно на линии Солнце — Земля.

Это достаточно редкое событие, но все же не особо выдающееся: в случае магнитных бурь полярные сияния наблюдались и значительно южнее.

Во время самого мощного в истории геомагнитного возмущения — события Каррингтона, произошедшего 1–2 сентября 1859 года — полярные сияния наблюдались почти у экватора — на Кубе.

Эксперименты по созданию искусственных полярных сияний проводились еще в 1970-е годы. На суборбитальную орбиту выводилась ракета с источником электронов, который «светил» вниз. Сияния действительно удалось добиться — правда, целью экспериментов было не освещение, а изучение свойств ионосферы.
Если вы видите полярные сияния там, где, как вы думаете, их быть не должно — например, на широте Москвы, — это означает, что сейчас идет сильная магнитная буря, но ничего совсем уж экстраординарного в этом нет. В Москве сияния наблюдали неоднократно — например, в 2015 году, во время предыдущего максимума солнечной активности.