Обычно говорят о том, что высокая солнечная активность влияет на земную жизнь. На 2008-2009 годы пришелся аномально глубокий и продолжительный минимум солнечной активности. Его следствием стало увеличение сроков жизни космического мусора в околоземном пространстве. Не исключено также, что аномальная жара в России тоже связана с солнечным минимумом.
Международный научный журнал Geophysical Research Letters опубликовал статью, в которой приводятся данные о существенных изменениях состояния термосферы Земли в период последнего солнечного минимума. Термосфера – это внешний слой атмосферы, на высотах от 80 до 800 километров, где летает большинство космических аппаратов. В отличие от приземных слоев воздуха, термосфера принимает на себя все воздействия космоса. Сильнее всего на нее влияет жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Его рекордный спад во время последнего минимума солнечной активности привел к весьма значительным изменениям в термосфере. Рассказывает один из авторов работы, директор центра космических исследований в университете Южной Калифорнии профессор Леонид Дидковский:
– На протяжении разных фаз солнечного цикла (с периодом около 11 лет) общее суммарное солнечное излучение меняется очень мало: примерно на плюс-минус 0,1%. А в крайнем ультрафиолете эти изменения достигают 4-5 раз. Он является своего рода индикатором солнечной активности. Крайний ультрафиолет - невидимое для человеческого глаза излучение солнца с длинами волн до 50 раз более короткими, чем у видимого света. Он полностью поглощается земной атмосферой, ионизирует атомы и молекулы воздуха, и таким образом создает ионосферу, которая совместно с магнитным полем Земли образует магнитосферу, защищающую все живое от жесткого рентгеновского излучения, от космических лучей. Ионосфера является частью термосферы на высотах от 90 до, примерно 500 километров. Наша работа показала, что аномально низкий уровень солнечной активности и, следовательно, крайнего ультрафиолета, послужил основной причиной значительного снижения плотности термосферы, уменьшения ее температуры и сжатия во время последнего солнечного минимума в 2008-2009 годах. Плотность термосферы опустилась на 29% ниже, чем это было в предыдущий минимум 1996 года, а температура – на 41 градус ниже. Более низкая температура и плотность вызвали сжатие термосферы и ионосферы.
Чем ниже плотность термосферы – тем меньше сопротивление движению околоземных космических аппаратов. Благодаря этому реже приходится, например, поднимать орбиту Международной космической станции. Но вместе с тем значительно возрастает срок жизни на орбите космического мусора, который уже представляет опасность для космических полетов, продолжает профессор Леонид Дидковский:
– Многие люди не представляют, что в космосе в настоящее время очень много отработанных и разрушенных частей космических аппаратов. Космический мусор может представлять значительную угрозу. Частица весом, например, всего в 1 килограмм при скорости 8 км/с разбивает вдребезги космический аппарат весом в 1 тонну. Сейчас технология позволяет следить за относительно большими частицами космического мусора размером больше 5 сантиметров на низких орбитах и более 50 сантиметров на геостационарной орбите. Из всего количества, а это примерно 600 тысяч различного размера мусоринок в космосе, только примерно 3% может быть отслежено и траектории их могут быть измерены. Когда мы говорим о том, что термосфера сжимается, это означает, что космический мусор будет более длительное время создавать помехи на орбите. В понятие космического мусора иногда попадают и такие большие объекты, как космические станции, например, американский "Скайлэб" или русский "Мир", который из-за невозможности или нецелесообразности дальнейшего использования приходилось сжигать в атмосфере и затоплять в океане.
Пример станции "Скайлэб" особенно ярко иллюстрирует важность слежения за плотностью термосферы. 80-тонная станция была создана на базе гигантской ракеты "Сатурн-5" после завершения лунной программы "Аполлон". В 1970 годах планировалось, что к ней станут летать еще только создававшиеся космические челноки. Однако в 1976 году начался мощный максимум солнечной активности, термосфера вздулась, и "Скалэб" стал терять высоту. У NASA не было тогда возможности поднять орбиту, и в 1979 году, за два года до первого полета шаттла "Колумбия" станция сгорела в атмосфере.
Однако термосфера влияет не только на космические аппараты. Есть основания считать, что с ее состоянием могут быть связаны и некоторые аномалии земной погоды, поясняет Леонид Дидковский:
– Сейчас ученые-климатологи и специалисты по земной атмосфере отслеживают прямое воздействие этих колебаний параметров термосферы на изменение климата, так как процессы в термосфере, связанные с движением электрических частиц, влияют на более низкие слои атмосферы - мезосферу, стратосферу, тропосферу, - приводя к изменениям в циркуляции высотных, так называемых, реактивных потоков, которые могут вызывать значительные погодные аномалии. Например, ученые полагают, что небывало длительная рекордная жара в России и в других странах в этом году связана с замороженностью в атмосфере этих высотных потоков. Когда жара из тропиков, например, из Африки непосредственно поставлялась через меридиональные потоки в более северные широты. Так, казалось бы далекие и невидимые изменения в солнечном крайнем ультрафиолете могут быть напрямую связаны с погодой на Земле.
– Интересно, что есть и обратная связь. Рост концентрации углекислого газа в нижних слоях атмосферы, вызывающий глобальное потепление на Земле, приводит к противоположному, хотя пока и не очень сильному уменьшаются. Почему так происходит?
– Да, это интересный вопрос. Земля как бы находится в таком термобалансе: солнечное излучение поглощается землей и водой, а затем эта часть энергии излучается обратно, но в других длинах волн - в инфракрасном диапазоне спектра. Когда это инфракрасное излучение от Земли достигает слоя, где находится углекислый газ, оно отражается от него обратно к Земле, то есть, возникает как бы парниковый эффект. Так вот поскольку это излучение отражается, то оно уже не способно прогревать верхние слои термосферы, как если бы оно проходило насквозь. Это приводит к тому, что термосфера охлаждается, но не так сильно, как это связано, например, с солнечной активностью. То есть, этот эффект значительно меньше пока, но им не стоит пренебрегать, особенно, если учитывать, что количество углекислого газа со временем возрастает.
Итак, жесткий ультрафиолет, составляющий одну миллионную долю в излучении Солнца, может сводить с орбиты космический мусор и орбитальные станции. А выбросы углекислого газа на Земле через крайне разреженную термосферу, которую обычно считают открытым космосом, могут провоцировать погодные аномалии.
В этом году активность Солнца стала, наконец, возрастать после затянувшегося минимума, а значит, плотность термосферы скоро должна будет восстановиться.
Международный научный журнал Geophysical Research Letters опубликовал статью, в которой приводятся данные о существенных изменениях состояния термосферы Земли в период последнего солнечного минимума. Термосфера – это внешний слой атмосферы, на высотах от 80 до 800 километров, где летает большинство космических аппаратов. В отличие от приземных слоев воздуха, термосфера принимает на себя все воздействия космоса. Сильнее всего на нее влияет жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Его рекордный спад во время последнего минимума солнечной активности привел к весьма значительным изменениям в термосфере. Рассказывает один из авторов работы, директор центра космических исследований в университете Южной Калифорнии профессор Леонид Дидковский:
– На протяжении разных фаз солнечного цикла (с периодом около 11 лет) общее суммарное солнечное излучение меняется очень мало: примерно на плюс-минус 0,1%. А в крайнем ультрафиолете эти изменения достигают 4-5 раз. Он является своего рода индикатором солнечной активности. Крайний ультрафиолет - невидимое для человеческого глаза излучение солнца с длинами волн до 50 раз более короткими, чем у видимого света. Он полностью поглощается земной атмосферой, ионизирует атомы и молекулы воздуха, и таким образом создает ионосферу, которая совместно с магнитным полем Земли образует магнитосферу, защищающую все живое от жесткого рентгеновского излучения, от космических лучей. Ионосфера является частью термосферы на высотах от 90 до, примерно 500 километров. Наша работа показала, что аномально низкий уровень солнечной активности и, следовательно, крайнего ультрафиолета, послужил основной причиной значительного снижения плотности термосферы, уменьшения ее температуры и сжатия во время последнего солнечного минимума в 2008-2009 годах. Плотность термосферы опустилась на 29% ниже, чем это было в предыдущий минимум 1996 года, а температура – на 41 градус ниже. Более низкая температура и плотность вызвали сжатие термосферы и ионосферы.
Чем ниже плотность термосферы – тем меньше сопротивление движению околоземных космических аппаратов. Благодаря этому реже приходится, например, поднимать орбиту Международной космической станции. Но вместе с тем значительно возрастает срок жизни на орбите космического мусора, который уже представляет опасность для космических полетов, продолжает профессор Леонид Дидковский:
– Многие люди не представляют, что в космосе в настоящее время очень много отработанных и разрушенных частей космических аппаратов. Космический мусор может представлять значительную угрозу. Частица весом, например, всего в 1 килограмм при скорости 8 км/с разбивает вдребезги космический аппарат весом в 1 тонну. Сейчас технология позволяет следить за относительно большими частицами космического мусора размером больше 5 сантиметров на низких орбитах и более 50 сантиметров на геостационарной орбите. Из всего количества, а это примерно 600 тысяч различного размера мусоринок в космосе, только примерно 3% может быть отслежено и траектории их могут быть измерены. Когда мы говорим о том, что термосфера сжимается, это означает, что космический мусор будет более длительное время создавать помехи на орбите. В понятие космического мусора иногда попадают и такие большие объекты, как космические станции, например, американский "Скайлэб" или русский "Мир", который из-за невозможности или нецелесообразности дальнейшего использования приходилось сжигать в атмосфере и затоплять в океане.
Пример станции "Скайлэб" особенно ярко иллюстрирует важность слежения за плотностью термосферы. 80-тонная станция была создана на базе гигантской ракеты "Сатурн-5" после завершения лунной программы "Аполлон". В 1970 годах планировалось, что к ней станут летать еще только создававшиеся космические челноки. Однако в 1976 году начался мощный максимум солнечной активности, термосфера вздулась, и "Скалэб" стал терять высоту. У NASA не было тогда возможности поднять орбиту, и в 1979 году, за два года до первого полета шаттла "Колумбия" станция сгорела в атмосфере.
Однако термосфера влияет не только на космические аппараты. Есть основания считать, что с ее состоянием могут быть связаны и некоторые аномалии земной погоды, поясняет Леонид Дидковский:
– Сейчас ученые-климатологи и специалисты по земной атмосфере отслеживают прямое воздействие этих колебаний параметров термосферы на изменение климата, так как процессы в термосфере, связанные с движением электрических частиц, влияют на более низкие слои атмосферы - мезосферу, стратосферу, тропосферу, - приводя к изменениям в циркуляции высотных, так называемых, реактивных потоков, которые могут вызывать значительные погодные аномалии. Например, ученые полагают, что небывало длительная рекордная жара в России и в других странах в этом году связана с замороженностью в атмосфере этих высотных потоков. Когда жара из тропиков, например, из Африки непосредственно поставлялась через меридиональные потоки в более северные широты. Так, казалось бы далекие и невидимые изменения в солнечном крайнем ультрафиолете могут быть напрямую связаны с погодой на Земле.
– Интересно, что есть и обратная связь. Рост концентрации углекислого газа в нижних слоях атмосферы, вызывающий глобальное потепление на Земле, приводит к противоположному, хотя пока и не очень сильному уменьшаются. Почему так происходит?
– Да, это интересный вопрос. Земля как бы находится в таком термобалансе: солнечное излучение поглощается землей и водой, а затем эта часть энергии излучается обратно, но в других длинах волн - в инфракрасном диапазоне спектра. Когда это инфракрасное излучение от Земли достигает слоя, где находится углекислый газ, оно отражается от него обратно к Земле, то есть, возникает как бы парниковый эффект. Так вот поскольку это излучение отражается, то оно уже не способно прогревать верхние слои термосферы, как если бы оно проходило насквозь. Это приводит к тому, что термосфера охлаждается, но не так сильно, как это связано, например, с солнечной активностью. То есть, этот эффект значительно меньше пока, но им не стоит пренебрегать, особенно, если учитывать, что количество углекислого газа со временем возрастает.
Итак, жесткий ультрафиолет, составляющий одну миллионную долю в излучении Солнца, может сводить с орбиты космический мусор и орбитальные станции. А выбросы углекислого газа на Земле через крайне разреженную термосферу, которую обычно считают открытым космосом, могут провоцировать погодные аномалии.
В этом году активность Солнца стала, наконец, возрастать после затянувшегося минимума, а значит, плотность термосферы скоро должна будет восстановиться.
