Наши древние предки, очевидно, интуитивно сознавали значение Солнца, о чем говорит большое число солнечных божеств в разных культурах и религиях мира. Есть веские основания немного зорче присмотреться с наших современных позиций к этому космическому обогревателю и его физике, поскольку Солнце играет основополагающую роль как в возникновении и эволюции жизни, так и в непосредственном поддержании нашего нынешнего благополучия. Здесь необходимо понимать, что Солнце излучает частицы разных типов. Для начала надо различать солнечное излучение и солнечный ветер, излучение частиц. Солнечное излучение – это часть электромагнитного спектра Солнца, возникающая за счет излучения тепла с раскаленной поверхности нашего светила. Солнечное излучение обладает наибольшей интенсивностью в области видимого света (солнечного света), но содержит также частично рентгеновское и инфракрасное излучение. В зависимости от длин волн солнечное излучение в большей или меньшей степени поглощается земной атмосферой. Интенсивность достигающего поверхности Земли излучения, кроме того, зависит от погоды и положения Солнца. Солнечному излучению требуется около 100 000 лет для того, чтобы из солнечного ядра, где происходят процессы ядерного синтеза, достичь поверхности Солнца. Эта задержка обусловлена тем, что излучение по пути наружу постоянно сталкивается с другими атомными ядрами, что приводит к отклонению и отбрасыванию излучения и к торможению скорости его распространения внутри Солнца. После того как излучение достигает поверхности нашей звезды, ему требуется еще восемь минут для того, чтобы дойти до Земли.
Что именно происходит, когда это излучение сталкивается с относительно холодной (около 3000 °C) поверхностью Солнца, с разогретой до миллионов градусов солнечной короной и с чрезвычайно сильным магнитным полем, – предмет проводимых в настоящее время исследований. В буквальном смысле пролить свет на этот темный вопрос должны космические корабли Solar Orbiter Европейского космического агентства и космический зонд НАСА Parker Solar Probe. Эти зонды должны среди прочего прояснить, какие факторы влияют на «космическую погоду». Всем известно, что такое плохая погода, но что это за зверь – «космическая погода»? О ней не сообщают в конце выпуска новостей. В «космической погоде», как выяснилось, центральную роль играют солнечные ветры. При этом речь идет об электрически заряженных частицах газа, движущихся от Солнца с большой скоростью. Причина возникновения ветра заключается в протуберанцах солнечной короны и вспышках на Солнце, которые в определенной степени напоминают извержения земных вулканов. С точки зрения астрофизики солнечный ветер – составная часть космического излучения, но излучения не электромагнитного; он представляет собой поток частиц. Солнечный ветер состоит преимущественно из электрически заряженных, ионизированных атомов водорода (то есть из протонов и электронов), а также из небольшого количества (8 %) атомных ядер гелия. Помимо этого, в нем содержатся следы ионизированных атомных ядер таких элементов, как углерод, азот, кислород, сера и железо.
Вспышки и протуберанцы могут оказывать прямое и опосредованное влияние на организм человека. Почему? Эти явления воздействуют на магнитное поле Земли, которое действует как защитный экран от солнечного излучения, космического излучения и потока частиц солнечного ветра. Суммарная мощность электромагнитного излучения Солнца, солнечная постоянная, которую можно измерить за пределами земной атмосферы, составляет 1367 Вт/м2. То, что происходит на Земле под действием излучения такой мощности, зависит от эксцентриситета земной орбиты, а также от поглощения и рассеяния излучения в земной атмосфере. Рассеяние и поглощение в большой степени, в свою очередь, зависят от длин волн излучения; известно же, что солнечный свет содержит волны с разными длинами и лучи разных цветов легко выявляются при расщеплении света призмой или при возникновении радуги. Почти половина излучения, достигающего Земли и видимого человеческим глазом, имеет длину волны от 400 нм до 780 нм. Излучение этого диапазона при ясной погоде и при высоком положении Солнца летом в полдень почти беспрепятственно достигает поверхности нашей планеты. Ультрафиолетовое (УФ) излучение в диапазоне длин волн от 100 до 400 нм невидимо глазу. Оно составляет менее 10 % общего излучения, но представляет собой энергетически наиболее мощную часть оптического излучения. УФ-излучение подразделяется в зависимости от длины волны на УФ-А, УФ-B и УФ-C-излучение. УФ-A в значительной степени проникает сквозь земную атмосферу. Его ослабляют столкновения с молекулами азота и кислорода в атмосфере в результате так называемого рассеяния Рэлея. Это рассеяние обусловливает столь любимый нами голубой цвет неба, потому что атмосфера легче всего пропускает волны синей части спектра. УФ-B-излучение сильно поглощается озоновым слоем атмосферы, УФ-C – озоновым слоем и молекулами кислорода в атмосфере. Если солнечные лучи падают косо, то они распределяются на большей площади поверхности Земли и проходят большее расстояние в атмосфере, что уменьшает силу излучения. Благодаря этому факту высокий уровень излучения держится круглый год в области экватора, так как там солнечные лучи падают на поверхность Земли почти отвесно. Времена года поэтому в тропиках практически отсутствуют, климатические условия меняются только вследствие смены дня и ночи – так называемый суточный климат. В более северных и южных широтах, напротив, благодаря более острому углу падения солнечных лучей и изменению склонения Солнца к полюсу на фоне изменения долготы дня времена года характеризуются весьма значительной разницей. Поэтому в Центральной Европе у нас летом есть 16-часовой световой день, а при хорошей погоде мощность излучения составляет около 700 Вт/м2; зимой же при восьмичасовом световом дне она снижается до 247 Вт/м2.
Если, например, будет разрушен озоновый слой атмосферы, пребывание на улице станет рискованным, потому что в летнее время он поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Печально известные солнечные ожоги будут развиваться вследствие повышенной проницаемости атмосферы для этой части излучения или от того, что даже небольшое время нахождения на солнце станет слишком долгим. В ALMA я убедился в этом на собственном горьком опыте. ALMA – это парк с 64 радиотелескопами на севере Чили, недалеко от границы с Боливией. Расположен парк на плато, на высоте 5000 м. Круглый год там стоит сухая, безоблачная погода, что, конечно, очень хорошо для радиотелескопов. Для человека, однако, эта высота, экстремальная сухость и избыток ультрафиолетового излучения создает большие трудности. Менее 10 минут пребывания на солнце на такой высоте достаточно для европейца, чтобы получить солнечный ожог на открытых частях кожи, в чем я убедился сам. Повсюду стояли светофоры, но они не регулировали движение – белый, зеленый и красный свет предупреждали об уровне ультрафиолетового излучения. Все время моего многодневного пребывания в ALMA, где я проводил медицинское обследование персонала, на светофорах в течение дня всегда горел красный свет – высшая степень опасности.
Земная атмосфера простирается до высоты около 100 км. При этом надо отчетливо понимать, что защитный слой для всего озона в атмосфере имеет толщину всего 3 мм (!) – это толщина нескольких страниц этой книги. 90 % этого озона находится в стратосфере, на высоте от 15 до 50 км. Здесь УФ-C-излучение, обладающее самой высокой энергией, превращает молекулы кислорода (O2) в молекулы озона (O3). Нам следует проявить подлинный интерес к тому, чтобы этот озоновый слой оставался действенным и не разрушался от антропогенных воздействий. Потенциально опасны для озонового слоя галогенизированные углеводороды, в большом количестве производимые человеком. Галогенизированными называются такие углеводороды, в которых по меньшей мере один атом водорода замещен галогеном – фтором, хлором, бромом или йодом. Эти соединения применяются в качестве моторного топлива или средств охлаждения, а также выделяются при производстве изоляционных материалов для холодильников или морозильных шкафов. Когда галогенированные углеводороды ускользают в атмосферу, они могут через несколько лет достичь стратосферы. Сначала они безвредны для озонового слоя, но под действием мощного ультрафиолетового излучения они превращаются в реакционноспособные газы, которые затем разрушают озоновый слой.
Протуберанцы солнечной короны также могут оказывать на людей прямое и опосредованное влияние. При этих мощных выбросах в виде огромных пузырей из Солнца выталкиваются миллиарды тонн солнечного вещества, которые устремляются в межпланетное пространство со скоростью до 2000 км в секунду. Эти потоки состоят преимущественно из высокоэнергетических протонов, электронов и полностью ионизированных атомов. Когда такой поток частиц наталкивается на магнитное поле Земли, он вызывает не только чудесное северное сияние, но может при определенных условиях вызвать поломку искусственных спутников, нарушения в системах телекоммуникаций, нарушить навигацию судов и летательных аппаратов и даже привести к повреждению в линиях электропередачи. Событие Каррингтона, имевшее место в 1859 году, могло бы сегодня оказать поистине катастрофическое действие на наш сетевой мир. В том году астроном К. Каррингтон наблюдал величайший в истории протуберанец с гигантским выбросом солнечной материи. Эта вспышка была так сильна, что полярное сияние было зафиксировано в Риме, Гаване и на Гавайях, хотя обычно оно бывает только в высоких широтах. Произошло также отключение телеграфных сетей. Сегодня такой протуберанец мог бы поставить на грань смертельного риска астронавтов, находящихся вне защитной атмосферы, например на МКС, а в будущем на Луне или на Марсе. Поток ускоренных высокоэнергетических частиц может повредить материал наследственности, ДНК и привести к развитию рака.
С точки зрения космологии Солнце достигло своего зрелого возраста, а то, что будет с нашей звездой дальше, космологи и астрономы знают достаточно хорошо из сравнения с другими неподвижными звездами. При данных размерах Солнца запасов его водорода хватит для процессов ядерного синтеза приблизительно на 5 млрд лет. Дальнейшие события представляются довольно мрачными для жизни и существования людей на Земле. Дело в том, что в результате реакций ядерного синтеза Солнце понемногу теряет массу. В дальней перспективе это приведет к уменьшению силы тяжести, что повлечет за собой расширение Солнца. Солнце развивается; в будущем оно вырастет до размеров красного гиганта, границы которого достигнут орбит обращения Меркурия и Венеры, то есть Солнце «поглотит» эти планеты, а возможно, и Землю. Но задолго до этого наша планета станет необитаемой; моря испарятся, и вся поверхность Земли обратится в пустыню; она станет голой и раскаленной – и абсолютно непригодной для жизни. В конце концов, красный гигант взрывоподобно сбросит окружающую его водородную оболочку. Остаток звезды под действием силы тяжести схлопнется и образуется белый карлик, который после остывания станет черным карликом; гипотетически – это финальная стадия эволюции звезды. Внешняя температура упадет так низко, что Солнце перестанет излучать инфракрасные и видимые лучи.