Нас интересуют взрывные процессы в космосе, – академик Зеленый

Научный руководитель Института космических исследований (ИКИ) РАН академик Лев Зеленый удостоен Золотой медали им. В.Л. Гинзбурга – научной награды Российской академии наук за выдающиеся работы в области физики и астрофизики. Она присуждена ученому за цикл работ, включающих более 160 статей, выполненных им с соавторами в течение почти полувека – с 1975 по 2021 гг. В них детально раскрыт механизм природных явлений, которые интуитивно предсказал еще Александр Чижевский.

Золотая медаль им. В.Л. Гинзбурга присуждена Вам за цикл работ «Токовые слои и пересоединение магнитных полей в космической плазме». О чем в этих работах идет речь?

Нас интересуют в данном случае взрывные процессы в космосе. Таким процессом, к примеру, являются солнечные вспышки, вызывающие магнитные бури на Земле. Солнечная вспышка – это взрыв в атмосфере солнца. Но подобные же взрывы, хотя и меньшего масштаба, происходят и в магнитосфере Земли. И хотя сила этих взрывов куда меньше, но из-за близости они тоже оказывают на нашу планету сильное влияние.

А что именно взрывается?

Любой взрыв значит, что где-то запасается энергия, либо в химическом веществе типа тротила, либо в расщепляющемся материале вроде урана-235, а потом она очень быстро высвобождается. В нашем случае энергию накапливает не вещество, а магнитное поле Земли. А аккумуляторами этой энергии выступают токовые слои – потоки заряженных частиц в вытянутом на сотни тысяч километров хвосте магнитосферы Земли. Токовый слой тоже создает свое магнитное поле, и получается магнитная структура, которая запасает большое количество энергии и периодически высвобождает ее, вызывая суббури. Это не такое известное явление, как магнитные бури, но суббури происходят в космосе регулярно, раз в несколько дней.

Какого порядка энергия выделяется при таком взрыве?

Когда происходит такой взрыв, то за 1-2 минуты выделяется энергия порядка 10²² эргов. Это где-то 200 килотонн в тротиловом эквиваленте, но особого смысла такой подсчет не имеет, потому что это распределенная энергия: токовый слой хотя и относительно тонкий, но длинный, то есть энергия накапливается в большом объеме пространства. Половина этой энергии улетает в космос, а половина вдоль магнитных линий устремляется к Земле, вызывая суббури. И мы видим их последствия в виде полярных сияний и других, куда менее приятных явлений, вроде блокирования радиосвязи. Слабые полярные сияния почти всегда есть, но во время бурь они заполняют все небо, и это действительно мистерия природы. Это следствие магнитных бурь, периодического накопления и высвобождения энергии, но это поняли не так давно.

К примеру, Михаила Васильевича Ломоносова, 300-летие которого мы отмечали в 2021 году, за многое ценят и хвалят, но у него были совершенно неправильные представления о происхождении полярных сияний. Он их связывал не с космическими факторами, а с чисто атмосферными процессами, но что важно – с электрическими. Все его оппоненты того времени связывали это явления с еще более далекими от истины вещами, а Ломоносов все-таки говорил про электричество.

Чем суббуря отличается от магнитной бури?

Магнитная буря происходит, когда движение плазмы создает вокруг Земли кольцевой ток, который уменьшает магнитное поле в глобальном масштабе. Магнитная буря наблюдается по всей Земле – и в Москве, и на Таити. А о суббурях должны беспокоиться в первую очередь люди на авроральных широтах, на севере, где есть полярные сияния. Это актуально для России. В Канаде было много аварий линий электропередач, когда выходили из строя трансформаторы.

Естественно, оба этих явления связаны с Солнцем. Солнечная корона расширяется, поток солнечной плазмы ускоряется, и этот поток называется солнечным ветром. Он несет с собой вмороженное в него магнитное поле, которое по отношению к магнитному полю Земли ориентировано случайным образом. Этот поток сверхзвуковой плазмы обтекает магнитное поле Земли и в потоке образуется своеобразная полость, называемая магнитосферой. Взаимодействие потока солнечного вещества и магнитного поля Земли чрезвычайно сильно зависит от их взаимной ориентации. Если магнитное поле Земли и солнечного ветра направлены почти противоположно друг другу, то происходит их пересоединение и солнечный ветер прорывается под наш магнитный щит, в результате чего солнечная плазма попадает внутрь магнитосферы, перетекает на ночную сторону и формирует токовый слой в магнитосферном хвосте. Это тоже связано с Солнцем, но не обязательно с солнечной вспышкой. Когда происходит солнечная вспышка, то это грандиозное явление, и магнитная топология всей системы вообще очень сильно корежится. Но этот токовый слой в хвосте будет образовываться, накапливать энергию и периодически выбрасывать ее, даже если солнечных вспышек нет. Глобальных магнитных бурь от него не возникнет, но локальные неприятности в высоких широтах могут произойти. Но все это – влияние Солнца, о чем писал еще Александр Леонидович Чижевский, хотя ему не очень верили.

А почему Чижевскому не верили?

Солнце полностью определяет жизнь на Земле – это ясно всем. Тепловое излучение Солнца и видимый его свет – это то, что породило жизнь. Но, с точки зрения науки конца XIX и XX века, Солнце светит всегда почти одинаково. Иногда на нем появляются пятна, но они по площади небольшие и на общую светимость мало влияют.

А Чижевский писал, что в периоды, когда на Солнце появляется много пятен, происходят всякие катастрофические явления, вдруг начинает плодиться саранча, растет число преступлений, случаются социальные потрясения. Все это он связывал с Солнцем, но он не знал механизма этого влияния. С точки зрения современников в его идее было что-то мистическое. И к нему относились, как к визионеру и фантазеру, впрочем, так же, как и когда-то к Циолковскому, с которым они жили одном городе – Калуге. Но когда первые спутники вышли за пределы магнитного поля Земли, то обнаружилось, что это пространство не пустое, а заполнено теми мощными потоками плазмы, которая называются солнечным ветром и о которых я рассказал выше.

Кстати, первым, кто обнаружил солнечный ветер, был Константин Иосифович Грингауз, впоследствии ставший сотрудником нашего института. Он разработал несложный прибор измерения плазмы для межпланетной станции «Луна-1», которая в 1959 году промахнулась мимо Луны, но стала, как написали в сообщении ТАСС, первым в мире искусственным спутником Солнца. И когда она отлетела достаточно далеко от Земли, то этот прибор зарегистрировал очень необычные потоки плазмы. Мощными их в обычном понимании назвать трудно, поскольку их плотность составляла всего несколько частиц в кубическом сантиметре, но они двигались со скоростью сотни километров в секунду.

И постепенно стало ясно, что Чижевский был прав, потому что дополнительно к электромагнитному излучению Солнца существует еще один агент – частицы плазмы, которые могут переносить ток, и эти частицы взаимодействуют с магнитным полем Земли по-разному в зависимости от того, как взаимодействуют эти магнитные поля. Чижевский как-то предугадал, что есть еще какой-то физический фактор, который связывает Солнце и Землю, и он довольно мощный. Этот фактор – солнечный ветер.

Если вспоминать историю, то символично, что медаль, присужденная Вам за эти работы, носит имя Гинзбурга. Ведь он тоже занимался исследованиями в этой области?

Для меня большая честь получить награду, которая носит имя Виталия Лазаревича Гинзбурга. Я так и не стал его учеником, хотя однажды был близок к этому, но слушал его лекции, посещал его семинары в теоротделе ФИАНа и всегда восхищался им как уникальным ученым и ярким человеком. Эта медаль учреждена в 2015 году и вручается раз в 5 лет. Первую Золотую медаль им. Гинзбурга вручили Михаилу Виссарионовичу Садовскому за работы по сверхпроводимости, которой Гинзбург очень много занимался. Однако Виталий Лазаревич в 1950-60-х годах вместе со своим замечательным сотрудником Сергеем Ивановичем Сыроватским занимался и вопросом ускорения частиц космических лучей. Именно Сыроватский разработал концепцию токового слоя. Он был очень сильным теоретиком и у Гинзбурга в его большом теоретическом хозяйстве занимался токовыми слоями. Какие-то начальные идеи я почерпнул именно от него. Но под плазмой он понимал просто жидкость. Это описание называется магнитной гидродинамикой. Что-то оно позволяет объяснить, но какие-то тонкие вещи, в частности – накопление энергии и последующее ее спонтанное высвобождение, такой подход объяснить не может. Однако Сыроватский сказал, что движения плазмы приводят к тому, что в ней образуется некая сингулярность, которую он назвал токовым слоем.

Сыроватский уже связывал с этой сингулярностью солнечные вспышки, которые происходят, если токовый слой в плазме рвется, но как и почему он рвется, магнитогидродинамика описать не может, потому что на самом деле вещество в космосе очень далеко от жидкости, даже проводящей, а является ансамблем заряженных частиц, почти не сталкивающихся друг с другом. Такая плазма называется бесстолкновительной, так как свободный пробег составляющих ее частиц от столкновения до столкновения может превышать расстояние от Земли до Солнца. Надо влезть внутрь этой структуры, которую Сыроватский считал сингулярностью, то есть некой абстрактной математической сущностью, и описывать плазму не как жидкость, а как среду, состоящую из заряженных частиц, причем разных частиц – электронов и ионов, которые имеют разную динамику и разные характерные масштабы процессов, в которых они участвуют. Это называется кинетическим описанием плазмы, которым я и занимался.

Сама эта структура, где накапливается энергия, имеет ширину 30-40 тыс. км. Это ширина магнитного хвоста земли, но сам токовый слой – это узкая область в его центре шириной в тысячи километров, а внутри у него есть слои шириной в десятки километров. Сам токовый слой действительно очень тонкий, поэтому его представление как сингулярности на таких масштабах, которые изучались на заре этих исследований, имело смысл, но физику процессов на таком уровне понять нельзя, надо углубляться в его внутреннюю структуру.

Мы влезли в эту сингулярность, которая была предложена в работах Гинзбурга и Сыроватского, и объяснили, что там происходит. В природе нет сингулярности, просто на этом масштабе данное описание уже не работает. Мы с помощью динамики частиц объяснили главное – почему этот слой рвется не сразу, а существует долгое время, накапливает энергию и взрывается.

И почему же это происходит?

Задача, которой я заинтересовался еще во время аспирантуры более 45 лет назад, как раз и состояла в том, чтобы объяснить, почему такое происходит. Уже существовало много теорий, возникло знаменитое слово пересоедниение магнитных полей, когда есть какая-то конфигурация полей, а потом вдруг она меняется и в этот момент происходит выделение энергии. Пересоединение – это прежде всего топологический эффект. Но как готовится этот взрыв, почему энергия накапливается, по какой причине происходит ее выделение? Это оставалось загадкой. Физики такие системы называются метастабильными, то есть они в принципе устойчивые, но в них накапливается большое количество энергии, а потом по какому-то случайному возмущению или малому воздействию они взрываются.

Типичный пример такого процесса – кипение очень чистой воды. Обычная вода кипит при температуре 100°С. Но если вы начнете нагревать очень чистую воду, в которой отсутствуют центры парообразования в виде примесей, то ее можно при обычном атмосферном давлении нагреть и до 150°С. Но если она закипит, то лучше рядом не находиться, потому что произойдет взрывной процесс. Такая перегретая система называется метастабильной. И магнитосферный хвост, где накапливается энергия в токовых слоях, тоже такой системой является. Мои работы объяснили, почему такое происходит, хотя удалось сделать это не сразу.

В чем была трудность?

Поначалу мы использовали очень простые модели. Первые мои работы были связаны с движением ионов, про электроны мы тогда мало знали, они учитывались, конечно, но слишком приближенно. Но постепенно стало ясно, что электроны играют очень большую роль. Как я говорил, весь токовый слой имеет толщину в несколько тысяч километров, он все равно очень тонкий в сравнении со своей длиной, однако в нем есть внутренние слои, которые связаны с движением электронов. Именно их учет позволил объяснить, почему система не взрывается сразу, а копит энергию, пока не происходит ее спонтанное выделение в результате пересоединения магнитных линий.

Рис. 2. Токовый слой имеет сложную внутреннюю структуру. В тонком токовом слое (TCS) есть еще и супертонкий токовый слой (STCS).

Расскажите, как Вы занялись этой проблемой изначально?

Этой задачей я занимаюсь почти полвека со времен аспирантуры. Это даже немножко странно звучит, потому что за такое время, казалось бы, любую проблему, включая теорему Ферма, можно решить. Но с этой так не получилось, потому что в 1970-х годах, когда мой руководитель Альберт Абубакирович Галеев поставил передо мной эту задачу, спутниковая эра только начиналась, измерения в космосе были, естественно, ограничены возможностями техники того времени. И за эти почти 50 лет развилась и теория, и техника измерений этих явлений в космосе, и некие умозрительные модели, которые составлялись раньше, жизнь опровергала, потому что в космосе все оказывалось не так, как в теориях.

Что такое космические измерения магнитного поля? Летит спутник, проводит измерения, пусть даже очень точные, но в космосе все течет, все меняется, и поймать то, что происходит в данной точке, невозможно: перемещается в пространстве и спутник, и само вещество вместе с вмороженным в него магнитным полем, поэтому очень трудно понять, в какой степени спутник сдвинулся относительно точки наблюдения, а в какой степени сама плазма переместилась относительно спутника. Стало понятно, что нужны одновременные измерения с нескольких спутников, чтобы отличать пространственные изменения от временных.

Одна из первых группировок таких спутников была запущена в 1995 году в рамках проекта «Интербол», в котором я был заместителем руководителя – Альберта Абубакировича Галеева – по науке. Этот проект состоял из 4 спутников, которые вращались на своих орбитах попарно. Каждая пара располагалась друг к другу на расстоянии 10-20 тыс. километров. Одна пара работала на более близкой к Земле вытянутой орбите с апогеем около 20 000 км, другая – на более далекой с апогеем 200 000 км.

Рис. 3. Орбиты, на которых работали спутники «Интербол». На каждой из них работала пара аппаратов – большой российский «Интербол» и сопровождавший его чешский «Магион». В обработке данных проекта принимали участие ученые всего мира.

Мы получили в рамках проекта «Интербол» очень интересные результаты, но этого оказалось недостаточно, потому что кроме магнитосферы надо было изучить токовые слои, а чтобы измерить ток надо рассчитать ротор магнитного поля из уравнения Максвелла, для чего требуется проводить одновременное измерение магнитного поля в 4 точках. Первый такой проект был организован Европейским космическим агентством, и он назывался Cluster. Наших приборов на этих спутниках не было, но европейские коллеги нас пригласили к участию, учитывая наш опыт в этой области.

Cluster, кстати, начался трагически. Его запускали в 1996 году как полезную нагрузку для первого испытательного полета новой европейской ракеты Arian 5, запуск был неудачным и все эти замечательные спутники оказались в болотах Французской Гвианы. Но европейские коллеги восстановили проект, и в 2000 году, по моему совету, запустили четыре спутника на двух наших «Союзах» с Байконура. Эти спутники работают до сих пор, уже более 20 лет. Периодически руководство ЕКА хочет их отключить для экономии средств, но ученые дружно говорят, что это очень хороший проект, который приносит важные результаты.

В этом проекте измерение магнитного поля проводились уже в четырех точках, но очень важно, на каком расстоянии их проводить. Природа многомасштабна. Есть явления, которые происходят в масштабах всей магнитосферы, – это сотни тысяч километров, есть масштабы, связанные с движением ионов, – это десятки и первые сотни км, а есть масштабы, связанные с движением электронов, это единицы и первые десятки километров. Если вы измеряете поле на больших масштабах, то вы то, что происходит внутри, усредняете и получаете очень размытую картину природного явления.

Спутники Cluster проводят измерения на довольно больших масштабах, потому что расстояние между космическим аппаратами составляет несколько тысяч, иногда сотен километров. Но мы уже в то время понимали, что физика токовых слоев связана не только с ионами, но и с электронами, что требует измерений на расстоянии считанных километров. Мы, конечно, тоже мечтали о такой связке космических аппаратов, которые будут проводить измерения на километровых расстояниях, но у нас такой проект организовать не получилось, зато американцы запустили такую систему в 2015 году – Magnеtospheric Multiscale, это четыре спутника с апогеем 150 000 км и расстоянием между аппаратами около 10 км. Эти спутники специально предназначены для исследования процессов пересоединения, которые связаны с токовыми слоями. Я в этом проекте тоже вхожу в состав одной из научных групп.

Что в данном исследовании шло впереди – теория или эксперимент?

Здесь взаимодействие было сложнее. Иногда теоретики что-то предсказывали, а потом в эксперименте это подтверждалось. Иногда эксперимент открывал какие-то новые детали, требовавшие объяснения. Этой работой мы занимались в разные годы, я к ней все время возвращался, появлялись новые данные, задача росла и обогащалась, и в каком-то смысле это тоже оказалось неисчерпаемой темой. Поначалу теоретики, включая меня, строили простые модели, сталкивались с трудностями, а жизнь оказывалась гораздо сложнее и интереснее.

В каком направлении Вы собираетесь развивать исследования?

С 1957 года, когда был запущен первый спутник, наше понимание процессов, происходящих в космосе, улучшилось кардинально. И эти исследования уже переходят в практическую плоскость, то есть мы поняли основные фундаментальные закономерности и сейчас важно понять, как их использовать для прогноза событий, влияющих на техногенные системы. Это проблематика космической погоды. Пока человечество жило в избах, все это было не так важно, а когда у вас есть линии электропередач, железные дороги или трубопроводы длиной в несколько тысяч километров, когда есть спутники, электроника которых чувствительна к внешним воздействиям, когда для работы критической инфраструктуры необходима постоянная связь, то все эти магнитосферные катаклизмы могут принести много всяких неприятностей, в том числе и системам, на которых основывается безопасность страны.

Для прогноза всех этих явлений необходимо постоянно мониторить магнитное поле, причем не только возле Земли, но и на границе взаимодействия земной магнитосферы и солнечного ветра. Это сделать непросто, поскольку эта граница «дышит», перемещается на тысячи и больше километров. Поэтому возникла идея – запустить специализированный спутник в точку Лагранжа, где в полутора миллионах километрах от Земли примерное равновесие сил притяжения Земли и Солнца позволяет космическому аппарату «зависнуть» на особой орбите вокруг этой точки, как бы в некоторой неподвижности относительно Земли. Если здесь будет дежурить спутник, то он сможет еще на подходе к Земле измерить магнитные параметры солнечного ветра, на основании чего можно будет предсказать, как будет происходить пересоединение и приведет ли оно к суббуре. Можно смотреть на Солнце – и этого не узнать, поскольку суббури случаются и без вспышек. А измеряя солнечный ветер, главный агент электродинамического влияния Солнца, такое предсказание сделать можно. Мы боремся за то, чтобы в этой точке был наш космический аппарат. Там очень продуктивно работают американские спутники, но не всегда с них удается получить данные, которые необходимы в том числе и для специальных целей. Мы давно пробиваем эту идею, но пока ее реализовать не получается. Надеемся, что рано или поздно эта задача будет решена.

Беседовал Леонид Ситник, редакция сайта РАН.