Солнечный ветер уносит верхнюю атмосферу Марса. Может ли такое случиться с Землей?

Марс теряет атмосферу

Сейчас солнечный ветер срывает воздух с Марса. Около 100 граммов газа каждую секунду уносится в космос. Это тонкий поток частиц, истекающий от Солнца во всех направлениях. Он не прекращается.

Эта эрозия, возможно, сделала Марс нынешним холодным сухим миром. Земля каждый день находится в том же ветре. Может ли такое быть и здесь? Голубой хвост кометы дает подсказку.

Подлетая к Солнцу, комета обзаводится светящейся головой и длинным хвостом. Комета представляет собой космический снежок из замерзших газов, камня и пыли, обращающийся вокруг Солнца. Ближе к Солнцу хвост длиннее. У яркой кометы два хвоста. Бледно-голубой направлен прямо от Солнца.

Он направлен от Солнца, летит ли комета к нему или обратно. Когда комета удаляется, этот хвост впереди нее. Что-то постоянно толкает хвост от Солнца. Есть и вторая странность Солнца.

Температура видимой поверхности Солнца составляет около пяти тысяч пятисот градусов Цельсия. А корона, тонкая внешняя атмосфера Солнца, нагревается до 2 миллионов градусов Цельсия. Это как комната, где дальше от печи жарче. Почему же атмосфера Солнца намного горячее его поверхности?

Ученые десятилетиями спорят об этом до сих пор. Что постоянно отталкивает голубой хвост от Солнца?

Что толкает хвост кометы?

Голубой хвост один из двух хвостов кометы. Другой состоит из пыли, солнечный свет мягко изгибает его от Солнца. Голубой хвост состоит из газа, чьи атомы потеряли электроны и несут электрический заряд. Заряженный атом называют ионом, значит это ионный хвост. Ионный хвост направлен прямо от Солнца.

На фото 1987 года виден ионный хвост кометы Уилсона: с Земли он тянется по небу примерно на 11 миллионов километров. В 1951 году немецкий астроном Людвиг Бирман изучал такие хвосты. Он решил: давления солнечного света мало, чтобы объяснить, как быстро уносятся ионные хвосты. Он предположил, что от Солнца непрерывно исходит поток частиц.

"Непрерывно" значит всегда, не время от времени. Тогда одна ведущая теория: Солнце выбрасывает частицы лишь отдельными вспышками. Но никто не объяснял, почему Солнце постоянно выбрасывает частицы.

Статья, которую едва не отклонили

В 1958 году 31-летний доцент Чикагского университета взялся за вопрос. Его звали Юджин Паркер. Он исходил из одного предположения: внешняя атмосфера Солнца чрезвычайно горячая, значительно выше миллиона градусов. Теперь подумайте, что тепло делает с газом.

Температура показывает скорость движения частиц газа. Представьте кастрюлю супа на плите под крышкой. Крышка давит на горячий пар, удерживая его. Вокруг Солнца в далеком космосе ничто не давит достаточно, чтобы удержать такой горячий газ.

У космоса нет крышки. Паркер сделал расчеты. Они показали постоянный поток наружу во всех направлениях. В движении поток ускорялся до скорости выше звука.

Движение быстрее звука называется сверхзвуковым. Сегодня этот поток называют солнечным ветром. Первый ответ: внешняя атмосфера Солнца слишком горяча, чтобы гравитация удержала ее, а истекающий газ - солнечный ветер. Этот ветер отталкивает ионный хвост кометы от Солнца.

Но убедились не все. Позже Паркер вспоминал: рецензент посоветовал ему сначала изучить предмет в библиотеке, а потом писать статью. Но, по словам Паркера, рецензент не указал ни одной ошибки в расчетах. Статья попала ко второму рецензенту с почти тем же результатом.

Редактором журнала был астрофизик Субрахманьян Чандрасекар, позднее получивший Нобелевскую премию. Паркер вспоминал: Чандрасекар пришел в его кабинет и спросил: "Вы действительно хотите опубликовать эту статью?" Паркер указал, что ни один рецензент не нашел ошибки, и Чандрасекар согласился опубликовать статью. Много лет спустя Чандрасекар признался, что сам сомневался, но без реального возражения должен был ее опубликовать.

В тысяча девятьсот пятьдесят восьмом году она вышла в журнале The Astrophysical Journal под названием «Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields». Была другая модель физика Джозефа Чемберлена. В его модели атмосфера Солнца медленно испарялась в космос. Чемберлен ожидал скорости газа у Земли лишь около 18 километров в секунду.

Легкий бриз или сверхзвуковой ветер. Решить спор можно было, лишь измерив.

Измеряем ветер

Первый шанс появился быстро, в 1959 году, в Советском Союзе. Зонды "Луна-1" и "Луна-2" несли детекторы частиц команды Константина Грингауза. Они обнаружили заряженные частицы, двигавшиеся быстрее 50 километров в секунду. Но зонды не могли определить направление этих частиц.

В хронике NASA "Луна-1" по-прежнему считается первым измерением солнечного ветра. И все же вопрос не был закрыт. В тысяча девятьсот шестьдесят втором году к Венере отправился «Маринер-2» НАСА. Первый успешно добравшийся до другой планеты аппарат.

На борту был прибор Марсии Нойгебауэр и Конуэя Снайдера из Лаборатории реактивного движения NASA. Он обнаружил заряженный газ прямо от Солнца, со скоростью около 400-700 километров в секунду. Это более чем в 20 раз быстрее бриза Чемберлена. При 400 километрах в секунду Землю можно облететь менее чем за две минуты.

"Маринер-2" впервые измерил скорость ветра, его плотность и состав. Паркер сказал просто: «Солнечный ветер дует постоянно». Позже Чемберлен назвал свою модель испарения "крайне нереалистичной". Солнечный ветер состоит в основном из протонов и электронов.

Горячий газ с оторванными от атомов электронами называют плазмой. Солнечный ветер - плазма, непрерывно истекающая от Солнца во все стороны.

Горячее поверхности

Ответ Паркера опирался на очень горячую внешнюю атмосферу Солнца. Как узнали, что она так горяча? Вспомните корону, внешнюю атмосферу Солнца. При полном затмении ее видно белым свечением вокруг черного диска Луны.

При затмении 1869 года Чарльз Янг и Уильям Харкнесс заметили в свете короны странное. Разложив свет, они увидели необъяснимую зеленую линию. Некоторые сочли ее линией нового элемента и назвали его коронием. Тайна продлилась более 70 лет.

В 1939 году Вальтер Гротиан предположил, что красная линия короны идет от железа, потерявшего девять электронов. В 1943 году шведский физик Бенгт Эдлен сопоставил несколько корональных линий с лабораторными измерениями. Знаменитая зеленая линия идет от атомов железа, потерявших 13 из 26 электронов. Для зеленой линии нужен газ почти в 2 миллиона градусов.

Короний не новый элемент, а обычное железо в необычном месте. В 1947 году шведский физик Ханнес Альвен оценил температуру короны примерно в 2 миллиона кельвинов. При таких температурах шкалы Кельвина и Цельсия дают практически одинаковые числа. По данным НАСА, температура поверхности составляет около пяти тысяч пятисот градусов Цельсия.

Корона нагревается максимум до 2 миллионов градусов, а ядро имеет около 15 миллионов градусов. Именно в ядре Солнце вырабатывает энергию, поэтому высокая температура там вполне объяснима. Казалось бы, с удалением от центра должно холодать. Но сразу над поверхностью температура возрастает в сотни раз.

Еще о тепле. Тепло отличается от температуры: это передаваемая частицами энергия. В короне температура чрезвычайно высокая, но плотность очень низкая. Частиц мало, поэтому они передают мало тепла.

Как искры бенгальского огня: очень горячие, но слишком малы, чтобы обжечь руку.

Кто нагревает корону?

Почему корона горячая? Ученые называют это проблемой нагрева короны. Есть два главных кандидата. Первое - волны. Под поверхностью Солнца горячий газ постоянно бурлит.

Представьте магнитные линии Солнца длинными гитарными струнами. Бурление может раскачивать их, посылая волны в корону, где те передают энергию заряженным частицам. Это волны Альвена, в честь того же Ханнеса Альвена. Вторая причина - нанофлэры, очень слабые вспышки.

Вспышка - резкий выброс энергии на Солнце, а нанофлэр - очень слабая вспышка. Скрученные магнитные линии, разрываясь и снова соединяясь, высвобождают энергию. Это магнитное пересоединение. Множество крошечных взрывов по всему Солнцу в сумме может дать много тепла.

Возможно, свою роль играют оба механизма. Но к Земле ветер уже приходит измененным. Медленный ветер проходит 150 миллионов километров до нас примерно за четыре дня. По пути он перемешивается, теряя большую часть исходных свойств.

Нур Рауафи, ученый из команды солнечного зонда "Паркер", сказал, что они поняли: полностью решить проблему нагрева короны невозможно, не измеряя происходящее прямо внутри самой короны. Поэтому NASA решило отправиться туда.

Полет в корону

Двенадцатого августа две тысячи восемнадцатого года НАСА запустило зонд «Паркер» к Солнцу. Это была первая миссия NASA, названная в честь живого человека. 91-летний Юджин Паркер смотрел запуск вместе с командой. Чтобы выжить, зонд летит за теплозащитным экраном.

Перед экрана нагревается до 1 370 градусов Цельсия, приборы за ним остаются при 29. Причина уже знакома: корона чрезвычайно горяча, но очень разрежена. 28 апреля 2021, при восьмом сближении, зонд впервые пересек границу короны. NASA объявило, что космический аппарат "коснулся Солнца".

Он пересек невидимую границу, критическую поверхность Альвена. Внутри нее гравитация и магнитное поле Солнца удерживают атмосферу. За ней ветер так быстр, что волны не могут вернуться к Солнцу. Ветер вырывается. Это можно считать внешним краем атмосферы Солнца.

Даже тогда зонд находился примерно в 13 миллионах километров над поверхностью Солнца. Двадцать четвертого декабря две тысячи двадцать четвертого года он подошел к поверхности Солнца на расстояние шесть целых одну десятую миллиона километров, ближе любого созданного человеком объекта. Он шел примерно со скоростью шестьсот девяносто тысяч километров в час, быстрее любого созданного людьми объекта. Зонд не раз проходил так близко. 4 сентября 2026 года он совершил 29-е сближение.

Миссию продлили до 2029 года. Камера WISPR сняла уходящий от Солнца ветер ближе, чем когда-либо. Руководитель науки NASA Никки Фокс сказала: "Мы своими глазами, не только моделями, видим, где начинаются угрозы космической погоды для Земли." Юджин Паркер увидел не все: он умер в марте 2022 года в 94 года.

Так что же обнаружили космические аппараты? Зонд "Паркер" нашел у Солнца внезапные изломы поля в ветре. Поле резко изгибается и распрямляется, как буква S. Это свитчбеки. 25 марта 2022 года Solar Orbiter Европы и NASA впервые снял один из них.

Он использовал Metis, закрывающий яркий диск Солнца, чтобы видеть слабую окружающую корону. Снимок соответствовал модели: линии, уходящие в космос, встречаются с возвращающимися к Солнцу и пересоединяются. Ученые предполагают, что этот же процесс может помогать ускорять солнечный ветер. На первых снимках 2020 Solar Orbiter нашел и другое.

По всему Солнцу видны крошечные вспышки, прозванные командой "кострами". Каждая в миллион-миллиард раз меньше видимых с Земли солнечных вспышек. Фредерик Ошер из команды сказал, что они "могут вносить основной вклад в нагрев солнечной короны". Могут быть. Пока этого никто не доказал.

Быстрый ветер идет из темных участков короны, корональных дыр. Корональная дыра - темный участок короны, где магнитное поле не замыкается на Солнце, и ветер течет прямо наружу. В 2023 году команда Стюарта Бейла с помощью зонда "Паркер" изучила быстрый ветер у истока. Они обнаружили: ветер приходит небольшими потоками, расположенными как огромные ячейки

поднимающегося и опускающегося газа на Солнце, шириной примерно шестьдесят тысяч километров. Они заключили, что энергию быстрому ветру дает магнитное пересоединение у корональных дыр, а в итоге - магнитное поле Солнца. В две тысячи двадцать четвертом году другая команда дважды зафиксировала один поток ветра.

В феврале 2022 зонд "Паркер" измерил поток близко к Солнцу. Solar Orbiter измерил тот же поток дальше, возле орбиты Венеры. Между этими двумя точками волны Альвена в ветре потеряли энергию. Ученые рассчитали, что потерянной волнами энергии хватило, чтобы нагреть быстрый ветер и ускорить его.

Но это было единичное событие, и другие исследователи указали на это. Исследование, проведенное в две тысячи двадцать четвертом году, искало в короне резкие изгибы магнитного поля, но не нашло ни одного. полностью сформировавшегося. Из-за этого труднее точно сказать, где они возникают. В 2023 Европейское космическое агентство: нагрев короны "по-прежнему вызывает серьезные споры".

Части картины складываются, но проблема нагрева короны не решена. Волны и небольшие взрывы, возможно, вносят каждый свою долю.

Быстрый ветер, медленный ветер и спираль

После ухода от Солнца ветер движется с разной скоростью. Быстрый ветер из корональных дыр идет со скоростью 500-800 километров в секунду. У орбиты Земли чаще всего медленный ветер, около 400 километров в секунду. Когда Солнце спокойно, над каждым полюсом обычно большая корональная дыра.

"Улисс" пролетал над полюсами Солнца и измерил там быстрый ветер со средней скоростью около 750 километров в секунду, у экватора медленный - около 400. Быстрый ветер, догнав медленный, врезается в него. Так возникает плотная область с сильным магнитным полем, коротирующая область взаимодействия.

Такая область, проходя мимо Земли, может вызвать геомагнитную бурю. Это возмущение магнитного поля Земли, обычно слабое или умеренное. Ветер уносит с собой и магнитное поле Солнца. А Солнце вращается примерно один раз за 27 дней.

Представьте вращающийся садовый разбрызгиватель. Каждая капля летит прямо, но весь поток изгибается, образуя спираль. Магнитное поле Солнца закручивается в такую же спираль. Вблизи Земли силовые линии пересекают путь ветра в среднем под углом примерно 45 градусов. Паркер предсказал эту спираль в своей теории 1958 года, поэтому её назвали спиралью Паркера.

Пузырь вокруг Солнечной системы

Как далеко уходит ветер? За планетами, до встречи с разреженным межзвездным газом. Он раздувает вокруг Солнца гигантский пузырь, гелиосферу. Там расстояния измеряют в астрономических единицах. Одна единица: от Земли до Солнца, примерно 150 миллионов километров.

В декабре 2004 года "Вояджер-1" пересёк гелиосферную ударную волну, примерно в 94 астрономических единицах от Солнца. Там ветер резко замедляется, упираясь во внешний газ. Двадцать пятого августа две тысячи двенадцатого года, на расстоянии примерно ста двадцати двух астрономических единиц, «Вояджер-1» пересек гелиопаузу, край пузыря. Это в сто двадцать два раза дальше от Солнца, чем мы.

Прибор плазмы "Вояджера-1" перестал работать в 1980, поэтому не измерял ветер напрямую. А у "Вояджера-2" прибор всё ещё работал. 5 ноября 2018 года он зафиксировал резкое падение скорости солнечного ветра. После этого он вообще не обнаружил солнечного ветра.

"Вояджер-2" вылетел из солнечного ветра в межзвёздное пространство. Конец ветра - один из вариантов границы Солнечной системы.

Щит Земли и полярное сияние

Вернемся к Земле, которая каждый день в этом ветре. Магнитное поле Земли заставляет стрелку компаса указывать на север. Солнечный ветер давит на поле, создавая защищенное вокруг планеты пространство, магнитосферу. Со стороны Солнца ветер сжимает ее, с ночной вытягивает в длинный хвост.

Часто объясняют, что сияние возникает, когда частицы солнечного ветра падают прямо в атмосферу. NOAA, американское агентство погоды и океанов, объясняет иначе. Создающие сияние электроны ускоряются в длинном хвосте на ночной стороне Земли. Они мчатся вдоль магнитных силовых линий к полярным областям.

Там, на высоте от восьмидесяти до пятисот километров, они сталкиваются с кислородом и азотом, которые излучают свет. Солнечный ветер дает энергию, но не просто падает на нас. При сильных бурях кольца сияния расширяются от полюсов, их видят гораздо дальше. В мае две тысячи двадцать четвертого года люди из пятидесяти пяти стран отправили в гражданский проект «Аурорасавр» более шести тысяч сообщений о сиянии.

В Японии люди, наблюдавшие за небом, сфотографировали необычные пурпурные сияния.

Когда ветер превращается в бурю

Бурю мая 2024 вызвал не обычный солнечный ветер. Иногда корона сразу выбрасывает огромное облако плазмы и магнитного поля. Это называют корональным выбросом массы. Если солнечный ветер постоянен, корональный выброс массы похож на внезапный порыв.

Самые быстрые достигают Земли за 15-18 часов. CME, ударяя Землю, может сильно встряхнуть ее магнитное поле и вызвать часто гораздо более мощную геомагнитную бурю. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США оценивает бури от слабого уровня джи-один до экстремального уровня джи-пять. Первого сентября тысяча восемьсот пятьдесят девятого года Ричард Кэррингтон и Ричард Ходжсон увидели вспышку белого света на Солнце.

Это первая наблюдавшаяся в обычном белом свете солнечная вспышка. Примерно через 17 часов огромная буря ударила по Земле, и 2 и 3 сентября небо заполнили сияния. В мире было около двухсот тысяч километров телеграфных линий, большинство не работало восемь часов или дольше. Тринадцатого марта тысяча девятьсот восемьдесят девятого года в два часа сорок четыре минуты буря ударила по электросети Квебека, Канада.

Менее чем за минуту вся сеть отключилась. Миллионы людей оставались без электричества более девяти часов. Монреальское метро остановилось, сияния видели до Флориды и Кубы. Большая часть Квебека лежит на огромном щите твердых пород, плохо проводящих ток.

Во время бури ток из земли пошел легким путем, вдоль длинных линий электропередачи. 3 февраля 2022 года SpaceX запустила 49 спутников Starlink. Их вывели на низкую орбиту, опускавшуюся примерно до 210 километров. На следующий день буря нагрела верхнюю атмосферу, заставив ее расшириться.

Более плотный воздух увеличил сопротивление спутников до 50 процентов против прежних запусков. SpaceX заявила: до 40 из 49 упадут и сгорят. Позже слежение насчитало 38. 10 мая 2024 года пришла сильнейшая за более чем 20 лет буря. Ей присвоили уровень джи-пять, высший по шкале Национального управления океанических и атмосферных исследований США, впервые за два десятилетия.

Теперь её называют штормом Гэннона, в честь специалиста по космической погоде Дженнифер Гэннон. На Среднем Западе США GPS-тракторы сбивались с курса или останавливались прямо в посевной сезон. По оценке Канзасского государственного университета, ферма с системой глобального позиционирования могла потерять от двенадцати до семнадцати тысяч долларов США. Спутник НАСА «Айссат два» самостоятельно перешел в безопасный режим.

10 октября 2026 года CME, покинувший Солнце двумя днями ранее, достиг Земли. В тот вечер NOAA сообщило о геомагнитной буре уровня G3, то есть сильной. Активность Солнца идет циклами примерно по 11 лет, нынешний пик был в октябре 2024. В 2019 году прогнозисты ожидали более слабого максимума, но настоящий оказался гораздо сильнее.

От 15 до 60 минут

Можно ли увидеть приближение бури? Между Землей и Солнцем есть точка, где аппарат остается на линии с Солнцем, на расстоянии полутора миллионов километров от Земли. Её называют точкой Лагранжа 1, или L1. Спутник там встречает солнечный ветер до нас.

Такой аппарат обычно предупреждает за 15-60 минут. Годами это делал DSCOVR NOAA. В июне 2026 года NOAA заменило его новым спутником. Аппарат запустили 24 сентября 2025 года, теперь он называется SOLAR-1. В июне 2026 года он стал первым американским спутником только для наблюдения за космической погодой.

Его коронограф, закрывающая диск Солнца камера для наблюдения короны, передает прогнозистам снимки CME за 30 минут. У старого SOHO такие снимки идут к прогнозистам до восьми часов. Директор Центра прогнозирования космической погоды NOAA Клинтон Уоллес сказал: "Это дает больше времени действовать."

Что ветер забирает у Марса

Вернемся к Марсу, с которого начали. У Марса нет глобального магнитного поля. Солнечный ветер прямо достигает его верхней атмосферы и уносит заряженные частицы в космос. В 2015 MAVEN NASA измерил потерю: около 100 граммов газа в секунду.

При солнечных бурях потеря резко растет. Главный ученый MAVEN Брюс Якоски сравнил это с ежедневной кражей нескольких монет из кассы: со временем набегает. За миллиарды лет это может объяснять превращение Марса из более влажного мира в нынешнюю холодную сухую планету с тонкой атмосферой. Может ли Земля так потерять атмосферу? Кажется, магнитное поле нас защищает.

Но не все ученые согласны. Исследование две тысячи восемнадцатого года сравнило измерения: Земля, Марс и Венера теряют атмосферу похожими темпами. У Венеры нет глобального магнитного поля, но атмосфера очень плотная. Авторы утверждали, что магнитного поля недостаточно, чтобы защитить

атмосферу, а иногда оно может даже помогать газу уходить у полюсов. Марс мал и его гравитация слабее. Магнитный щит может быть лишь частью объяснения.

Так что же такое солнечный ветер?

Что такое солнечный ветер? Это атмосфера Солнца, слишком горячая, чтобы удержаться, и текущая во все стороны со скоростью сотен километров в секунду. Он толкал хвосты комет еще до того, как о нем узнали. Молодой физик предсказал его, два рецензента отвергли работу, а аппарат к Венере измерил.

Он закручивается спиралью, раздувает пузырь за планетами, зажигает небо, медленно срывает атмосферу Марса. Откуда он? Из короны, в сотни раз горячее поверхности под ней. Ученые все еще выясняют это с помощью зонда, ныряющего в корону. Увидите комету, ищите бледный голубой хвост. Он указывает от Солнца: оно всегда дует.