Хенрик Свенсмарк - Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата

• Название: Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата
• Автор: Хенрик Свенсмарк
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-91678-093-2

Как образуются облака? Оказывается, «виновники» этого процесса — космические лучи. А от облачного покрова зависит температура нашей планеты. Больше космических лучей — на Земле холоднее. Потоки заряженных частиц из космоса уменьшаются — планета теплеет. Так все просто? Нет, конечно же, не просто; картина куда более сложная и… захватывающая!

В своей книге, впервые выходящей на русском языке, датский физик Хенрик Свенсмарк и английский писатель, популяризатор науки Найджел Колдер объясняют, каким образом наше родное Солнце и далекие галактики участвуют в формировании погоды над нашими головами.

---

Если космические лучи пытаются вырваться, поле почти всегда возвращает их назад, в Галактику. Как они в конечном итоге просачиваются в межгалактическое пространство — пока неясно. Обитателям нашей планеты сильно повезло, что многим частицам, собственно, и составляющим космические лучи, удается сбежать, — иначе их накопилось бы столько, что жизнь на Земле была бы невозможна. Средняя продолжительность существования космических лучей — от 10 до 20 миллионов лет. Их запас обновлялся сотни раз, с тех пор как родилась наша планета, но количество заряженных частиц не оставалось постоянным в течение этого времени. Меняется число взрывающихся звезд — меняется поток космических лучей, и мы можем связать всплески звездной рождаемости с экстремальными переменами климата в долгой истории Земли.

Космические лучи находятся рядом так давно, что они не могли не стать активным участником в том алхимическом действе, в процессе которого непрерывно формируются новые звезды и планеты. Благодаря своей многочисленности и кинетической энергии заряженные частицы оказывают давление на газ, распределенный в пространстве между звездами. И еще они помогают галактическому магнитному полю сопротивляться силе гравитации, пытающейся прижать межзвездный газ к срединной линии диска, и если бы ей это удалось — она сделала бы его таким же плоским, как кольца Сатурна.

Межзвездный газ, магнитное поле и космические лучи — все они действуют сообща, но их содружество столь ненадежно, что иногда члены этого «коллектива» остаются беззащитными перед гравитацией, и та может локально изменять форму магнитного поля, а следовательно, направление космических лучей. В результате гравитации удается загнать около половины межзвездного газа в относительно плотные облака. Однако нельзя сказать, что космические лучи и магнитное поле сопротивлялись напрасно — именно благодаря этому сопротивлению газовое облако получается небольшим и достаточно плотным, чтобы впоследствии из него образовалась звезда.

В Галактике есть темные острова, которые не дают рассмотреть звезды, скрывающиеся за ними. Это облака пыли, где межзвездный газ состоит из каменных, ледяных и смолоподобных частиц. Такие облака служат родильными палатами для новых звезд и сопутствующих им планет. Но прежде чем роды состоятся, химическим реакциям предстоит проделать большую работу, и здесь космические лучи вновь начинают играть жизненно важную роль.

На открытых, прозрачных участках Галактики химическими реакциями дирижирует ультрафиолетовое излучение звезд. К первоначальному сырью в виде водорода и гелия присоединяются элементы, выпущенные умирающими звездами или донесенные волной со сверхновых. Они соединяются и становятся различными веществами: от воды до молекул углерода в форме футбольного мяча, называемых «бакиболы». Но у ультрафиолетовых лучей есть неприятная привычка быстро разрушать то, что было так же быстро создано.

Только под охраной пылевого облака, где вуаль из камней, льда и смолоподобных частичек защищает продукты химических реакций от ультрафиолета, элементы становятся более устойчивыми и разнообразными по составу. И здесь космические лучи, как главные химики облаков, принимают от ультрафиолета бразды правления. Они отбирают электроны у молекул водорода и атомов гелия, и те начинают активно «общаться» с другими элементами, причем эти процессы длятся десятки тысяч лет. Возбужденный атом водорода, например, взаимодействует с атомами углерода и кислорода и создает одного из ведущих игроков космической химии — моноокись углерода.

Теми или иными способами, слишком запутанными, чтобы приводить их здесь, космические лучи поделили полученный кредит, чтобы хватило и на создание Солнца и Земли, и на обогащение нашей планеты водой и углеродными компонентами из межзвездного пространства. Вот так оказалось, что космические лучи — это не просто побочный продукт смерти сверхновых или сторонний наблюдатель в жизненном цикле звезд, а активный участник событий.

От открытия Виктора Гесса до манифеста Кати Ферье прошло девяносто лет — столько времени понадобилось астрономам, чтобы очень не спеша прийти к высокой оценке роли космических лучей и осознать, что они участвуют в формировании галактик. Так что, возможно, надо быть терпеливыми с теми учеными, кто все еще воображает, что третья планета какой-то непримечательной звезды слишком значительна для того, чтобы на нее хоть сколько-нибудь ощутимо могли влиять никчемные маленькие частицы из внеатмосферного пространства.

Как матерь-звезда нас защищает

Рои космических лучей активно вторгаются в окрестности Солнечной системы, их совокупная мощность примерно в два раза превышает силу всего звездного света, который мы видим с Земли. Но, повторим, мы — счастливчики. Цепляясь, как дети, за материнскую юбку Солнца, планеты находят укрытие внутри огромного магнитного поля, которое отбивает около половины космических лучей назад, к звездам.

Открытие и исследование солнечного ветра помогло нам понять, как звезда-родительница защищает нас. Солнечный ветер — это непрерывные потоки заряженных частиц, именно они обеспечивают материальную связь между Солнцем и средой, окружающей Землю в космическом пространстве. Любое представление о том, что Солнце — это всего лишь далекий светящийся шар в небе, окончательно устарело. Мы живем внутри его далеко простирающейся атмосферы, стянутой магнитным полем. В 1958 году молодой физик из Чикагского университета Юджин Паркер впервые предсказал существование солнечного ветра, замечательно угадав многие детали. Ведущие специалисты, как он вспоминает, отнеслись к его идее с насмешкой.

«Они сказали мне: „Паркер, если бы вы хоть сколько-нибудь разбирались в предмете, вы никогда даже не предположили бы такого. Нам давно доподлинно известно, что межпланетное пространство — это глубокий вакуум, лишь иногда пронзаемый лучами высокоэнергетических частиц, испускаемых Солнцем“»[15].

Однако прошло не более четырех лет, как данные, полученные космическим аппаратом, полностью подтвердили еретическую теорию Паркера о солнечном ветре и многие предугаданные им характеристики. С 1960-х годов изучение солнечного ветра прочно вошло в основные задачи космических исследований, кульминацией которых стал запуск в 1990 году космического аппарата «Улисс» совместного производства Европейского космического агентства (ЕКА) и Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). «Улисс» — впервые в истории — дважды обошел Солнце по большой орбите над полюсами нашего светила. Благодаря этому полету ученые смогли скорректировать одни представления о солнечном ветре и обосновать другие.

Так как Солнце состоит в основном из водорода, в составе солнечного ветра преобладают протоны. Там также присутствуют положительно заряженные ионы многих других элементов и отрицательно заряженные электроны в количестве, достаточном для того, чтобы сохранить газ электрически нейтральным. Солнечный ветер тащит с собой магнитное поле Солнца, и таким образом межпланетное пространство наполнено вечно движущимся магнетизмом, готовым сразиться с космическими лучами.

Солнечный ветер «дует» со скоростью приблизительно 350 или 750 км в секунду, это зависит от того, из какой области Солнца он исходит. Даже самый быстрый воздушный поток намного медленнее, чем космические лучи. Частицы солнечного ветра пересекают земную орбиту через несколько дней после того, как покинут солнечную атмосферу. А затем они продолжают свой полет прочь от Солнца, летят и год, и два, раздувая в межзвездном пространстве огромный пузырь, называемый гелиосферой.

Наконец солнечный ветер, распространившись вдаль и вширь, настолько истощается, что межзвездный газ может успешно сопротивляться ему. Тогда солнечный ветер останавливается. Это происходит на расстоянии, приблизительно равном пяти расстояниям до Нептуна, самой далекой из основных планет. Граница Солнечной империи так удалена, что свету или любой свободной заряженной частице нужно около двадцати часов, чтобы добраться до нее, в то время как путь от Солнца до Земли занимает всего восемь минут.

Размер гелиосферы зависит от того, как сильно или, напротив, слабо солнечный ветер дул в течение предыдущих двух лет. Когда на Солнце мало темных пятен, портящих его светлый лик, это говорит о том, что оно находится в относительно спокойном состоянии. В такие времена плотность солнечного ветра падает, но, поскольку его средняя скорость возрастает, ударное давление проталкивает внешнюю границу гелиосферы немного дальше.

На протяжении миллионов лет Солнечная система иногда сталкивается с облаками межзвездного газа, в сто раз более плотного, чем тот, что окружает ее сегодня. Тогда возросшее давление сжимает и сжимает гелиосферу до тех пор, когда она уже не может раздуться даже до внешних планет. С другой стороны, когда Солнце было еще в младенческом возрасте, солнечный ветер был намного сильнее нынешнего, и гелиосфера простиралась много дальше.