Что такое полярные сияния и почему они могут быть опасны, как человечество может ухудшить ионосферу и к каким последствиям это приведет, можно ли вызвать искусственные полярные сияния, «Газете.Ru» рассказал заведующий лабораторией физики околоземного пространства Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, доктор физико-математических наук Вячеслав Пилипенко.

— Что такое полярное сияние с точки зрения физики?

— По существу, это — гигантский газовый разряд. Мы все видели газоразрядные трубки, в которых электрическое поле ускоряет ионизированные частицы, и при столкновениях с молекулами газа в трубке возникает свечение. Абсолютно то же самое происходит над Землей: во время магнитной суббури частицы околоземной плазмы ускоряются в электрических полях, высыпаются в атмосферу, сталкиваются с ее молекулами и дают то сияние, которое мы видим в ночные часы.

Но полярные сияния на фоновом уровне существуют постоянно, даже когда мы их не видим.

Вокруг полярных шапок Земли постоянно «висит» светящийся нимб — авроральный овал.

Днем или при сильной облачности мы его не видим, но спутники его видят постоянно. Во время магнитных бурь и суббурь авроральный овал резко расширяется и над наблюдателем все небо вспыхивает яркими фантастическими фигурами полярных сияний.

Такие овалы полярных сияний обнаружены и у других планет Солнечной системы, например, у Юпитера. Таким образом, образование полярного сияния — это фундаментальное плазменное явление, которое мы еще не до конца понимаем, но видим у всех планет с магнитным полем.

— Полярные сияния – это просто красивое природное явление или оно как-то влияет на нашу жизнедеятельность?

— Полярные сияния – это не только завораживающее по красоте явление, но и индикатор возмущения космической погоды в околоземном пространстве. Высыпающиеся в верхнюю атмосферу потоки частиц, создающих полярные сияния, создают сильное возмущение ионосферы.

В результате нарушается коротковолновая радиосвязь, которая идет через отражение от ионосферы, и спутниковая радиосвязь, если радиотрасса проходит через авроральный овал. Ионосферная турбулентность существенно осложняет жизнь глобальным навигационным спутниковым системам типа GPS и ГЛОНАСС.

В авроральном овале протекают интенсивные токи, которые возбуждают геоиндуцированные токи в линиях электропередач и трубопроводах, снижающих надежность их работы. Еще один технологический объект, который подвержен этому влиянию, — системы автоматической сигнализации на железных дорогах.

— А это-то каким образом?

— Рельсовая система автоматической сигнализации работает так: к рельсам подводится небольшой потенциал. Если на путях стоит поезд, происходит замыкание — реле срабатывает и загорается красный сигнал. Если же поезда нет, горит разрешающий зеленый свет.

Железнодорожники заметили, что во время сильных магнитных бурь и полярных сияний беспричинно начинает срабатывать сигнализация — то есть, путь как будто бы занят.

Весь график поездов сбивается, потому что несколько часов подряд красный свет хаотически включается и выключается. Эти ложные срабатывания происходят за счет токов в поверхностных слоях Земли, которые наводятся при магнитных возмущениях и нагружают реле.

— Как космос влияет на земные технологии мы уже более-менее знаем. А промышленная деятельность человечества как-то влияет на околоземное пространство?

— Как ни удивительно, да! Околоземная плазма очень разреженная, там частицы не сталкиваются друг с другом, поэтому повлиять друг на друга и передавать энергию от одних групп частиц другим они могут только через электромагнитные поля. Одни частицы возбуждают волны, а те, в свою очередь, воздействуют на другие частицы и заставляют их изменить траекторию, высыпаться в атмосферу или ускориться.

Если же мы вмешаемся в жизнь космической плазмы с искусственным излучением, мы тоже на эти частицы начнем влиять. Например, обнаружено, что когда низкоорбитальный спутник пролетает над мощным радиопередатчиком, он видит, что поток энергичных электронов, высыпающихся в атмосферу, резко возрастает. Получается, над каждым таким передатчиком происходит искусственная модификация ионосферы, и возникает искусственное полярное микро-сияние.

Даже есть выдвигаемая серьезными специалистами гипотеза, что провал в интенсивности внешнего радиационного пояса, образующийся на расстояниях порядка трех радиусов Земли, обусловлен именно постоянной работой многочисленных радиопередатчиков, сконцентрированных на средних широтах.

— А есть ли другие примеры?

— Другой тип гигантских излучающих электромагнитных антенн, охвативший всю планету, — это линии электропередач (ЛЭП). При большой нагрузке или под воздействием геоиндуцированных токов ЛЭП начинает работать в несбалансированном режиме и невольно становится крупномасштабным излучателем.

Излучения ЛЭП, как на основной частоте 50/60 Гц, так и на высоких гармониках, регистрируются в космосе на околоземных спутниках над промышленно развитыми регионами планеты. И степень такого электромагнитного «засорения» космоса постоянно нарастает по мере технологического развития.

Резкий скачок интенсивности «электромагнитного засорения» спутники отметили после запуска крайне-высоковольтных ЛЭП в Китае.

На первый взгляд это кажется просто забавным, но этот эффект может иметь последствия, которые мы пока предсказать не можем. Уже сейчас в некоторых частотных диапазонах человечество начинает жить в электромагнитном окружении создаваемым не природой, а промышленной деятельностью.

— Вы говорили про непреднамеренное воздействие на ионосферу и космос. А есть ли попытки специально воздействовать на ионосферу и, может быть, даже вызвать полярное сияние?

— Такие эксперименты время от времени проводятся. Похоже, околоземная плазма находится в так называемом метастабильном состоянии, подобно перегретой воде в кастрюле, и даже небольшое воздействие может оказаться триггером неустойчивости в такой плазме. Вызвать искусственное полярное сияние пытались с помощью выброса с ракет ионизирующих газов, плазмагасящих соединений (вода), пучка электронов и т.п.

— Ну и как?

— Интересные локальные эффекты регистрировались, но настоящего полярного сияния, охватывающего полнеба, не получилось.

— А наземными средствами это можно попытаться сделать?

— Наверняка вы слышали про американский эксперимент HAARP на Аляске со сверхмощным радаром. Такой же HAARP у нас есть и в России — под Нижним Новгородом стоит установка «Сура», которая была построена еще во времена СССР. По мощности она уступает американской и работает на средних широтах, которые, может быть, не так интересны для геофизики, как высокие.

Эти установки используются для радионагрева и искусственной модификации ионосферы. Один из изучаемых вопросов – можно ли специально подобранным радиоизлучением радара повлиять на радиационные пояса, которые представляют угрозу спутниковой электронике? Для этого, казалось бы, надо лишь подобрать частоту излучения, чтобы резонансным образом воздействовать на высокоэнергичные электроны радиационного пояса и принудительно высыпать их в атмосферу.

— Получилось «уничтожить» радиационный пояс?

— Пока нет. Хотя это вполне правдоподобный сценарий, но мне кажется, что удастся в лучшем случае вызвать только локальные эффекты, но не полное «уничтожение» радиационного пояса.

— Действительно ли с помощью HARRP можно управлять не только ионосферой, но и околоземным пространством, погодой и даже портить спутниковую электронику?

— Это сильное преувеличение. Такие нагревные установки действительно создают сильное возмущение ионосферной плазмы, но очень локальное. Повлиять же на глобальную динамику ионосферы, а уж тем более атмосферы в целом, они никак не могут. Вызвать полярное сияние тоже не получилось. От того, что мы создадим где-то в океане сильное бурление, океанские течения по-другому не потекут.

— Вы с коллегами создали систему, которая в онлайн-режиме предсказывает положение овала полярных сияний. Как она работает?

— Наша геоинформационная система опирается на уже установленную статистику между параметрами межпланетной среды и интенсивностью потоков частиц на низких орбитах. Такие измерения частиц разных энергий, высыпающихся в атмосферу, уже несколько десятков лет ведутся американскими полувоенными спутниками. Данные о потоках частиц можно пересчитать в интенсивность авроральных свечений.

Далее наша система берет информацию о параметрах межпланетной среды, которые NASA передает в реальном времени на Землю, и строит по ним модель. Примерно за час — время подхода солнечной плазмы к Земле от межпланетного спутника — можно статистически оценить, где должен будет находиться авроральный овал. Овал сияний не стоит на одном месте, а постоянно «дышит». При сильных возмущениях космической погоды полярные сияния сдвигаются к более низким широтам. Так в 2003 году при сильной магнитной буре полярное сияние было видно даже в Москве.

— Сможет ли когда-нибудь человечество модифицировать ионосферу по собственному желанию?

— Давайте прикинем. Заметные возмущения ионосферы возникают при суббурях. В среднем при суббуре за несколько часов в ионосферу закачивается энергия порядка 6 ПентаДж. Эта энергия примерно соответствует 1 Мт ТНТ. Таким образом, чтобы «состязаться» с природой, нам надо каждые 3 дня взрывать в космосе мегатонный ядерный заряд.

Во времена холодной войны американцы проводили эксперименты, StarFish и другие, со взрывами ядерной бомбы в верхней ионосфере, при которых возникали и искусственные полярные сияния, и сильные геомагнитные возмущения, а излученные высокоэнергичные электроны образовали искусственный радиационных пояс, остатки которого регистрируются до сих пор. Такие испытания сейчас запрещены, да и никакого смысла в них нет.

— Если мы мало чего можем сделать с полярными сияниями, то чем они интересны современной науке?

— Все околоземное пространство пронизано силовыми линиями геомагнитного поля, замыкающимися на Землю. И эти силовые линии направляют к Земле потоки частиц и всевозможных электромагнитных излучений. Таким образом, ионосфера оказывается гигантским экраном, на котором мы видим отклики околоземных космических процессов. Также и полярные сияния являются отражением тех космических катастроф и «космотрясений», которые происходят в сотне тысяч километрах от Земли.