Страница 13 из 55
Одна из причин ударных волн, создающих эти возмущения, — столкновения между быстрыми и медленными потоками солнечного вещества, идущими из различных областей нашего светила. Еще одна причина — магнитные взрывы в солнечной атмосфере, которые выбрасывают гигантские клубы газа — их именуют «выбросы вещества», — проявляющиеся в виде сильных и внезапных «порывов» солнечного ветра. На Солнце бывает штормовая погода, которая порой длится годами, — о ней говорят многочисленные области высокой магнитной активности, иначе говоря, пятна на Солнце; в эти периоды ударных волн бывает много, и они очень сильны.
У Джона Симпсона[16] из Чикагского университета, «серого кардинала» проекта «Улисс» (точнее, той его части, которая отвечает за прохождение аппарата по околосолнечной полярной орбите), была любимая аналогия для описания того, как трудно космическим лучам попасть внутрь Солнечной системы:
«Представьте, что вы скатываете теннисные мячики вниз по эскалатору, движущемуся вверх. Некоторые из них отскочат от ступеней. Теперь разгоните эскалатор побыстрее, чтобы изобразить возрастающую солнечную активность, и вы увидите, что к вам вернется гораздо больше теннисных мячей, — а до нижней ступени эскалатора доберется гораздо меньше»[17].
И только около половины космических лучей проникнет внутрь Солнечной системы, туда, где Земля обращается вокруг Солнца. Большая часть того, что отсеивается, когда Солнце находится в своей наиболее активной фазе, — это частицы относительно низких энергий, так что они в любом случае были бы отброшены геомагнитным полем. Наземная станция, основанная Симпсоном в Клаймаксе (штат Колорадо), регистрировала поток космических лучей на протяжении половины прошедшего столетия, вычисляя среднемесячные значения. И согласно этим данным количество заряженных частиц умеренных энергий сокращается на 25–30 процентов, после того как ученые фиксируют максимумы солнечных пятен. Между максимумом солнечных пятен и минимумом космических лучей обычно проходит год или два, так как необходимо какое-то время, чтобы ударные волны прошли сквозь границу гелиосферы.
Проведя день или два в зигзагообразных движениях, пробравшись через все магнитные заслоны, поставленные на их пути солнечным ветром, некоторые заряженные частицы наконец достигают Земли. Предпоследняя трудность на их пути — это геомагнитное поле, служащее Земле щитом от незваных галактических гостей. Динамо-машина в расплавленном железном ядре нашей планеты отвечает за большую часть магнитного поля Земли, которое можно уподобить большому пузырю, существующему «внутри» солнечного ветра, или магнитосферы. «Порывы» солнечного ветра деформируют магнитосферу и вызывают магнитные бури на Земле, когда стрелки компасов кружатся в неистовом танце, а в небесах полыхают полярные сияния.
С 1868 года ученые наблюдают за изменениями магнетизма на противоположных концах Земли — в Гринвиче и Мельбурне. Регистрация усредненных данных по геомагнитному полю, так называемого аа-индекса, продолжается по сей день, теперь уже с использованием обсерваторий в Хартленде (Англия) и Канберра (Австралия). Попутно первопроходцы измеряли мощь солнечного ветра, и благодаря этим ученым у нас есть замечательные данные о связи между Землей и Солнцем, начиная со времен королевы Виктории. Однако в этих данных довольно много путаницы, в результате чего роль нашего магнитного поля в деле защиты планеты от космических лучей получается сильно преувеличенной.
Когда большой выброс с Солнца проходит мимо Земли, магнитосфера действует как зонтик. Количество заряженных частиц может внезапно снизиться на 20 процентов меньше чем за день и вернуться к норме лишь через несколько недель. Скотт Форбуш из Института Карнеги в Вашингтоне впервые открыл такие спады и считал, что их причина кроется в возмущениях магнитного поля Земли, тогда как на самом деле эти спады — единовременные побочные продукты тех самых выбросов на Солнце. Резкое понижение интенсивности космических лучей во время вспышек на Солнце получило название Форбуш-эффекта. Космические станции, посещающие другие области Солнечной системы, время от времени регистрируют такие явления, подтверждая, что Форбуш-эффекты — результат работы отдельных ударных волн в гелиосфере.
Добравшись до земного магнитного поля, частицы все еще движутся беспорядочно, как если бы они были мячи-нами в автомате для игры в пинбол. Но пройти через магнитный фильтр удается немногим. Высокоэнергетические частицы могут прорвать заслон в любом месте над Землей, но над Юго-Восточной Азией им понадобится больше энергии, чем над Бразилией и Южной Атлантикой, потому что магнитное поле распределено неравномерно. Слабым космическим лучам допуск в экваториальную зону не разрешен, поскольку именно там магнитное поле параллельно поверхности Земли. Частицам с наименьшей энергией либо вовсе отказывают в доступе, либо вынуждают их спускаться ближе к магнитным полюсам, где силовые линии круто искривляются и направляют космические лучи вовнутрь.
Жизнь первичных космических лучей, прибывающих из звездного пространства, обрывается внезапно — в тот момент, когда они вонзаются в земную атмосферу. Для них столкнуться с атмосферой равносильно тому, как если бы они врезались в массивную стену замка. Любому обитателю Земли воздух на высоте 25 километров покажется чрезмерно разреженным, однако он намного плотнее той среды, с которой частицам приходилось иметь дело в ходе длительного путешествия по Галактике, — иначе они не продержались бы так долго.
Марс — яркий пример того, насколько эффективно предохраняет нас атмосфера от космических лучей. Более бедная и разреженная атмосфера Марса защищает свою планету не лучше, чем земная на высоте свыше двадцати километров. Если космонавты выйдут на поверхность Марса, они окажутся беззащитными перед потенциально очень опасной космической радиацией и получат за один день дозу, какую жители нашей планеты получают за год. Космические агентства уже научились защищать электронику космического корабля от вредоносных космических лучей, и в 2005 году группа ученых НАСА, делая доклад о том, какому риску подвергнется здоровье человека на поверхности Марса, высказала свое сожаление следующим образом:
«Наиболее успешные примеры противодействия радиации — это исследовательские вездеходы, проработавшие на поверхности Марса более года… Мы намного лучше понимаем и умеем предотвращать воздействие радиации на электронику, чем на живые организмы»[18].
Земная атмосфера останавливает практически все частицы — и высокоскоростные протоны, и ядра тяжелых атомов — задолго до того, как они приблизятся к земной поверхности. В результате атомных и ядерных взаимодействий, происходящих в воздухе, рождаются тучи вторичных космических лучей. Частицы продолжают сталкиваться между собой, и таким образом высокоэнергетические зачинщики могут производить ливень из миллионов или даже миллиардов заряженных частиц. Физики получают огромное удовольствие, наблюдая за сложным ходом событий, в котором участвуют гамма-лучи и множество субатомных частиц различных видов, но лишь очень немногим из этих частиц удастся попасть в нижние слои атмосферы.
Если судить по их поведению в контрольно-измерительных приборах, после первых ударов интенсивность космических лучей даже возрастает, так как рождается колоссальное количество вторичных частиц. В 15 километрах над землей интенсивность достигает своего пика, и частиц становится приблизительно в два раза больше, чем было первичных космических лучей, перед тем как они врезались в воздух. Воздушная преграда настолько эффективна, что до уровня моря дойдет лишь одна двенадцатая часть. Когда Виктор Гесс проводил свои исследования, поднимаясь на аэростате, он понял, что космические лучи, должно быть, поступают на Землю сверху, так как, чем выше он оказывался, тем больше их становилось.
16
Джон Александр Симпсон (1916–2000) — крупный американский ядерный физик, специалист в области физики космических лучей.
17
Из личной переписки Джона Симпсона и Найджела Колдера, 1994 г.
18
NASA report on health risks on Mars: The Mars Human Precursor Science Steering Group, HACA, 2 июня 2005 г.