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.
Империя Солнца простирается далеко за пределы планетных орбит, образуя огромный пузырь, который именуется гелиосферой. Этот пузырь «надувается» беспрестанными потоками солнечного ветра. В силу того, что этот ветер «дует» по-разному, магнитное поле Солнца неоднородно, однако оно отбрасывает множество космических лучей, приходящих из Галактики. Когда этот солнечный щит ослабевает, на Землю попадает больше космических лучей.
Солнце совершает оборот вокруг своей оси за четыре недели, и в результате магнитное поле, влекомое солнечным ветром, наполняет гелиосферу движущимися силовыми линиями спиральной формы. Около Земли они отклоняются от направления на видимое Солнце на 30–45 градусов к востоку. Однако основную работу по отклонению и зачастую отражению космических лучей выполняют не эти регулярные силовые линии. На Солнце иногда возникают интенсивные, но маломасштабные возмущения магнитного поля, которые рассеивают космические лучи и дают возможность солнечному ветру увлечь их с собой — в определенной степени, разумеется.
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.
Последняя линия обороны
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.
