Влияние солнечных бурь на Землю

Повторение сильной солнечной бури 1859 г. могло бы стать «космической Катриной», приводя к повреждениям спутников, энергосистем и систем радиосвязи общей стоимостью в миллиарды долларов.

28 августа 1859 г., едва лишь на американские континенты опустилась ночь, повсюду засияли призрачные отблески полярного сияния. Как будто яркое полотно занавесило все небо от штата Мэн до восточной оконечности Флориды. Жители Кубы наблюдали зарево прямо над своими головами. В это же время в бортовых журналах на судах вблизи экватора появились записи о некоем малиновом свете, достигающем полпути до зенита. Многим людям казалось, что их город объят пламенем. Показания научных приборов во всем мире, фиксирующие минутные изменения магнитного поля Земли, оказались за пределами допустимой шкалы; в телеграфных системах произошел сильный скачок напряжения. Весь следующий день телеграфисты в Балтиморе трудились с восьми утра до десяти вечера, чтобы передать печатный текст, состоящий всего из четырехсот слов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Солнечная буря 1859 г. была самой сильной их всех когда-либо зафиксированных. Полярные сияния озарили все небо далеко на юг, до Карибских островов, стрелки магнитных компасов крутились как сумасшедшие, телеграфные системы вышли из строя.

Согласно анализу слоев ледяной коры, подобный выброс частиц Солнцем происходит только раз в 500 лет. Тем не менее даже не столь сильные солнечные бури, наблюдаемые раз в 50 лет, могли бы сжечь искусственные космические спутники, породить большие помехи в радиовещании и вызвать глобальное отключение электричества.

Высокая цена ущерба, наносимого солнечными бурями, оправдывает внедрение систематических наблюдений за Солнцем, а также необходимость серьезной защиты спутников и наземных энергосистем.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сразу же после полудня 1 сентября английский астроном Ричард Каррингтон (Richard Carrington) сделал набросок группы солнечных пятен необычно больших размеров. В 23:18 ученый стал свидетелем интенсивного белого свечения с двух направлений локализации солнечных пятен. Он напрасно пытался привлечь чье-либо внимание в обсерватории к этому удивительному пятиминутному спектаклю - уединенно работающие астрономы редко находят аудиторию, разделяющую их энтузиазм. 17 часов спустя по всей Америке вторая волна полярного сияния превратила ночь в день даже далеко на юге, в Панаме. В газетах появились сообщения о малиновом и зеленом свечении. Золотоискатели в Скалистых горах проснулись и позавтракали в час пополуночи, думая, что Солнце уже взошло в облачном небе. Телеграфные системы перестали работать в Европе и Северной Америке.

УДАР КОРОНАЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ МАССЫ

ОБЫЧНЫЕ УСЛОВИЯ. Магнитное поле Земли обычно отклоняет солнечные заряженные частицы, формируя магнитосферу, область пространства, напоминающее формой каплю (на илл.). Со стороны Солнца граница этой области - магнитопауза - находится на расстоянии около 60 тыс. км от нашей планеты.

ПЕРВЫЕ СТАДИИ УДАРА. Когда после вспышки происходит выброс вещества из солнечной короны, т.н. корональные выбросы массы, эти облака плазмы сильно искажают магнитосферу. В крайнем случае при очень сильной солнечной буре возможно даже проникновение магнитопаузы в радиационные пояса Земли и их уничтожение.

РАЗРЫВ И ПЕРЕСТРОЙКА ЛИНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ. Солнечная плазма обладает собственным магнитным полем и, распространяясь к нашей планете, порождает возмущения в магнитном поле Земли. Если поле плазмы направлено в противоположную сторону от магнитного поля Земли, то они могут соединиться, или может произойти разрыв, высвобождающий магнитную энергию, которая ускоряет заряженные частицы, порождая таким образом яркое полярное сияние и сильные электрические токи.

УДАР КОРОНАЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ МАССЫ

Представители средств массовой информации в тот день бросились на поиски специалистов, способных объяснить феномен, но тогда и сами ученые совершенно не знали причин появления такого полярного сияния. Метеориты, пришедшие из космического пространства, или отраженный свет полярных айсбергов, или некое подобие белых ночей на больших высотах? Это было Великое полярное сияние 1859 г., возвестившее приход новой научной парадигмы. В журнале Scientific American от 16 октября было отмечено, что «теперь полностью установлена связь между вспышками света на северном полюсе и электромагнитными силами».

Реконструкция событий, случившихся в 1859 г., частично основываясь на схожих (хотя и энергетически более слабых) событиях, зафиксированных современными космическими спутниками. UTC - универсальное координатное время, пришедшее на смену отсчета времени по Гринвичу (в отличие от него, UTC базируется на атомном отсчете времени)

    (1) СОЛНЕЧНЫЕ ПЯТНА
    26 августа
    Большая группа пятен появилась на Солнце около 55° западной долготы. Возможно, произошел первый корональный выброс массы.
    (2) КОРОНАЛЬНЫЕ ВЫБРОСЫ МАССЫ
    28 августа
    Корональный выброс массы достиг Земли скользящим ударом - благодаря солнечной широте его источника; магнитное поле выброса было ориентировано на север.
    28 августа, 07:30 UTC
    Гринвичская магнитная обсерватория обнаружила нарушение - сжатие сигнала в магнитосфере
    (3) ТОЧКИ, ГДЕ БЫЛО ЗАФИКСИРОВАНО ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ
    28 августа, 22:55 UTC
    Начало основной фазы солнечной бури. Большие магнитные возмущения, нарушение работы телеграфа и полярные сияния на юге, до 25°северной широты
    30 августа
    Завершение геомагнитных возмущений от первого коронального выброса массы
    (4) ВСПЫШКА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
    1 сентября, 11:15 UTC
    Астроном Ричард Каррингтон (Richard C. Carrington) наряду с другими замечает белые вспышки на Солнце; большая группа солнечных пятен совершила вращение до западной долготы 12°
    (5) ТОЧКИ, ГДЕ БЫЛО ЗАФИКСИРОВАНО ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ
    2 сентября, 05:00 UTC
    Магнитные обсерватории Гринвича и Кью фиксируют геомагнитный хаос, немедленно последовавший за возмущениями; второй корональный выброс массы достиг Земли за 17 часов, двигаясь со скоростью 2380 км/с, обладая южной ориентацией магнитного поля; полярные сияния появляются до 18° северной широты
    3–4 сентября
    Заканчивается основная фаза геомагнитного возмущения, вызванная вторым выбросом корональной массы; продолжается рассеянное полярное сияние уменьшающейся интенсивности.

СИЛЬНАЯ СОЛНЕЧНАЯ БУРЯ 1859 г.

Исследования, проведенные с тех пор, позволили утверждать, что северное сияние есть неизбежное следствие событий небывалой мощности, происходящих на Солнце, в результате которых «выстреливаются» облака плазмы, сильно искажающие магнитное поле нашей планеты. Удар солнечной бури 1859 г. был не столь заметен только благодаря тому, что наша цивилизация к тому времени еще не достигла технологических высот. Если бы подобная вспышка произошла сегодня, то разрушений было бы гораздо больше: выведенные из строя космические спутники, сбой радиосвязи, отключение электричества на целых континентах, для восстановления которого потребовались бы недели. Хотя буря такой мощности, к счастью, происходит редко (раз в 500 лет), подобное явление половинной мощности происходит примерно раз в 50 лет. Последняя, случившаяся 13 ноября 1960 г., привела к возмущению геомагнитного фона нашей планеты и остановкам в работе радиостанций. Согласно прямым и косвенным подсчетам ущерба от подобной солнечной бури, без необходимой подготовки к ней она может оказаться подобной урагану или землетрясению небывалой мощи.

Великая буря

    Количество солнечных пятен, из которых выходят гигантские трубки силовых линий магнитного поля, растет и убывает в течение в среднем 11-летнего цикла активности. Текущий цикл начался в январе 2008; после половины цикла солнечная активность резко увеличится по сравнению с текущим затишьем. На протяжении предыдущих 11 лет солнечной поверхностью было испущено 21 тыс. вспышек и 13 тыс. облаков ионизированного газа (плазмы). Эти феномены, все вместе и называемые солнечными бурями, происходят из-за неослабевающего перемешивания (конвекции) газов на Солнце. В некоторых случаях существуют наземные бури - с тем важным отличием, что магнитные поля стягивают солнечную плазму, которая управляет их формой и подпитывает энергией. Вспышки - это аналоги световых бурь. Они и становятся источниками частиц высоких энергий и интенсивного рентгеновского излучения, происходящих за счет изменений в магнитном поле на относительно малых (по солнечной шкале) масштабах тысяч километров. Так называемые корональные выбросы массы - аналоги земных ураганов; они представляют собой гигантские магнитные пузыри около миллиона километров в диаметре, которые выбрасывают облака плазмы в миллиарды тонн в пространство со скоростью несколько миллионов километров в час.
    Большинство солнечных бурь почти никак не проявляют себя - только в виде полярных сияний, танцующих в небе вблизи полюсов; по силе это явление не уступает ливню с ураганным ветром. Тем не менее время от времени Солнце порождает страшную бурю. Никто из нас, ныне живущих, никогда не испытывал на себе по-настоящему сильную солнечную бурю, но некоторые оставшиеся от нее следы дают исследователям много интересной информации. В данных о ледяной коре Гренландии и Антарктики ученый из Университета штата Мэриленд Кеннет Дж. Маккракен (Kenneth G. McCracken) обнаружил внезапные скачки концентрации сжатого эфира азотной кислоты, которые в последние десятилетия коррелируют с известными выбросами солнечных частиц. Нитратная аномалия, отождествленная с событиями 1859 г., стала самой серьезной за 500 лет, обладая очень точным соответствием сумме всех наиболее значимых солнечных бурь за последние 40 лет.
    Несмотря на всю свою мощь, солнечная буря 1859 г. не кажется качественно отличающейся от более слабых солнечных бурь. Нам удалось реконструировать цепь событий прошлого. Мы исходили из современных исторических оценок и использовали измерения более мягких солнечных бурь, полученные спутниками за последние десятилетия.

    1. Грядет буря.

    Перед сильнейшей бурей 1859 г. на Солнце сформировалась большая группа солнечных пятен вблизи экватора, недалеко от пика цикла пятнообразования. Пятна были настолько большими, что астрономы, такие как Каррингтон, могли видеть их невооруженным глазом (конечно, защищенным). Во время начальных корональных выбросов массы, осуществленных бурей, эта группа пятен была напротив Земли, помещая нашу планету как будто точно в центр некоей космической мишени. Тем не менее цель Солнца не была столь явной. За то время, пока корональные выбросы массы достигли земной орбиты, они были раздуты на характерное расстояние в 50 млн км, что в тысячи раз превышает размеры нашей планеты.

СЕВЕРНОЕ ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ, в Ньярдвике, Исландия, - самое фотогеничное представление солнечной активности. Эти драматические небесные фейерверки происходят, когда заряженные частицы, преимущественно солнечного ветра, проникают в верхние слои атмосферы Земли. Цвета характеризуют эмиссию разных хим. элементов. Сияния обычно наблюдаются в полярных областях, но они могут образовываться и в тропическом небе во время очень сильной солнечной бури.

СЕВЕРНОЕ ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

    2. Первый порыв бури.

    Сильнейшая буря породила не один, а два корональных выброса массы. Первый имел около 40–60 часов до прибытия к Земле. Согласно данным магнитометров 1859 г., магнитное поле выброшенной плазмы предположительно обладало спиральным профилем. Когда первая волна ударила о Землю, ее магнитное поле было ориентировано на север. Будучи направленным таким образом, магнитное поле усилило собственное магнитное поле Земли, что свело к минимуму эффект взаимодействия. Корональные выбросы массы сжали магнитосферу Земли - область околоземного пространства, в которой магнитное поле Земли превосходит магнитное поле Солнца - и были зарегистрированы магнитоизмерительными станциями на поверхности Земли как внезапное начало солнечной бури. В остальном же волна прошла незамеченной. Несмотря на то что плазма продолжала распространяться дальше, огибая Землю, магнитное поле плазмы медленно вращалось и через 15 часов воспрепятствовало магнитному полю Земли, а не усилило его. В результате произошел контакт линий ориентированного на север магнитного поля Земли и ориентированного на юг облака плазмы. Далее линии поля разъединились на более простые структуры, порождая огромное количество скрытой энергии. Именно по этой причине работа телеграфа нарушилась, и началось полярное сияние.
    Через день или два плазма прошла мимо Земли, и магнитное поле нашей планеты возвратилось в свое нормальное состояние.

    3. Вспышки рентгеновского излучения.

    Самые большие корональные выбросы массы обычно совпадают с одной или несколькими интенсивными вспышками, и буря 1859 г. не была исключением. Видимая вспышка, которую зафиксировали 1 сентября Каррингтон и другие, обладала температурой около 50 млн градусов Кельвина. Согласно этим оценкам, был испущен не только свет видимого диапазона, но и рентгеновское и гамма-излучение. Это была самая яркая солнечная вспышка, когда-либо зафиксированная, обнаруживающая гигантские энергии солнечной атмосферы. Излучение ударило Землю спустя время, которое понадобилось свету, чтобы дойти до нашей планеты (восемь с половиной минут), гораздо раньше второй волны коронального выброса. Если бы в этом процессе существовали короткие радиоволны, они могли бы оказаться бесполезными за счет распределения энергии в ионосфере: высотные слои ионизированного газа отражают радиоволны. Рентгеновское излучение также нагревало верхнюю часть атмосферы и приводило к тому, что она разрасталась на десятки и сотни километров.

    4. Вторая ударная волна.

    До того как окружающая плазма солнечного ветра получила достаточно времени для заполнения пустот, сформировавшихся за счет прохождения первой волны корональных выбросов, Солнце породило такую же вторую. При небольшом количестве задерживающего вещества корональный выброс достиг Земли за 17 часов. В этот момент его магнитное поле было ориентировано на юг, и поэтому произошло немедленное геомагнитное нарушение. Оно оказалось настолько неистовым, что сжало магнитосферу Земли (которая обычно простирается на 60 тыс. км) до 7 тыс. км или, возможно, даже до верхней границы стратосферы. Пояса излучения Ван Алена (радиационные пояса), окружающие нашу планету, были временно сорваны, огромное количество протонов и электронов было выброшено в верхние слои атмосферы. Эти частицы могли быть ответственными за интенсивно красное полярное сияние, видимое из большого количества наблюдательных пунктов на Земле.

    5. Фотоны, обладающие высокой энергией.

    Солнечные вспышки и интенсивные корональные выбросы также ускоряли протоны до энергий в 30 млн Эв или выше. В арктических областях, где магнитное поле Земли создает наименьшую защиту, эти частицы проникали до высот 50 км и давали дополнительную энергию ионосфере. Согласно исследованиям Брайана Томаса (Brian C. Thomas) из Университета Уошберн, протонный ливень солнечной бури 1859 г. уменьшил количество озона в земной стратосфере на 5%. Для восстановления озонового слоя потребовалось четыре года. Наиболее высокоэнергичные протоны с энергиями больше 1 млрд Эв вступили во взаимодействие с ядрами атомов азота и кислорода в атмосфере, порождая нейтроны и создавая аномальный недостаток азотной кислоты. Достигающие земной поверхности ливни нейтронов называются «событиями на поверхности», но технологии не были в состоянии зафиксировать их движение. К счастью, это не было опасно для жизни.

    6. Массивные электрические токи.

    Поскольку полярные сияния распространяются от высоких широт к низким, сопровождающие их ионосферные и авроральные электрические токи индуцируют интенсивный, соединяющий континенты ток на поверхности Земли. Так эти токи проникли в телеграфную систему. Многоамперные высоковольтные нагрузки привели к тому, что сгорели несколько телеграфных станций.

«Поджаренные» спутники

Когда большая геомагнитная буря случится в следующий раз, первой очевидной жертвой станут искусственные космические спутники Земли. Даже при обычных условиях частицы космических лучей разрушают солнечные батареи, в результате чего их мощность падает на 2% в год. Частицы космических лучей также нарушают работу электроники спутников - много американских спутников связи, таких как Anik Е1, Е2 в 1994 г. и Telstar 401 в 1997 г., были таким образом подвергнуты риску или потеряны. Сильная солнечная буря может послужить причиной сокращения времени жизни спутника - произвести сотни сбоев, от случайных, но безвредных команд до серьезных электрических повреждений.

Частицы высоких энергий разрушают солнечные батареи. Они также проникают внутрь системы и генерируют ложные сигналы, которые могут исказить данные или даже привести к потере управления спутником.

Электроны могут собираться на спутнике и служить причиной статического электричества, которое физически разрушает систему.

ОЩУЩАЯ ГЛАВНЫЙ УДАР

Для того чтобы изучить поведение спутников в условиях сильной солнечной бури, мы моделировали тысячу вариантов возможного ее развития - от обладающей интенсивностью той, что произошла 20 октября 1989 г., до сверхмощной бури 1859 г. Результаты моделирования показали, что бури не только повреждают солнечные батареи спутников, как ожидалось, но и приводят к значимой потере доходов: общий ущерб превысил бы $20 млрд. При расчетах мы предположили, что владельцы и разработчики спутников могли бы уменьшить расход путем поддержания в избытке запасов производительной нагрузки и 10% запасов энергии во время полета спутников. Однако при менее оптимистичных предположениях потери составят около $70 млрд., что сопоставимо с годовым доходом от всех спутников связи. Такая картина верна даже при условии, что не учитывает побочные экономические потери пользователей спутников.
К счастью, геостационарные спутники связи достаточно устойчивы при воздействии одного события в десять лет, и их время жизни растет от пяти лет в 1980 г. до 17 лет сегодня. В солнечных батареях проектировщики заменили силикон на арсенид галлия, увеличив тем самым производительную мощность и снизив массу спутника. Эта замена должна также повысить сопротивляемость к разрушениям, связанным с космическими лучами. Кроме того операторы спутников заранее получают предупреждения о бурях от Центра предсказания космической погоды Национального управления по изучению и освоению океана и атмосферы. Это позволяет спутникам избежать сложных пространственных маневров или других изменений в программе полета во время возможного прихода бури. Такая стратегия несомненно смягчила бы основной удар бури. Для будущих хорошо защищенных спутников проектировщики могли бы сделать более толстой экранировку (чем ниже напряжение солнечных батарей, тем меньше риск статического электричества), добавить дополнительные резервные системы и сделать программное обеспечение более устойчивым к порче данных.

ПРОТОННЫЙ ЛИВЕНЬ

Подобно земным ураганам и грозам, солнечные бури могут причинять ущерб многими способами:

Солнечные вспышки - относительно небольшие взрывы, порождающие излучение. Они вызывают скрытое радиопоглощение в т.н. D-слое земной ионосферы, интерферируя с сигналами спутниковой системы навигации GPS и коротковолновыми приемниками. Вспышки также ударят в верхние слои атмосферы, раздувая ее и увеличивая трение спутников.

Корональные выбросы массы - гигантские пузыри плазмы. Если Земля оказывается на их пути, то они могут индуцировать электрические токи, которые растут в каналах связи, кабелях и трансформаторах.

Протонные ливни - поток обладающих высокой энергией протонов - иногда сопровождают солнечные вспышки и корональные выбросы массы. Они могут повредить данные в электронных цепях, а космонавты и пассажиры самолетов могут получить повышенную дозу радиации.

ПРОТОННЫЙ ЛИВЕНЬ

Трудно уберечься от других последствий сильной солнечной бури. Энергия рентгеновского излучения приведет к расширению атмосферы, усиливая силы трения для орбитальных спутников ниже 600 км (военные, коммерческие, спутники связи). Во время печально известной бури 14 июля 2000 г. японский современный спутник для выполнения задач космологии и астрофизики испытал как раз такие условия. Спутник был принужден к движению с потерей высоты и энергии, что в конце концов привело к его преждевременному выходу из строя пятью месяцами позже. Во время сильной бури спутники на низких орбитах рискуют бы быть сожженными в атмосфере в течение недель или месяцев после начала разгула стихии.

Высвечивание

Некоторые спутники были разработаны специально для учета всех причуд космической погоды. В противоположность им земная энергосистема хрупка даже и во время тихой космической погоды. Каждый год, согласно оценкам Кристины Хамачи-Лакоммаре (Kristina Hamachi-LaCommare) и Джозефа Это (Joseph H. Eto) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, экономика США получает удар, обходящийся ей в $80 млрд из-за сбоев в электричестве. Во время солнечных бурь возникают совершенно новые проблемы. Большие трансформаторы обладают электрическим заземлением и поэтому восприимчивы к повреждениям, вызванным геомагнитно-индуцированными постоянными токами (ПТ). ПТ течет по контурам заземленного трансформатора и может привести к температурным скачкам в 200° С или выше, вызывая испарение смазочно-охлаждающей эмульсии и буквально поджаривая трансформатор.

Электрические токи в ионосфере индуцируют электрические токи на поверхности и в каналах связи.

ТЬМА НАСТУПАЕТ

Даже если последний избежит такой судьбы, индуцированный ток может привести к насыщению магнитного сердечника за время, равное половине периода переменного тока, назрушая частоту 50 или 60 герц сигналы. Часть энергии может преобразоваться до таких частот, которые электрическое оборудование не сможет отфильтровать. Таким образом, вместо того чтобы гудеть в определенном тоне, трансформатор стал бы вибрировать и издавать хриплые звуки. Поскольку магнитная буря действует на трансформаторы по всей стране, происходящее может быстро перерасти в коллапс системы напряжения всей сети трансформаторов. Сеть работает так близко к границе сбоя, что вывести ее из строя оказалось бы совсем не сложно.
Согласно исследованиям Джона Каппенмана (John G. Kappenman) из корпорации MetaTech, магнитная буря 15 мая 1921 г., случись она сегодня, могла бы привести к сбою электричества на половине территории Северной Америки. Более же сильный шторм, подобный событию 1859 г., мог бы вывести из строя всю сеть полностью.

Авторы материала: Джеймс Грин и Стэн Оденуолд; Перевод: О.С. Сажина