Буря века

На Земле только что прошел самый сильный магнитный шторм в нашем столетии. Заметили?

10–12 мая прошла одна из крупнейших за всю историю наблюдений и самая мощная геомагнитная буря в этом веке. Силу бури принято разделять на пять уровней, от G1 до G5, и нынешняя буря дошла до G5. Вызванные ею полярные сияния можно было видеть на 40 градусах северной широты, то есть южнее Астрахани и Рима, на широте Нью-Йорка или Мадрида. Что такое магнитные бури, почему они возникают и чем опасны для нас — в материале «Холода».

Чтобы не пропускать главные материалы «Холода», подпишитесь на наш инстаграм и телеграм.

«Электрическая буря» на Нью-Йоркской железной дороге

В ночь на 14 мая 1921 года телеграфная и телефонная связь в Нью-Йорке и практически на всем восточном побережье Соединенных Штатов оказалась парализована: сильнейшие скачки напряжения в сети сделали передачу сообщений практически невозможной. Репортер New York Times жаловался, что на передачу депеши в 150 слов телеграфисту потребовалось полтора часа. Значительная часть телеграфных служб просто перестала работать. На следующий день ситуация не стала лучше: скачки напряжения в телеграфных сетях лишили связи Нью-Йоркскую Центральную железную дорогу, а короткие замыкания спровоцировали пожар в диспетчерской башне на углу 57-й улицы и Парк-авеню.

Похожие события происходили в других концах мира: телеграфная станция сгорела в Швеции, проводная связь перестала работать в Австралии, в США и Канаде, Швеции, Норвегии, Новой Зеландии и Японии. Канадская пресса писала, что многие телефонные линии в Нью-Брансуике полностью вышли из строя, а всплески напряжения в США достигали 1000 вольт.

Как будто в насмешку на ночном небе в эту неделю можно было видеть фантастически красивые полярные сияния по всей Европе и в Северной Америке — даже на Кубе и во Флориде.

Виновник всех этих событий — это Солнце, точнее сказать, спровоцированная им магнитная буря. Наверное, нам всем повезло, что мы не пользуемся телеграфом, — потому что мы только что пережили сопоставимую с ней по силе магнитную бурю.

Но что это за бури, откуда они берутся и насколько сильно могут на нас повлиять?

Что такое Солнце

Наше Солнце — это довольно простой объект. Оно почти целиком состоит из ионов водорода (то есть протонов), с добавлением ядер гелия. Вся эта огромная масса разогретых до высочайших температур ионов постоянно перемещается. Поскольку упорядоченное движение заряженных частиц — это электрический ток, то и это движение порождает магнитное поле. Солнечное магнитное поле примерно в два раза сильнее земного и намного сложнее.

Как оно устроено и при чем тут солнечные пятна Помимо дипольной компоненты, то есть похожей на земную конфигурации с южным и северным магнитным полюсом, у солнечного магнитного поля периодически возникает и кольцевая компонента, то есть магнитные линии, опоясывающие Солнце вдоль экватора. Направлены они в противоположные стороны — в одну сторону выше солнечного экватора, в другую сторону — ниже.

Проходят эти линии в основном под видимой «поверхностью» Солнца — фотосферой, но часть этих магнитных трубок может выглядывать наружу, и места, где петли выходят, мы можем видеть — это солнечные пятна. Часто они возникают парами — это место выхода магнитной трубки и место ее входа.

В некоторых случаях в одной группе солнечных пятен (активной области) могут собраться сразу несколько магнитных трубок, в результате чего возникает очень сложная и запутанная конфигурация магнитных полей с большими запасами энергии. В какой-то момент в этой конфигурации может произойти короткое замыкание, она резко «упростится». Это замыкание сопровождается мощными вспышками излучения (основная энергия излучается в рентгеновском диапазоне, поэтому их иногда называют рентгеновскими вспышками). Вместе со вспышкой Солнце выбрасывает облака плазмы — миллиарды тонн заряженных частиц. Ученые называют такие события корональными выбросами массы. Именно эта плазма вместе с «вмороженным» в нее магнитным полем и провоцируют магнитные бури на Земле.

Как это происходит

Жизнь на Земле существует благодаря магнитному полю. Без него солнечный ветер — поток заряженных частиц, непрерывно летящих от Солнца, «сдул» бы нашу атмосферу. Посмотрите на Марс: он лишен мощного глобального магнитного поля и из-за солнечного ветра сегодня теряет около 100 граммов атмосферы в секунду.

В момент вспышки излучения на Солнце часть протонов и электронов приобретает скорость, близкую к скорости света, и уже примерно через 10 минут оказывается окрестностях Земли и засыпает «снегом» снимки космических солнечных телескопов. Солнечные астрономы называют это событие радиационным штормом.

Частицы солнечного выброса двигаются вдоль силовых линий магнитного поля Земли к полюсам и могут серьезно затруднить радиосвязь (особенно в приполярных районах), подействовать на электронику, обеспечить дополнительную дозу радиации авиапассажирам на трансполярных рейсах (и космонавтам на МКС — лучше бы им в этот момент не работать в открытом космосе). Но нам, живущим на поверхности Земли, радиационные штормы никак не вредят.

Однако выброс протонов — это еще не весь радиационный шторм. Следом за «быстрыми» частицами идет корональный выброс массы, миллиарды тонн плазмы, о которых мы говорили выше. Скорость этих выбросов относительно невелика — от 800 до 3000 километров в секунду, поэтому они прилетают к Земле спустя два-три дня (самые скоростные выбросы могут долететь за 15–18 часов).

Благодаря этому зазору ученые могут предсказывать магнитные бури: если вы увидели мощную вспышку в группе пятен, ориентированной на Землю (ученые говорят: «в геоэффективном положении»), и солнечные телескопы видят корональный выброс, то есть вероятность, что через пару дней может быть магнитная буря (но не верьте расписаниям геомагнитных бурь на месяц вперед, которые публикуют некоторые газеты, — настолько заблаговременно предсказывать бури мы не можем).

В спокойной ситуации земное магнитное поле асимметрично — под действием солнечного ветра и вмороженного в него магнитного поля земное магнитное поле деформируется, у него появляется длинный хвост, вытянутый от Солнца. В момент прилета коронального выброса земное магнитное поле испытывает возмущения (это мы и называем магнитной бурей), прилетевшие протоны и электроны «зажигают» полярные сияния у полюсов (а иногда и существенно ближе к экватору) — за счет взаимодействия с атомами верхних слоев атмосферы. Кроме того, удар приводит к «коротким замыканиям» — пересоединениям магнитных силовых линий в «хвосте» земного магнитного поля, что усиливает полярные сияния.

Чем это грозит?

Из школьного курса физики мы знаем, что переменное магнитное поле порождает электрический ток, магнитная буря — это и есть ситуация, когда магнитное поле Земли становится переменным, его сила начинает меняться, и в любом проводнике возникает электрический ток, причем чем длиннее этот проводник, тем сильнее напряжение.

В конце XIX и начале XX века на Земле уже не было недостатка в длинных проводниках — железные дороги, трубопроводы, телеграфные и телефонные линии. И, как показывает история, с которой мы начали рассказ, вся эта инфраструктура оказалась очень уязвимой перед солнечными возмущениями.

Масштаб возмущений, спровоцировавших пожары и сбои связи в 1921 году, не был точно известен до 2019 года. Дело в том, что вплоть до 1957 года не существовало международной сети магнитных станций и систематических наблюдений за состоянием магнитного поля с едиными стандартами измерений. Например, о самой мощной в истории магнитной буре — Событии Кэррингтона в 1859 году — мы можем судить по данным с единственной станции.

Однако в 2019 году ученые из США и Японии смогли отыскать и восстановить записи с нескольких станций, и теперь мы знаем, что 15 мая 1921 года индекс -Dst (изменение горизонтального компонента магнитного поля) достигал 907 ± 132 нТ. Иначе говоря, индукция земного магнитного поля в тот момент упала примерно на 900 нанотесл.

Магнитная буря, которая произошла несколько дней назад, несмотря на впечатляющие спецэффекты, была не такой масштабной. По данным магнитной станции в Киото, в этот раз магнитная индукция снизилась примерно вдвое меньше, на 400 нанотесл:

Поэтому, возможно, мы не видели техногенных катастроф, связанных с нынешней бурей. Вместе с тем, несмотря на растущую зависимость человечества от сетей связи и электричества, наши коммуникации сегодня стали менее уязвимы для магнитных возмущений, чем столетие назад: большая часть данных сегодня передается по оптоволокну, на которое не влияют колебания магнитных полей, и энергетики тоже все чаще используют экранированные подземные кабели.

В прошлом магнитные бури прежде всего чувствовали те, кто занимался радиосвязью: коротковолновая межконтинентальная связь основана на использовании эффекта отражения радиоволн от ионосферы, и ионосферные возмущения, связанные с магнитными бурями, могли полностью прервать эту связь. Сегодня однако связь все больше уходит в кабели, в более коротковолновые диапазоны, которые хотя и не могут добить за горизонт, позволяют обеспечить лучшее качество и скорость передачи данных (если конечно вы не ушли слишком далеко от ближайшей вышки).

Но не исключено, что достаточно мощная магнитная буря, подобная той, что случилась в мае 1921 года или Событию Кэррингтона (-Dst оценивается от 850 до 1050 нанотесл), может привести к крупной аварии на электрических сетях — особенно если магнитная буря произойдет в момент высокой нагрузки: например, в период сильной жары и массового использования кондиционеров.

Эксперты Академии наук США в 2008 году подсчитали, что аварии на электросетях, вызванные магнитной бурей такого же масштаба, что и в мае 1921 года, могут затронуть около 130 миллионов человек только в Штатах.

При этом в отличие от ситуации начала XX века значительная часть нашей технологической инфраструктуры сегодня вынесена за пределы земной магнитосферы и атмосферы и по сути беззащитна перед космической радиацией и другими неприятными вещами: наше благополучие сегодня во многом зависит от тысяч спутников, работающих на орбите: спутников связи, навигации, аппаратов для метеорологических наблюдений.

Их электроника, как правило, рассчитана на работу под бомбардировкой заряженными частицами, но экстремально мощная вспышка может вывести их из строя.

Вторая проблема — это состояние атмосферы. Когда в 1986 году была запущена станция «Мир», советские специалисты решили поднять прежнюю станцию «Салют-7» на более высокую орбиту и оставить ее на будущее, чтобы корабли «Буран» смогли слетать к ней, исследовать ее состояние и вернуть на землю некоторые приборы и узлы. Однако в 1990 году из-за роста солнечной активности земная атмосфера «разбухла», ее верхние слои разогрелись, и начали тормозить станцию намного сильнее, чем рассчитывали. В результате станция начала неконтролируемо снижаться и сгорела над Южной Америкой.

Международная космическая станция сегодня остается на орбите потому, что регулярно включает двигатели и поднимает орбиту. Однако у большинства низкоорбитальных спутников просто нет двигателей, и если во время пика солнечной активности атмосфера снова начнет «разбухать», это значит, что многие спутники сойдут с орбиты значительно раньше, чем рассчитывали их создатели.

Надо сказать, что нам еще повезло. Солнце — относительно спокойная звезда, красные карлики (такие, как Проксима Центавра) могут порождать вспышки в тысячи и десятки тысяч раз мощнее солнечных, и радиация от них способна буквально стерилизовать планету.
Однако, возможно, наша история еще слишком коротка, и мы пока просто не дождались действительно мощных супервспышек. Некоторые ученые полагают, что такие супервспышки Земля переживала в доисторические времена, и никто не даст гарантии, что они не могут повториться.