Оригинал материала
Воздействие магнитных бурь на техносферу и эффект смещения северного магнитного полюса
О магнитных бурях чаще всего говорят и пишут в связи с их воздействием на сердечно-сосудистую систему. Влияние действительно есть, но оно не столь уж существенно — водка или нагоняй от начальства уносит больше человеческих жизней. Популярность же этой темы в науке объясняется тем, что достаточно взять статистику болезней в ближайшем госпитале, скоррелировать с индексами магнитной активности — и статья готова.
На самом деле воздействие магнитных возмущений на биосферу и техносферу — проблема серьезная, требующая тонких методов анализа. И в этой области российские ученые достигли значительных успехов — начиная с пионерских работ А. Л. Чижевского [1] до современных трудов Б. М. Владимирского [2] из Крымской астрофизической обсерватории и Т. К. Бреус из Института космических исследований РАН. Уже удалось определить и главный источник воздействия — пульсации магнитного поля.
Воздействие магнитных бурь на технические объекты, иногда катастрофические, вызвано индукционным электрическим полем, возникающим при быстром изменении напряженности магнитного поля на Земле. Впервые ощутимые эффекты этого рода отмечались во время сильной магнитной бури 1 сентября 1859 года, которую заслуженно связывают с именем английского астронома Кэррингтона, который изучал солнечные пятна. Он проектировал картинки пятен с телескопа на экран и зарисовывал их. Однажды в группе пятен Кэррингтон увидел два ярких белых пятнышка, которые уже через несколько минут начали затухать и погасли (рис. 1). Белые пятнышки видели и раньше, но как-то не обращали на них внимание. А на этот раз через сутки после того, как Кэррингтон наблюдал хромосферную вспышку, разразилась магнитная буря, которая, по оценкам специалистов, была самой мощной за прошедшие с того времени полтора столетия.
В те дни на Земле было еще не так много электрических приборов, но разрушения оказались заметными: мощные токи вывели из строя телеграфные линии, сгорел трансформатор на электростанции… C тех пор количество технических аварий, коррелирующих с космофизическими показателями, существенно выросло.
Магнитная буря 24 марта 1940 года вызвала нарушения в электроснабжении в Новой Англии, Нью-Йорке, Пенсильвании, Миннесоте, Квебеке и Онтарио. Перегрузка в 2600 вольт была зарегистрирована в Атлантическом кабеле между Шотландией и Ньюфаундлендом.
13 марта 1989 года мощная буря позволила миллионам людей любоваться полярными сияниями не только на Аляске или в Скандинавии, но и на побережье Средиземного моря и в Японии. Но эта же «буря года» разрушила трансформатор на атомной станции в Салеме (Нью-Джерси, США). Она же блокировала работу высоковольтной сети в Квебеке и на 9 часов оставила 6 млн человек без электричества. После аварии в Салеме выяснилось, что даже небольшое увеличение силы постоянного тока может вывести из строя трансформатор, предназначенный для преобразования переменного тока. Эта добавка вводит его в режим работы с избыточным магнитным насыщением сердечника, что приводит к перегреву обмоток и в конце концов к аварии всей системы.
Воздействие вызывается электродвижущей силой, индуцируемой короткопериодическими вариациями геомагнитного поля. Наводимая разность потенциалов невелика и составляет примерно несколько вольт на километр (максимальное значение было зарегистрировано в 1940 году в Норвегии и составило около 50 В/км), но в протяженных проводниках с низким сопротивлением — линиях связи и электропередач, трубопроводах, рельсах железных дорог — полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер. Наибольшее воздействие испытывают электрические линии, протянутые с востока на запад в полярных районах. Американский совет по энергетической надежности отнес магнитные бури марта 1989 года и октября 1991 года к тому же классу нанесенного экономике урона, что и ураган Хьюго и землетрясение в Сан-Франциско.
Хотя считается, что описанные выше техногенные катастрофы вызываются магнитными бурями, на самом деле они вызываются полярными бурями — магнитосферными суббурями.
Не будем вдаваться в подробности, заинтересованный читатель сможет самостоятельно разобраться в них в нашей книге, выходящей в НИИЯФ МГУ [3]. Скажем только, что мировые магнитные бури вызываются «поджа-тием» магнитосферы мощным потоком скоростного солнечного ветра и приводят к образованию кольцевого тока вокруг Земли и — как следствие — к понижению напряженности магнитного поля в приэкваториальных районах. Полярные бури, или суббури, гораздо более многочисленны. Это последствия взрывного высвобождения накопленной в магнитосфере энергии, они также вызывают понижение напряженности магнитного поля преимущественно в приполярных районах. Наведенное индукционное поле пропорционально величине и скорости изменения напряженности магнитного поля. У сильной магнитной бури вызванное кольцевым током понижение напряженности магнитного поля на Земле составляет 250-400 нТл. При этом падение напряженности продолжается от нескольких часов до суток. В то же время при средней по мощности суббуре магнитные бухтообразные возмущения магнитудой в 300-600 нТл развиваются за время от 1 до 10 минут. В результате наводимая суббурей э.д.с. на два порядка выше, чем вызванное кольцевым током сильной магнитной бури. Известно, например, что в августе 1972 года магнитная буря была слабой (50 нТл), а авроральная активность — высокой, в результате чего разрушился сетевой трансформатор в Британской Колумбии (авроральная зона Канады).
Почему же именно глобальным магнитным бурям приписывается влияние на биосферу и техносферу? Дело в том, что во время магнитных бурь суббуревые магнитные бухты достигают магнитуды 1000-2000 нТл . Дополнительно значительные магнитные возмущения в авроральной и субавроральной области возникают и в момент прихода ударной волны солнечного ветра. Импульс SC вызывает на ночной стороне радиальный перенос к Земле и ускорение авро-ральных электронов с последующим сбросом в атмосферу, что также вызывает большие ионосферные токи.
Таким образом, максимальное воздействие на техносферу должно наблюдаться на широтах суббуревой активности, в авроральной зоне, что, собственно, и происходит.
Авроральная зона — это полоса широт, на которых регистрируются самые мощные магнитные возмущения и самые яркие полярные сияния («аврора» по-английски и означает полярное сияние). В системе магнитных координат область широт с максимальной активностью полярных магнитных бурь представляет собой окружность на широте 65-70°, в центре которой находится магнитный полюс. Окружность несколько искажена, поскольку дипольное поле Земли не строго дипольное. Так как магнитный полюс смещен от географического в сторону Канады, авроральная зона в географической системе координат будет также смещена в сторону Северной Америки. Из-за этого смещения, кстати, число описанных техногенных катастроф в Канаде и США существенно выше, чем в Европе.
На рис. 2 показано положение авроральной зоны в России и Северной Европе. Видно, что она в основном проходит над Северным Ледовитым океаном, не затрагивая насыщенных техникой областей. Это одна из двух основных причин, по которым техногенные катастрофы, связанные с полярными бурями, в России практически не исследованы. Вторая причина — в том, что информация о технических нарушениях труднодоступна.
На самом деле некоторое количество этих неприятностей наверняка имело место, потому что во время сильных магнитных бурь область возмущений существенно расширяется по широте, северная и южная границы появления полярных сияний сдвигаются, как показано на рис. 2 пунктиром [4].
Совсем другая картина будет наблюдаться, если авроральная зона сместится в область повышенной индустриальной активности.
Смещение северного магнитного полюса
Измерения положения северного магнитного полюса Земли показывают, что полюс смещается от берегов Северной Канады в Ледовитый океан по направлению к Сибири. С 1973 по 1984 год полюс сместился на 120 км, с 1984 по 1994 год — более чем на 150 км. Скорость дрейфа нарастала с 10 км/год в 1970-х годах до 60 км/год в 2004 году.
Вокруг этого явления появилось немало смелых предположений о предстоящей переполюсовке магнитного поля Земли с катастрофическими последствиями для земных обитателей и прочих смелых выводов, вплоть до предсказаний конца света.
Однако одно очевидное последствие смещения магнитного полюса можно указать. При обозначавшейся тенденции смещения северного магнитного полюса в сторону Сибири авроральная зона будет перемещаться в России к средним широтам, а в США и Канаде — к северным. Это приведет к уменьшению числа и размаха техногенных катастроф в западном полушарии и к соответствующему увеличению — в восточном.
Для количественной оценки величины смещения авроральной зоны были проведены расчеты для двух новых положений северного магнитного полюса: первое — при сдвиге магнитного полюса в точку полюса географического и второе — к северной оконечности Новой Земли. Для этих двух положений магнитного полюса находились новые географические координаты авроральной зоны. При этом считалось, что в первом приближении изменениями квадрупольных и более высоких составляющих магнитного поля Земли можно пренебречь. Результаты расчетов можно увидеть на рис. 3. Видно, что авроральная зона смещается на широту Петербурга на первой ступени сдвига и на широту Москвы и Байкала при сдвиге магнитного полюса до Новой Земли. Несомненно, угроза техногенных катастроф резко увеличится. Увеличится и воздействие на биосферу, так как наибольший уровень магнитных пульсаций наблюдается тоже в авроральной зоне.
Чтобы оценить количественно их вероятность, оценим уровень магнитной активности в авроральной зоне в разные годы 11-летнего цикла солнечной активности. В качестве индикатора используем базу данных Кр-индекса, отражающего мощность магнитных возмущений за трехчасовые интервалы по 9-балльной шкале. Возьмем три интервала по три года — годы минимума, максимума и на склоне спада 11-летнего цикла солнечной активности. Видим, что в минимуме 11-летнего цикла солнечной активности половина дней спокойных, половина — с умеренной активностью, и только около 2% — с высокой активностью. В годы спада 11-летнего цикла активность растет, а в годы максимума почти половина дней имеет интервалы высокой магнитной активности, представляющие потенциальную опасность, и лишь 16% дней были спокойными. Реально техногенная опасность будет несколько ниже, поскольку в дневные часы амплитуда магнитных возмущений меньше, чем в ночные. Нет оснований полагать, что указанное в таблице распределение сильно изменится в результате смещения полюсов и авроральной зоны, ведь уровень активности определяется внешними факторами: магнитным полем, скоростью и давлением солнечного ветра.
Таким образом, смещение магнитного полюса в сторону Сибири принесет высокий уровень магнитной активности и, соответственно, техногенных последствий в средние широты России.
Леонид Лазутин,
докт. физ.-мат. наук,
в.н.с. отдела космофизических исследований НИИЯФ МГУ
1. Чижевский А. Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Наука, 1973.
2. Владимирский Б. М., Темурьянц Н. А. Влияние солнечной активности на биосферу-ноосферу. М.: МНЭПУ, 2000.
3. Лазутин Л. Л. Мировые и полярные магнитные бури, НИИЯФ МГУ, 2012, в печати.
4. Старков Г. В. Планетарная динамика аврорального свечения, сборник ПГИ «Физика околоземного космического пространства», т. 1, Апатиты, 2000.