Правообладатель иллюстрации Getty Images Мощный солнечный шторм может вывести из строя системы связи на Земле и причинить огромный экономический ущерб, предупреждают ученые. Почему солнечные бури так опасны?
В 1972 году более шестидесяти подводных мин, установленных американскими военными, мистическим образом сами по себе сдетонировали у побережья Вьетнама. Многие годы это событие оставалось загадкой для военных и ученых.
Наиболее вероятное объяснение удалось найти только сейчас. Взрыв мин, скорее всего, вызвала мощная вспышка на Солнце: метеорологи в тот день за несколько часов до детонации мин зафиксировали такую вспышку.
В наше время аналогичная солнечная буря, скорее всего, приведет к куда более тяжелым последствиям: мощная вспышка на Солнце может вывести из строя многие важные для современного населения Земли системы — от спутников до энергосетей.
- Небесная красота — лучшие астрономические фото
- «Кровавая Луна»: почему спутник Земли краснеет в затмение
Возможный ущерб от вспышки в одной только Британии оценивается в 16 млрд фунтов (20,6 млрд долларов США).
Есть несколько причин, почему мы так зависим от событий, которые происходят на огромном расстоянии от Земли.
Хэллоуинская буря
Долгое время этот случай оставался крупнейшей солнечной бурей, не знавшей себе равных. Однако в октябре 2003 года наше светило решило побить этот рекорд, породив гигантскую солнечную вспышку. Так как максимум ее воздействия пришелся на канун Дня всех святых, позднее ее назвали «Хэллоуинской бурей». Она повела себя совершенно по‑хулигански, начав с выведения из строя японско-американско-французского спутника ADEOS II стоимостью $630 млн.
Поток высокоэнергетических электронов, по интенсивности превышающий обычные значения более чем в сто раз, вывел из строя систему ориентации солнечных батарей, в результате чего спутник оказался без питания и потерял связь с центром управления.
Количество заряженных частиц, достигших атмосферы Земли, было столь велико, что для пассажиров и экипажей самолетов, пролетавших в приполярных районах, возник серьезный риск получить повышенную дозу радиации, так что несколько десятков трансполярных пассажирских рейсов были перенаправлены другими маршрутами. Связь в полярных районах была нарушена, более суток не работали системы спутниковой дифференциальной навигации, вышли из строя некоторые сегменты систем энергоснабжения (жители шведского Мальме почти час просидели без электроэнергии).
Наука
Парад планет 2020: что, где, когда, как и почему?
Человек в центре бури
Могут ли геомагнитные возмущения, вызванные солнечной активностью, напрямую влиять на здоровье человека? Изучением такого влияния занимается специальный раздел биофизики — гелиобиология. Четкого и однозначного мнения по этому вопросу до сих пор нет: для некоторых заболеваний можно усмотреть определенную корреляцию с изменением солнечной активности, однако не следует забывать о том, что корреляция — это лишь совпадение, а не причинно-следственная связь. Многие ученые достаточно скептически относятся к самой идее непосредственного воздействия геомагнитных бурь на здорового человека, указывая на то, что амплитуда этих возмущений (на средних широтах это десятки и сотни нанотесла) на порядки меньше, чем окружающие нас в повседневной жизни магнитные поля техногенного происхождения. Правда, на высоких широтах амплитуда геомагнитных возмущений больше, и к тому же в приполярных зонах происходит «высыпание» заряженных частиц, прилетающих от Солнца во время вспышек, что является причиной полярного сияния. Однако, как рассказал «ПМ» Рик Макгрегор, сотрудник шведского Института космической физики (IRF) в Кируне, статистические исследования различных медицинских показателей жителей города, проводившиеся в IRF на протяжении многих лет, не выявили значительной корреляции с интенсивностью полярных сияний и солнечной активностью.
Ионосферные возмущения также «сбивают с толку» загоризонтные радары, системы раннего предупреждения о ракетном нападении (что, вообще говоря, чревато глобальной войной!) и системы спутниковой навигации, на которые завязано множество коммерческих применений — от бурения нефти до гражданской авиации. Возмущения геомагнитного поля у поверхности Земли генерируют индуцированные токи в трубопроводах (что приводит к коррозии и вызывает ошибки в диагностике состояния труб), линиях электропередач (выводит из строя трансформаторы) и железнодорожных путях (нарушает системы железнодорожной сигнализации).
Заряженные частицы, выбрасываемые Солнцем во время подобных бурь, вызывают повреждения электронной аппаратуры космических аппаратов и повышают общую дозу радиационного облучения для космонавтов на МКС (в 2003 году экипаж на время солнечной бури переходил в защищенный модуль «Звезда»), а также для экипажей и пассажиров самолетов, выполняющих высокоширотные рейсы, количество которых за последние 12 лет возросло в тысячу раз (в 2000 году трансполярных рейсов было 15, а в 2012 году — уже 14000, поскольку такой маршрут позволяет экономить значительное количество топлива).
«Вообще для гражданской авиации прогноз космической погоды чрезвычайно актуален, — говорит заведующий аналитическим отделом Института прикладной геофизики Росгидромета Вячеслав Буров. — ИКАО, Международная организация гражданской авиации, рассматривает возможность перехода к 2020 году на новую технологию ADS-B (Automatic dependent surveillance-broadcast), получение высокоточной аэронавигационной и погодной информации непосредственно пилотами.
Система ADS-B гораздо более уязвима для различных помех, вызванных космической погодой, поэтому ИКАО планирует в ближайшем будущем оснастить все гражданские воздушные суда средствами информирования о состоянии космической погоды. Кроме того, прорабатывается новый регламент — что именно делать пилоту в том или ином случае. Варианты есть: скажем, в случае повышения уровня радиации командир воздушного судна (КВС) может принять решение снизить высоту полета или даже совершить посадку. При неблагоприятных прогнозах космической (как и обычной) погоды КВС также может использовать альтернативные системы навигации или изменить маршрут».
Как это было: ‘Солнечная Буря 1859 года’ (7 фото)
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 о.
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
ОБ АВТОРАХ
Джеймс Грин (James L. Green) — директор отдела NASA по изучению планет. Исследовал магнитосферы планет. Член проекта IMAGE по исследованию магнитосферы. Увлекается историей и работает над публикацией о воздушных шарах в период американской гражданской войны. Прочитал около 200 статей о солнечной буре 1859 г. Стэн Оденуолд (Sten F. Odenwald) — профессор астрономии в Американском католическом университете и исследователь SP-систем в Гринбелте. Признанный автор популярных книг. Работал по контракту в Годдардовском центре космических полетов NASA. Область научных интересов — космический инфракрасный фон и феноменология космической погоды.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
The 23rd Cycle: Learning to Live with a Stormy Star. Stean Odenwald. Columbia University Press, 2001.
The Fury of Space Storms. James L. Burch in Scientific American, Vol. 284, No. 4, pages 86-94; April 2001.
The Great Historical Geomagnetic Storm of 1859: A Model Look. Edited by M.Shea and C.Robert Clauer in Advanced in Space Research, Vol. 38, No. 2, pages 117–118; 2006.
Предупрежден — значит вооружен
Хотя космическая погода представляет собой достаточно сложный процесс взаимодействия солнечных фотонов, заряженных частиц, облаков плазмы с земной магнитосферой и ионосферой, ученые активно изучают возможности ее прогнозирования.
«Данные для этого поступают от множества источников, — объясняет Вячеслав Буров. — Дальний космический сегмент — это спутники-близнецы STEREO. Они обеспечивают нас информацией о том, что происходит с активными областями Солнца в те моменты, когда они находятся на невидимой для нас стороне светила. Это находящиеся в точке Лагранжа L1 между Землей и Солнцем обсерватории ACE и SOHO, а также SDO на геостационарной орбите — они получают изображение Солнца в различных спектральных диапазонах, а также измеряют состояние межпланетной среды. Благодаря этому можно увидеть выбросы корональной массы, а также, зная конфигурацию магнитных полей в межпланетном пространстве, оценить вероятность того, что выброс заденет Землю.
Ближний космический сегмент — это американские геостационарные спутники GOES и российский «Электро-Л», обеспечивающие нас информацией о потоках заряженных частиц, уровне рентгеновского излучения, магнитных полях и ионосферных возмущениях.
Наземный сегмент представлен ионосферными зондами для определения концентрации электронов на различных высотах (наземные антенны излучают сигнал и принимают отраженный), магнитометрами для измерения магнитного поля и риометрами, которые измеряют поглощение радиосигнала, приходящего от Солнца в ионосфере. Кроме того, можно использовать радиотомографию атмосферы, измеряя прием сигнала на наземные антенны от различных спутников и тем самым оценивая толщину и состояние ионосферы».
Прогноз
Используя все эти данные, можно попытаться спрогнозировать дальнейшее поведение солнечной бури. Хотя, конечно, задача эта очень непростая и точность современных моделей пока еще явно недостаточна. Тем не менее по рентгеновскому изображению Солнца можно засечь начало вспышки, а по положению активной области — попытаться оценить, заденет ли выброс Землю, за несколько часов (а потом подтвердить это с помощью SOHO и ACE примерно за час). Состояние ионосферы, напрямую влияющее на радиосвязь, во время серьезной солнечной бури предсказать почти невозможно — модели этих процессов очень примерны. Величина наведенной ЭДС в линиях электропередач, трубопроводах и железнодорожных рельсах зависит от скорости изменения возмущения магнитного поля, и чтобы точнее оценивать эти величины, требуется как можно больше наземных станций и спутников с научной аппаратурой.
Статья «Гнев Солнца» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2013).
Артур Кларк, Стивен Бакстер «Солнечная буря»
…Ну вот, это уже на что-то похоже…
Перспектива чтения второго тома серии, написанной сэром Артуром Кларком и его соавтором Стивеном Бакстером не вызывала у меня энтузиазма. Первый том, «Time’s Eye» (2003), который я листал лет 5 назад, являлся эдакой фантазией на тему путешествий во времени, пусть даже и оригинально задуманной. Интересная идея с совмещением разных временных пластов и последствий этой смеси, в общем и целом, потерялась за качеством исполнения. Дёрганый и рваный сюжет, невыразительность героев, которые в рамках этого сюжета попросту не могут быть раскрыты, раздражающие исторические ляпы — всё это заставило меня отложить прочтение продолжения на несколько лет.
К счастью, Кларк и Бакстер плюнули на темпоральные выкрутасы первой книги, и резко сместили своё внимание на проблемы земные, на этот раз обратившись… к Солнцу.
Солнце — источник жизни, практически неисчерпаемый источник энергии… и опасности. Ясно, что Предтечи, задумавшие извести человечество, могут всего лишь слегка подправить течение этой масштабной химической реакции, и направить её всплеск в сторону маленького зелёного шарика, покрытого тонкой плёнкой жизни… всего -лишь буря на Солнце, только очень большая, которая буквально сдует с поверхности планет всё. Тема, от которой захватывает дух всех учёных — астрономов — тотальная зависимость нас от Солнца, источника блага и источника опасности.
Должен сказать, несмотря на формальную принадлежность «Sunstorm» к жанру «катастрофы», от него веет свежим ветерком оптимизма, единения и ощущения плеча. Вместо того, чтобы погрузится в апатию или хаос, человечество бросило вызов практически неминуемой смерти, соединив свои силы в воистину титаническом напряжении, словно обрётший силы Эфиальт. Это своего рода производственная фантастика, в хорошем смысле, напоминающая лучшие образцы этого жанра в советской литературе (да, там были и неплохие вещи). Главное в романе — оптимистическое ощущение, что человечество сможет победить с помощью единения и силы науки любую стихию, защитить себя от любой опасности. Конечно, были показаны и бунты, и — немного — массовые истерии и теракты, всплеск радикальной религиозности (интересное солароцентричное объяснение происхождения христианства), это придало только большее значение отважным людям, поднимающим рукою гигантский щит.
Подобный оптимизм на фоне постапокалиптических и квазифеодальных миров научной фантастики смотрится как блестящий алмаз на том самом Солнце. Если исключить раздражающий американоцентризм, творение двух «научников» смотрится как крепкий и чётко сконструированный, как инженерный проект, радующий читателей своим ярким оптимизмом.
