Космическая погода – мифы и реальность, или - SWX
advertisement
Космическая погода – мифы и реальность, или 10 фактов о солнечно-земной физике. Мягкова И.Н., к.ф.-м.н., снс НИИЯФ МГУ им М.В. Ломоносова 2013 г. Солнечная вспышка, магнитная буря, космическая погода. Мы все чаще слышим и произносим сами эти словосочетания. Но что за ними кроется? Если 20 лет назад такой термин был знаком только специалистам, то сегодня геомагнитная обстановка прочно заняла место на сайтах прогнозов погоды наряду с температурой воды и скоростью ветра. Все больше и больше людей объясняют свое плохое самочувствие магнитными бурями. При обсуждении возможных сценариев конца света появился, например, такой - «…гигантская вспышка на Солнце вызовет сильнейшую магнитную бурю, от которой выйдут из строя все спутники в космосе, и все трансформаторы на Земле, и современной цивилизации придет конец». И отнюдь не каждого собеседника удается убедить, что вспышка, даже весьма интенсивная, не обязательно влечет за собою магнитную бурю, а большое число солнечных пятен на Солнце, конечно же, повышает вероятность вспышек, но не делает их обязательными. Попробуем разобраться, чем может грозить человечеству наша ближайшая звезда. 1. Какие явления, происходящие на Солнце, могут оказать влияние на Землю? В атмосфере Солнца ежеминутно происходит множество самых разных процессов и событий, но отнюдь все из них оказывает влияние на Землю (см, нпример, рис 1). Те из них, которые непосредственно влияют на радиационную, геомагнитную и электромагнитную обстановку в околоземном космическом пространстве и непосредственно на Земле, называют геоэффективными. Основные проявления солнечной активности, которые наиболее часто становятся причиной геоэффективных событий - это солнечные вспышки, прорсиходящие в активных областях, солнечные протонные события, корональные выбросы массы, а также достигающие Земли высокоскоростные потоки солнечного ветра из корональных дыр. Рис. 1. Схематичное представление цепочки «Солнце - солнечный ветермагнитосфера Земли». 2. Космическая погода. Космической погодой принято называть совокупность явлений на Солнце, в солнечном ветре, магнитосфере Земли и ионосфере. Данные явления могут повлиять на работу и надежность бортовых и наземных технологических систем и влиять на здоровье людей. Одним из первых понятие "погоды в космосе" ввел советский геофизик, Герой Советского Союза, участник знаменитой экспедиции Папанина, академик Евгений Константинович Федоров. Рис. 2. Академик Евгений Константинович Федоров. 3. Какие явления относятся к факторам космической погоды? На состояние околоземного пространства и Землю могут влиять следующие физические явления: а) ионизующее электромагнитное излучение солнечных вспышек; б) солнечные протонные события: возрастание потоков энергичных протонов солнечных космических лучей; в) магнитные бури и суббури; г) возрастания потоков релятивистских электронов внешнего радиационного пояса Земли. Данные явления могут стать причиной повышения радиационной опасности во время космических полетов (б, г) и авиационных рейсов (б), нарушения радиосвязи (а, в), сбоев в работе космических аппаратов (б, г), телеграфных линий, трубопроводов, линий электропередач и энергосетей (в), а также возможного ухудшения самочувствия некоторых людей (в). Рис. 3. Корональный выброс 22 мая 2013 по данным прибора LASCO c КА SOHO Повреждения ("снег") на матрице прибора LASCO c КА SOHO (рис. 3), зафиксировавшего корональный выброс от вспышки 22 мая 20133 - результат действия протонов солнечных космических лучей. Рассмотрим подробнее фактор в – геомагнитные возмущения, так как он наиболее часто упоминается как источник возможной опасности для людей. 4. Что такое магнитная буря. Строго говоря, следует разделять понятия «магнитная» и «магнитосферная» буря. Магнитная буря - это сильные возмущения магнитного поля Земли длительностью от нескольких часов до нескольких суток, наблюдающиеся одновременно по всей Земле, причем амплитуда возмущений возрастает с увеличением широты. Принято выделять три основные фазы магнитной бури – начальную или первую, во время которой, как правило, происходит резкое увеличением всех составляющих геомагнитного поля, главную, характеризующуюся сильным уменьшением продольной составляющей поля и фазу восстановления, название которой говорит само за себя, то есть магнитосфера Земли приходит в исходное состояние. Исследователями используется классификация бурь по амплитуде геомагнитного индекса Dst, предложеная в работе C. A. Loewe и G. W. Prölss: - слабые (weak) от -30 нT до -50 нT, умеренные (moderate) с Dst от -50 нT до -100 нT, сильные (strong) - от -100 до 200 нT, очень сильные (severe) с Dst от -200 до -350 нT и экстремальные (great) с Dst ниже -350 н. Магнитосферная буря – это совокупность процессов, происходящих в магнитосфере Земли во время магнитной бури. Во время бури возникает деформация магнитосферы Земли, в частности, сильное поджатие границы магнитосферы с дневной стороны, формируется кольцевой ток во внутренней магнитосфере, наблюдаются резкие вариации потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе Земли и многое другое. Рис. 4. Dst-вариация 1-2 июля 6-7 июля 20133 года. 5. Магнитные бури и суббури. Исторически геомагнитная активность связывалась с полярными сияниями. Но как показали исследования наших современников, за полярные сияния ответственны не бури, а другое, куда более кратковременное явление. Термин "суббуря" ввел в 1961г. японский ученый С-И. Акасофу, обозначив им авроральные возмущения в зоне полярных сияний длительностью порядка часа. Магнитные бури вызываются деформацией магнитосферы Земли потоком высокоскоростного солнечного ветра и приводят к образованию кольцевого тока вокруг Земли и, как следствие, к понижению напряженности магнитного поля в приэкваториальных районах. Полярные геомагнитные возмущения, суббури (или, как их еще называют, полярные бури) это последствия взрывного высвобождения накопленной в магнитосфере энергии, они также вызывают понижение напряженности магнитного поля, но преимущественно в приполярных районах. Существует специальный термин «авроральная зона» - полоса географических широт, на которых регистрируются самые мощные магнитные возмущения и самые яркие полярные сияния. Рис. 5. Вид полярных сияний из космоса, данные ИСЗ DMSP-18 в январе 2013 г. 6. Причины возникновения магнитных бурь. Причиной магнитных (а следовательно, и магнитосферных) бурь может стать приход к орбите Земли: а) коронального выброса массы, которым сопровождается солнечная вспышка; б) так называемой коротирующей области взаимодействия потоков быстрого и медленного солнечного ветра. В первом случае исходным источником бури можно считать вспышку, вызвавшую корональный выброс массы, во втором корональную дыру. Оба типа данных источников видны на рисунке 6: активные области (светлые области) – потенциальные источники вспышек и корональных выбросов и корональные дыры (темные области) – источнки выскоскоростных потоков солнечного ветра по данным прибора AIA солнечной обсерватории SDO. Рис. 6. Активные области (светлые области) и корональные дыры (темные области) по данным прибора AIA для длин волны 211 ангстрем солнечной обсерватории SDO за 4 марта 2013 Исходя из названной выше природы источников магнитных бурь, их можно разделить на спорадические, вызываемые корональными выбросами, и рекуррентные, источником которых являются корональные дыры на Солнце. Еще один факт, который необходимо отметить – для развития бури в магнитосфере Земли недостаточно высокой скорости солнечного ветра, необходимо еще наличие определенной ориентации межпланетного магнитного поля В, при которой его Z-компонента достаточно длительное время имеет отрицательный знак (южную ориентацию). 7. Последствия магнитных бурь. Но вот буря произошла. Что (и почему) в результате этого произойдет на Земле? 7а. Нарушения в работе телеграфных линий, трубопроводов, линий электропередач (ЛЭП) и энергосетей. Вариации геомагнитного поля, возникающие во время магнитных бурь, особенно сильные в полярных и авроральных широтах, согласно известному закону электромагнитной индукции, генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в соленой воде и других природных и искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов невелика и составляет примерно несколько вольт на километр, но в протяженных проводниках с низким сопротивлением (каковыми и являются ЛЭП, трубопроводы, железнодорожные рельсы и т.д.) полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер. Рис.7. Число аварий в энергосетях США в районах повышенного риска (близких к авроральной зоне) возрастает вслед за уровнем геомагнитной активности. В годы минимума активности вероятности аварий в опасных и безопасных районах практически уравниваются. 1 - УРОВНЬ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ, 2 - ЧИСЛО АВАРИЙ В ГЕОМАГНИТНООПАСНЫХ РАЙОНАХ, 3 - ЧИСЛО АВАРИЙ В БЕЗОПАСНЫХ РАЙОНАХ) 7б. Нарушения радиосвязи. Как и ионизирующее излучение вспышек, магнитные бури приводят к сильным возмущениям в ионосфере, что может практически полностью блокировать радиоэфир на сутки и более. Естественно, что при этом страдают и другие сферы деятельности, например, авиасообщение. Как образно писал еще Юрий Визбор «…коварные кружева полярных сияний, превращенные наушниками в равнодушный, ничем не пробиваемый шум…». Рис. 8. Полярные сияния. 7в. Проблемы с навигацией космических аппаратов. Магнитные бури могут стать причиной потери ориентации ИСЗ, навигация которых осуществляется по геомагнитному полю, поскольку во время бури оно испытывает сильные возмущения. 7г. Повышение радиационной опасности для космических полетов и трансполярных авиаперелетов. Причем сама данная проблема имеет два источника. С одной стороны, во время солнечных протонных событий, совпадающих по времени с главной фазой магнитной бури, значительно повышается уровень радиационной опасности для экипажей и пассажиров высотных самолетов на полярных трассах в результате сдвига границы свободного проникновения солнечных протонов на более низкие широты. Рис. 8. Карта радиационных доз, полученная на МКС. Высокоширотные области повышенной радиации – результат попадания МКС в область открытых силовых линий во время главной фазы магнитной бури. С другой стороны, на фазе восстановления магнитной бури повышается вероятность отказа электронного оборудования космических аппаратов, поскольку во время фазы восстановления примерно в половине случаев происходит значительный (иногда до двух порядков величины) рост потока релятивистских электронов внешнего радиационного пояса Земли. Эти электроны могут вызвать одиночные сбои микросхем, за что в англоязычной литературе их еще называют «электронами-киллерами». Рис. 9. Поток электронов с энергией >3.5 МэВ о на разных L- оболочек электронов с энергия >3.5 МэВ по данным КА «Университетский –Татьяна» за период апрельсентябрь 2005 г на верхней панели и Dst-вариация на нижней. Видно, что возрастания потоков электронов на L=3.5-4.5 наблюдаются не только после солнечных вспышек в мае, августе, сентябре, но и после реккурентных бурь в апреле и июне 7д. Ухудшение самочувствия самочувствие людей – людей. Влияние магнитных бурь на это наиболее животрепещущая и неоднозначная проблема, широчайшее поле для спекуляций. Да, на сегодняшний день имеются результаты научных исследований, доказывающие наличие реакции людей на геомагнитные возмущения. Определен и наиболее вероятный главный источник воздействия — пульсации магнитного поля. Но при этом не стоит забывать, что с большой вероятностью тут немаловажную роль играет возраст и состояние здоровья конкретного человека. А на бытовом уровне – еще и его степень внушаемости. Ведь если СМИ уверенно сообщают, что вотвот на Земле разразится страшная магнитная буря и всем будет плохо, то можно ли считать ухудшение самочувствие части людей только результатом воздействия той самой бури? Отдельно следует отметить роль суббурь в плане их влияния на техносферу. Поскольку наведенное индукционное поле пропорционально величине и скорости изменения напряженности магнитного поля, то наводимая суббурей электродвижущая сила может оказаться на два порядка выше, чем вызванная кольцевым током сильной магнитной бури. Например, что в августе 1972 года магнитная буря была умеренной (-50 нТл), а авроральная активность - высокой. Тем не менее, в результате этой бури вышел из строя сетевой трансформатор в Британской Колумбии, расположенной в авроральной зоне Канады. Но так как сильные суббуревые возмущения происходят и во время мощных мировых магнитных бурь, оценка их вклада отдельно зачастую не рассматривается. Таким образом, как видно из всего сказанного выше, проблема влияния магнитных бурь и суббурь на человеческую деятельность реально существует, а значит, возникает задача их изучения и прогнозирования. Рассмотрим подробнее вопросы связи солнечной и геомагнитной активности, а также возможность прогнозирования магнитных бурь. 8. Связь солнечной и геомагнитной активности. Уже очень давно стало общеизвестным наличие связи солнечной и геомагнитной активности с числом солнечных пятен – чем больше пятен, тем активнее Солнце, и больше и вспышек, и магнитных бурь, и полярных сияний. На взаимосвязь количества пятен на Солнце и частоты полярных сияний обратили внимание еще много столетий назад такие великие исследователи как Ломоносов и Цельсий. Однако не следует забывать, что данные закономерности были получены для интервалов усреднения не менее месяца, а чаще за год. Но при меньших интервалах усреднения картина меняется. Большое число пятен на видимой стороне Солнца в данный конкретный день, хотя и повышает вероятность вспышки, но не делает ее возникновение обязательным, и уж тем более не является обязательной следующая за вспышкой магнитная буря. Более того, умеренные, а иногда и сильные бури, как уже говорилось выше, являются следствием прихода к Земле высокоскоростных потоков солнечного ветра, истекающего из низкоширотных корональных дыр, наличие которых на Солнце не связано с числом пятен. 9. Вспышки на Солнце и магнитные бури. Отметим важный, хотя и достаточно очевидный, факт – магнитная буря не является непременным следствием каждой интенсивной вспышки на Солнце, поскольку буря вызывается не самой вспышкой, а корональным выбросом масс, сопровождающим вспышку. И он должен не только произойти на Солнце, но еще и дойти до Земли. Точно также не после каждой вспышки у Земли наблюдается поток энергичных протонов – солнечных космических лучей. Вероятность появления солнечных протонов повышается с ростом интенсивности УФ и рентгеновского излучения вспышки, а также при продвижении активной области, в которой происходит вспышка, к центру и западной части солнечного диска. Пример интенсивной вспышки в мягком рентгеновском излучении, которая не вызвала ни возрастания потока солнечных протонов на орбите Земли, ни геомагнитных возмущений – событие 25 августа 2001 года, имевшее класс рентгеновского излучения X5.3. Данная вспышка произошла на восточной части солнечного диска и ни заряженные частицы, ни корональный выброс массы до Земли не дошли. Единственным непременным воздействием вспышки на Землю, точнее на ее освещенную сторону, является ионизующее электромагнитное излучение вспышки - ультрафиолет и мягкое рентгеновское излучение. Оно вызывает дополнительную ионизацию верхней атмосферы, что приведет к поглощению коротковолнового радиоизлучения. Это приводит к ухудшению или даже полному прекращению радиосвязи на освещенной стороне Земли в течение нескольких часов. Впрочем, справедливости ради следует упомянуть такое понятие как «синдром большой вспышки», появившийся из-за того, что в подавляющем большинстве самых интенсивных (экстремальных) солнечных событий наблюдается и высокая интенсивность рентгеновского излучения, и большой поток протонов СКЛ, и сильная магнитная буря. 10. Может ли магнитная буря вызвать мировую катастрофу? К вопросу о необходимости и возможности прогноза магнитных бурь. В последние годы в СМИ стали появляться заметки и статьи, в которых авторы, ссылаясь на неких «специалистов», сообщают о грядущей через несколько лет магнитной супербуре, которая станет причиной всевозможных катастроф и в итоге погубит Землю. При этом нередко называется еще и точная дата этого события. Первый вопрос, возникающий у людей сколько-нибудь знакомых с проблемой прогнозирования магнитных бурь: а нельзя ли привлечь к ответственности авторов за намеренную дезинформацию, поскольку подобные предсказания на данном этапе принципиально невозможны. Для усиления эффекта и придания большего правдоподобия преподносимой информации, часто вспоминают сильнейшие магнитные бури прошлого. Когда говорят о невероятно сильной магнитной буре, обычно приводят в качестве примера знаменитую Кэррингтоновскую бурю, произошедшую 2 сентября 1859 года и считающуюся самой мощной за историю геомагнитных наблюдений. Она была вызвана корональным выбросом массы, который согласно оценке британского астронома Ричарда Кэррингтона, примерно за достиг орбиты Земли 18 часов. Согласно историческим свидетельствам, данная буря, вызвала отказы телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке, полярные сияния наблюдались по всему миру. По оценкам, выполненным уже в наши дни, максимальная амплитуда Dst-вариации во время Кэррингтоновской бури составила −1760 нТл. Ради справедливости надо признать, что как повела бы себя техника, тем более космическая, существуй она в то время, теперь сказать довольно трудно. Самая же сильная буря нашей эпохи, произошла 13 марта 1989 года, когда амплитуда Dst достигла −589 нТл. Эта буря вызвала повреждение трансформаторов на АЭС в Салеме (Нью-Джерси, США) и в Квебеке. В результате блокировки высоковольтной сети в Квебеке несколько миллионов человек на 9 часов остались без электричества. Но при всей серьезности последствий конца света не наступило, не правда ли? Это к вопросу всемирном коллапсе, который непременно произойдет в результате сверхмощной магнитной бури. Следует отдельно пояснить причину того, что большинство известных техногенных катастроф, связанных с геомагнитными возмущениями, зафиксированы в США и Канаде. Поскольку магнитный полюс Земли смещен от географического полюса в сторону Северной Америки, авроральная зона в географической системе координат смещена туда же. А местоположение авроральной зоны в России и Северной Европе таково, что она, в значительной мере, расположена над Северным Ледовитым океаном, где нет ни ЛЭП, ни трансформаторов. Конечно, картина может кардинально измениться, если наблюдающаяся в последние десятилетия тенденция по смещению северного магнитного полюса в сторону Евразии будет и дальше усиливаться, но это уже тема отдельной статьи. Подробнее желающие могут ознакомиться с данным вопросом в статье профессора Л.Л. Лазутина «Воздействие магнитных бурь на техносферу и эффект смещения северного магнитного полюса», опубликованной в газете «Троицкий вариант» 17 июля 2012 года. Рис. 10. Рассчитанное положение авроральной зоны при сдвиге магнитного полюса к полюсу географическому и к северной оконечности Новой Земли. Но вернемся к проблеме прогнозирования. Системы краткосрочного (в пределах часа) прогноза геомагнитных возмущений в реальном времени на сегодняшний день получили достаточное распространение. Прогноз выполняется как на основе эмпирических зависимостей, так и при помощи искусственных нейронных сетей (в обоих случая на основе данных о межпланетном магнитном поле и солнечном ветре, получаемых в реальном времени). Качество краткосрочного (на час вперед) прогноза не зависит от природы бури, но с увеличением горизонта прогноза до нескольких часов качество прогноза быстро падает. Прогноз на сутки-полтора и больше (точнее, на время пролета выброса от Солнца до Земли) спорадической бури, вызванной корональным выбросом, возможен при условии регистрации выброса типа гало, который не может пройти мимо Земли, и определения начальной скорости выброса. Но поскольку не только скорость выброса массы, но и его ускорение не являются постоянными, то момент начала бури определяется с точностью до нескольких часов в лучшем случае. Почти аналогичным образом выглядит ситуация и для рекуррентных бурь, вызванных высокоскоростными потоками солнечного ветра, с той лишь разницей, что высокоскоростной поток движется медленнее и прогноз, соответственно, дается не на сутки, а на трое и больше (в зависимости от скорости солнечного ветра) с еще большей неопределенностью момента начала бури. Что касается более длительного прогноза, то поскольку и активные области и корональные дыры, как правило, существуют дольше, чем длится один оборот Солнца, на основании текущих наблюдений можно составить примерный прогноз на 27 дней, то есть на следующий оборот. Но при этом следует учесть, что точный момент возникновения отдельных солнечных вспышек и связанных с ними корональных выбросов, скорость этих выбросов, а также изменение конфигурации корональных дыр и изменение скорости высокоскоростных потоков солнечного ветра сколько-нибудь точно спрогнозировать на 27 дней тем более невозможно. То есть спрогнозировать в данном случае можно только рост вероятности возникновения магнитных бурь той или иной природы, и мощнейшая буря, предсказанная за несколько месяцев или даже лет вперед – это самый настоящий миф. Исходя из всего сказанного выше, очевидно, что само по себе влияние космической погоды на деятельность человека вполне реально, а в некоторых областях и существенно. Но, тем не менее, не стоит вслед за недобросовестными сочинителями пытаться списать на нее всевозможные земные и космические аварии и любые недомогания. Здраво анализируйте ситуацию и будьте здоровы!
