Как магнитные бури влияют на технику и людей и почему не всем геомагнитным прогнозам можно доверять

Что такое магнитные бури

Магнитные буриА. Д. Шевнин. Магнитные бури / Большая российская энциклопедия — это сильные возмущения магнитного поля Земли, которые резко нарушают его обычный ход и длятся от нескольких часов до нескольких суток. Когда они происходят, то наблюдаются одновременно по всей планете.

Магнитные или, точнее, геомагнитные бури составляют часть космической погоды Земли. Они вызывают полярные сияния, могутGeomagnetic Storms / NOAA Space Weather Prediction Center негативно влиять на орбитальную и земную технику, а также на состояние некоторых людей.

Почему происходят магнитные бури

Солнечный ветер — поток заряженных частиц, исходящий от Солнца, — постоянно воздействуетGeomagnetic Storms / NOAA Space Weather Prediction Center на внешнюю, самую высокую часть магнитного поля Земли (магнитосферу). Из‑за этого она всё время находится в таком искривлённом состоянии:

Однако поток солнечного ветра далеко не всегда стабилен и может колебаться. Его возмущения вызывают корональные дыры и выбросы массы (последние нередко путают со вспышками на Солнце).

Спровоцированные выбросами бури наиболее сильны. Во время этих явлений ближайшая к нам звезда выпускает миллиарды тонн плазмы. Это похожеThe Day the Sun Brought Darkness / NASA на одновременный взрыв тысячи ядерных бомб. Если поток был направлен в сторону Земли, частицы могут достигать её. Обычно на это уходитGeomagnetic Storms / NOAA Space Weather Prediction Center два‑три дня, но при мощных выбросах плазма способна проделать расстояние в 150 миллионов километров за 18 часов.

Когда поток достигает нашей планеты, он вызываетА. Д. Шевнин. Магнитные бури / Большая российская энциклопедия ударную волну, которая сжимает магнитосферу Земли. Столкновение протонов солнечного ветра с атомами водорода нашей атмосферы образует электрический ток. Постепенно с затуханием бури магнитосфера возвращается к нормальному состоянию, а ток распадается.

У корональных дыр несколько иной принцип воздействия. В этих областях солнечной поверхности магнитное поле слабее, чем в остальной части звезды. Поэтому из них выходит поток солнечного ветра, который движется быстрее обычного: 500–800 километров в секунду вместо1. K. Fox. Coronal Holes and Fast Solar Wind / NASA
2. Solar Wind / NOAA Space Weather Prediction Center 300–500. Такой поток может вызывать несильные магнитные бури. Однако они иногда длятсяGeomagnetic Storms / NOAA Space Weather Prediction Center гораздо дольше и образовывают больше энергии.

1 / 0

Корональная дыра на Солнце. Фото: NASA/SDO / Wikimedia Commons

2 / 0

Магнитные поля Солнца. Буквой B обозначена корональная дыра. Изображение: Sebman81 / Wikimedia Commons

Поэтому частота магнитных бурь напрямую связана с солнечной активностью. Та, в свою очередь, повышается и затухает, образуя циклы, длящиеся в среднем 11 лет. Поэтому за месяц можетА. Д. Шевнин. Магнитные бури / Большая российская энциклопедия случиться до восьми магнитных бурь в период максимальной интенсивности или не возникнуть ни одной при минимальной. При этом высокая солнечная активность далеко не всегдаВ. Н. Обридко. О так называемых «геомагнитных прогнозах неблагоприятных дней» / В защиту науки №2 приводит к сильным геомагнитным возмущениям.

Можно ли измерить силу магнитной бури

Интенсивность магнитных бурь измеряетсяGeomagnetic Storms / NOAA Space Weather Prediction Center с помощью специальных индексов. Учёные пользуются в основном Dst: он рассчитывается на основе показателей магнитометров с нескольких станций, расположенных на магнитном экваторе Земли. Данные обновляются каждый час. В спокойной обстановке Dst колеблется от −20 до 20 нанотесла. Бурей считается ситуация, когда он опускается ниже −50 нанотесла.

Самая мощная зафиксированная магнитная буря оцениваетсяY. I. Yermolaev, I. G. Lodkina, N. S. Nikolaeva et al. Occurrence rate of extreme magnetic storms / Journal of Geophysical Research: Space Physics в −1 760 нТл по Dst. Это относительно немного. Например, чтобы заставить лягушку левитировать, нужноM. V. Berry, A. K. Geim. Of flying frogs and levitrons / European Journal of Physics около 16 тесла, то есть 16*10⁹, или 16 000 000 000 нанотесла.

Для обычных людей более понятен индекс G, который оцениваетNOAA Space Weather Scales / NOAA Space Weather Prediction Center магнитные бури с точки зрения их опасности. Выделяется пять уровней.

• G1 — незначительные магнитные бури. Происходят около 1 700 раз за солнечный цикл. Могут провоцировать слабые колебания электросети, немного влиять на работу спутников, вызывают полярные сияния.
• G2 — умеренные. Примерно 660 раз за цикл. Иногда приводят к перепадам напряжения и повреждению трансформаторов в северных широтах, вносят коррективы в движение космических аппаратов. Из‑за таких бурь полярные сияния возникают дальше от полюсов.
• G3 — сильные. Около 200 за цикл. Из‑за таких возмущений может потребоваться корректировка напряжения в энергосистемах. Также иногда происходят ложные срабатывания предохранителей, возникают перебои в спутниковой навигации и радиосвязи. Полярные сияния видны ещё ближе к экватору.
• G4 — тяжёлые. Порядка 100 за цикл. Распространены проблемы с контролем напряжения и ошибочные срабатывания защитных устройств. Такие бури могут создавать электрические токи в трубопроводах, ухудшать радиосвязь и спутниковую навигацию. Иногда наблюдаются полярные сияния на уровне Краснодарского края.
• G5 — экстремально сильные. Около 4 за цикл. Способны привести к масштабным проблемам с энергосетью (некоторые системы полностью отказывают или отключаются), серьёзным неполадкам в работе спутников. Могут образовать сильные токи в трубопроводах, на несколько дней лишить радиосвязи. Полярные сияния возможны в субтропических областях, например в Каире.

Как магнитные бури влияют на технику

Мощные магнитные бури мешаютGeomagnetic Storms / NOAA Space Weather Prediction Center распространению сигналов в ионосфере. Именно поэтому происходят упомянутые выше ошибки и остановки в работе GPS, высокочастотной радиосвязи и некоторых военных системах раннего обнаружения.

Кроме того, магнитные бури на короткое время как бы расширяютGeomagnetic Storms / NOAA Space Weather Prediction Center атмосферу. Это тормозит околоземные спутники, и они могут начать терять высоту. По этой причине, к примеру, раньше намеченного срока на Землю упала советская космическая станция «Салют‑7».

Но к самым ощутимым проблемам приводит способностьGeomagnetic Storms / NOAA Space Weather Prediction Center магнитных бурь образовывать электрические токи во всех металлических предметах. И чем последние больше, например линия электропередач или трубопровод, тем токи существеннее. Проходя через устройства, они могут разрушать их: техника сгорает от чрезмерного напряжения. Больше всего от этого страдают трансформаторы.

К чему уже приводили сильные бури

Самая масштабная по своим последствиям буря современности (−589 нанотесла) произошла 13 марта 1989 года. Тогда вся канадская провинция Квебек осталасьThe Day the Sun Brought Darkness / NASA без электричества на 12 часов. При этом инфраструктура вышла из строя менее чем за 2 минуты.

Магнитное возмущение было настолько сильным, что северное сияние можно было увидеть даже на Кубе и во Флориде. По всей территории США и Канады наблюдались сбои и потери мощности в энергосети, хотя кроме Квебека никто больше не пострадал.

Часть спутников на несколько часов потеряла связь с Землёй. Проблемы с оборудованием возникли и на американском космическом корабле Discovery. Кроме того, на некоторое время прервалось подпольное вещание радиостанции «Свободная Европа» на территории СССР.

А в 1972 году мощная магнитная буря спровоцировалаD. J. Knipp, B. J. Fraser, M. A. Shea et al. On the Little‑Known Consequences of the 4 August 1972 Ultra‑Fast Coronal Mass Ejecta: Facts, Commentary, and Call to Action / Space Weather массовые отключения электричества и связи в США. Во Вьетнаме из‑за неё же сработало несколько десятков морских мин с магнитными взрывателями, расставленных американскими военными.

Другая сильная буря случилась в ноябре 2003‑го. Тогда американская система поправок к данным GPS (WAAS) отключиласьSevere Space Weather Events. Understanding Societal and Economic Impacts: A Workshop Report / The National Academies of Sciences, Engineering, Medicine на 30 часов, работа многих спутников была прервана, а японский ADEOS‑2 и вовсе получил серьёзные повреждения.

Уже упомянутая самая мощная буря за всю историю наблюдений (–1 760 нанотесла) произошлаA Super Solar Flare / NASA Science же в 1859 году. Она сожгла несколько телеграфных линий в США, полярные сияния наблюдались в тропических широтах, а из‑за яркого неба ночью было светло как днём. Это событие назвали Кэррингтонским в честь астронома Ричарда‑Кристофера Кэррингтона, который всё зафиксировал.

К чему мощная магнитная буря может привести сегодня

Вероятность, что мы попадём под выброс, похожий по мощи на событие Кэррингтона, в ближайшее время довольно низкаP. Riley. On the probability of occurrence of extreme space weather events / Space Weather. Тем не менее, учёные не исключают такой возможности. И у них нет единого мнения о том, насколько серьёзными будут последствия.

Есть, например, подсчёты, согласно которым в одних только США буря, подобная Кэррингтонской, способнаSevere Space Weather Events. Understanding Societal and Economic Impacts: A Workshop Report / The National Academies of Sciences, Engineering, Medicine привести к ущербу в один‑два триллиона долларов. И это только в первый год. А ремонт повреждённых систем может занять несколько лет. Отсутствие электроэнергии же поставитB. Lassen. Is livestock production prepared for an electrically paralysed world? / Journal of the Science of Food and Agriculture под угрозу продовольственную систему.

Успокаивает лишь то, что такие события, по мнению физиков РАН, происходятY. I. Yermolaev, I. G. Lodkina, N. S. Nikolaeva et al. Occurrence rate of extreme magnetic storms / Journal of Geophysical Research: Space Physics не чаще, чем примерно раз в 500 лет. Ведь далеко не всегда Солнце выстреливает потоки плазмы в направлении Земли. Так, мощный выбросNear Miss: The Solar Superstorm of July 2012 / NASA Science в июле 2012 года просто запустил частицы в космос и не вызвал значительных магнитных бурь на Земле.

К тому же не все сильные возмущения приводят к катастрофическим последствиям. Например, в июле 2000‑го произошёлExtreme Events and Natural Hazards: The Complexity Perspective шторм мощностью –300 нанотесла, но он никак не повлиял на энергосистему.

Правда, новая буря может быть даже сильнее Кэррингтонской. Так, данные радиоуглеродного анализа древних японских кедров показали, что в 774 году возмущение магнитного поля былоЮ. Н. Ефремов. Угрозы из космоса / В защиту науки № 12 в 20 раз мощнее, чем в 1859‑м.

Как магнитные бури влияют на людей

Считается, что магнитные бури виноваты в перепадах настроения, агрессивности, депрессии, проблемах со здоровьем. На них списывают высокий риск катастроф и даже некоторые исторические события.

И бури действительно влияют на некоторых людей. Хотя обнаружить это не так простоВ. Н. Обридко. О так называемых «геомагнитных прогнозах неблагоприятных дней» / В защиту науки № 2. Для этого нужен большой массив статистических данных, а результаты при этом может искажать огромное количество факторов.

На данный момент есть несколько исследований, которые подтвердили воздействие магнитных возмущений на сердечно‑сосудистую систему. Так, во время бури у людей может повышаться артериальное давлениеS. Ghione , L. Mezzasalma, C. Del Seppia et al. Do geomagnetic disturbances of solar origin affect arterial blood pressure? / Journal of Human Hypertension и частотаA. Alabdulgader, R. McCraty, M. Atkinson et al. Long‑Term Study of Heart Rate Variability Responses to Changes in the Solar and Geomagnetic Environment / Scientific Reports сердечных сокращений. Анализ больничных отчётов Новой Зеландии, Австралии, Великобритании, Франции и Швеции за 23 года также показалV. L. Feigin, P. G. Parmar, S. Barker‑Collo et al. Geomagnetic Storms Can Trigger Stroke / Stroke, что при корональных выбросах увеличивается риск инсульта на 19%. А авторы исследования, проведённого в 263 городах США, считаютC. L. Zilli Vieira, D. Alvares, A. Blomberg et al. Geomagnetic disturbances driven by solar activity enhance total and cardiovascular mortality risk in 263 U.S. cities / Environmental Health, что усиление геомагнитной активности повышает смертность от сердечно‑сосудистых заболеваний и инфарктов.

Поэтому людям с сердечно‑сосудистыми заболеваниями во время геомагнитных бурь следуетЮ. Н. Ефремов. Угрозы из космоса / В защиту науки № 12 быть наготове: запастись прописанными лечащим врачом препаратами, держать при себе телефон или предупредить близких.

А вот связи магнитных бурь с иными нарушениями здоровья, например с депрессиейR. W. Kay. Geomagnetic Storms: Association with Incidence of Depression as Measured by Hospital Admission / The British Journal of Psychiatry, учёным найти не удалось.

То же самое и с влиянием геомагнитной активности на поведение людей. Всё это лишь фикция. Например, некоторые сторонники этого взгляда утверждают, что Земля и Солнце как живые существа участвовали в событиях августа 1991 года, когда ГКЧП не удалось остановить распад СССР. Якобы тогда был сильный всплеск солнечной активности. Он и правда наблюдалсяВ. Н. Обридко. О так называемых «геомагнитных прогнозах неблагоприятных дней» / В защиту науки № 2. Но не только в августе, а в течение целых четырёх месяцев: с июня по октябрь. А геомагнитное поле в этот период и вовсе было спокойно.

Как защититься от магнитных бурь

NASA совместно с Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), Федеральным агентством США по ЧС и другими структурами разрабатывалиNational Space Weather Strategy and Action Plan Released / US Space Weather Prediction Center стратегию и план действий на случай ухудшения космической погоды. Предполагалось усилить защиту населения и объектов энергетики и от электромагнитных импульсов.

Например, на случай выхода из строя компонентов сети могутRecovery Transformer (RecX) / US Department of Homeland Security использоваться резервные мобильные трансформаторы. Благодаря им получится оперативно восстановить работу энергосети на время ремонта разрушенного стационарного устройства.

Критические объекты можно защитить от поломки и с помощью специальных аппаратов. Например, батареи конденсаторов, накапливающих излишнюю энергию, или клеток Фарадея, которые рассеивают её.

Но лучше всего поможет своевременное отключение электросети и предупреждение метеозависимых людей. А для этого нужно уметь прогнозировать солнечную активность.

Можно ли предсказать магнитные бури

Да, можно. Например, в США этим занимаетсяSolar Cycle 25 Is Here. NASA, NOAA Scientists Explain What That Means / NASA Центр прогнозирования космической погоды (SWPC). Он входит в состав NOAA. Для прогнозов сотрудники SWPC и NOAA используют данные со спутников Земли и результаты наблюдений за космическими телами. Учёные создают и совершенствуют прогностические модели, которые помогут им предсказывать погоду в космосе так же, как это делают метеорологи.

Однако нужно понимать, что никакие недельные или месячные геомагнитные прогнозы невозможныВ. Н. Обридко. О так называемых «геомагнитных прогнозах неблагоприятных дней» / В защиту науки №2, ведь ситуация на нашей звезде может измениться за минуты. И даже если учёные знают, что выброс массы произошёл, они не могут с высокой точностью утверждать, попадёт он в Землю или нет.

Самый долгосрочный прогноз — 27‑дневный — основан на периоде обращения Солнца вокруг своей оси. Он не указываетВ. Н. Обридко. О так называемых «геомагнитных прогнозах неблагоприятных дней» / В защиту науки № 2 дату и время бури, а лишь сообщает вероятность того, что потенциально опасные зоны могут оказаться направленными на нашу планету.

Наиболее же точные геомагнитные прогнозы делаютсяВ. Н. Обридко. О так называемых «геомагнитных прогнозах неблагоприятных дней» / В защиту науки № 2 за сутки или за несколько часов до того, как буря накроет Землю. Они основываются на данных астрономических спутников, которые фиксируют возмущения солнечного ветра. Актуальную информацию можно посмотреть на сайтах NOAA и ФИАН — Физического института Российской академии наук.