Эхо магнитных бурь

Анатолий ХЛЫСТОВ,
кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Государственного Астрономического института им. П.К. Штернберга при МГУ им. М.В. Ломоносова

"Техника-молодежи" #1, 2004

По телевидению, обычно после прогноза погоды, нам регулярно сообщают о проявлениях солнечной активности и состоянии магнитного поля Земли. Благодаря этому новые для большинства людей понятия «солнечная вспышка» и «магнитная буря» прочно заняли свое место в обиходной речи. Как мы знаем, конец октября — начало ноября 2003 г. с точки зрения магнитной обстановки выдались на редкость «бурными». Вспышки на Солнце оказались самыми мощными за всю историю наблюдений. Итак, что же такое — магнитные бури, каковы причины их возникновения, и какое влияние они могут оказать на человека и его окружение?

Еще в средние века мореплаватели обратили внимание, что бывают дни, когда стрелка компаса вдруг начинает беспорядочно колебаться в продолжение нескольких часов и даже нескольких суток, делая компас совершенно непригодным для навигационных расчетов. Это явление моряки и окрестили магнитйой бурей. Но только в XVIII в. французский астроном Лемонт заметил, что интенсивность и частота магнитных бурь тем больше, чем больше на Солнце пятен. Это стало первым открытием связи земных явлений с солнечной активностью.

Сейчас, когда космические аппараты непрерывно следят за «погодой» в космическом пространстве, мы уже хорошо представляем всю цепочку солнечно-земных связей, приводящих к магнитным бурям. По современным представлениям, основанным на исследованиях межпланетного пространства с помощью различных инструментов, магнитные бури происходят в результате взаимодействия высокоскоростных потоков намагниченной солнечной плазмы (протонов и электронов) с магнитосферой Земли. Поскольку температура верхних слоев атмосферы Солнца (корона) около миллиона градусов, атомы водорода и гелия (основные ее составляющие) приобретают такие громадные скорости, что при столкновениях выбивают друг у друга электроны и оказываются буквально «голыми». Благодаря этой так называемой «столкновительной ионизации» в короне Солнца остаются только «голые» ядра атомов — протоны и выбитые из атомов электроны. Эта смесь частиц и есть плазма. В результате многочисленных столкновений некоторые частицы развивают такие большие скорости, что им удается преодолеть притяжение Солнца и навсегда уйти в окружающее космическое пространство. Происходит как бы «испарение» протонов и электронов. Эти потоки плазмы, берущие свое начало в короне Солнца и двигающиеся в обычных условиях со скоростью около 300 км/с, и получили название «солнечный ветер». Солнечный ветер сравнительно недавно был обнаружен космическими аппаратами даже у самых границ Солнечной системы.

Когда плазма солнечного ветра встречает на своем пути магнитное
поле Земли (как известно, оно напоминает поле плоского магнита), она, повинуясь законам физики, сначала сжимает магнитные силовые линии, а затем начинает обтекать Землю, как поток воды обтекает твердое препятствие. На обращенной к Солнцу стороне Земли граница обтекания устанавливается на расстоянии 10—12 радиусов Земли (примерно 70 тыс. км). На ночной стороне магнитное поле вытягивается в виде шлейфа, похожего на хвост кометы, до расстояний около 1000 радиусов Земли (примерно 6 млн. км). Вся эта область, в которой заключено магнитное поле и околоземная плазма, называется магнитосферой Земли.

Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли

Пока «дует» регулярный солнечный ветер со скоростью около 300 км/с, никаких возмущений в магнитосфере Земли не происходит, это так называемый геомагнитный «штиль». Но вот на Солнце появилась большая группа пятен, представляющая собой всплывшее из недр Солнца сильно намагниченное вещество (магнитное поле пятен в тысячи раз сильнее магнитного поля Земли). При случайном сближении пятен с различной магнитной полярностью происходит нечто похожее на гигантское «короткое замыкание» с выделением поистине космического количества энергии. Оно сравнимо с извержением 10 млн вулканов или взрывом нескольких десятков водородных бомб. Астрономы называют это явление солнечной вспышкой.

Чаще всего вспышки происходят вблизи максимума 11-летнего цикла солнечной активности. Так, в предыдущем цикле больше всего вспышек наблюдалось в 1991 г., а в текущем цикле, который начался в 1996 г., максимум числа вспышек пришелся на период с 2001 по 2003 г. До недавнего времени самыми мощными за 25 лет наблюдений были вспышки 16 августа 1989 г. и 2 апреля 2001 г. Они имели рентгеновский балл Х20. Однако 4 ноября 2003 г. произошла, по-видимому, самая мощная за всю историю наблюдательной астрономии вспышка в Х28 балла, энергии которой, как показывают расчеты, могло бы хватить для снабжения электроэнергией такого города, как Москва, в течение 200 млн лет!

Учеными установлено, что во время вспышки происходит взрывное преобразование магнитной энергии пятен в энергию гамма-излучения, рентгеновского излучения и излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Рентгеновское излучение от вспышек представляет реальную угрозу для космонавтов, находящихся в это время на околоземной орбите на Международной космической станции (МКС). Чтобы уменьшить дозу облучения, космонавтам обычно рекомендуют перейти в спускаемый аппарат, обшивка которого более надежно защищает от всех вредных излучений. В такие периоды также лучше отказаться от полетов на гражданских авиалайнерах, поскольку на высотах около 10 км, где проходят их трассы, можно получить довольно заметную дозу облучения.

Сцинтилляции (вспышки) на Солнце — в виде «царапин» на CCD-ячейках (ПЗС-матрице) камеры рентгеновского телескопа от пришедших протонов. Солнце — за экраном (в белом кружке)

В это время также происходит выброс высокоскоростных потоков заряженных частиц — электронов и протонов. Когда этот возмущенный солнечный ветер, несущий с собой магнитное поле, встречает на своем пути магнитосферу Земли, в месте контакта начинают происходить беспорядочные и порой очень сильные изменения напряженности магнитного поля Земли, что и составляет суть магнитной бури.

Поскольку скорость такого возмущенного солнечного ветра от вспышек колеблется в диапазоне от 500 до 1000 км/с, магнитная буря обычно начинается через сутки — двое после вспышки на Солнце. Именно столько времени требуется плазме, чтобы пройти 150 млн км от Солнца до Земли. Однако не всякая вспышка обязательно дает магнитную бурю. Как выяснилось, траектория движения выброшенного вспышкой вещества напоминает так называемую спираль Архимеда, в результате чего «геоэффективными» оказываются только вспышки, происходящие в западном полушарии Солнца в течение примерно пяти суток после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца Оказалось, что довольно часто магнитные бури происходят и в такие периоды, когда на Солнце вспышки не наблюдаются. В середине XX в., когда за Солнцем велись только наземные наблюдения, эти факты ставили астрономов в тупик. Была даже выдвинута гипотеза, что на Солнце есть невидимые загадочные М-области, вызывающие магнитные бури.

Полярное сияние — явление, часто сопровождающее магнитные бури

К концу XX в., когда на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) стали работать рентгеновские телескопы (с поверхности Земли такие наблюдения невозможны, поскольку земная атмосфера полностью поглощает рентгеновское излучение), было установлено, что временами на Солнце образуются громадные области, протяженностью в сотни тыс. км, где силовые линии общего магнитного поля Солнца (напоминающего магнитное поле Земли) попросту разорваны. Это приводит к тому, что заряженным частицам здесь значительно легче покидать Солнце, чем в областях с регулярным магнитным полем. Такие области, откуда непрерывно вытекают высокоскоростные потоки солнечного ветра, получили название «корональные дыры». Обычно они «живут» в течение нескольких оборотов Солнца (2, 3 и более месяцев) и на каждом обороте обязательно вызывают магнитные бури (также через сутки после прохождения корональными дырами центрального меридиана).

Какое же воздействие оказывают магнитные бури на земные процессы? Еще в 30-х гг. двадцатого столетия в Ницце (Франция) случайно было замечено, что частота инфарктов миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастала в дни, когда в работе местной телефонной станции наблюдались сильные нарушения вплоть до полного прекращения связи. Впоследствии было установлено, что нарушения телефонной связи происходят во время магнитных бурь. На этом основании и был сделан вывод, что инфаркты и инсульты связаны с магнитными бурями.

Выбросы горячей плазмы огромной массы Аркада петель на солнечном лимбе после вспышки — высвечивает корональные магнитные поля, заполненные плазмой. Снимок сделан SOHO (Солнечная и гелиосферная обсерватория, находящаяся в космосе)

Острые споры вызывал в свое время вопрос о влиянии солнечной активности на возникновение несчастных случаев и травматизма на транспорте и в производстве. На это впервые указал еще в 1928 г. А.Л. Чижевский, а в 50-х гг. XX в. немецкие ученые Р. Рейтер и К. Вернер, из анализа около 100 тыс. автокатастроф, установили их резкое увеличение на второй день после солнечной вспышки. Позже российский судебный медик из Томска В.П. Десятое обнаружил резкое возрастание числа самоубийств (в 4 — 5 раз по сравнению с днями спокойного Солнца) также на вторые сутки после вспышки на Солнце. А это как раз соответствует началу магнитных бурь.

Существует немало свидетельств воздействия магнитных бурь на технические системы и сооружения, особенно на протяженные электропроводящие системы, такие, как линии электропередач и металлические нефте- и газопроводы. Хорошо известна магнитная буря 13 марта 1989 г., которая привела к короткому замыканию в главном трансформаторе Квебекского гидроузла. В результате более 6 млн канадцев и американцев на 9 часов остались без электричества.
Уже стали привычными сообщения о потере спутников во время сильных магнитных бурь из-за сбоев в работе электронных систем управления и связи, а также о преждевременном сходе ИСЗ с орбит и гибели в плотных слоях атмосферы. После некоторых сильных вспышек возникали ураганные ветры и тайфуны, происходили землетрясения и извержения вулканов. Магнитные бури обычно сопровождаются полярными сияниями, которые представляют собой свечение атомов кислорода и молекул азота, возбужденных частицами солнечного и магнитосферного происхождения.

Рентгеновское изображение Солнца (вспышка в рентгеновском диапазоне), снятое Японским спутником YOHKON

Сегодня уже понятны некоторые физические механизмы, лежащие в основе воздействия магнитных бурь на технические, биологические и природные объекты. Так, лабораторные эксперименты показали, что во время магнитных бурь на поверхности металлических конструкций возникают наведенные электрические токи. Они-то и становятся причиной пожаров и взрывов на нефте- и газопроводах и повреждений в линиях электропередач. Наведенные токи на поверхности искусственных спутников Земли иногда вызывают сбои в работе гироскопов стабилизации, что приводит к сходу ИСЗ с орбит и их гибели в плотных слоях атмосферы. Сильные вариации магнитного поля Земли во время магнитных бурь создают наведенные токи не только в металлических проводниках, но также и на поверхности Земли. Именно это стало причиной аварии трансформатора в Квебеке.

Протуберанец, оторвавшийся от Солнца (для сравнения масштабов явления — Земля справа). Снимок SOHO

Во время мощных вспышек поток ультрафиолетового излучения возрастает в десятки раз, что вместе с выброшенным вспышкой веществом приводит к разогреву верхних слоев земной атмосферы. Атмосфера при этом расширяется и начинает тормозить движение ИСЗ, что приводит к их незапланированному преждевременному сходу с орбиты. Одновременно быстрый разогрев атмосферы приводит к резкому изменению режима циркуляции воздушных потоков, что
"может стать причиной катастрофических природных процессов.
Большинство астрономов, изучающих солнечную активность, сходятся на том, что минимум текущего цикла наступит в 2006 — 2007 гг. И это означает, что период магнитных бурь заканчивается и мы вступаем в полосу штилей.

Горячая корона после солнечной вспышки

Купить журнал можно, позвонив по телефону +7 (495) 257-96-84 или отправив запрос по электронному адресу: .
Подписной индекс ТМ в каталоге Роспечати 70973, в каталоге АПР 72098.