Стало відомо, як магнітні бурі впливають на техніку та людей і чому не всім геомагнітним прогнозам можна довіряти

Їх навіть звинувачують у розпаді СРСР.

Що таке магнітні бурі

Магнітні бурі – це сильні струшування магнітного поля Землі, які різко порушують його звичайний хід і тривають від кількох годин до кількох діб. Коли вони трапляються, то спостерігаються одночасно по всій планеті.

Магнітні або, точніше, геомагнітні бурі є частиною космічної погоди Землі. Вони викликають полярні сяйва,
можуть негативно впливати на орбітальну та земну техніку, а також на стан деяких людей.

Чому відбуваються магнітні бурі

Сонячний вітер — потік заряджених частинок, що виходить від Сонця, постійно впливає на зовнішню, найвищу частину магнітного поля Землі (магнітосферу). Через це вона постійно перебуває у такому викривленому стані:

Магнітосфера Землі у поданні художника. Зображення: NASA / Wikimedia Commons

Однак потік сонячного вітру далеко не завжди стабільний і може коливатися. Його обурення викликають корональні дірки та викиди маси (останні нерідко плутають зі спалахами на Сонці).

Спровоковані викидами бурі найсильніші. Під час цих явищ найближча зірка випускає мільярди тон плазми. Це схоже на одночасний вибух тисяч ядерних бомб. Якщо потік було направлено у бік Землі, частки можуть досягати її. Зазвичай на це йде два-три дні, але за потужних викидів плазма здатна пройти відстань у 150 мільйонів кілометрів за 18 годин.

Симуляція взаємодії магнітного поля Землі та сонячного вітру під час бурі. Зображення: Dr. Nikolai Tsyganenko, USRA/NASA/GSFC / Wikimedia Commons

Коли потік досягає нашої планети, він викликає ударну хвилю, що стискає магнітосферу Землі. Зіткнення протонів сонячного вітру з атомами водню атмосфери утворює електричний струм. Поступово із загасанням бурі магнітосфера повертається до нормального стану, а струм розпадається.

У корональних дірок дещо інший принцип дії. У цих областях сонячної поверхні магнітне поле слабше, ніж у решті зірки. Тому з них виходить потік сонячного вітру, який рухається швидше за звичайний: 500–800 кілометрів на секунду замість 300-500. Такий потік може спричинити несильні магнітні бурі. Однак вони іноді тривають набагато довше і утворюють більше енергії.

Корональна дірка на сонці. Фото: NASA/SDO / Wikimedia Commons

Магнітні поля Сонця. Літерою B позначено корональну дірку. Зображення: Sebman81 / Wikimedia Commons

Тому частота магнітних бур безпосередньо пов’язана з сонячною активністю. Та, своєю чергою, підвищується і згасає, утворюючи цикли, які мають в середньому 11 років. Тому за місяць може трапитися до восьми магнітних бур у період максимальної інтенсивності або не виникнути жодної за мінімальної. При цьому висока сонячна активність далеко не завжди призводить до сильних геомагнітних збурень.

Чи можна виміряти силу магнітної бурі

Інтенсивність магнітних бур вимірюється за допомогою спеціальних індексів. Вчені користуються переважно Dst: він розраховується з урахуванням показників магнітометрів із кількох станцій, розташованих на магнітному екваторі Землі. Дані оновлюються щогодини. У спокійній обстановці Dst коливається від –20 до 20 нанотесла. Бурею вважається ситуація, коли він опускається нижче -50 нанотесла.

Найпотужніша зафіксована магнітна буря оцінюється −1 760 нТл за Dst. Це відносно небагато. Наприклад, щоб змусити жабу левітувати, потрібно близько 16 тесла, тобто 16*10⁹, або 16000000000 нанотесла.

Для звичайних людей більш зрозумілий індекс G, який оцінює магнітні бурі з погляду їхньої небезпеки. Виділяється п’ять рівнів.

• G1 – незначні магнітні бурі. Відбуваються близько 1700 разів за сонячний цикл. Можуть провокувати слабкі коливання електромережі, трохи впливати на роботу супутників, спричиняють полярні сяйва.
• G2 – помірні. Приблизно 660 разів за цикл. Іноді призводять до перепадів напруги та пошкодження трансформаторів у північних широтах, вносять корективи у рух космічних апаратів. Через такі бурі полярні сяйва виникають далі від полюсів.
• G3 – сильні. Близько 200 за цикл. Через такі збурення може знадобитися коригування напруги в енергосистемах. Також іноді відбуваються помилкові спрацьовування запобіжників, виникають перебої у супутниковій навігації та радіозв’язку. Полярні сяйва видно ще ближче до екватора.
• G4 – важкі. Близько 100 за цикл. Поширені проблеми з контролем напруги та помилкові спрацьовування захисних пристроїв. Такі бурі можуть створювати електричні струми в трубопроводах, погіршувати радіозв’язок та супутникову навігацію.
• G5 – екстремально сильні. Близько 4 за цикл. Вони здатні призвести до масштабних проблем з енергомережею (деякі системи повністю відмовляють або відключаються), серйозних неполадок у роботі супутників. Можуть утворити сильні струми на трубопроводах, на кілька днів позбавити радіозв’язку. Полярні сяйва можливі у субтропічних областях, наприклад у Каїрі.

Як магнітні бурі впливають на техніку

Потужні магнітні бурі заважають поширення сигналів в іоносфері. Саме тому відбуваються згадані вище помилки та зупинки в роботі GPS, високочастотного радіозв’язку та деяких військових системах раннього виявлення.

Крім того, магнітні бурі на короткий час наче розширюють атмосферу. Це гальмує навколоземні супутники, і вони можуть почати втрачати висоту. З цієї причини, наприклад, раніше запланованого терміну на Землю впала радянська космічна станція «Салют-7».

Але до найвідчутніших проблем призводить здатність магнітних бур утворювати електричні струми у всіх металевих предметах. І чим останні більші, наприклад лінія електропередач або трубопровід, тим струми суттєвіші. Проходячи через пристрої вони можуть руйнувати їх: техніка згорає від надмірної напруги. Найбільше від цього страждають трансформатори.

До чого вже приводили сильні бурі

Наймасштабніша за своїми наслідками буря сучасності (-589 нанотесла) відбулася 13 березня 1989 року. Тоді вся канадська провінція Квебек залишилася без електрики на 12 годин. При цьому інфраструктура вийшла з ладу менш як за 2 хвилини.

Магнітне збурення було настільки сильним, що північне сяйво можна було побачити навіть на Кубі та у Флориді. По всій території США та Канади спостерігалися збої та втрати потужності в енергомережі, хоча, крім Квебека, ніхто більше не постраждав.

Частина супутників на кілька годин втратила зв’язок із Землею. Проблеми з обладнанням виникли і на американському космічному кораблі Discovery. Крім того, на якийсь час перервалося підпільне мовлення радіостанції «Вільна Європа» на території СРСР.

А 1972 року потужна магнітна буря спровокувала масові відключення електрики та зв’язку в США. У В’єтнамі через неї спрацювало кілька десятків морських мін з магнітними підривниками, розставлених американськими військовими.

Інша сильна буря сталася у листопаді 2003-го. Тоді американська система поправок до даних GPS (WAAS)
відключилася на 30 годин, робота багатьох супутників була перервана, а японський ADEOS-2 взагалі отримав серйозні пошкодження.

Вже згадана найпотужніша буря за історію спостережень (–1 760 нанотесла) сталася ж у 1859 році. Вона спалила кілька телеграфних ліній у США, полярні сяйва спостерігалися в тропічних широтах, а через яскраве небо вночі було ясно, як вдень. Цю подію назвали Керрінгтонською на честь астронома Річарда-Крістофера Керрінгтона, який усе зафіксував.

До чого могутня магнітна буря може призвести сьогодні

Імовірність, що ми потрапимо під викид, схожий на події Керрінгтона, найближчим часом досить низька. Проте вчені не виключають такої можливості. І вони не мають єдиної думки про те, наскільки серйозними будуть наслідки.

Є, наприклад, підрахунки, згідно з якими в одних лише США буря, подібна до Керрінгтонської, здатна
призвести до збитків в один-два трильйони доларів. І це лише в перший рік. А ремонт пошкоджених систем може тривати кілька років. Відсутність електроенергії ж поставить під загрозу продовольчу систему.

Заспокоює лише те, що такі події, на думку фізиків РАН, відбуваються не частіше, ніж приблизно раз на 500 років. Адже далеко не завжди Сонце вистрілює потоки плазми у напрямку Землі. Так, потужний викид у липні 2012 року просто запустив частки у космос і не викликав значних магнітних бур на Землі.

До того ж, не всі сильні збурення призводять до катастрофічних наслідків. Наприклад, у липні 2000-го
стався шторм потужністю –300 нанотесла, але він не вплинув на енергосистему.

Щоправда, нова буря може бути навіть сильнішою за Керрінгтонську. Так, дані радіовуглецевого аналізу стародавніх японських кедрів показали, що у 774 році збурення магнітного поля було у 20 разів потужнішим, ніж у 1859-му.

Як магнітні бурі впливають на людей

Вважається, що магнітні бурі винні у перепадах настрою, агресивності, депресії, проблемах зі здоров’ям. На них списують високий ризик катастроф і навіть деякі історичні події.

І бурі справді впливають на деяких людей. Хоча виявити це не так просто. Саме тому потрібен великий масив статистичних даних, а результати при цьому можуть спотворювати дуже багато чинників.

На даний момент є кілька досліджень, які підтвердили вплив магнітних збурень на серцево-судинну систему. Так, під час бурі у людей може підвищуватись артеріальний тиск і частота серцевих скорочень. Аналіз лікарняних звітів Нової Зеландії, Австралії, Великобританії, Франції та Швеції за 23 роки також
показав, що при корональних викидах збільшується ризик інсульту на 19%. А автори дослідження, проведеного у 263 містах США, рахують, що посилення геомагнітної активності підвищує смертність від серцево-судинних захворювань та інфарктів.

Тому людям із серцево-судинними захворюваннями під час геомагнітних бур слід бути напоготові: запастися прописаними лікарем препаратами, тримати при собі телефон або попередити близьких.

А ось зв’язки магнітних бур з іншими порушеннями здоров’я, наприклад, депресією, вченим знайти не вдалося.

Те саме і з впливом геомагнітної активності на поведінку людей. Все це лише фікція. Наприклад, деякі прихильники цього погляду стверджують, що Земля та Сонце як живі істоти брали участь у подіях серпня 1991 року, коли ГКЧП не вдалося зупинити розпад СРСР. Буцімто тоді був сильний сплеск сонячної активності. Він і справді спостерігався. Але не тільки в серпні, а протягом чотирьох місяців: з червня по жовтень. А геомагнітне поле в цей період взагалі було спокійне.

Як захиститися від магнітних бур

NASA спільно з Національним управлінням океанічних та атмосферних досліджень (NOAA), Федеральним агентством США з НС та іншими структурами розробляли стратегію та план дій на випадок погіршення космічної погоди. Передбачалося посилити захист населення та об’єктів енергетики від електромагнітних імпульсів.

Наприклад, на випадок виходу з експлуатації компонентів мережі можуть використовуватися резервні мобільні трансформатори. Завдяки їм вдасться оперативно відновити роботу енергомережі на час ремонту зруйнованого стаціонарного пристрою.

Критичні об’єкти можна захистити від поломки та за допомогою спеціальних апаратів. Наприклад, батареї конденсаторів, що накопичують зайву енергію, або клітин Фарадея, які розсіюють її.

Клітка Фарадея діє: жінка всередині захищена від електричного розряду. Фото: Antoine Taveneaux / Wikimedia Commons

Але найкраще допоможе своєчасне відключення електромережі та попередження метеозалежних людей. Для цього треба вміти прогнозувати сонячну активність.

Чи можна передбачити магнітні бурі

Графік сонячної активності (кількості сонячних плям) за історія спостережень. Добре видно цикли – наростання та спади. Зображення: SILSO, Royal Observatory of Belgium, Brussels

Так можна. Наприклад, у США цим займається Центр прогнозування космічної погоди (SWPC). Він входить до складу NOAA. Для прогнозів співробітники SWPC та NOAA використовують дані із супутників Землі та результати спостережень за космічними тілами. Вчені створюють і вдосконалюють прогностичні моделі, які допоможуть їм прогнозувати погоду в космосі так само, як це роблять метеорологи.

Проте слід розуміти, що жодні тижневі чи місячні геомагнітні прогнози неможливі адже ситуація на нашій зірці може змінитись за хвилини. І навіть якщо вчені знають, що викид маси стався, вони не можуть з високою точністю стверджувати, чи потрапить він у Землю чи ні.

Найбільш довгостроковий прогноз – 27-денний – заснований на періоді обертання Сонця навколо своєї осі. Він не вказує дату і час бурі, лише повідомляє ймовірність того, що потенційно небезпечні зони можуть виявитися спрямованими на нашу планету.

Найбільш точні геомагнітні прогнози робляться за добу чи кілька годин до того, як буря накриє Землю. Вони ґрунтуються на даних астрономічних супутників, що фіксують збурення сонячного вітру.