Геомагнитная буря

Эта статья входит в число готовых статей
Материал из «Знание.Вики»

Геомагни́тная бу́ря — это возмущение магнитного поля Земли, возникающее во время его столкновения с ударной волной высокоскоростных потоков солнечного ветра. Как правило, такое нарушение обусловлено повышенной активностью Солнца. Вспышки и корональные выбросы плазмы являются результатом внутренних процессов, протекающих на Солнце, наблюдаемый признак которых — образование пятен на видимой поверхности светила. Магнитная буря является причиной возникновения таких геофизических процессов, как магнитосферные бури, включающие в себя полярные сияния, ионосферные возмущения, рентгеновское и низкочастотное излучение, возникающее в верхних слоях атмосферы. Магнитные бури могут продолжаться от нескольких часов до нескольких суток. Число магнитных бурь, происходящих в единицу времени, растёт с увеличением солнечной активности. В течение одного месяца может наблюдаться до восьми магнитных бурь. По степени интенсивности магнитные бури подразделяют на очень большие, большие, умеренные и малые, причём чем выше интенсивность магнитной бури, тем реже она наблюдается. Магнитные бури могут оказывать значительное воздействие как на технические системы, так и на живые организмы, включая человека[1].

Физические основы явления

Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц, выбрасываемых из верхних слоёв солнечной атмосферы. Он движется со скоростью 300–1200 км/с и несёт с собой значительную энергию. Если эта энергия не выходит за рамки постоянно действующего значения, магнитосфера Земли защищает нашу планету от прямого воздействия солнечного ветра и космической радиации[2]. Когда плотность и скорость солнечного ветра резко возрастают, например в результате выбросов корональной массы Солнца, это приводит к значительным деформациям магнитосферы Земли и появлению в верхних слоях атмосферы сильных электрических токов, что и является основной причиной магнитных бурь[3].

Одна из самых мощных бурь в истории наблюдений — «буря Кэррингтона» — произошла в 1859 году. Это событие, вызванное мощными выбросами корональной массы Солнца, привело к серьёзным нарушениям в работе телеграфных линий по всей Земле.

Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений солнечной активности и его источников. Многолетние наблюдения на орбите Земли (около 150 млн км от Солнца) показали, что солнечный ветер структурирован и обычно делится на спокойный и возмущённый (спорадический и рекуррентный). Спокойные потоки, в зависимости от скорости, делятся на два класса: медленные (примерно 300—500 км/с около орбиты Земли) и быстрые (500—800 км/с около орбиты Земли). Иногда к стационарному ветру относят область гелиосферного токового слоя, который разделяет области различной полярности межпланетного магнитного поля, и по своим свойствам близок к медленному ветру.

Параметры солнечного ветра
Параметр Средняя величина Медленный солнечный ветер Быстрый солнечный ветер
Плотность n, см−3 8,8 11,9 3,9
Скорость V, км/с 468 327 702
nV, см−2·с−1 3,8⋅108 3,9⋅108 2,7⋅108
Темп. протонов Tp, К 7⋅104 3,4⋅104 2,3⋅105
Темп. электронов Te, К 1,4⋅105 1,3⋅105 1,0⋅105
Te / Tp 1,9 4,4 0,45
Солнечный ветер и магнитосфера Земли

Кроме магнитных бурь, которые связаны с высокой солнечной активностью, в частности, с выбросами корональной массы (англ. coronal mass ejection — CME), часто наблюдаются умеренные магнитные бури, которые возникают в периоды, когда на Солнце отсутствуют какие-нибудь активные процессы. Такие бури в основном наблюдаются в периоды минимума цикла солнечной активности и часто повторяются с периодом вращения Солнца 27 дней (поэтому они часто называются рекуррентными магнитными бурями). Происхождение таких бурь долгое время не имело достаточного объяснения[4]. В настоящее время установлено, что их источником является корональная дыра на Солнце, которая, являясь источником быстрого потока солнечного ветра, приводит к взаимодействию быстрого потока с медленным потоком и образованию области сжатия (англ. Corotating Interaction Region — CIR). За счёт сжатия и изменения направления движения плазмы в области сжатия может образовываться геоэффективная компонента межпланетного магнитного поля, приводящая к возбуждению геомагнитной активности, включая магнитные бури и суббури[5][6]. Корональные дыры могут существовать на Солнце в течение периода до нескольких месяцев, и поэтому магнитная активность на Земле повторяется с периодом вращения Солнца.

Согласно последним наблюдениям, магнитные бури, генерированные выбросами корональной массы и корональными дырами, различаются не только по своему происхождению, но и характером развития и своими свойствами[7][8].

Измерение и классификация магнитных бурь

Для оценки состояния геомагнитной активности используются специальные показатели, позволяющие количественно характеризовать интенсивность возмущений магнитного поля Земли[9][10].

Индексы магнитной активности

Наиболее распространённым показателем энергетической активности является Kp, который рассчитывается на основе данных наземных магнитометрических станций. Индекс Kp варьируется от 0 (спокойное состояние) до 9 (экстремально сильные возмущения).

Kp-индекс
Kp-индекс [11]

Другой часто используемый индекс — Dst (от англ. Disturbance storm time index), который характеризует возмущения поля в экваториальной области. Значения Dst отрицательны во время бурь и достигают максимальных значений до −600 нТл при очень сильных событиях.

G-индекс — ещё один показатель, который предоставляет информацию о мгновенной магнитной активности в течение трёхчасового периода наблюдения. Он также измеряется по шкале от 0 до 9, где более высокие значения указывают на более сильные геомагнитные возмущения.

Классификация по интенсивности

В зависимости от значений индексов геомагнитной активности магнитные бури можно разделить на следующие категории:

  • слабые: Kp = 5, Dst > −50 нТл;
  • умеренные: Kp = 6, Dst = −50…−100 нТл;
  • сильные: Kp = 7, Dst = −100…−200 нТл;
  • экстремальные: Kp = 8−9, Dst < −200 нТл.

Наиболее опасными для инфраструктуры и здоровья человека являются сильные и экстремальные геомагнитные бури, которые способны вызывать значительные нарушения в работе технических систем и оказывать выраженное негативное воздействие на биологические организмы.

Прогнозирование геомагнитных бурь

Своевременное и точное прогнозирование имеет большое значение для минимизации последствий. Для этого используется комплекс методов, основанных на наблюдении и анализе солнечной активности[12].

Методы раннего прогнозирования

Одним из основных методов прогнозирования является наблюдение за Солнцем. Учёные отслеживают появление солнечных пятен, вспышек, корональных выбросов массы и другие явления, которые могут служить предвестниками приближающихся бурь.

Также важен мониторинг состояния солнечного ветра с помощью космических аппаратов, расположенных между Землёй и Солнцем. Данные о скорости, плотности и направлении потока заряженных частиц позволяют делать достаточно точный прогноз, когда и с какой силой магнитная буря достигнет Земли.

Современные подходы и их эффективность

В последние годы активно развиваются математические модели[13], позволяющие на основе комплексного анализа геомагнитной активности, состояния межпланетной среды и особенностей магнитосферы Земли прогнозировать приближение бурь. Эти модели постоянно совершенствуются, повышая точность и своевременность предупреждений.

Несмотря на достигнутый прогресс, точность прогнозирования всё ещё остаётся ограниченной. Особенно сложно предсказать экстремально сильные события, которые наносят наибольший ущерб технологическим системам и здоровью человека.

Влияние геомагнитных бурь

Воздействие магнитной бури на средства связи

Магнитные бури могут вызывать серьёзные нарушения в работе различных технологических систем. Наиболее уязвимы электроэнергетические сети, линии связи, навигационные системы, радиоэлектронное оборудование и космические аппараты.

Возникающие во время магнитных бурь индуцированные геомагнитные токи способны повреждать трансформаторы и генераторы в энергосистемах, вызывать сбои в работе систем связи, навигации и управления космическими аппаратами. В некоторых случаях последствия бурь приводят к масштабным авариям и отключениям электроснабжения.

Некоторые сбои в работе космических аппаратов можно напрямую связать с космической погодой. Например, значительная часть сбоев, о которых сообщалось в 2003 году, произошли во время геомагнитной бури. Два наиболее распространённых вида неблагоприятных воздействий космической погоды на космические аппараты — радиация и накопление электростатического заряда.

Радиация (высокоэнергетические частицы) проникает сквозь корпус космического аппарата и попадает в электронные компоненты. В большинстве случаев радиация вызывает ошибочный сигнал в электронике космического аппарата (однократные сбои). В некоторых случаях радиация выводит из строя часть электроники (однократная блокировка).

Накопление электростатического заряда в непроводящем материале космического аппарата происходит под воздействием низкоэнергетических частиц. Если величина накопленного заряда большая, происходит разряд (искра). Это может привести к тому, что компьютер космического аппарата отреагирует на ошибочный сигнал. Недавнее исследование показало, что электростатика является преобладающим воздействием космической погоды на космические аппараты на геосинхронной орбите[14].

Влияние на здоровье человека и биологические системы

На основании некоторых источников геомагнитные бури отрицательно влияют на самочувствие людей, вызывая головные боли, нарушения сна, раздражительность, ухудшение концентрации внимания и другие симптомы[15].

Особенно чувствительны к изменениям геомагнитной активности пожилые люди и лица, страдающие различными хроническими заболеваниями, в первую очередь сердечно-сосудистыми и неврологическими. Магнитные бури могут спровоцировать обострение имеющихся болезней и ухудшить здоровье в целом.

Воздействие этого явления на биологические организмы связано с нарушениями в работе нервной системы, изменениями гормонального фона, а также влиянием на различные биохимические процессы. Эти факторы могут приводить к снижению иммунитета, ухудшению адаптивных способностей и другим негативным эффектам.

Во время сильных солнечных бурь ионизирующее излучение может достигать опасного уровня, особенно для космонавтов и людей, выполняющих полеты на большой высоте. Этот тип излучения может изменять ДНК и вызывать повреждение клеток. Однако на поверхности Земли атмосфера и магнитное поле в большинстве случаев обеспечивают адекватную защиту.

См. также

Литература

Примечания

  1. Магнитные бури // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
  2. Земля как магнит: Геомагнитное поле..
  3. Ученые обнаружили последствия мощной геомагнитной бури..
  4. Bartels, J.,. Terrestrial-magnetic activity and its relations to solar phenomena // Terr. Magn. Atmos. Electr.,. — 1932. — Т. 37. — С. 1—52.
  5. Комплекс возмущений в северной и южной полярных областях Земли, связанных с взаимодействием возмущенных потоков солнечного ветра с магнитосферой Земли
  6. Crooker, N. U., and E. W. Cliver,. Postmodern View of M-Regions, // J. Geophys. Res.,. — 1994. — Т. 99, № А12. — С. 23383—23390.
  7. Borovsky J.E. and Denton M.H.,. Differences between CME-driven storms and CIR-driven storms, // J. Geophys. Res.,. — 2006. — Т. 111. — С. A07S08.
  8. Yermolaev Yu.I., N.S. Nikolaeva I.G. Lodkina, M.Yu. Yermolaev. Specific interplanetary conditions for CIR-, Sheath-, and ICME-induced geomagnetic storms obtained by double superposed epoch analysis // Annales Geophysicae. — 2010. — Т. 28, № 12. — С. 2177—2186. Архивировано 13 ноября 2012 года.
  9. Индексы геомагнитной активности. Мировой центр данных по солнечно-земной физике. Дата обращения: 19 января 2025.
  10. Описание индексов геомагнитной активности. Мировой центр данных по солнечно-земной физике. Дата обращения: 19 января 2025.
  11. Ревунов С. Е. Крупномасштабные явления в солнечном ветре и магнитосферно-ионосферная активность.
  12. Бархатов Н. А. Разработка методов прогнозирования геомагнитного состояния магнитосферы на основе поиска фундаментальных закономерностей солнечно-земных связей // Вестник Мининского университета : журнал. — № 2.
  13. К-индекс, C-индекс, G-индекс: описание.
  14. «Analysis of GEO spacecraft anomalies: Space weather relationships» (англ.). Wiley Network. Дата обращения: 18 января 2025. Архивировано 14 января 2025 года.
  15. Магнитные бури: природа и влияние на человека. РИА "Новости". Наука. Дата обращения: 19 января 2025.

Ссылки