Геомагнитная буря

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.

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. 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.

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. 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. 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.

Измерение и классификация магнитных бурь

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

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

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.

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, 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.

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.

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

• Геомагнитная буря 13—14 марта 1989 года
• Геомагнитная буря 2012 года
• Геомагнитная буря 2024 года

Литература

• Davies, K. Ionospheric Radio. — London, UK: Peter Peregrinus, 1990. — С. 331—345. — (IEE Electromagnetic Waves Series). — ISBN 978-0-86341-186-1.
• Eather, R.H. Majestic Lights. — Washington DC: AGU, 1980. — ISBN 978-0-87590-215-9.
• Space Systems and Their Interactions with Earth's Space Environment (англ.) / Garrett, H.B.; Pike, C.P.. — New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1980. — ISBN 978-0-915928-41-5.
• Gauthreaux, S., Jr. Ch. 5 // Animal Migration: Orientation and Navigation (англ.). — New York: Academic Press, 1980. — ISBN 978-0-12-277750-9.
• Harding, R. Survival in Space. — New York: Routledge, 1989. — ISBN 978-0-415-00253-0.

Ссылки

• Качественное описание явления Геомагнитная буря — проект кафедры общей ядерной физики физического факультета МГУ и отдела электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ
• NASA: Cosmic weather. Об отсутвствии влияния магнитных бурь на людей на поверхности Земли, и о возможности негативного влияния на космонавтов во время лунных и марсианских миссий.
• Ермолаев Ю. И., М. Ю. Ермолаев. Солнечные и межпланетные источники геомагнитных бурь: аспекты космической погоды, Геофизические процессы и биосфера, 2009, T. 8, № 1, с. 5-35
• Популярные материалы по космической погоде
• Бреус Т. К. Космическая и земная погода и их влияние на здоровье и самочувствие людей. В книге «Методы нелинейного анализа в кардиологии и онкологии. Физические подходы и клиническая практика»
• Данные обсерватории Киото о магнитных бурях (Dst-index), включая текущие данные и архивные
• Bolduc, L. GIC observations and studies in the Hydro-Québec power system (англ.) // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. : journal. — 2002. — Vol. 64, no. 16. — P. 1793—1802. — doi:10.1016/S1364-6826(02)00128-1. — .