Как магнитные бури влияют на Землю? Как человечество с ними борется?


5 минуты чтения
Как магнитные бури влияют на Землю? Как человечество с ними борется?

Недавняя партия кубсатов SpaceX Starlink, передающих интернет, столкнулась с трагедией 3 февраля, она попала в сильный геомагнитный шторм на орбите.

«Эти штормы вызывают нагревание атмосферы и увеличение плотности атмосферы на наших малых высотах развертывания. Фактически, бортовой GPS предполагает, что скорость эскалации и сила шторма привели к тому, что атмосферное сопротивление увеличилось на 50 процентов по сравнению с предыдущими запусками», — написала SpaceX в обновлении блога в прошлую среду.
«Команда Starlink перевела спутники в безопасный режим, в котором они будут летать ребром (как лист бумаги), чтобы минимизировать сопротивление».

К сожалению, 40 спутников так и не вышли из безопасного режима, и, как ожидается, на момент объявления в среду, если они еще этого не сделали, они упадут на гибель в атмосфере Земли.

Хотя этот инцидент представляет собой лишь незначительную неудачу для SpaceX и ее цели обволочь планету с более чем 42 000 устройств, передающих сигнал, геомагнитные бури представляют постоянную угрозу для мировой электрической инфраструктуры — прерывание вещательных и телекоммуникационных сигналов, повреждение электрических сетей, нарушение глобальных навигационных систем и подвержение астронавтов и авиапассажиров опасным дозам солнечной радиации.

NOAA определяет геомагнитные бури как «серьезное нарушение магнитосферы Земли, возникающее при очень эффективном обмене энергией солнечного ветра с космической средой, окружающей Землю». Солнечные ветры, состоящие из плазмы и высокоэнергетических частиц, выбрасываются из самых внешних слоев короны Солнца и несут тот же заряд, что и магнитное поле Солнца, ориентированное либо на север, либо на юг.

Когда этот заряженный солнечный ветер попадает в магнитосферу Земли — особенно если он энергичен или несет южную поляризацию — он может вызвать магнитное пересоединение дневной магнитопаузы. Это, в свою очередь, ускоряет плазму в этой области по линиям магнитного поля атмосферы к полюсам планеты, где добавленная энергия возбуждает атомы азота и кислорода, создавая эффект северного сияния. Эта дополнительная энергия также заставляет колебаться саму магнитосферу, создавая электрические токи, которые еще больше нарушают магнитные поля региона — все это создает магнитные бури.

«Штормы также приводят к интенсивным течениям в магнитосфере, изменениям в радиационных поясах и изменениям в ионосфере, включая нагрев ионосферы и верхней части атмосферы, называемой термосферой», — отмечает NOAA. «В космосе кольцо западного тока вокруг Земли создает магнитные возмущения на земле».

По сути, грубо говоря, у Солнца происходит отрыжка массивного порыва солнечного ветра, он проходит через пространство и врезается в магнитную оболочку Земли, где вся эта энергия вливается в магнитное поле планеты, вызывая электрический хаос и создавая группу атомов в верхних слоях атмосферы.

Солнечные вспышки происходят с разной частотой в зависимости от того, где находится Солнце в своем 11-летнем солнечном цикле: от менее одной каждую неделю во время солнечного минимума до нескольких вспышек ежедневно в максимальный период. Их интенсивность колеблется аналогичным образом, хотя, если бы электромагнитная буря 1859 года — крупнейшее такое событие в истории, получившее название Событие Кэррингтона — произошло сегодня, ущерб, нанесенный ею спутниковым и телекоммуникационным системам Земли, оценивается в триллионы долларов США, что требует месяцев, если не года ремонта, чтобы компенсировать потери.

Это событие отодвинуло северное сияние на юг, вплоть до Карибского моря, и напрягло телеграфные линии до точки возгорания. Подобный шторм в марте 1989 года был лишь третьим по силе, как Кэррингтон, но ему все же удалось расплавить электрический трансформатор в Нью-Джерси, а также вывести из строя энергосистему Квебека за считанные секунды, оставив 6 миллионов клиентов в темноте, в течение девяти часов, пока оборудование системы не было последовательно проверено и восстановлено.

Даже если они не убивают электрическим током телеграфистов и не разрушают электросети, геомагнитные бури могут вызывать всевозможные разрушения в наших электрических системах. Геомагнитно-индуцированные токи могут насыщать магнитопроводы силовых трансформаторов, вызывая всплески напряжения и тока, протекающие в их катушках, что приводит к перегрузкам.

Изменения в структуре и плотности ионосферы Земли из-за солнечных бурь могут нарушить и полностью заблокировать высокочастотные радио- и сверхвысокочастотные спутниковые передачи. Системы GPS-навигации также подвержены сбоям во время этих событий.

«В худшем случае солнечная буря может иметь экономические последствия, аналогичные урагану 5-й категории или цунами», — сказал в 2017 году доктор Стен Оденвальд из Центра космических полетов имени Годдарда NASA.

«Существует более 900 работающих спутников с оценочной восстановительной стоимостью от 170 до 230 миллиардов долларов, поддерживающих отрасль с оборотом 90 миллиардов долларов в год. По расчетам, одна такая солнечная буря может нанести ущерба на 70 миллиардов долларов в одночасье».

Что наиболее важно для SpaceX, солнечные бури могут увеличивать сопротивление верхних краев атмосферы при прохождении космического корабля. На низкой околоземной орбите, где находится МКС и большинство спутников, не так много атмосферы, но ее достаточно, чтобы вызвать заметное сопротивление пролетающих объектов.

Это сопротивление увеличивается в дневное время, поскольку солнечная энергия возбуждает атомы в нижних слоях атмосферы, толкая их выше на НОО и создавая слой с более высокой плотностью, через который должны проталкиваться спутники. Геомагнитные бури могут усугубить этот эффект, вызывая значительное кратковременное повышение температуры и плотности верхних слоев атмосферы.

«Есть только два стихийных бедствия, которые могут затронуть всю территорию США», — заявил исследователь из Мичиганского университета Габор Тот в заявлении для прессы в августе прошлого года. «Одна из них — пандемия. А другой — экстремальное явление космической погоды».
«У нас есть все эти технологические активы, которые находятся под угрозой», — продолжил он. «Если экстремальное событие, подобное тому, что произошло в 1859 году, произойдет снова, оно полностью разрушит энергосистему, спутниковые и коммуникационные системы — ставки намного выше».

Чтобы увеличить время между солнечным извержением и последующим ветром, обрушивающимся на нашу магнитосферу, Тот и его команда работали над разработкой геокосмической модели версии 2.0 (которую в настоящее время использует NOAA) с использованием современного компьютера, системы обучения и схемы статистического анализа.

С его помощью астрономы и операторы электросетей получают заблаговременное предупреждение всего за 30 минут до того, как солнечные ветры достигнут планеты — достаточно времени, чтобы перевести жизненно важные электрические системы в режим ожидания или иным образом смягчить воздействие шторма.

Команда Тота опирается на рентгеновские и ультрафиолетовые данные «со спутника, измеряющего параметры плазмы на расстоянии в миллион миль от Земли», объяснил он, чтобы обнаруживать выбросы корональной массы по мере их возникновения.

«С этого момента мы можем запустить модель и предсказать время прибытия и воздействие магнитных явлений», — сказал Тот.

В последние годы NASA разработало и запустило ряд миссий, чтобы лучше предсказать бурное поведение нашей звезды. В 2006 году, например, космическое агентство запустило миссию STEREO (Solar TERrestrial Relations Observatory), в рамках которой пара обсерваторий измеряла «поток энергии и материи» от Солнца к Земле. В настоящее время NASA работает еще над двумя миссиями — Multi-slit Solar Explorer (MUSE) и HelioSwarm, — чтобы более полно понять связь между Солнцем и Землей.

«MUSE и HelioSwarm предоставят новое и более глубокое понимание солнечной атмосферы и космической погоды», — сказал в февральском выпуске новостей Томас Зурбухен, заместитель администратора по науке в NASA.

«Эти миссии не только расширяют возможности других наших гелиофизических миссий — они также обеспечивают уникальную перспективу и новый подход к пониманию тайн нашей звезды».

MUSE стремится изучить силы, которые нагревают корону и вызывают извержения в этом солнечном слое.

«MUSE поможет нам заполнить важные пробелы в знаниях, касающихся связи Солнца и Земли», — добавила Никола Фокс, директор отдела гелиофизики NASA. «Это даст больше информации о космической погоде и дополнит множество других миссий в рамках флота гелиофизических миссий».

С другой стороны, HelioSwarm на самом деле представляет собой набор из девяти космических аппаратов, которым поручено провести «первые многомасштабные космические измерения колебаний магнитного поля и движения солнечного ветра».

«Технические инновации малых спутников HelioSwarm, работающих вместе как созвездие, обеспечивают уникальную возможность исследовать турбулентность и ее эволюцию в солнечном ветре», — сказала Пег Люс, заместитель директора отдела гелиофизики.

Эти продолжающиеся исследовательские усилия, направленные на то, чтобы лучше понять наше место в Солнечной системе и то, как вести себя по-соседски с массивным ядерным-термоядерным реактором в небе, несомненно, окажутся жизненно важными, поскольку телекоммуникационные технологии человечества продолжают развиваться. Потому что, как бы ни укрепились наши системы, мы просто не можем допустить повторения 1859 года, которые в современных реалиях вызвали бы настоящих хаос на Земле.

Подписывайтесь на T4S.TECH в Telegram, Twitter и во «ВКонтакте», чтобы оставаться в курсе самых интересных новостей из мира технологий и не только.

Вверх

🎉 Вы успешно подписались на новости сайта T4S.TECH!
OK