Геомагнитная буря

Геомагнитная буря — это возмущение магнитного поля Земли (геомагнитного поля) продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток, вызванное воздействием потоков солнечного ветра и связанных с ними ударных волн, которые возникают в результате вспышек на Солнце, корональных выбросов массы или других активных процессов на светиле. Геомагнитные бури относятся к классу космической погоды и оказывают влияние на магнитосферу, ионосферу и верхнюю атмосферу Земли.

Причины возникновения

Основной причиной геомагнитных бурь является взаимодействие магнитосферы Земли с возмущёнными потоками солнечного ветра. Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц (в основном протонов и электронов), испускаемый Солнцем. В спокойном состоянии его скорость составляет около 300–400 км/с. Однако при солнечных вспышках и корональных выбросах массы (КВМ) скорость и плотность частиц могут возрастать в несколько раз, достигая 1000–2000 км/с.

Когда такой возмущённый поток достигает Земли, он сжимает магнитосферу на дневной стороне и растягивает её на ночной. В результате происходит пересоединение магнитных силовых линий, и в магнитосферу проникает большое количество энергии и частиц. Это приводит к интенсификации электрических токов в магнитосфере и ионосфере, что и регистрируется как колебания магнитного поля.

Типы солнечных событий, вызывающих бури

1. Корональные выбросы массы (КВМ) — наиболее мощные и частые причины сильных геомагнитных бурь. Представляют собой выбросы плазмы из солнечной короны, которые могут содержать до миллиардов тонн вещества.
2. Солнечные вспышки — резкие увеличения яркости на Солнце, сопровождающиеся рентгеновским и ультрафиолетовым излучением. Вспышки класса X (самые мощные) часто связаны с КВМ.
3. Корональные дыры — области солнечной короны с пониженной плотностью и температурой, из которых истекает ускоренный солнечный ветер. Они могут вызывать умеренные и слабые бури, повторяющиеся каждые 27 дней (в период вращения Солнца).

Классификация и интенсивность

Геомагнитные бури классифицируются по интенсивности, которая измеряется с помощью индексов магнитной активности. Наиболее распространённым является Kp-индекс (планетарный трёхчасовой индекс), который принимает значения от 0 до 9. Бури начинаются при Kp ≥ 5.

Классификация по шкале G (от G1 до G5) была введена Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA) в 1999 году.

История наблюдений

Первые систематические наблюдения геомагнитных бурь начались в XIX веке. В 1859 году произошла Событие Кэррингтона — самая мощная зарегистрированная геомагнитная буря. Она была вызвана солнечной вспышкой, наблюдавшейся астрономом Ричардом Кэррингтоном. Буря привела к отказу телеграфных систем в Европе и Северной Америке, а полярные сияния наблюдались вплоть до Кубы и Мексики.

В XX веке, с развитием радиосвязи и электроэнергетики, влияние геомагнитных бурь стало более заметным. В 1989 году сильная буря вызвала аварию в энергосистеме провинции Квебек (Канада), оставив без электричества 6 миллионов человек на 9 часов. В 2003 году серия мощных бурь (так называемые «Хэллоуинские бури») привела к повреждению нескольких спутников и сбоям в авиасообщении.

В России систематические наблюдения геомагнитного поля ведутся с 1870-х годов на базе обсерваторий Российской академии наук. Крупнейшими центрами являются Геофизический центр РАН и Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова (ИЗМИРАН).

Влияние на технику и здоровье человека

Энергосистемы

Геомагнитные бури индуцируют в длинных проводниках (линиях электропередачи, трубопроводах) геоиндуцированные токи (ГИТ). Эти токи могут вызывать насыщение трансформаторов, перегрев обмоток и выход из строя энергетического оборудования. Наиболее уязвимы районы с высоким удельным сопротивлением грунта (например, Карелия, Кольский полуостров) и высокоширотные регионы.

Спутники и связь

Возмущения ионосферы приводят к нарушению распространения радиоволн: ухудшается высокочастотная радиосвязь, возможны сбои в системах GPS и ГЛОНАСС. Заряженные частицы, проникающие в атмосферу, могут вызывать электрические разряды на поверхности спутников, что сокращает срок их службы.

Авиация

На высотах полёта (10–12 км) во время сильных бурь увеличивается радиационный фон. Экипажи и пассажиры рейсов, проходящих вблизи полярных регионов, могут получать повышенные дозы облучения. Поэтому авиакомпании корректируют маршруты при объявлении штормового предупреждения.

Здоровье человека

Влияние геомагнитных бурь на организм человека остаётся предметом научных дискуссий. Многие исследования указывают на корреляцию между магнитными возмущениями и ростом числа сердечно-сосудистых заболеваний, инсультов и обострений психических расстройств. Однако механизмы такого воздействия до конца не выяснены. В России проблемой занимается Институт медико-биологических проблем РАН. Считается, что наиболее чувствительны люди с хроническими заболеваниями, пожилые и метеозависимые.

Прогнозирование

Прогнозирование геомагнитных бурь осуществляется с помощью космических аппаратов, расположенных в точке Лагранжа L1 (на расстоянии около 1,5 млн км от Земли). Спутники, такие как SOHO (ЕКА/НАСА) и DSCOVR (NOAA), измеряют параметры солнечного ветра за 30–60 минут до его прибытия к Земле. На основе этих данных составляются краткосрочные прогнозы.

Долгосрочные прогнозы (на 27 дней) основаны на наблюдении корональных дыр и солнечных пятен. В России прогнозированием занимается Центр прогнозов космической погоды ИЗМИРАН, а также Лаборатория рентгеновской астрономии Солнца ФИАН.

Интересные факты

• Самая мощная геомагнитная буря XX века произошла 13–14 марта 1989 года. Она вызвала отключение электроэнергии в Квебеке и повреждение трансформаторов в США.
• Во время бури 1859 года полярное сияние наблюдалось в Риме и на Гавайях. Телеграфные провода искрили, а операторы получали удары током.
• В 2012 году Земля избежала столкновения с мощным корональным выбросом, который по силе мог бы превзойти событие Кэррингтона. Выброс прошёл мимо планеты на расстоянии 9 млн км.
• В России крупнейшие геомагнитные обсерватории находятся в Москве (ИЗМИРАН), Санкт-Петербурге (обсерватория «Воейково»), Мурманской области (обсерватория «Ловозеро») и на Камчатке (обсерватория «Паратунка»).

Источники

• Научные публикации Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
• Данные Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) — Space Weather Prediction Center
• Отчёты Международной службы геомагнитных индексов (ISGI)
• Монография «Космическая погода и её влияние на Землю» под редакцией В. Н. Обридко (2006)
• Статья «Геомагнитные бури: физика и прогноз» в журнале «Успехи физических наук» (2019)