Магнитные бури

Магнитные бури (геомагнитные бури) – это возмущения магнитной бури Земли, которые возникают, когда солнечный ветер – поток зараженных частиц, большую часть которых составляют электроны и протоны, которые Солнце постоянно выбрасывает в космос, – сталкивается с магнитным полем Земли. Надо сказать, что возмущения происходят именно при особо сильных вспышках на солнце и выбросах плазмы (т.н. корональных масс), таким образом поток частиц, который достигает магнитного поля Земли, увеличивается, вызывая сильные колебания – магнитные бури.

Суть магнитной бури

Магнитная буря — это результат столкновения частиц солнечного ветра с защитным магнитным полем Земли. Во время магнитной бури происходят быстрые возмущения магнитного поля Земли, вызванные усилением кольцевого тока Земли, который существует в области радиационных поясов. Эти пояса — области, в которых захватываются и удерживаются заряженные частицы (протоны, электроны и ионы), поддерживаемые геомагнитным полем. На Земле обнаружены два постоянных радиационных пояса и один временный: (1) внутренний пояс, который находится на высоте от 1000 до 6000 км над Землёй и состоит в основном из протонов. Этот пояс представляет собой большую опасность для техники и людей; (2) внешний пояс, который располагается на высоте от 13 000 до 60 000 км и содержит преимущественно электроны; (3) между ними существует временный пояс, который образуется во время сильных солнечных вспышек.

Сейсмомагнитосферные связи также присутствуют между радиационными поясами и сейсмической активностью. Например, сейсмическая активность может воздействовать на внутренний радиационный пояс. Когда в литосфере возникают механические напряжения перед крупными землетрясениями, выделяются электромагнитные волны в ионосфере, что изменяет параметры электрического поля Земли. В атмосфере увеличивается концентрация заряженных частиц, что приводит к локальным нарушениям магнитного поля, которые фиксируются магнитометрами и спутниками. Эти изменения могут влиять на работу спутников и радиосвязи, а в будущем такие данные могут быть использованы для раннего предсказания землетрясений. Например, перед землетрясением в Японии в 2011 году (с магнитудой M 9.0 по шкале Рихтера), которое привело к цунами и катастрофе на атомной станции «Фукушима», были зафиксированы магнитные возмущения и аномальные изменения в ионосфере. Индекс Dst перед землетрясением составил -117 нТ, через 20 часов он достиг -20 нТ и только затем постепенно вернулся к 0 нТ.

Магнитосфера Земли условно делится на две стороны: дневную (обращённую к Солнцу) и ночную (находящуюся в тени). Во время магнитной бури, когда поток солнечного ветра сталкивается с магнитным полем, их давление в этой точке уравновешивается — это называется магнитопауза. Давление солнечного ветра увеличивается, и магнитное поле на дневной стороне ослабевает. Частицы солнечного ветра обходят магнитосферу и продолжают движение на ночную сторону, формируя магнитный (или магнитосферный) хвост. При усилении солнечного ветра этот хвост вытягивается дальше в космос, накапливая энергию. В какой-то момент магнитные линии перезамыкаются, приводя к резкому высвобождению энергии — явлению магнитного пересоединения. В результате на дневной стороне магнитосфера сжимается, на ночной растягивается, и энергия, накопленная в магнитосферном хвосте, высвобождается. Эти процессы являются основными при формировании магнитных бурь.

Причины появления

Формирование магнитных бурь зависит от множества межпланетных факторов, для оценки вклада которых используется эмпирическая формула Бартона. Эта формула показывает, что чем сильнее электрическое поле солнечного ветра (Ey), тем значительнее изменение магнитного поля Земли (ΔH). Это подтверждает, что магнитные бури напрямую зависят от параметров солнечного ветра. В частности, формула Бартона учитывает такие параметры, как межпланетное магнитное поле — продолжение магнитного поля Солнца в межпланетное пространство, которое переносится солнечным ветром, и скорость солнечного ветра.

Солнечный ветер обычно делят на два типа, исходя из его скорости:

• Медленный — 300-500 км/с, исходящий из экваториальной области Солнца. Он обладает большей плотностью, то есть содержит больше частиц (протоны, электроны и другие элементарные частицы). Однако этот ветер менее изменчив и слабо влияет на магнитосферу Земли, хотя может вызывать слабые возмущения геомагнитного поля;
• Быстрый — 600-800 км/с, исходит из корональных дыр — областей Солнца с низкой плотностью плазмы, пониженной температурой и открытым магнитным полем. Такой солнечный ветер наблюдается реже, но его последствия более ощутимы, так как он несёт больше энергии. При встрече с более постоянным медленным ветром он вызывает ударные волны и может приводить к сильным магнитным бурям на Земле.

Выбросы корональных масс — это мощные выбросы плазмы и заряженных частиц, которые могут вызывать как медленный, так и быстрый солнечный ветер.

Кроме того, солнечный ветер — это неоднородное явление, которое также влияет на развитие геомагнитных бурь:

• CIR (Co-rotating Interaction Region) — Область взаимодействия потоков: явление, при котором быстрый солнечный ветер догоняет медленный, создавая ударную волну в точке столкновения. CIR, как правило, не связаны с солнечными вспышками, а формируются за счёт выбросов частиц из корональных дыр;
• Sheath — Области сжатия. Это турбулентная зона между ударной волной и магнитным облаком, которая возникает перед выбросом корональных масс. Эти формирования приводят к резким скачкам плотности, давления и сильным колебаниям магнитного поля. Резкие скачки геомагнитной активности обычно кратковременные;
• ICME (Interplanetary Coronal Mass Ejection) — корональные выбросы в межпланетном пространстве, представляющие собой магнитные облака из плазмы. Эти выбросы могут оказывать значительное влияние на геомагнитное поле Земли, вызывая явления космической погоды, такие как солнечные вспышки и галактические космические лучи. При корональном выбросе ICME, если магнитное поле CME имеет южную полярность (Bz < 0), оно эффективно соединяется с магнитным полем Земли, вызывая сильные возмущения. Корональные выбросы могут быть двух подтипов:

1.MC (Magnetic Cloud) — собственно магнитное облако, которое может вызывать длительные магнитные бури. Магнитные облака имеют структуру вытянутой трубчатой формы, в которой магнитные силовые линии закручены по спирали. Плотность плазмы и температура в магнитных облаках обычно ниже, чем у обычного солнечного ветра. Воздействие магнитных облаков на магнитосферу обычно длится от 12 часов до 3 суток.

2.Поршни Ejecta — хаотичные выбросы солнечной плазмы, способные вызвать непредсказуемые возмущения в геомагнитном поле. Магнитные бури, вызванные этим типом выбросов, обычно имеют среднюю силу и длятся до двух суток, усиливаяся в зонах взаимодействия с другими бурями.

Тип солнечного ветра влияет на скорость и силу формирования магнитных бурь. В одном исследовании показано, что наибольший вклад в развитие магнитных бурь вносят CIR и Sheath, в то время как влияние MC и Ejecta прослеживается слабее. Бури от выбросов корональных масс (CME) обычно сильные, но кратковременные (от 12 часов до суток, иногда 3-5 суток), а бури от потоков высокоскоростного солнечного ветра (CIR) обычно менее интенсивные, но более продолжительные (до 4-5 дней).

Но откуда берутся солнечные вспышки, корональные выбросы массы и солнечный ветер? Солнце — это гигантское формирование из плазмы, состоящее из заряженных частиц, которые генерируют и поддерживают магнитное поле Солнца. Этот процесс называется солнечным динамо. Внутри Солнца слои плазмы движутся с разными скоростями, и полюса Солнца вращаются медленнее, чем экватор, что приводит к растягиванию и закручиванию магнитных линий. Они могут формировать петли, образуя активные магнитные регионы. Когда две такие петли пересекаются, происходит магнитное пересоединение, которое высвобождает большое количество энергии. Таким образом, формируются солнечные пятна, солнечные вспышки и выбросы корональных масс, которые распространяются в космос и взаимодействуют с магнитным полем Земли. Эти процессы цикличны и могут достигать максимума солнечного цикла, когда число солнечных пятен наиболее велико, а солнечная активность выражена наибольшим образом, и минимума солнечного цикла, когда солнечных пятен становится мало, а солнечная активность снижается.

Магнитные бури могут длиться от нескольких часов до нескольких дней. Типичные фазы магнитной бури:

1. Начальная фаза (от нескольких минут до нескольких часов). Характеризуется резким возмущением магнитного поля, вызванным ударной волной перед выбросом корональной массы или усилением солнечного ветра. Индекс Dst может даже немного увеличиться — до 20 нТ;
2. Главная фаза (от 2 до 10 часов). Эта фаза характеризуется максимальным снижением индекса Dst (см. уровни и шкалы магнитных бурь). Она оказывает наибольшее воздействие на связь и электронные устройства. В эту фазу наблюдаются полярные сияния, кольцевой ток в магнитосфере усиливается, а индекс Dst резко падает, достигая значений -50 нТ, -100 нТ, -200 нТ и ниже;
3. Фаза восстановления (от 1 до 5 дней). Постепенное возвращение магнитного поля Земли к норме. Индекс Dst возвращается к 0.

Магнитные бури могут следовать одна за другой, особенно если магнитосфера уже была возбуждена и ослаблена, тогда следующая буря будет сильнее. Серии магнитных бурь — частое явление. Во время солнечного максимума может происходить несколько выбросов корональных масс подряд, что часто вызывает новую бурю до окончания предыдущей. Это явление называют эффектом мультиудара. Выбросы корональных масс могут взаимодействовать с CIR, усиливая уже существующую бурю или вызывая новое, более сильное возмущение в магнитосфере. Вариации типа «эффект долгого шторма» также возможны, когда одна магнитная буря переходит в другую, если межпланетное магнитное поле длительное время направлено на юг, а потоки солнечного ветра поступают непрерывно. Известным примером таких бурь являются три сильные магнитные бури в ноябре 2003 года, которые получили название «Шторм на Хэллоуин». Они стали результатом трёх подряд выбросов корональных масс. Ещё один вариант повторных магнитных бурь связан с накопленной энергией в магнитосфере, когда даже слабые выбросы магнитного поля могут быть достаточно мощными для новой бури.

Космические лучи не могут вызывать магнитные бури, однако они связаны с ними. Так, при мощных магнитных бурях наблюдается так называемый форбуш-эффект — явление, при котором временно уменьшается поток космических лучей, достигающих Земли, из-за сильного солнечного ветра или выброса корональных масс. Однако для спутников и космонавтов опасность от радиационного фона космических лучей при магнитных бурях наоборот возрастает, так как магнитосфера ослаблена. Космические лучи воздействуют на магнитосферу точечно, что, как правило, не вызывает возмущений геомагнитного поля.

Уровни и шкала магнитных бурь

Как уже было сказано, скорость и интенсивность магнитных бурь зависят от солнечных вспышек. Однако для отслеживания активности магнитных бурь существуют специальные шкалы. Наиболее популярным и часто используемым среди ученых является индекс Dst (Disturbed Storm Time) – параметр оценки интенсивности геомагнитных возмущений, происходящих в магнитосфере Земли. Он также позволяет оценить степень их воздействия на Землю. Приборы для измерения индекса Dst расположены на экваторе в четырех точках: Кейп-Бланко (Коста-Рика), Гонолулу (Гавайи), Токио (Япония) и Лима (Перу). В этих точках измеряется среднее отклонение магнитного поля от его нормального состояния. В отсутствие магнитных бурь индекс Dst близок к 0, что говорит об отсутствии возмущений в магнитосфере. Когда индекс становится отрицательным, это свидетельствует о наличии возмущений. Чем более отрицательное значение, тем сильнее магнитная буря. Например, Dst < -50 нТ (нанотесла) означает слабую магнитную бурю, Dst < -100 нТ – сильную магнитную бурю, а Dst < -200 нТ – очень сильную магнитную бурю. Кроме того, числовое значение индекса Dst также указывает, как долго длится магнитная буря и как быстро восстанавливается магнитное поле. Очевидно, что чем сильнее магнитная буря (чем ниже индекс Dst), тем дольше магнитосфера восстанавливается.

Еще один индекс, который определяют с помощью датчиков, – это K-индекс. На самом деле, существует два типа индекса: K-индекс – локальный, измеряемый на базе одной геомагнитной обсерватории, и Kp-индекс – планетарный, который является средним значением K-индексов по всему миру. Если индекс Dst измеряет усиление кольцевого тока, то K-индекс отражает колебания магнитного поля в поперечном направлении. Индекс Dst измеряется на экваторе, а K-индекс – в высоких и средних широтах. Этот индекс нелинейный, логарифмический, и его значения варьируются от 0 (спокойное состояние магнитного поля) до 9 (сильные бури). K-индекс позволяет оценить геомагнитные бури и полярные сияния. Он коррелирует с G-индексом, который используется большинством людей для оценки интенсивности магнитных бурь:

• 0-1 – Очень спокойно. Dst = 0… -20;
• 2 – Очень спокойно. Dst = 0… -20;
• 3 – Слабые возмущения. Dst = 0… -20;
• 4 – Возмущённое состояние. Dst = -20… -50;
• 5 – Слабая магнитная буря (G1). Небольшие сбои в работе спутников и радиосвязи, полярные сияния наблюдаются ближе к средним широтам. Dst = -50… -100;
• 6 – Умеренная магнитная буря (G2). Небольшие сбои в радиосвязи, особенно на больших широтах. Dst = -100… -150;
• 7 – Сильная магнитная буря (G3). Вызывают токовые перегрузки в энергосистемах, ухудшают GPS-навигацию, северные сияния видны на юге. Dst = -150… -200;
• 8 – Очень сильная магнитная буря (G4). Серьёзные сбои в связи, перегрузки в энергосетях, изменение орбит низкоорбитальных спутников. Dst = -200… -300;
• 9 – Экстремальная магнитная буря (G5). Сильные сбои в связи, навигации, электронике, проблемы в работе спутников и даже влияние на энергосистемы Земли. Dst < -300

K-индекс рассчитывается каждые три часа с помощью магнитометров, расположенных в разных точках на Земле.

G-индекс или G-шкала была введена в 1999 году Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA).

Еще одна шкала, используемая для оценки магнитных бурь, – это AE-индекс (Auroral Electrojet). Этот параметр показывает силу токов в авроральных зонах (связь с полярными сияниями). Высокие значения AE свидетельствуют о сильных токах в полярных широтах и используются для оценки геомагнитной активности в приполярных регионах. AE-индекс, как и Dst, измеряется в нанотеслах и представляет собой сумму из AU (auroral upper) и AL (auroral lower) – верхняя граница (сильнейшие восточные токи) и нижняя граница (сильнейшие западные токи), соответственно. Также часто используется AO (Auroral Oval) – среднее значение AE, AU и AL. Эти значения могут использоваться независимо. При AE > 500 нТ наблюдаются яркие полярные сияния, при AE > 1000 нТ образуются магнитные суббури – временные (1-3 часа) локальные всплески геомагнитной активности, вызванные внезапным высвобождением энергии в магнитосфере. Суббури характерны именно для полярных широт. Для измерения интенсивности суббурь также используется индекс SYM-H. Если индекс Dst измеряется каждый час, временное разрешение SYM-H более высоко (1 минута). SYM-H показывает интенсивность глобальных возмущений в магнитосфере. Резкие падения SYM-H означают усиление кольцевого тока, что связано с магнитной бурей. Когда SYM-H возвращается к 0, это означает окончание бури. Отрицательные значения SYM-H говорят об ослаблении магнитосферы и развитии магнитной бури, а положительные значения могут означать сжатие магнитосферы солнечным ветром.

Существует также Ap-индекс – среднесуточный аналог Kp-индекса, измеряющий среднесуточную геомагнитную активность. Ap < 10 указывает на спокойную магнитосферу, Ap > 100 означает сильную магнитную бурю. Если Kp-индекс — это логарифмическая шкала, то индекс Ap – его линейный аналог.

PC-индекс (polar cap) используется для измерения электрических токов в полярных областях и для предсказания магнитных бурь.

Однако предсказание магнитных бурь было бы неполным только на основе измерений колебаний магнитосферы, поэтому для максимально эффективного описания магнитных бурь необходимо также оценить солнечный ветер и межпланетное магнитное поле.

Bz – вертикальная компонента межпланетного магнитного поля. Это ключевой параметр: при Bz < 0 (отрицательный, южный) вероятность магнитной бури возрастает, так как Bz направлен противоположно земному магнитному полю. Когда Bz > 0 (положительный, северный), магнитосфера Земли остаётся стабильной, так как солнечный ветер слабо влияет на магнитное поле.

Еще один важный параметр – Ey – межпланетное электрическое поле (произведение скорости солнечного ветра на Bz). Эти цифры определяют, сколько энергии передается в магнитосферу. Если Ey невелик, магнитосфера остаётся стабильной, а при увеличении этого параметра геомагнитная активность растет. При Ey > 2 мВ/м возможны возмущения, при Ey > 5 мВ/м начинается магнитная буря, а при Ey > 10 мВ/м вероятность сильных бурь очень высока. При таких параметрах Kp (планетарный индекс) приближается к 6 и выше. Пример сильной бури с высоким уровнем Ey – буря 2015 года, когда Ey составила около 8 мВ/м, и сильные полярные сияния наблюдались вплоть до широт Москвы.

Для оценки сжатия магнитосферы также важно учитывать такие параметры, как P – давление солнечного ветра, V – скорость солнечного ветра (было уже обсуждено, как быстрый и медленный виды ветра влияют на возмущения магнитосферы), Np – концентрация частиц солнечного ветра (число протонов в 1 см³). Плотный солнечный ветер — это 30-100 частиц на см³, более 100 – возмущение типа Sheath.

Влияние на человека

Магнитные бури оказывают существенное влияние на человека. Безусловно, эффекты зависят от силы магнитных возмущений. В одном из исследований было показано, что возмущения геомагнитного поля приводят к увеличению скорости капиллярного кровотока. Также в ответ на возмущения магнитосферы наблюдается увеличение амплитуды колебаний кожного кровотока. Помимо этого, отмечаются изменения макроциркуляции, такие как кровяное давление, частота и вариабельность сердечных сокращений. Магнитные колебания могут привести к увеличению уровня среднего суточного пульса и снижению амплитуды вариабельности сердечного ритма в низкочастотном интервале, что может свидетельствовать о развитии аритмий. Кроме того, на фоне повышения частоты сердечных сокращений, вызванных магнитными бурями, может повышаться артериальное давление.

Также было показано, что динамика заболеваемости инсультами и инфарктами миокарда коррелирует с солнечной и геомагнитной активностью. Вероятно, также изменяется вязкость крови. Достаточно чётко установлена корреляция между частотой головных болей и мигреней и геомагнитными возмущениями, что связано с влиянием на активность автономной нервной системы. Некоторые исследования также указывают на то, что магнитные бури уменьшают синтез мелатонина, что влияет на сон и циркадные ритмы.

В другом исследовании наблюдались изменения в здоровье людей в зависимости от числа солнечных пятен. Особо интересная деталь работы — попытка оценить провоспалительные факторы в крови в зависимости от солнечной активности. Для этого учёные использовали следующие параметры: число пятен на солнце, межпланетное магнитное поле и Kp – планетарный индекс. Чтобы оценить, что происходит с организмом человека при изменении этих параметров, они измеряли в крови концентрации молекул клеточной адгезии и сосудистых молекул адгезии. Эти молекулы «липучки» позволяют иммунным клеткам «приклеиваться» в месте воспаления, вызывая дальнейшие иммунные реакции. Кроме того, анализировались уровни С-реактивного белка — важнейшего показателя уровня воспаления, а также фибриноген — белок, который формирует «сеточки», препятствующие кровопотере. Такие структуры нужны не только при ранах, но и при реакциях воспаления. В результате работы учёные выяснили, что при росте солнечной и геомагнитной активности уровни молекул клеточной адгезии и сосудистых молекул адгезии увеличиваются. Фибриноген снижается при росте Kp-индекса, а С-реактивный белок возрастает в ответ на увеличивающееся число солнечных пятен, что говорит об определённой воспалительной реакции.

Влияние на технику

Если вопросы влияния и степени влияния магнитных бурь на организм человека остаются задачей, требующей тщательного изучения, то их влияние на технику совершенно очевидно. Особенно опасным является воздействие на спутники. Как уже упоминалось, магнитные бури вызываются различного рода вспышками, представляющими собой потоки заряженных частиц. Эти частицы накапливаются на поверхности спутников, создавая таким образом статическое электричество, которое может вывести из строя электронику.

Магнитные бури также влияют на состояние ионосферы (верхний слой атмосферы, расположенный на высотах от 60 до 1000 км). Ионосфера уже содержит большое количество заряженных частиц (ионов и электронов), и при выбросах солнечного ветра происходит увеличение ионизации. Большое количество высокоэнергетических частиц сталкивается с молекулами кислорода и азота, выбивая электроны, что приводит к росту числа свободных электронов и изменению электропроводности ионосферы. При этом скачки частиц в разных областях ионосферы происходят неравномерно, что приводит к возникновению волн, непредсказуемо влияющих на распространение радиосигналов. Ионосфера также делится на слои, и главный слой, который отражает радиоволны (F2-слой, на высотах 250-400 км), может подниматься или опускаться, что снова искажает радиосигналы. Резкие изменения электронной плотности могут искажать GPS-сигналы, что значительно ухудшает авианавигацию. На Земле в линиях электропередач образуются паразитные токи — нежелательные токи, возникающие из-за внешних факторов, что приводит к перегрузке трансформаторов и коррозии металлов.

Во время сильных геомагнитных бурь коррозии подвергаются различные металлические конструкции, включая, например, рельсы, а также нефте- и газопроводы.

Последствия

Магнитные бури — это результат возмущения геомагнитного поля Земли. Как показывает практика, они могут вызывать множество проблем в функционировании техники, сбивать перелётных птиц с пути, поскольку птицы используют магнитное поле для ориентации в пространстве. Магнитные бури также ухудшают работу авиации, навигационных систем и передачи сигналов. Целый ряд учёных проводит исследования, показывающие, насколько сильно магнитные бури могут воздействовать на организм человека. Несмотря на то, что эта область медицины пока слабо изучена, полученные результаты уже заставляют задуматься о том, какие меры можно предпринять, чтобы минимизировать последствия солнечной активности для людей, особенно для метеочувствительных.

Как обезопасить себя от влияния магнитных бурь

Многие учёные утверждают, что, несмотря на негативное воздействие магнитных бурь, мы эволюционировали в условиях, когда магнитосфера Земли сталкивается с солнечным ветром. Это означает, что наш организм «приспособлен» к определённому уровню стресса, вызванного солнечной активностью. Тем не менее, людям с сердечно-сосудистыми заболеваниями рекомендуется принимать кардиопротекторы и избегать чрезмерных физических и эмоциональных нагрузок. Также полезно пить больше воды, поскольку некоторые исследования указывают на то, что во время геомагнитных бурь кровь может становиться гуще. Если вы регулярно отслеживаете прогнозы магнитных бурь, постарайтесь заранее зарядить устройства и делать резервные копии данных на компьютере, чтобы избежать потери информации.

Интересные факты

В прошлом предпринимались амбициозные попытки создать защиту от магнитных бурь — своего рода магнитные щиты, которые могли бы отражать солнечный ветер от различных объектов, например, спутников. Однако оказалось, что создание мощного магнитного поля, способного остановить солнечный ветер, является слишком сложной и энергозатратной задачей.