Бури на Солнце ? бури на Земле

Маундер и его минимум

10 января 1709 г. один из пионеров метеорологии Уильям Дерем отметил историческое событие: выйдя во двор своего дома под Лондоном и взглянув на термометр, он понял, что такой холодной ночи ему наблюдать еще не доводилось ? ртутный столбик опустился до несусветных –12 °C. Вообще, все предыдущие недели зима стояла для Англии, да и для всей Европы, необычно морозная. Озера, реки и даже большие пространства моря покрылись льдом, почва промерзла на метровую глубину. Это были самые холодные месяцы за все предыдущие 500 лет ? и одни из самых холодных за весь период Малого ледникового периода XIV-XIX вв.

После сравнительно теплых X-XIII вв. Земля пережила несколько самых холодных столетий за последние тысячи лет. Однозначно назвать причины его наступления пока невозможно: это может быть вулканическая активность и/или изменения циркуляции океанских течений, распространение лесов из-за сильного снижения численности населения после чумной эпидемии и/или другие факторы. Но почти наверняка огромную роль в этом климатическом отклонении сыграло Солнце: долгое время оно оставалось аномально спокойным. Многие десятилетия на нем ? как подсчитал английский астроном Эдвард Маундер ? наблюдалось в тысячи раз меньше пятен, чем обычно.

Минимум Маундера в 400-летней истории наблюдения солнечных пятен

©Global Warming Art project / Robert A. Rohde

Действительно, сегодня нам известно, что не только Минимум Маундера, но и вообще наступление периодов минимальной солнечной активности коррелирует с похолоданием на Земле, хотя почему это происходит, опять же, не слишком понятно. При этом максимумы активности Солнца на земной климат практически не влияют (если, конечно, не считать впечатляюще ярких полярных сияний). Впрочем, солнечные максимумы еще способны «показать зубы»: современные спутниковые и электронные технологии делают нас гораздо уязвимее перед их воздействием, нежели наших предков.

Что случилось на Солнце

Первой ? и самой очевидной ? формой солнечной активности, о которой узнали астрономы, стали солнечные пятна. Регулярные наблюдения за ними начались в начале XVII в. Только в ХХ в. стало ясно, что темные пятна проступают на звезде из-за разницы в скорости вращения слоев ее раскаленной заряженной плазмы. Дуги силовых линий магнитного поля Солнца поднимаются высоко над внешним слоем его фотосферы, затрудняя естественную конвекцию плазмы и снижая количество энергии, которое поднимается из недр к поверхности. Тут и проступает пятно ? участок более темной и холодной плазмы.

Изгибаясь все сильнее и сильнее, линии магнитного поля все усиливают этот эффект, пока ?примерно 11 лет спустя ? не достигают критической точки. Магнитное поле Солнца меняет ориентацию и временно «успокаивается»: начинается новый цикл активности.

В некоторых случаях магнитные петли так перекручиваются, что их положительные и отрицательные концы соединяются, вызывая взрыв солнечной вспышки, которую могут выбрасывать в космос миллиарды тонн плазмы, движущейся на скорости в миллионы километров в час. В периоды минимальной активности Солнца такие корональные выбросы массы (Сoronal Мass Еjection, CME) происходят не чаще раза в неделю, а во время максимумов могут случаться и несколько раз в день. В зависимости от их энергии, СМЕ ранжируются по силе: выбросы А, В, С, М и Х-класса.

По большей части, корональные выбросы устремляются в пустое пространство, но некоторые из них вылетают прямиком по направлению к Земле. СМЕ С-класса совершенно неопасны, М-класс может вызвать определенные неудобства для работающих на орбите космонавтов и спутников, а вот Х-класс способен создать серьезные «помехи» в масштабах всего глобального магнитного поля планеты.

Вспомним, что выброшенная плазма несет электромагнитный заряд. Положительно заряженные частицы вылетают, по большей части, из положительного участка петли магнитного поля Солнца, а отрицательные ? с противоположной ее стороны. Поэтому воздействие СМЕ на Землю во многом определяется ориентацией, в которой «сгусток» заряженной плазмы столкнется с ее геомагнитным полем. Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные ? притягиваются, и если сгусток ориентирован так же, как магнитное поле Земли, то плазма будет отброшена. А если в противоположную сторону ? наоборот, устремится в атмосферу через полюса планеты, вызывая геомагнитную бурю. Впрочем, вернемся от физики к истории.

Кэррингтон и его вспышки

В конце лета 1859 г., когда Солнце было в максимуме, большое внимание астрономов привлекало особенно плотное скопление пятен. 28 августа вечернее небо украсили ярчайшие полярные сияния, видимые куда дальше от полюсов, чем обычно. Телеграфисты отметили странные неполадки в работе связи. Телеграфные аппараты искрили, а на некоторых станциях даже случились пожары. Но ни астрономы, не тем более телеграфисты, конечно, в то время еще никак не могли связать происходящее с корональным выбросом массы ? СМЕ. Вызванный мощной вспышкой на Солнце, он привел к сильной геомагнитной буре на Земле ? и, по закону электромагнитной индукции, колебание внешнего магнитного поля породило электрический ток в контурах аппаратов телеграфной связи.

30 августа ту же группу пятен стал наблюдать британский астроном Ричард Кэррингтон, который заметил над ними два обширных участка исключительно яркого и белого света. А буря на Земле лишь усилилась: полярные сияния можно было видеть далеко у экватора ? на Кубе и Гавайях. По некоторым сообщениям, они были настолько яркими, что в районе американских Скалистых гор птицы начинали чирикать, а местные жители проснулись и принялись готовить завтрак, сочтя, что пришло утро.

Два пятна на Солнце, появившиеся 19-20 февраля 2013 года

©NASA/SDO/AIA/HMI/Goddard Space Flight Center

Работники American Telegraph Company обнаружили, что их оборудование само собой, «взбаламученное» случайным наведенным электричеством, рассылает бессмысленные сообщения. Некоторые отделения заявляли о повреждении техники и даже возгораниях. Эта геомагнитная буря (иногда ее называют «Событием Кэррингтона») стала мощнейшей за всю историю наблюдений. По современным оценкам, вызвавший ее СМЕ Х-класса отправил к Земле энергию, эквивалентную взрывам нескольких миллиардов атомных бомб. А такой же выброс, случившийся двумя днями ранее, «расчистил» ему дорогу к Земле, так что плазма достигла планеты менее чем за сутки вместо обычных 3-4 дней.

Сегодняшний мир заметно отличается от той викторианской эпохи. Сравнительно редкие телеграфные линии превратились в миллионы километров проводов и бесчисленное множество устройств связи, работающих не только на Земле, но и в околоземном пространстве. Для уменьшения потерь энергии при транспортировке ток в проводах передается под высоким напряжением, что делает их потенциально более чувствительными к индуцированию магнитным полем. Если вспышка, аналогичная Событию Кэррингтона, случится сегодня, нам придется куда хуже.

А что сегодня?

Спутники и телескопы, непрерывно ведущие наблюдение за солнечной активностью, способны сообщить о появлении вспышки или выброса массы в считанные минуты. Однако понять, насколько она опасна, так быстро уже не получится. Точно установить траекторию, интенсивность и ориентацию плазменной волны можно будет лишь когда она будет «на полном ходу», ну а официального предупреждения об опасности стоит ждать, в лучшем случае, за несколько часов до того, как волна накроет Землю.

Если она будет ориентирована так же, как глобальное магнитное поле планеты, вызванная мощной вспышкой геомагнитная буря может временно вывести из строя большинство электрических, телефонных и интернет-линий связи. Интенсивность воздействия будет тем сильнее, чем ближе эта линия расположена к полюсу, однако широкомасштабные сбои систем коммуникации и навигации могут охватить всю планету.

Фотография, показывающая активность Солнца в мае 2013 года

©NASA/SDO

Особую опасность эти события могут представлять для электрических трансформаторов, особенно высокочастотных: из-за перегрева они могут выйти из строя в считанные секунды. Вдобавок, некоторые участки высоковольтных линий могут разогреться достаточно даже для плавления проводов. Для микроэлектроники, кстати, подобные события менее опасны: сила индуцированного тока тем больше, чем больше проводящий контур. Впрочем, без источников питания и связи карманные устройства все равно окажутся бесполезными.

Но это еще не все. Кислород и азот в верхних слоях атмосферы будут поглощать электроны и испускать фотоны, создавая не только масштабные полярные сияния, но и накачивая атмосферу энергией. Из-за этого она станет нагреваться и расширяться, плотность верхних ее слоев вырастет, дополнительно тормозя движение спутников, находящихся на низких орбитах. Реагируя с ионизированным газом, разрушится значительная часть озонового слоя, увеличивая количество вредного ультрафиолета, достигающего поверхности Земли.

Эти эффекты уже наблюдались не так давно. В 1989 г. очередная вспышка на 9 часов оставила без электричества всю канадскую провинцию Квебек. Если подобное случится в глобальном масштабе, на восстановление после аварии может уйти гораздо больше времени: подверженные разрушению трансформаторы дорогостоящи и изготавливаются практически в штучных количествах. А без них ? и без поставляемой через них энергии ? не смогут полноценно работать ни водопровод, ни автозаправки, ни спасательные и медицинские службы.

В 2008 г. американская Национальная академия наук подсчитала, что если в наши дни случится событие масштаба кэррингтоновского, оно может вызвать «широкую социальную и экономическую дестабилизацию», а на устранение последствий только в США понадобится 10 лет и 1-2 трлн. долларов.

Без паники

По счастью, гелиофизики сегодня считают, что повторение События Кэррингтона в ближайшем будущем практически невероятно. Анализируя состав ледяных кернов, удалось показать, что подобные «волны» накрывают Землю, в среднем, один раз в 500 лет ? так что у нас наверняка есть в запасе еще пара столетий.

Солнечные пятна 1 сентября 1859 года, зарисовка Ричарда Кэррингтона

©Richard Carrington