Корона Солнца — самая внешняя область атмосферы — вспыхивает, выбрасывая в космос плазму и магнитные поля. Примерно за десять минут выбрасывается не менее миллиарда тонн солнечного материала. Если выброс направлен в сторону Земли, его столкновение с магнитным полем Земли может вызвать геомагнитные бури, также известные как солнечные бури.
В первую очередь, солнечные вспышки, известные как корональные выбросы массы, происходят, когда линии магнитного поля в атмосфере Солнца запутываются и распадаются. Эти выбросы затем перемещаются по Солнечной системе в солнечном ветре. Они возникают из более холодных, менее плотных областей плазмы в атмосфере Солнца, с более открытыми магнитными полями. Эти области позволяют солнечному ветру легче вырваться наружу, выдувая электромагнитное излучение в космос на очень высоких скоростях. Если район обращен к Земле, эти ветры могут дуть прямо на нас. Проходя непосредственно над Землей, они сжимают магнитный щит нашей планеты и вызывают геомагнитную бурю.
Первое, во что попадает солнечный ветер, приближаясь к Земле, — это магнитосфера. Эта область вокруг земной атмосферы заполнена плазмой, состоящей из электронов и ионов. В ней преобладает сильное магнитное поле планеты. Когда солнечный ветер попадает в магнитосферу, он переносит массу, энергию и импульс (произведение массы и скорости в механической физике) в этот слой. Магнитосфера может поглощать большую часть энергии, переносимой ежедневными солнечными ветрами. Однако во время сильных бурь она может быть перегружена и передавать избыточную энергию в верхние слои атмосферы Земли в районе полюсов, вызывая появление северное сияние. Эти переносы энергии также вызывают изменения в верхних слоях атмосферы, которые могут повлиять на космические аппараты. Согласно прогнозам Space Weather, 14 и 15 марта достигнут максимальных уровней 6 и 5, соответственно, по десятиуровневому индексу геомагнитной активности Kp.
По данным NOAA, с середины января на Солнце почти каждый день происходят выбросы корональной массы. В настоящее время мы находимся в самой интенсивной части 11-летнего цикла активности Солнца — солнечном максимуме. Это период, когда солнечные бури и выбросы наиболее активны. Следующий солнечный максимум будет достигнут примерно в июле 2025 года, при этом солнечная активность, вероятно, будет неуклонно расти.
В этом случае трудно предсказать, насколько активным будет тот или иной цикл, но есть основания полагать, что мы, возможно, вступаем в самый сильный цикл за всю историю наблюдений. И наоборот, солнечный минимум, когда магнитное поле Солнца наиболее слабое, наступает, когда магнитные полюса Солнца смещаются. Последний солнечный минимум произошел в декабре 2019 года.
Таким образом, солнечные вспышки происходят с разной частотой, в зависимости от того, в какой точке 11-летнего солнечного цикла находится Солнце: от менее одной вспышки в неделю во время солнечного минимума до нескольких вспышек ежедневно в период максимума.
Их интенсивность колеблется одинаково. Например, электромагнитная буря 1859 года — крупнейшее из когда-либо зарегистрированных подобных событий, получившее название «событие Каррингтона». Оно вызвало северное сияние вплоть до Карибского бассейна и перегрузило телеграфные линии до предела. Если бы такой шторм произошел сегодня, ущерб, нанесенный спутниковым и телекоммуникационным системам Земли, оценивался бы в триллионы долларов и потребовал бы месяцы или даже годы на ремонт. Менее мощный шторм в марте 1989 года расплавил электрический трансформатор в Нью-Джерси. Она также вывела из строя энергосистему Квебека в считанные секунды, оставив 6 миллионов человек в темноте на девять часов, пока оборудование системы не было проверено и последовательно перезагружено.
Последствия для спутников и наземной инфраструктуры
Токи, индуцированные геомагнитными бурями, могут насыщать магнитопроводы силовых трансформаторов, вызывая повышенное напряжение и токи в их катушках, что приводит к перегрузкам.
Структура и плотность ионосферы Земли меняется во время солнечных бурь. Ионосфера — это верхний слой земной атмосферы, ионизированный солнечным ультрафиолетовым излучением, простирающийся от 80 км над поверхностью Земли до более чем 1000 км. Ионосфера и магнитосфера связаны между собой магнитными линиями. Они являются почти идеальными проводниками электричества. Поэтому изменения в ионосфере могут нарушать и просто блокировать высокочастотные и сверхвысокочастотные радиопередачи со спутника. Системы GPS-навигации также могут быть нарушены во время таких событий.
Доктор Стен Оденвальд из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА говорит: «Солнечная буря в худшем случае может иметь экономические последствия, аналогичные урагану или цунами категории 5. Существует более 900 действующих спутников с оценочной восстановительной стоимостью 170-230 миллиардов долларов, поддерживающих отрасль с оборотом 90 миллиардов долларов в год«.
Компания Space X испытала это на себе 4 февраля 2022 года, запустив 49 спутников в рамках интернет-проекта Starlink. Большинство из них сгорело в атмосфере через несколько дней, потеряв более 50 миллионов долларов США. Спутники Starlink выводятся ракетами Falcon 9 на низкую орбиту, обычно на высоте от 100 до 200 километров над поверхностью Земли. Затем спутники с помощью бортовых двигателей медленно преодолевают силу сопротивления и поднимаются на конечную высоту около 550 км. Но последние спутники столкнулись с геомагнитной бурей, находясь еще на очень низкой околоземной орбите. Их двигатели не могли преодолеть значительно возросшее сопротивление. Затем они начали медленное падение на Землю и окончательно сгорели в атмосфере.
Но можно ли избежать этих последствий?
Для того чтобы предсказать приход солнечных ветров, ударяющих по Земле, исследователи из Мичиганского университета разработали улучшенную версию геопространственной модели (то, что сейчас использует NOAA), используя современный компьютер, системы обучения и схемы статистического анализа. С его помощью астрономы и операторы энергосистем имеют всего 30 минут предварительного предупреждения, прежде чем солнечные ветры достигнут планеты, — как раз достаточно времени, чтобы перевести жизненно важные электрические системы в режим ожидания или смягчить воздействие бури.
В настоящее время НАСА работает над двумя миссиями — Multi-slit Solar Explorer (MUSE) и HelioSwarm — для лучшего понимания связи Солнца и Земли. Томас Зурбухен, помощник администратора НАСА по науке, сказал в своем заявлении: «MUSE и HelioSwarm позволят получить новые и более глубокие знания о солнечной атмосфере и космической погоде. Эти миссии не только расширяют научный потенциал других наших гелиофизических миссий, но и предлагают уникальную перспективу и новый подход к пониманию тайн нашей звезды«.
Солнечные бури также являются причиной северного сияния. Как объяснялось ранее, ионосфера и магнитосфера связаны между собой. Поэтому электромагнитная энергия, имеющаяся в магнитосфере (в избытке, например, из-за солнечных ветров), переносится в ионосферу через электрические токи, которые следуют за линиями геомагнитного поля, называемые токами Биркеланда. Северное сияние — самое яркое проявление этой передачи энергии.
Другими словами, когда заряженные частицы от Солнца попадают в атмосферу Земли, они направляются вдоль линий магнитного поля Земли к полюсам, где «обрушиваются» на верхние слои атмосферы и взаимодействуют с содержащимися в них молекулами. Таким образом, солнечная плазма ионизирует окружающие молекулы кислорода и азота, заставляя их светиться: это и есть полярное сияние.
Спутники имеют решающее значение для функционирования большей части современного мира, поэтому защита космических и наземных объектов от геомагнитных бурь является важной областью исследований. Поэтому непрерывные исследования, направленные на лучшее понимание нашего места в Солнечной системе, жизненно важны, поскольку телекоммуникационные технологии продолжают развиваться. И какими бы устойчивыми ни были наши системы, кажется невозможным повторение события 1859 года, поскольку сегодняшний мир во всех сферах чрезвычайно взаимосвязан.