Почему возникают полярные сияния и как космическая погода может угрожать наземным энергосетям, выяснили ученые

Источник: видео NASA / youtube.com

Земля постоянно находится под воздействием Солнца и солнечного ветра – потока заряженных частиц от него. И космическая погода – состояние и изменчивость условий в космосе – определяется в основном активностью Солнца. Космическая погода может создавать впечатляющие полярные сияния в небе, но она же способна повреждать электросети и другие технологические системы на Земле. Учёные Университета Мичигана (University of Michigan, Ann Arbor, США) выяснили, что единичное событие космической погоды, называемое суббурей, во время которого энергия высвобождается на расстоянии десятков тысяч километров от Земли, может повлиять на поверхность планеты, и сила воздействия зависит от широты и структуры почвы. Как сообщает Phys.org, результаты этого исследования были ранее опубликованы в журнале «Journal of Geophysical Research: Space Physics». 

В качестве примеров приводятся самые значимые случаи воздействия суббурь: в марте 1989 года быстрые изменения магнитных полей, вызванные вспышкой на Солнце, буквально за 92 секунды вывели из строя защитные системы и трансформаторы энергосистемы провинции Квебек в Канаде, и более 6 миллионов человек остались без электричества на девять часов. Тогда наблюдались впечатляющие полярные сияния вплоть до юга США. В октябре 2003 года из-за экстремальной солнечной активности в Мальмё (Швеция) сработали системы защиты трансформаторов, что привело к отключению электроэнергии у 50 тысяч человек примерно на 20–50 минут, а северные сияния осветили небо над Европой. А в мае 2024-го сильнейший геомагнитный шторм (уровня G5) создал такую нагрузку на энергосистему юга Швеции, что вынудил отключить линию электропередачи, чтобы не допустить масштабного блэкаута.

Корональный выброс массы Солнца. Кадр из видеовизуализации NASA о происхождении суббурь / youtube.com

Что происходит с Солнцем и Землей

Время от времени Солнце производит гораздо более мощное, чем обычно, извержение – корональный выброс массы. Это облако заряженных частиц и магнитных полей не просто «сталкивается» с Землей и вызывает сбои – оно запускает цепочку процессов в космосе.

Выброс достиг Земли. Кадр из видеовизуализации NASA о происхождении суббурь / youtube.com

Когда выброс достигает Земли, его частицы и поля взаимодействуют с магнитосферой – областью космического пространства вокруг планеты, где преобладает её магнитное поле. Если облако выброса ориентировано определенным образом, оно соединяется с магнитным полем Земли на стороне, обращенной к Солнцу. Солнечный ветер обводит эти объединенные силовые линии вокруг планеты, растягивая их далеко в космос за Землей. Так образуется длинная область растянутых магнитных силовых линий – магнитохвост.

Изменение магнитохвоста Земли. Кадр из видеовизуализации NASA о происхождении суббурь / youtube.com

В нем накапливается магнитная энергия, пока силовые линии не сблизятся достаточно, чтобы пересоединиться. Тогда накопленная энергия высвобождается в результате взрывного процесса – суббури. Это происходит на ночной стороне Земли, примерно в 45 000–65 000 километрах от планеты. Во время суббури энергетически мощные частицы движутся вдоль линий магнитного поля к Земле и, сталкиваясь с атомами кислорода и азота в верхних слоях атмосферы на высоте 90–150 километров, создают полярные сияния.

Суббуря. Кадр из видеовизуализации NASA / youtube.com

Эти же частицы порождают сильные электрические токи в верхних слоях атмосферы Земли, что вызывает резкие изменения магнитного поля планеты на уровне поверхности земли. А изменяющиеся магнитные поля способны индуцировать электрические токи в земле и в линиях электропередач, потенциально повреждая трансформаторы и вызывая срабатывание автоматических выключателей.

Возникновение полярных сияний. Кадр из видеовизуализации NASA о происхождении суббурь / youtube.com

Как ученые это узнали

Исследователи решили выяснить, насколько тесно полярное сияние связано с возмущениями в магнитном поле Земли и сколько времени требуется, чтобы оно достигло поверхности планеты. Для этого ученые изучили случаи полярных сияний, объединив данные спутников NASA (THEMIS и GOES) с показаниями сети магнитометров в арктической Канаде, измеряющих изменения магнитного поля Земли. Наблюдения выявили четкую последовательность: когда растянутые линии магнитного поля на ночной стороне Земли внезапно соединились, космический аппарат зафиксировал резкое изменение магнитного поля и всплеск заряженных частиц, движущихся к Земле. Примерно через семь минут магнитное поле на поверхности Земли начало быстро меняться – то есть последствия выброса энергии, произошедшего за десятки тысяч километров, достигли поверхности планеты в течение нескольких минут.

При этом полярные сияния и наземные возмущения не появляются везде одновременно – по наблюдениям, они начались на более низких широтах, а затем распространились в направлении Северного полюса в течение следующих 20-30 минут. Однако соседние станции часто фиксировали разные результаты – это зависело от проводимости атмосферы и грунта. И впечатляющее полярное сияние еще не означает, что под ним происходят сильнейшие магнитные возмущения.

Две стороны влияния космической погоды

История показала, что космическая погода, становящаяся источником полярных сияний, в то же время представляет реальную опасность для космической и наземной инфраструктуры, и прогнозы космической погоды предупреждают операторов энергосетей за несколько часов до наступления солнечной активности. Но последствия суббурь развиваются уже после взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли – и, как показало исследование, проявляются в течение нескольких минут.

В следующий раз, глядя на – северное в нашем случае – сияние, стоит помнить: красочные переливы в небе – всего лишь часть масштабного космического процесса. За десятки тысяч километров от Земли только что мог произойти выброс магнитной энергии, и его последствия уже достигают поверхности.