Причина полярных сияний — солнечный ветер. Стоит ему усилиться до урагана из-за возросшей активности Солнца — и нашему высокотехнологичному миру начинают грозить серьезные проблемы. В ближайшие месяцы такое вполне возможно.
Из Дубая в Лос-Анджелес лететь 15 часов и десять минут без пересадок — это один из самых длительных авиарейсов в мире. Причем половина маршрута проходит над Северным полюсом. Большинство пассажиров даже не подозревают, что в этот момент их здоровье больше, чем когда-либо, зависит от процессов, которые развиваются в 150 миллионах километров от Земли, на поверхности Солнца.
Что угрожает здоровью авиапассажиров на высоте 11 тысяч метров? Прежде всего — радиация из космоса. Даже за время рядового перелета над полюсом человек получает втрое большую дозу облучения, чем когда ему делают рентгеновский снимок груди. Но иногда три дозы запросто могут превратиться в тридцать. А предугадать такой день помогают, как ни странно, пятна на Солнце.
Как связаны радиация в самолете, Солнце и космос? Начинать надо с радиации. Вселенную пронизывают потоки быстрых и агрессивных частиц, родившихся при взрывах сверхновых, при слиянии галактик. Или, в самом простом случае, на Солнце. Эти частицы мало отличаются от тех, которые сталкиваются друг с другом в Большом адронном коллайдере или других гигантских ускорителях. Разница в том, что коллайдер работает под контролем ученых. А опасный пучок протонов с неба может ударить когда угодно и почти куда угодно.
«Почти» — потому что у Земли есть естественный щит: ее магнитное поле. Та же сила, которая заставляет стрелку компаса смотреть на север, сбивает с пути быстрые протоны с электронами. В итоге они либо огибают Землю, либо оказываются запертыми на околоземной орбите. Эту орбитальную зону карантина называют «радиационным поясом ван Аллена». Формой она напоминает толстый пончик, надетый на планету.
Но в дырке «пончика» — над северным и южным магнитными полюсами — у щита есть брешь. И убедительнее всего свидетельствуют о ней полярные сияния — светящиеся следы частиц, которые все-таки проникли в атмосферу.
В ночь на 28 августа 1859 года жителям Нью-Йорка было не до сна. Высыпав на улицы и забравшись на крыши, они завороженно смотрели на небо, где «невероятными красками переливались грандиозные световые завесы».
В ту же ночь небо над баварским городом Бамберг «пылало в океане лучей от багрового до ярко-желтого», писал еженедельник «Астрономия, метеорология и география». Директор брюссельской обсерватории сообщал: из-за мощного полярного сияния накануне «забарахлил подводный кабель, соединяющий бельгийский Остенде с британским Дувром», а «телеграфное сообщение между Брюсселем и Лондоном почти полностью прервалось».
Через несколько дней на небе разыгрался второй акт спектакля. Издание «Роки Маунтин Ньюс» цитировало очевидцев: 2 сентября сияние в Скалистых горах оказалось таким ярким, что даже после полуночи можно было читать газету. А жителей Гаваны напугал «кроваво-красный небосвод».
Эти световые шоу являлись видимыми следами двух геомагнитных бурь над Землей, считавшихся мощнейшими за всю историю наблюдений. Но тогда ученые могли лишь догадываться об их причинах — о том, что виновник представлений — Солнце.
Почему полярные сияния горят над Арктикой не всегда? Потому что «дырка пончика», брешь в магнитном поле Земли, то расширяется (и тогда мы видим небесную иллюминацию), то сжимается. Ее размеры регулирует Солнце — самый серьезный поставщик заряженных частиц в окрестности нашей планеты. Каждую секунду оно выбрасывает в пространство около миллиона тонн этого материала. Частицы добираются до нас непрерывным потоком. Астрофизики называют это явление «солнечным ветром».
Под его напором магнитный щит прогибается: на солнечной стороне сжимается, а в тени вытягивается. А когда солнечный ветер из бриза перерастает в бурю, магнитосфера Земли «съеживается» больше обычного — ее «толщина» на солнечной стороне уменьшается до пяти радиусов Земли вместо обычных десяти.
Что вызывает солнечные бури? Внезапные взрывы на поверхности светила. Для главного их типа астрофизики придумали название «корональные выбросы массы». Со скоростью, в сотни раз превышающей скорость ракеты перед выходом на орбиту, в космос вылетают обрывки солнечной короны, горячей и разреженной внешней оболочки звезды. Этому предшествует долгая игра магнитных сил в лежащей ниже фотосфере — светящемся слое Солнца, который неспециалисты привыкли считать его поверхностью. Верный признак скорых взрывов — пятна на светиле.
Отдельные выбросы масс предугадать нельзя, но их частота меняется от года к году. Активность Солнца циклична, и полный цикл занимает одиннадцать лет. И как раз сейчас солнечная активность в очередной раз приближается к максимуму после удивительно долгого затишья. По прогнозам НАСА, в первые месяцы 2014 года цикл солнечной активности достигнет своего пика. Ученые беспокоятся: если на Землю обрушится геомагнитная буря такой же мощности, как в 1859 году, последствия будут гораздо более тяжелыми.
В 1859-м техническая революция только начиналась. Улицы освещались газовыми фонарями, электрические генераторы еще не изобрели, и только годом раньше телеграфный кабель соединил Европу и Северную Америку. А сегодняшний мир нельзя представить без линий электропередачи, радиосвязи, спутников, телефонов и интернета. И мощная геомагнитная буря — ураган частиц во Вселенной — способна так сильно сотрясти магнитный щит нашей планеты, что часть земной инфраструктуры может оказаться под угрозой.
Когда геомагнитное поле искажается, самая разная техника начинает вести себя как телефон в микроволновой печи — быстро выходит из строя от перегрузок. Со времен Майкла Фарадея, физика девятнадцатого века, известно, что перепады магнитного поля порождают наведенные токи. Так работает индукционная печь: внутрь электромагнита помещают болванку металла, и токи, которые начинают течь по ней, быстро раскаляют металл докрасна.
Чем длиннее металлический провод — тем сильнее наведенный эффект. Неудивительно, что от бури 1859 года пострадал трансатлантический кабель, а в 1989-м геомагнитный шторм обесточил весь канадский Квебек. Шесть миллионов человек на девять часов остались без электричества. Ущерб от той аварии оценили примерно в сумму, эквивалентную пяти миллиардам евро.
Джон Каппенман проанализировал это и многие другие отключения электричества, вызванные геомагнитными бурями. Электроинженер из компании «Сторм Энэлесис Консалтантс» (США) занимается изучением последствий геомагнитных бурь уже 30 лет. По его наблюдениям, самое «слабое место» в электросетях — высоковольтные силовые трансформаторы. При сильных геомагнитных бурях в обмотку трансформаторов через заземление попадает ток силой более 100 ампер, выводя их из строя. Если «сгорят» сразу несколько таких приборов, то на ремонт линии электропередачи может уйти целый год — именно столько надо, чтобы изготовить новый высоковольтный трансформатор.
Каппенман смоделировал последствия, к которым может привести геомагнитная буря масштаба 1859 года. Случись она сегодня, без электричества остались бы 130 миллионов американцев, живущих вдоль атлантического побережья от штата Мэн до Флориды и на северо-западе. Из строя вышли бы более 350 высоковольтных силовых трансформаторов. На ликвидацию последствий такой аварии ушло бы от четырех лет, а ущерб составил бы миллиарды долларов.
Миллионы домов останутся без света, а после того как разрядятся аккумуляторы на вышках сотовой связи, мобильные телефоны превратятся в бесполезное барахло. Окажется парализована работа автомобильного транспорта, который нельзя будет заправить бензином, — а значит, опустеют и полки супермаркетов.
Геомагнитная буря может нарушить и воздушное сообщение, ведь радиосвязь между пилотами и диспетчерами осуществляется на коротких волнах, которые отражаются как раз от ионосферного слоя. В итоге экипажам и диспетчерам придется переключиться на спутниковую связь. Но в высоких широтах связь со спутником установить невозможно. Поэтому, например, маршруты между Северной Америкой и Азией надо будет прокладывать южнее. Лететь придется дольше, увеличится расход топлива — и авиакомпании переложат расходы на плечи пассажиров.
Изменения в ионосфере могут повлечь за собой сбои в работе спутниковых навигационных систем (GPS, «Галилео»). В результате рассчитанные ими координаты могут на 50-100 метров отличаться от реальных. Те, кто при помощи навигатора ищет ту или иную улицу, могут и не заметить погрешность. Но она становится критичной, когда речь идет, к примеру, о добыче нефти на морском шельфе: без точного GPS-сигнала очень трудно установить буровую платформу точно над скважиной.
Может пострадать и мировая финансовая система. Ведь каждая электронная сделка с акциями, каждый денежный перевод отслеживается с помощью временных меток — иначе неизбежен хаос. Без сигналов точного времени, передаваемых спутниками, система контроля за финансовыми потоками может потерять смысл.
Способны ли мы защититься от «солнечных атак»? «Да, — утверждает Джон Каппенман. — Высоковольтные силовые трансформаторы, например, можно оснастить резисторами, регулирующими силу тока. Стоят они от 30 до 80 тысяч евро — и поставщики электроэнергии обычно стараются на них сэкономить, считая, что вероятность аварий, спровоцированных геомагнитными бурями, ничтожно мала.
Каппенмана беспокоит и то, что в последнее время электрический ток в магистральные линии электропередачи (ЛЭП) подается под очень высоким напряжением — таким образом поставщики пытаются снизить энергопотери.
В некоторых электросетях Китая напряжение тока составляет тысячу киловольт (кВ), в США — до 765 кВ, в Европе — 380. При таких показателях электросеть становится чувствительной к геомагнитным бурям.
«Прогнозировать вероятность отключения электричества в случае геомагнитного «урагана» нельзя наверняка, — говорит астрофизик Фолькер Ботмер из Геттингенского университета (Германия). — Нужны более детальные исследования».
Но даже если ученым удастся уточнить масштаб угрозы, это не поможет точнее прогнозировать «космическую погоду». Если бы удалось предсказать, когда именно на Землю обрушится геомагнитная буря, можно было бы на время отключать элементы электросетей и переводить спутники в безопасный режим работы.
Хотя спутники и солнечные обсерватории постоянно поставляют данные о корональных выбросах массы, о солнечных вспышках, а также о скорости солнечного ветра, выявить с помощью этих данных, где и когда разразится геомагнитная буря, невозможно. Одна из причин — снижение скорости плазменного облака коронального выброса массы по пути к Земле.
На какую именно величину снижается эта скорость, вычислить пока не удается. Достоверно о времени столкновения солнечного вещества с магнитосферой нашей планеты становится известно только после того, как этот поток минует спутник НАСА Explorer (АСЕ), находящийся в полутора миллионах километров от Земли. С этого момента геомагнитной буре надо всего лишь пятнадцать минут, чтобы достичь земной магнитосферы.
Под руководством Фолькера Ботмера ученые в рамках проекта по прогнозированию космической погоды AFFECTS, финансируемого EC, разрабатывают систему оповещения для коммуникационных и навигационных компаний. Другая команда при финском Институте метеорологии работает над созданием службы компьютерного прогнозирования помех в электросетях. В июне 2012-го команда Бот-мера предсказала геомагнитную бурю с точностью до одного часа. Правда, порой прогнозы оказываются неточными. В июле 2012 года корональный выброс массы произошел на девять часов раньше, чем предсказал Ботмер.
Будь его прогноз поточнее, ученый из Геттингена осчастливил бы многих зевак: вместо того чтобы спать, они в назначенное время вышли бы на улицы полюбоваться полярным сиянием.
(c) Клаус Бахманн