Солнце достигло максимального уровня активности на своем 11-летнем пике. Ученые рассчитали, к каким последствиям это приведет

Гораздо больше людей по всему миру, чем обычно, в этом году смогли увидеть северное и южное сияние над головой невооруженным глазом. Это необычное событие было вызвано очень сильной солнечной бурей, которая повлияла на движение магнитного поля Земли.

Солнце сейчас достигло максимальной точки активности в 11-летнем цикле. Это означает, что можно ожидать более сильных импульсов от солнца, при котором положительно и отрицательно заряженные частицы достигают Земли. При правильных обстоятельствах именно они в конечном итоге генерируют красивые полярные сияния в небе, а также геомагнитные бури, которые могут повредить инфраструктуру, такую ​​как электросети и орбитальные спутники.

Так что же на самом деле вызывает эти явления? Северное и южное сияние обычно ограничены очень высокими и очень низкими широтами. Частицы высоких энергий от Солнца достигают Земли, направляемые солнечным магнитным полем. Они переносятся в магнитное поле планеты в процессе, известном как пересоединение.

Частицы затем перемещаются вдоль линий магнитного поля Земли, пока не врежутся в нейтральные атмосферные частицы, такие ​​как кислород, водород или азот. В этот момент часть этой энергии теряется — и это нагревает местную среду.

Атмосферные частицы обычно нейтральны, поэтому они высвобождают часть этой энергии в видимом диапазоне света. Теперь в зависимости от того, какой элемент выделяет большое количество тепловой энергии, можно увидеть другой набор длин волн — и, следовательно, цветов, — излучаемых в видимом диапазоне света электромагнитного спектра. Это источник полярных сияний, которые можно видеть в высоких широтах, а во время сильных солнечных бурь — и в более низких широтах.

Синие и фиолетовые цвета в полярном сиянии происходят от азота, а зеленые и красные — от кислорода. Этот процесс происходит постоянно, но поскольку магнитное поле Земли по форме похоже на стержневой магнит, область, которая заряжается входящим потоком частиц, находится в очень высоких и низких широтах (Полярный круг или Антарктида в целом).

Можно вспомнить школьные опыты, например, как высыпали железные опилки на бумагу поверх магнита, чтобы посмотреть, как они выстраиваются в линию с магнитным полем. Можно повторить эксперимент несколько раз и каждый раз видеть одну и ту же форму.

Магнитное поле Земли также постоянно, но может сжиматься и разжиматься в зависимости от силы солнечного ветра. Простой способ это представить как два наполовину надутых воздушных шара, прижатых друг к другу. Если надуть один шарик, добавив в него больше газа, давление увеличится и вытолкнет меньший шарик назад. Когда выпускаете этот лишний газ, меньший шарик расслабляется и выталкивается обратно. Чем сильнее это давление, тем ближе к экватору смещаются соответствующие линии магнитного поля, что позволяет наблюдать полярные сияния.

Здесь также возникают потенциальные проблемы: движущееся магнитное поле может генерировать ток в любом предмете, проводящем электричество. Для современной инфраструктуры самые большие токи генерируются в линиях электропередач, железнодорожных путях и подземных трубопроводах. Скорость этого движения также важна и отслеживается путем измерения, насколько возмущено магнитное поле от «нормального». Исследователями используется Индекс возмущения времени шторма (Dst) .

По этим меркам геомагнитные бури 10 и 11 мая были исключительно сильными. При такой сильной буре существует потенциальная опасность возникновения электрических токов. Линии электропередач подвергаются наибольшему риску, но им помогли встроенные в электростанции средства защиты. Они оказались в центре внимания после геомагнитной бури 1989 года, которая расплавила силовой трансформатор в Квебеке, Канада, что привело к многочасовому отключению электроэнергии.

Большему риску подвержены металлические трубопроводы, которые коррозируют при прохождении через них электрического тока. Это не мгновенный эффект, но происходит медленное накопление эрозирующего материала. Это может иметь очень сильное воздействие на инфраструктуру, но его очень трудно обнаружить.

Хотя токи на земле являются проблемой, в космосе они представляют собой еще большую проблему. Спутники имеют ограниченное количество заземления, а электрический скачок может разрушить приборы и коммуникации. Когда спутник действительно теряет связь таким образом, его называют спутником-зомби и часто он полностью теряется, что приводит к очень высоким потерям инвестиций.

Изменения в магнитном поле Земли также могут влиять на светопропускную способность. Человек не может видеть это изменение, но точность системы определения местоположения в GPS может быть сильно затронута, поскольку показания местоположения зависят от времени, прошедшего между вашим устройством и спутником. Увеличение плотности электронов (количества частиц на пути сигнала) заставляет волну изгибаться, и ей требуется больше времени, чтобы достичь устройства.

Те же изменения могут также повлиять на скорость пропускания спутникового интернета и радиационные пояса планеты. Это тор (поверхность вращения, получаемая вращением образующей окружности вокруг оси, лежащей в плоскости этой окружности и не пересекающей ее) высокоэнергетических заряженных частиц, в основном электронов, на расстоянии около 13 тыс. км от поверхности. Геомагнитная буря может вытолкнуть эти частицы в нижние слои атмосферы. Здесь частицы могут создавать помехи высокочастотному (HF) радио, используемому самолетами, и влиять на концентрацию озона.

Полярные сияния не ограничиваются Землей — они есть на многих планетах и могут многое рассказать о магнитных полях этих небесных объектов. Устройством, имитирующим полярные сияния, является «планетерелла», впервые разработанная в начале 1900-х годов норвежским ученым Кристианом Биркеландом.

Магнитная сфера (представляющая Землю) помещается в вакуумную камеру, а солнечный ветер имитируется путем обстрела сферы электронами. Изменяя напряженность магнитного поля и расстояние между объектами, можно наблюдать, как меняются полярные сияния. Излучение в основном фиолетовое, как и следовало ожидать в атмосфере с 72% азота. Сильное эмиссионное кольцо появляется вокруг вершины, где полярное сияние можно было бы увидеть на Земле, и это кольцо перемещается вверх и вниз по широте в зависимости от напряженности магнитного поля.

Как природное явление, полярные сияния — это чудо. Но с каждой сильной геомагнитной бурей ученые улучшают защиту от будущих событий с потенциальным ущербом.

Ученые из Уорикского и других университетов изучили влияние белых карликов на планетные системы, такие как наша Солнечная система. Когда астероиды, луны и планеты приближаются к белому карлику, огромная гравитация последнего разрывает их на все более мелкие части, которые продолжают сталкиваться и в конце концов превращаются в пыль.