Насколько беззащитна Земля перед мощной солнечной бурей?

Последствия солнечных бурь могут сильно повлиять на работу коммуникационных систем. Сайт Big Think пишет, почему жителям Земли стоит заранее готовиться к ударным волнам солнечного ветра.

Геомагнитная буря огромной силы, сравнимая с так называемым событием Кэррингтона, может в будущем унести жизни миллионов человек и причинить ущерб в триллионы долларов. И это, к сожалению, еще не самый мрачный сценарий. (Событие Кэррингтона — мощнейшая за всю историю наблюдений геомагнитная буря 1859 года – прим. ИноСМИ)

Когда мы говорим о том, какими способами Вселенная способна нанести серьезный ущерб нашей планете, то на ум приходят, как правило, катастрофы, которые могут произойти и уже происходили на Земле в прошлом. К примеру, в свое время столкновения с астероидами и кометами вызывали разрушения и массовое вымирание живых существ – и никто не гарантирует, что подобных катаклизмов больше не будет. Звездные катастрофы, которые могут произойти где-нибудь недалеко от нас по космическим меркам (например, вспышка сверхновой и вспышка приливного разрушения [вспышка приливного разрушения – астрономическое явление, которое происходит, когда звезда приближается достаточно близко к горизонту событий сверхмассивной чёрной дыры и разрывается на части её приливными силами – прим. перев.]) в принципе, вполне способны подвергнуть нашу планету губительному облучению, а то и вовсе искоренить все живое. И какие-нибудь блуждающие черные дыры представляют собой потенциальную опасность, поскольку они способны внезапно поглотить нашу планету.

Однако, если взять Солнце, то каким бы устойчивым и медленно эволюционирующим ни показалось наше светило, оно вполне способно приготовить нам неприятный сюрприз – в виде солнечной вспышки или так называемого коронального выброса массы [корональный выброс массы – это выброс вещества из солнечной короны – прим.перев.]. Насколько велик риск подобных явлений? Именно это хотелось узнать Сету Голдину (Seth Goldin), когда он задал нам следующий вопрос: "Нужно ли мне беспокоиться по поводу повторения кэррингтоновской геомагнитной бури?"

В повседневной жизни случается много чего и похуже, о чем бы следовало побеспокоиться. Но в ближайшие годы и десятилетия мы можем столкнуться с каким-нибудь катастрофическим изменением космической погоды, причем явления, подобные событию Кэррингтона, будут далеко не самым худшим вариантом развития событий. Сейчас мы расскажем о том, что должен знать каждый.

В 1859 году исследования Солнца были весьма примитивными. О Солнце очень мало что было известно; наблюдения за нашим светилом проводились методом проекции или через затемненный фильтр, который помещали над внешним объективом телескопа – данная методика позволяла рассматривать, подсчитывать и отслеживать солнечные пятна. Этим ученые занимались еще со времен Галилея. Человечество догадывалось, что Солнце – основной источник энергии нашей планеты, но мы понятия не имели о процессах ядерного синтеза, которые подпитывали Солнце; нам было неведомо о механизмах взаимодействия, которое происходит между внутренней областью светила и его поверхностью. Кроме того, мы не имели представления о мощности магнитных полей Солнца, и понятия не имели о том, сколько энергии высвобождается из корональных петель и протуберанцев в солнечной фотосфере.

Ситуация резко изменилась в 1859 году, когда астроном Ричард Кэррингтон (Richard Carrington), занимавшийся исследованием Солнца, вел наблюдения за очень большим солнечным пятном неправильной формы. И вдруг, Кэррингтон заметил "белую вспышку" небывалой яркости, она продолжалась около пяти минут. А примерно через 18 часов на Земле произошла сильнейшая за всю историю человечества геомагнитная буря. В тот раз по всему миру – и даже на экваторе – наблюдались полярные сияния. Шахтеры просыпались посреди ночи, думая, что уже рассвет; при свете полярного сияния можно было читать газету. Телеграфные аппараты, несмотря на то, что они были полностью выключены, начинали искрить и становились причиной возгорания.

Это была первая в истории солнечная вспышка, которую удалось наблюдать человеку, – одно из проявлений космической погоды. Если бы в наши дни произошло нечто подобное событию Кэррингтона 1859 года, то это привело бы к катастрофе, которая бы обошлась человечеству в многие триллионы долларов. Эта солнечная вспышка возникла в результате процессов, которые происходили в наружных слоях Солнца; их можно было наблюдать даже в предыдущую эпоху при наступлении полных солнечных затмений. Если же изучать эти вспышки при помощи современных технологий, включая коронографы, позволяющие вести наблюдения при свете дня, то мы сможем различить в солнечной короне петли, усики и даже потоки раскаленной ионизированной плазмы (в плазме атомы раскалены настолько сильно, что электроны отрываются от ядер).

Эти плазменные структуры в солнечной короне возникают из-за действия магнитного поля Солнца, поскольку горячие заряженные частицы перемещаются вдоль линий магнитного поля между различными областями нашего светила, – эта картина сильно отличается от магнитного поля Земли: магнитное поле Земли обусловлено металлическом ядром, находящимся в глубинах нашей планеты, в то время как магнитное поле Солнца генерируется прямо под его внешней оболочкой. А это означает, что линии магнитного поля входят и выходят из Солнца хаотично, при этом сильные магнитные поля периодически закольцовываются, разделяются и снова соединяются. Перегруппировка линий магнитного поля может не только привести к быстрому изменению силы и направленности магнитного поля вблизи Солнца, но и придать ускорение заряженным частицам. Этот процесс может привести к появлению солнечных вспышек, а также (если к делу подключается солнечная корона) выброс коронального вещества.

Солнечные вспышки и выбросы корональной массы представляют собой заряженные частицы (в основном протоны и другие атомные ядра), которые с огромной скоростью вылетают из Солнца. Обычно наше светило испускает непрерывный поток таких частиц – так называемый "солнечный ветер". Однако такие явления космической погоды, как солнечные вспышки и корональные выбросы массы, способны не только сильно повлиять на плотность потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем, но также и на их скорость и энергию. Обычно всё это происходит в экваториальных областях, а это означает, что такие потоки частиц с большой вероятностью полетят в направлении Земли. На экваторе Солнце совершает полный оборот за 25 дней, при этом Земля, как известно, делает полный оборот вокруг Солнца за 365 дней. Если в результате вспышки на Солнце или коронального выброса потоки частиц устремятся по направлению к Земле, то это будет означать угрозу для всей нашей планеты.

В настоящее время вести наблюдение за Солнцем нам помогают спутники и обсерватории – это, так сказать, наша первая линия защиты, предупреждающая об угрозах, которые несут с собой изменения космической погоды. Такие угрозы возникают в том случае, если вспышка направлена прямо на Землю или если корональный выброс массы имеет кольцеобразную форму, а это означает, что мы видим только сферическое гало вспышки или коронального выброса, которые направлены прямо на Землю.

Однако, в большинстве случаев солнечные вспышки и выбросы коронального вещества Земле не угрожают. По большому счету они не достигают Земли, а большая часть из тех, что все-таки долетают до нашей планеты, относительно слабы и не обладают высокой скоростью; они не способны как-то сильно воздействовать на Землю (ну, разве что могут вызвать безобидное полярное сияние); а большая часть сильных потоков вещества, долетевшего до Земли, все равно не нанесет никакого ущерба нашей цивилизации. А вот реальная угроза для нас возникнет только в том случае, если наступят одновременно следующие три условия.

1. Для того, чтобы проникнуть в магнитосферу Земли, геомагнитные бури должны характеризоваться надлежащим магнитным выстраиванием по отношению к нашей планете. Если подобное выстраивание не наблюдается, то магнитное поле Земли вполне спокойно будет отклонять большинство частиц, а те из них, которые все-таки долетят до Земли, вызовут всего лишь безобидное полярное сияние. Правда, подобное магнитное выстраивание случается редко, и в настоящее время его можно определить с помощью Солнечного телескопа им. Дэниела К. Иноуэ (Daniel K. Inouye) (DKIST) Национального научного фонда США (NSF).

2. Обычно солнечные вспышки происходят только в фотосфере Солнца, однако те из них, которые взаимодействуют с солнечной короной способны вызывать корональный выброс массы. Наибольшая опасность будет угрожать Земле в том случае, если выброс коронального вещества будет направлен по направлению к Землю, а частицы станут двигаться с достаточно быстрыми скоростями.

3. Необходимо наличие большого количества электрической инфраструктуры, в частности электрических контуров и катушек. В 1859 году, когда Кэррингтон наблюдал мощную солнечную вспышку, электричество было относительно новым и редким явлением; однако в наши дни оно повсеместно используется практически во всех инфраструктурных объектах по всему миру. По мере того, как наши энергосистемы будут все более и более укрупняться и расширяться, экстремальные явления космической погоды будут все больше и больше представлять собой угрозу для нашей инфраструктуры.

Солнечные вспышки и выбросы коронального вещества начали представлять опасность для человечества только с появлением современного, электрифицированного и зависящего от электроники оборудования. Сами по себе, частицы, выбрасываемые Солнцем, и изменения индуцированного магнитного поля не влияют на биологические организмы; самое худшее, с чем мы можем столкнуться, — это яркое полярное сияние, вызванное попаданием заряженных частиц в атмосферу Земли. Однако в настоящее время, когда на Земле имеется огромное количество инфраструктурных объектов, работающих на электричестве, солнечные вспышки и геомагнитные бури несут с собой вполне реальную опасность.

Уязвимость возникает из-за обилия всяких длинных проводников, замкнутых контуров и катушек индуктивности, трансформаторов и прочего электрического/электронного оборудования, через которое идет ток. Как известно, электрический ток, идущий по проводнику, создает магнитное поле; и наоборот: если изменяется магнитное поле, в котором оказался контур и катушка индуктивности (или же вокруг проводника), то в результате тоже индуцируется электрический ток. Вот здесь и возникает опасность: солнечные бури и прочие явления космической погоды способны оказать свое влияние на Землю, изменив магнитное поле на поверхности нашей планеты, а это вызывает изменение магнитного поля в электрическом/электронном оборудовании, что, в свою очередь, приведет к появлению электрического заряда и индуцированию электрического тока. Важно отметить, что данный процесс возникнет, даже при отсутствии аккумулятора, генератора напряжения, а также в том случае, если электронные устройства будут полностью отключены.

Опасность солнечных бурь и прочих экстремальных явлений космической погоды для нас на Земле заключается не в том, что они угрожают человеку напрямую, а в том, что они способны порождать нежелательный электрический ток в проводах, которые всегда имеются в электрическом оборудовании. Всё это может привести к возникновению короткого замыкания, пожаров, взрывов, аварий в энергосистеме и к перебоям с подачей электроэнергии, к выходу из строя электрооборудования, а также стать причиной множества других аварий, которые могут возникнуть в результате подобного сбоя. Правда, бытовая электроника здесь не является серьезной проблемой: если заранее знать о приближении солнечной бури и отключить в доме все электроприборы, то с большинством из них ничего плохого не случится. Главная угроза нависает над инфраструктурой, используемой в крупномасштабном производстве и для передачи электроэнергии; в этом случае будут происходить скачки напряжения, которые выведут из строя электростанции и подстанции, в результате избыточные количества электрической энергии устремятся в города и дома.

В 2013 году – а в те времена наша инфраструктура была на девять лет моложе и менее совершенна, чем сегодня, – в одном из научных исследований специалисты попытались ответить на следующий вопрос: что случится c энергосистемой Северной Америки в результате изменения космической погоды, аналогичного событию Кэррингтону. Выяснилось, что только на одном лишь североамериканском континенте нанесенный ущерб будет оцениваться примерно в 2,6 триллиона долларов. Учитывая разрастание наземной и космической инфраструктуры (вторую из упомянутых мы обсудим чуть позже), а также тот факт, что геомагнитные бури затронут всю нашу планету целиком, событие, подобное геомагнитной буре 1859 года, может стать первой природной катастрофой, которая обойдется человечеству в сумму, превышающую 14-значное число (т.е. 10 триллионов долларов).

А вот как бы выглядел сценарий катастрофы.

- Происходит стремительная солнечная вспышка или корональный выброс массы, но мы либо не будем об этом знать, либо проигнорируем все предупреждения.

- Поскольку произошло экстремальное явление космической погоды, заряженные частицы долетят не через три-четыре дня, как обычно, а менее чем за сутки.

- Они будут максимально противонаправлены магнитному полю Земли, что позволит им пролиться дождем на нашу планету, проникнуть в магнитосферу и резко изменить магнитное поле вблизи земной поверхности.

- И днем и ночью во всех уголках Земли, на всех широтах будут наблюдаться полярные сияния.

- Они будут индуцировать в наших электросетях электрический ток, что приведет к огромным скачкам напряжения.

- В результате выйдут из строя электростанции и подстанции, будут происходить сильные скачки напряжения в коммерческом, жилом и промышленном секторах, что станет причинной большого количества возгораний.

- А раз не будет электричества, то по большому счету все эти возгорания будет сложно потушить; если нет средств связи – значит нет возможности оказать помощь тем, кто в ней нуждается.

- Многие районы нашей планеты будут оставаться без электричества на протяжении нескольких недель, месяцев и дольше; пассажирские перевозки между городами и пригородами резко замедлятся, либо вообще остановятся.

- А поскольку поврежденные электросети необходимо будет ремонтировать или даже полностью заменять, то, например, прекратят работать системы обогрева и охлаждения, прекратится снабжение населения продовольствием и чистой водой.

В самом наихудшем случае финал геомагнитной бури будет такой: на всем земном шаре совокупный материальный ущерб будет исчисляться десятками триллионов долларов, многие миллионы жителей нашей планеты будут страдать от холода, станут умирать от голода или обезвоживания.

Атмосфера Земли вполне способна защитить поверхность нашей планеты от потоков высокоэнергетических частиц, которые испускает Солнце. Однако искусственные спутники в космосе подобной защиты не имеют. Таким образом, спутники выйдут из строя; а если они, дабы избежать столкновений (подобно современной группировке спутниковой системы Starlink), станут полагаться на искусственный интеллект, то и в этом случае они все равно выйдут из строя. Если их работа по прошествии слишком большого промежутка времени все-таки будет восстановлена, или же нам изменит удача, то станут происходить не просто единичные, а массовые столкновения спутников. В худшем случае низкая околоземная орбита может оказаться засорена космическим мусором настолько, что в околоземном космическом пространстве появится мусорная область ужасающих размеров, которая никуда не исчезнет и за несколько тысячелетий.

Кроме того, геомагнитная буря 1859 года вовсе не представляла собой какое-то уникальное, единичное событие, которое будто бы никогда больше не сможет повторится. Так, например, 23 июня 2012 года произошла солнечная вспышка, которая была столь же мощной, как и событие Кэррингтона 1859 года. Эта вспышка произошла на экваториальной широте Солнца, но нам повезло – она была направлена не в сторону Земли поскольку наше светило в тот раз повернулось немного в другом направлении. Однако если бы вспышка произошла с разницей всего лишь в какие-то девять дней, то произошло бы прямое попадание. Кроме того, как было установлено в ходе комплексного анализа годичных колец деревьев, ледяных кернов и исторических записей, в 774/775, 993/994 годах и примерно в 660 году до н.э. происходили куда более мощные явления, которые по своей мощи превосходили событие Кэррингтона 1859 года. К примеру, чуть более девяти тысячи лет назад произошла геомагнитная буря, которая в десять раз (по другим данным – в сто раз) оказалась более мощной, чем буря 1859 года. Возможно, что до сих пор мы избежали катастрофы всего лишь благодаря удаче – а именно так, скорее всего, и было.

Если говорить о том, какие следует предпринять меры, чтобы лучше подготовиться к защите от аномальных солнечных бурь, то в этом вопросе за прошедшие девять лет мы не добились каких-то больших результатов. Большинство электростанций и подстанций заземлены в недостаточной степени и поэтому они не смогут поставить заслон пиковым напряжениям в сети, защищая жилые дома, предприятия и промышленные здания. Можно было бы предписать, чтобы компании-производители электроэнергии отключали свои электросети (для постепенного отключения потребуется примерно 24 часа), ведь благодаря подобной мере можно было бы снизить риск возникновения возгораний, однако все это так и осталось благими пожеланиями. Кроме того, можно было бы даже дать рекомендации для домохозяйств на случай чрезвычайной ситуации, но официальных рекомендаций в настоящее время еще не существует.

Первый шаг – это принятие мер по своевременному обнаружению мощных геомагнитных бурь; в решении этой задачи уже достигнуты большие успехи. И все же, до тех пор, пока мы не приведем в готовность наши электрические сети и энергораспределительные системы, пока мы не подготовим жителей Земли к неизбежному, какая-нибудь мощная солнечная буря – если вдруг таковая случится в ближайшее время – обойдется нам очень и очень дорого. По иронии судьбы, без наличия необходимой инфраструктуры электромобили во время аномальной солнечной бури будут практически бесполезны. И если в этот момент у нас под рукой не окажется генераторов или каких-либо мощных аккумуляторных батарей, то нам придется положиться исключительно на ископаемое топливо. В итоге, ремонт инфраструктуры обойдется нам во много раз дороже тех затрат на принятие превентивных мер, которые нам необходимо было бы предпринимать на протяжении многих лет и даже десятилетий и которые мы игнорировали попросту из-за нашего общего нежелания.