Геомагнитная буря

Геомагни́тная бу́ря — возмущение геомагнитного поля длительностью от нескольких часов до нескольких суток.

Схема взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли.

Наряду с суббурями, геомагнитные бури являются одним из видов геомагнитной активности. Они вызываются поступлением в окрестности Земли возмущённых потоков солнечного ветра и их взаимодействием с магнитосферой Земли. Геомагнитные бури являются проявлением усиления кольцевого тока Земли, постоянно существующего в области радиационных поясов Земли. Это явление является одним из важнейших элементов солнечно-земной физики и её практической части, обычно обозначаемой термином «космическая погода».

Интенсивность геомагнитных бурь

Геомагнитные бури имеют несимметричный по времени характер развития: в среднем фаза нарастания возмущения (главная фаза бури) составляет около 7 часов, а фаза возвращения к исходному состоянию (фаза восстановления) — около 3 суток.

Интенсивность геомагнитной бури обычно описывается индексами Dst[1] и Kp[2]. С ростом интенсивности бури индекс Dst уменьшается. Так, умеренные бури характеризуются Dst от −50 до −100 нТл, сильные — от −100 до −200 нТл и экстремальные — выше −200 нТл.

Индекс SYM-H, как и Dst, является мерой симметричной интенсивности кольцевого тока, но вычисляется с более высоким временным разрешением, равным 1 минуте, а не 1 часу, используемому для Dst[3].

Во время магнитной бури возмущения магнитного поля на поверхности Земли имеют величину менее или порядка 1 % от величины стационарного геомагнитного поля, так как последнее варьируется от 0,34 Э у экватора до 0,66 Э у полюсов Земли, то есть приблизительно равно (30-70)⋅10-6 Тл.

Частота появления умеренных и сильных бурь на Земле имеет чёткую корреляцию с 11-летним циклом солнечной активности: при средней частоте около 30 бурь в год их число может составлять 1-2 бури в год вблизи солнечного минимума и достигать 50 бурь в год вблизи солнечного максимума. Это означает, что в годы солнечного максимума человечество до 50 % времени года живёт в условиях умеренных и сильных бурь, а за свою 75-летнюю жизнь среднестатистический человек проживает в условиях умеренных и сильных бурь в общей сложности 2250 бурь или около 15 лет.

Распределение геомагнитных бурь по их интенсивности имеет в области высоких интенсивностей быстро спадающий характер, и поэтому экстремально сильных магнитных бурь за историю их измерения было сравнительно мало.

Мощнейшей геомагнитной бурей за всю историю наблюдений была геомагнитная буря 1859 года (Dst = −1760 нТл) или «событие Кэррингтона» (в 2006 году Dst этой бури оценили в −850 нТл, а в 2011 году — в −1050 нТл[4]).

За последние 25 лет XX столетия (1976—2000 годы) было зарегистрировано 798 магнитных бурь с Dst ниже −50 нТл, а за последние 55 лет (с 1 января 1957 года по 25 сентября 2011 года) наиболее сильными бурями с Dst ниже −400 нТл были события 13 мая 1921 года (Dst = −907±132 нТл)[5], 13 сентября 1957 года (Dst = −427 нТл)[6], 11 февраля 1958 (Dst = −426 нТл)[7], 15 июля 1959 (−429 нТл), 13 марта 1989 (−589 нТл или −565 нТл[4]) и 20 ноября 2003 (−490 нТл[3] или −533 нТл[4]).

Важным вопросом остаётся вопрос о частоте возникновения на Земле наиболее сильных магнитных бурь. Так как экстремальных магнитных бурь было зарегистрировано мало, то надёжно вычислить функцию распределения бурь по их интенсивности в области больших бурь (Dst < −200 нТл) не представляется возможным. Поэтому сначала функция распределения определяется в той области, где количество измерений достаточное, а затем полученная функция экстраполируется в область экстремальных бурь. Полученные таким образом оценки указывают, что магнитные бури типа события 1989 года (Dst = −589 нТл) в среднем наблюдаются один раз в 25 лет, а магнитные бури типа события 1859 года (Dst ≈ −1700 нТл) — не чаще одного раза в 500 лет[8].

Классификация магнитных бурь

K-индекс — это отклонение магнитного поля Земли от нормы в течение трёхчасового интервала. Индекс был введён Юлиусом Бартельсом в 1938 г. и представляет собой значения от 0 до 9 для каждого трёхчасового интервала (0-3, 3-6, 6-9 и т. д.) мирового времени.

Kp-индекс — это планетарный индекс. Kp вычисляется как среднее значение К-индексов, определённых на 13 геомагнитных обсерваториях, расположенных между 44 и 60 градусами северной и южной геомагнитных широт. Его диапазон также от 0 до 9.

G-индекс — пятибалльная шкала силы магнитных бурь, которая была введена Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA) в ноябре 1999 года. G-индекс характеризует интенсивность геомагнитного шторма по воздействию вариаций магнитного поля Земли на людей, животных, электротехнику, связь, навигацию и т. д. По этой шкале магнитные бури подразделяются на уровни от G1 (слабые бури) до G5 (экстремально сильные бури). G-индекс соответствует Kp минус 4; то есть G1 соответствует Kp=5, G2 — Kp=6, G5 — Kp=9.

Прогноз геомагнитных бурь

Связь геомагнитной активности с явлениями на Солнце

Начиная с исследований Ричарда Кэррингтона, который в 1859 году наблюдал солнечную вспышку и произошедшую через несколько часов на Земле мощную геомагнитную бурю, сопоставления солнечной и геомагнитной активности привели к формированию в науке точки зрения, что источниками геомагнитных бурь являются солнечные вспышки. Эта точка зрения в неизменном виде просуществовала до 1980-х годов. С началом космической эры стали доступны наблюдения Солнца средствами внеземной астрономии и прямые измерения параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Это привело к открытию нового типа сильного солнечного возмущения — выбросов корональной массы (coronal mass ejection — CME). Согласно современным взглядам, непосредственной причиной геомагнитных бурь являются возмущённые потоки солнечного ветра на орбите Земли, содержащие необходимую для генерации геомагнитной бури ориентацию межпланетного магнитного поля. Источниками этих потоков, в свою очередь, являются выбросы корональной массы и корональные дыры[9].

Иногда мощные солнечные возмущения сопровождаются как сильными рентгеновскими вспышками, так и большими выбросами корональной массы, которые почти совпадают по времени[10], поэтому сегодня есть сторонники точки зрения, что и вспышки, и выбросы корональной массы являются разными проявлениями стоящего за ними единого явления[11]. Другая точка зрения состоит в том, что различные солнечные возмущения имеют один и тот же источник энергии, и поэтому, если мощности источника энергии достаточно на развитие более одного явления, то в близких по времени и пространству интервалах могут наблюдаться разные явления, однако между ними существует лишь статистическая (но не физическая) взаимосвязь[12][13]. Согласно последней точке зрения, надёжный прогноз геомагнитной бури должен опираться на физически связанные с ними явления, то есть на выбросы корональной массы, а не солнечные вспышки[14].

Кроме магнитных бурь, которые связаны с высокой солнечной активностью (с выбросами корональной массы — СМЕ), часто наблюдаются умеренные магнитные бури, которые возникают в периоды, когда на Солнце отсутствуют какие-нибудь активные процессы. Такие бури в основном наблюдаются в периоды минимума цикла солнечной активности и часто повторяются с периодом вращения Солнца 27 дней (поэтому они часто называются рекуррентными магнитными бурями). Происхождение таких бурь долгое время было достаточно таинственным и непонятным, поэтому их источник на Солнце долгое время назывался «М-областью (M-region)»[15]. В настоящее время установлено, что источником таких бурь на Солнце является корональная дыра, которая, являясь источником быстрого потока солнечного ветра, приводит к взаимодействию быстрого потока с медленным потоком и образованию области сжатия (в англоязычной литературе называется Corotating Interaction Region — CIR). За счёт сжатия и изменения направления движения плазмы в области сжатия CIR может образовываться геоэффективная компонента межпланетного магнитного поля, приводящая к возбуждению геомагнитной активности, включая магнитные бури и суббури[16]. Корональные дыры могут существовать на Солнце в течение периода до нескольких месяцев, и поэтому магнитная активность на Земле повторяется с периодом вращения Солнца.

Согласно последним наблюдениям, магнитные бури, генерированные выбросами корональной массы (CME) и корональными дырами (CIR), различаются не только по своему происхождению, а также характером развития и своими свойствами[17][18].

Виды и методы прогноза геомагнитной активности

Научный прогноз геомагнитной активности опирается на данные телескопов и спутников. В зависимости от времени упреждения, прогнозы принято делить на 27-45-суточный, 7-суточный, 2-суточный и 1-часовой прогнозы[19].

27-45-суточный прогноз опирается на текущие наблюдения Солнца и предсказывает возмущения геомагнитной активности, связанные с рекуррентными — то есть происходящими с периодичностью 27 суток, приблизительно равной периоду обращения Солнца вокруг своей оси — активными процессами на Солнце.

7-суточный прогноз опирается на текущие наблюдения активных областей вблизи восточного лимба Солнца и предсказывает возмущения геомагнитной активности, связанные с перемещением этих активных областей к линии Солнце — Земля (то есть к центральному меридиану) через время, примерно равное четверти периода обращения Солнца.

2-суточный прогноз опирается на текущие наблюдения активных процессов вблизи центрального меридиана Солнца и предсказывает связанные с этими процессами возмущения геомагнитной активности через время, близкое к характерным временам распространения возмущений от Солнца к Земле солнечного ветра (от 1,5 до 5 суток) и солнечных космических лучей (несколько часов).

1-часовой прогноз опирается на прямые измерения параметров плазмы солнечного ветра с помощью космических аппаратов, расположенных, как правило, в передней либрационной точке L1 на расстоянии 1,5 млн км от Земли, вблизи линии Солнце — Земля.

Надёжность 2-суточного и 1-часового прогноза составляют, соответственно, около 30-50 % и 95 %[20]. Остальные прогнозы носят лишь общий информационный характер и имеют ограниченное практическое применение.

Последствия

Через 8-12 минут после крупных и экстремальных солнечных вспышек до Земли долетают протоны высоких энергий (свыше 10 Мэв) или как их ещё называют — солнечные космические лучи (СКЛ).

Влияние на технику

Радиационные бури (это широкий спектр волн солнечного излучения, не обязательно связанных с радиоактивностью) могут вызвать нарушения или поломки в аппаратуре космических аппаратов, вывести из строя электронную технику на Земле, привести к радиационному облучению космонавтов, пассажиров и экипажи реактивных самолётов. Усиление потоков волн солнечного излучения и приход к Земле волн от корональных выбросов на Солнце вызывают сильные колебания геомагнитного поля Земли — происходят геомагнитные бури. Геомагнитные бури являются одним из важнейших элементов космической погоды и влияют на нарушение связи, систем навигации космических кораблей, возникновения вихревых индукционных токов в трансформаторах и трубопроводах и даже разрушение энергетических систем. Разрушение энергетических систем, в свою очередь, может повлечь за собой остановку насосных станций и остановку водоснабжения в городах, что может вызвать множественные гуманитарные катастрофы. Поставки воды в малых объёмах средствами служб спасения и ликвидации аварийных ситуаций приведут к очередям за водой, в этот период возможны всплески насилия и даже убийства (что наблюдалось во время поставок питьевой воды в Индии).

Влияние на людей и другие организмы

В мировом научном сообществе отсутствует единое мнение о влиянии магнитных бурь на здоровье и самочувствие людей. Несмотря на то, что в ряде научных публикаций сообщалось, что такое влияние обнаружено[21], в подобных исследованиях нередко применяются концепции и методы, частично или полностью признанные лженаучными.

Раздел биофизики, изучающий влияние изменений активности Солнца и вызываемых ею в земной магнитосфере возмущений на земные организмы, называется гелиобиологией.

Острые споры вызывал в своё время вопрос о влиянии солнечной активности на возникновение несчастных случаев, травматизм на транспорте и в производстве, на которые впервые указал в 1928 году Александр Чижевский.

Согласно частично или полностью признанным публикациям, момент начала стрессовой реакции может сдвигаться относительно начала бури на разные сроки для разных бурь и для конкретного человека. Некоторые люди начинают реагировать на магнитные бури за 1-2 дня до них, то есть в момент вспышек на самом Солнце, фактически, реагируя на солнечные бури[21]. Данный феномен носит неофициальный медицинский термин метеозависимость.

См. также

Примечания
  1. Dst в реальном времени
  2. Шторм геомагнитный (магнитная буря) : Институт географии РАН
  3. Gurbax S. Lakhina, Bruce T. Tsurutani. Geomagnetic storms: historical perspective to modern view // Geoscience Letters volume 3, Article number: 5, 20 February 2016
  4. Love, Jeffrey J. (2021). “Extreme‐event magnetic storm probabilities derived from rank statistics of historical Dst intensities for solar cycles 14‐24”. Space Weather. 19 (4). Bibcode:2021SpWea..1902579L. DOI:10.1029/2020SW002579.
  5. Jeffrey J. Love; Hisashi Hayakawa; Edward W. Cliver (2019). “Intensity and Impact of the New York Railroad Superstorm of May 1921”. Space Weather. 17 (8): 1281—1292. Bibcode:2019SpWea..17.1281L. DOI:10.1029/2019SW002250.
  6. Dst-индех в сентябре 1957 года
  7. Dst-индех в феврале 1958 года
  8. Yermolaev Y. I., Lodkina I. G., Nikolaeva N. S., Yermolaev M. Y. Occurrence rate of extreme magnetic storms // J. Geophys. Res. Space Physics. 2013, 118, 4760-4765, doi:10.1002/jgra.50467
  9. Schwenn, R. Space Weather: The Solar Perspective (англ.) // Solar Physics. — 2010.
  10. Švestka, Z. Varieties of Coronal Mass Ejections and Their Relation to Flares // Space Sci. Rev.. — 2001. — Т. 95. — С. 135—146.
  11. Harrison, R.A. Soho observations relating to the association between flares and coronal mass ejections // Adv. Space Res. — 2003. — Т. 32. — С. 2425—2437.
  12. Yashiro, S. et al.,. Visibility of coronal mass ejections as a function of flare location and intensity // J. Geophys. Res.,. — 2005. — Т. 110. Архивировано 24 октября 2011 года.
  13. Wang, Y., et al.,. Statistical study of coronal mass ejection source locations: Understanding CMEs viewed in coronagraphs, // J. Geophys. Res.,. — 2011. — Т. 116. — С. A04104.
  14. Ермолаев Ю. И., Ермолаев М. Ю. Зависит ли сила геомагнитной бури от класса солнечной вспышки? // Космические исследования. — 2009. — Т. 47, № 6. — С. 495—500.
  15. Bartels, J.,. Terrestrial-magnetic activity and its relations to solar phenomena // Terr. Magn. Atmos. Electr.,. — 1932. — Т. 37. — С. 1—52.
  16. Crooker, N. U., and E. W. Cliver,. Postmodern View of M-Regions, // J. Geophys. Res.,. — 1994. — Т. 99, № А12. — С. 23383—23390.
  17. Borovsky J.E. and Denton M.H.,. Differences between CME-driven storms and CIR-driven storms, // J. Geophys. Res.,. — 2006. — Т. 111. — С. A07S08.
  18. Yermolaev Yu.I., N.S. Nikolaeva I.G. Lodkina, M.Yu. Yermolaev. Specific interplanetary conditions for CIR-, Sheath-, and ICME-induced geomagnetic storms obtained by double superposed epoch analysis // Annales Geophysicae. — 2010. — Т. 28, № 12. — С. 2177—2186.
  19. Петрукович А.А. Предсказуема ли космическая погода? // Новости Космонавтики. — 2005. — № 3.
  20. Ермолаев Ю.И. « ВСЕ БЕШЕНЕЙ БУРЯ, ВСЕ ЗЛЕЕ И ЗЛЕЙ…» // РФФИ. — 2005.
  21. Dmitrieva I. V., Obridko V. N., Ragul'skaia M. V., Reznikov A. E., Khabarova O. V. The human body response to factors related to solar activity variations. // Biofizika. — 2001. — Сентябрь (т. 46, № 5). — С. 940—945. — PMID 11605402.

Литература
  • Davies, K. Ionospheric Radio. — London, UK: Peter Peregrinus, 1990. — С. 331—345. — (IEE Electromagnetic Waves Series). — ISBN 978-0-86341-186-1.
  • Eather, R.H. Majestic Lights. — Washington DC: AGU, 1980. — ISBN 978-0-87590-215-9.
  • Space Systems and Their Interactions with Earth's Space Environment (англ.) / Garrett, H.B.; Pike, C.P.. — New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1980. — ISBN 978-0-915928-41-5.
  • Gauthreaux, S., Jr. Ch. 5 // Animal Migration: Orientation and Navigation (англ.). — New York: Academic Press, 1980. — ISBN 978-0-12-277750-9.
  • Harding, R. Survival in Space. — New York: Routledge, 1989. — ISBN 978-0-415-00253-0.

Ссылки

и отдела электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.