Материал из РУВИКИ — свободной энциклопедии

Геомагнитная буря

Схема взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли.

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

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[править | править код]

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[en][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[en] (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[править | править код]

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[править | править код]

Связь геомагнитной активности с явлениями на Солнце[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

Гипотеза о влиянии магнитных бурь на здоровье человека зародилась в России, впервые об этом заявил Александр Чижевский[21]. Вопрос о влиянии солнечной активности на возникновение несчастных случаев, травматизм на транспорте и в производстве, на которые он указал в 1928 году, в своё время вызвал острые споры.

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[22], в подобных исследованиях нередко применяются концепции и методы, частично или полностью признанные лженаучными.

На сайте Геологической службы США сказано, что риск для здоровья во время магнитных бурь может возникать только для лётчиков и астронавтов на больших высотах, причём из-за радиационного облучения, а не от магнитного поля[23].

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

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[22]. Данный феномен носит неофициальный медицинский термин метеозависимость.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Dst в реальном времени. Дата обращения: 3 ноября 2010. Архивировано 23 ноября 2010 года.
  2. Шторм геомагнитный (магнитная буря) : Институт географии РАН. Дата обращения: 10 сентября 2011. Архивировано 27 сентября 2011 года.
  3. 1 2 Gurbax S. Lakhina, Bruce T. Tsurutani. Geomagnetic storms: historical perspective to modern view Архивная копия от 7 ноября 2021 на Wayback Machine // Geoscience Letters volume 3, Article number: 5, 20 February 2016
  4. 1 2 3 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. Дата обращения: 25 сентября 2011. Архивировано 4 марта 2016 года.
  7. Dst-индех в феврале 1958 года. Дата обращения: 24 сентября 2011. Архивировано 4 марта 2016 года.
  8. Yermolaev Y. I., Lodkina I. G., Nikolaeva N. S., Yermolaev M. Y. Occurrence rate of extreme magnetic storms Архивная копия от 27 ноября 2015 на Wayback Machine // 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 (журнал). — 2010. Архивировано 27 сентября 2011 года.
  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. Архивировано 26 июля 2019 года.
  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. Архивировано 13 ноября 2012 года.
  19. Петрукович А.А. Предсказуема ли космическая погода? // Новости Космонавтики. — 2005. — № 3. Архивировано 28 января 2015 года.
  20. Ермолаев Ю.И. « ВСЕ БЕШЕНЕЙ БУРЯ, ВСЕ ЗЛЕЕ И ЗЛЕЙ…» // РФФИ. — 2005. Архивировано 4 марта 2016 года.
  21. National Library of Medicine. Are stress responses to geomagnetic storms mediated by the cryptochrome compass system? Архивная копия от 1 сентября 2022 на Wayback Machine (англ.)
  22. 1 2 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.
  23. U.S. Geological Survey. What are the hazards of magnetic storms? Архивная копия от 16 мая 2022 на Wayback Machine

Литература[править | править код]

  • 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[править | править код]

и отдела электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ