Геомагнитная обстановка 4 балла. Геомагнитное поле: особенности, строение, характеристики и история исследований
Информер магнитных бурь показывает средние прогнозируемые значения глобального геомагнитного индекса (Cr-index
) Земли, на основании геофизических данных двенадцати обсерваторий мира.
Cr-index – характеризует геомагнитное поле в масштабах всей Земли.
На разных участках земной поверхности Cr-index отличается в пределах 1-2 единиц. Весь диапазон Cr-index составляет от 1 до 9 единиц. На разных континентах индекс может отличаться на одну или две единицы (+/-), при всём диапазоне – от нуля до девяти.
Информер прогнозирует магнитные бури на 3 дня по восемь значений в день, на каждые 3 часа суток.
Зеленый цвет
– безопасный уровень геомагнитной активности.
Красный цвет
– магнитная буря (Cr-index > 5).
Чем выше красная вертикальная линия, тем сильнее магнитная буря.
Уровень, с которого вероятны заметные влияния на здоровье метеочувствительных людей (Cr-index > 6) отмечен горизонтальной линией красного цвета.
Приняты следующие коэфициенты Cr-index:
Следующие индексы магнитного поля – относительно благоприятные для здоровья:
Cr = 0-1 – геoмaгнитнaя oбстaнoвкa спoкoйнaя;
Cr = 1-2 – геoмaгнитнaя oбстaнoвкa oт спoкoйнoй дo слaбoвoзмущеннoй;
Cr = 3-4 – oт слaбoвoзмущеннoй дo вoзмущеннoй.
Следующие индексы магнитного поля – неблагоприятные для здоровья:
Cr = 5-6 – магнитная буря;
Cr = 7-8 – большая магнитная буря;
Cr = 9 – максимально возможная величина
По материалам www.meteofox.ru
ВЛИЯНИЕ КОСМОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА БИОСФЕРУ.
Проведен анализ фактов, подтверждающих влияние Солнца, а также электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения на живые организмы. Выдвинуты предположения об источниках и механизме реакции человека на магнитные бури, природе “биоэффективных частотных окон”, чувствительности к электромагнитным полям различного генезиса. Обсуждается социально-исторический аспект влияния космической погоды на людей.
Полный текст статьи находится по этому адресу
У ПРИРОДЫ ЕСТЬ И КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА
Кандидат физико-математических наук А. ПЕТРУКОВИЧ, доктор физико-математических наук Л. ЗЕЛЕНЫЙ
Институт космических исследований.
В XX веке земная цивилизация незаметно переступила в своем развитии очень важный рубеж. Техносфера - область человеческой активности - расширилась далеко за пределы границ естественной среды обитания - биосферы. Эта экспансия носит как пространственный - за счет освоения космического пространства, так и качественный характер - за счет активного использования новых видов энергии и электромагнитных волн. Но все равно для инопланетян, смотрящих на нас с далекой звезды, Земля остается всего лишь песчинкой в океане плазмы, заполняющем Солнечную систему и всю Вселенную, и нашу стадию развития можно сравнить скорее с первыми шагами ребенка, чем с достижением зрелости. Новый мир, открывшийся человечеству, не менее сложен и, как, впрочем, и на Земле, далеко не всегда дружественен. При его освоении не обошлось без потерь и ошибок, но мы постепенно учимся распознавать новые опасности и преодолевать их. А опасностей этих немало. Это и радиационный фон в верхних слоях атмосферы, и потеря связи со спутниками, самолетами и наземными станциями, и даже катастрофические аварии на линиях связи и электропередач, происходящие во время мощных магнитных бурь.
Солнце - это наше всё
Солнце поистине является центром нашего мира. Миллиарды лет оно удерживает планеты около себя и обогревает их. Земля остро чувствует изменения солнечной активности, проявляющиеся в настоящее время главным образом в виде 11-летних циклов. Во время всплесков активности, учащающихся в максимумах цикла, в короне Солнца рождаются интенсивные потоки рентгеновского излучения и энергичных заряженных частиц - солнечных космических лучей, а также происходят выбросы огромных масс плазмы и магнитного поля (магнитных облаков) в межпланетное пространство. Хотя магнитосфера и атмосфера Земли довольно надежно защищают все живое от прямого воздействия солнечных частиц и излучений, многие создания рук человеческих, например, радиоэлектроника, авиационная и космическая техника, линии связи и электропередач, трубопроводы, оказываются очень чувствительны к электромагнитному и корпускулярному воздействию, приходящему из околоземного космического пространства.
Познакомимся теперь с наиболее практически важными проявлениями солнечной и геомагнитной активности, часто называемыми "космическая погода".
Опасно! Радиация!
Пожалуй, одним из наиболее ярких проявлений враждебности космического пространства к человеку и его творениям, кроме, конечно, почти полного по земным меркам вакуума, является радиация - электроны, протоны и более тяжелые ядра, разогнанные до огромных скоростей и способные разрушать органические и неорганические молекулы. О вреде, который радиация наносит живым существам, хорошо известно, но достаточно большая доза облучения (то есть количество энергии, поглощенной веществом и пошедшей на его физическое и химическое разрушение) может выводить из строя и радиоэлектронные системы. Электроника страдает также и от "единичных сбоев", когда частицы особо высокой энергии, проникая глубоко внутрь электронной микросхемы, изменяют электрическое состояние ее элементов, сбивая ячейки памяти и вызывая фальшивые срабатывания. Чем сложнее и современнее микросхема, тем меньше размеры каждого элемента и тем больше вероятность сбоев, которые могут привести к ее неправильной работе и даже к остановке процессора. Эта ситуация по своим последствиям схожа с внезапным зависанием компьютера в разгар набора текста, с той лишь разницей, что аппаратура спутников, вообще говоря, предназначена для автоматической работы. Для исправления ошибки приходится ждать следующего сеанса связи с Землей при условии, что спутник будет способен выйти на связь.
Первые следы радиации космического происхождения на Земле были обнаружены австрийцем Виктором Гессом еще в 1912 году. Позднее, в 1936 году, за это открытие он получил Нобелевскую премию. Атмосфера эффективно защищает нас от космического излучения: поверхности Земли достигает совсем не много так называемых галактических космических лучей с энергиями выше нескольких гигаэлектронвольт, рожденных за пределами Солнечной системы. Поэтому изучение энергичных частиц за пределами атмосферы Земли сразу стало одной из основных научных задач космической эры. Первый эксперимент по измерению их энергии был поставлен группой советского исследователя Сергея Вернова в 1957 году. Действительность превзошла все ожидания - приборы зашкалило. Спустя год руководитель аналогичного американского эксперимента Джеймс Ван Аллен понял, что это не сбой в работе прибора, а реально существующие мощнейшие потоки заряженных частиц, не относящихся к галактическим лучам. Энергия этих частиц недостаточно велика, чтобы они могли достигать поверхности Земли, но в космосе этот "недостаток" с лихвой компенсируется их количеством. Основным источником радиации в окрестностях Земли оказались высокоэнергичные заряженные частицы, "живущие" во внутренней магнитосфере Земли, в так называемых радиационных поясах.
Известно, что почти дипольное магнитное поле внутренней магнитосферы Земли создает особые зоны "магнитных бутылок", в которых заряженные частицы могут "захватываться" на длительное время, вращаясь вокруг силовых линий. При этом частицы периодически отражаются от околоземных концов силовой линии (где магнитное поле увеличивается) и медленно дрейфуют вокруг Земли по окружности. В наиболее мощном внутреннем радиационном поясе хорошо удерживаются протоны с энергиями вплоть до сотен мегаэлектронвольт. Дозы облучения, которые можно получить при его пролете, настолько велики, что долго в нем рискуют держать только научно-исследовательские спутники. Пилотируемые корабли прячутся на более низких орбитах, а большинство спутников связи и навигационных космических аппаратов находится на орбитах выше этого пояса. Наиболее близко к Земле внутренний пояс подходит в точках отражения. Из-за наличия магнитных аномалий (отклонений геомагнитного поля от идеального диполя) в тех местах, где поле ослаблено (над так называемой бразильской аномалией), частицы достигают высот 200-300 километров, а в тех, где оно усилено (над восточно-сибирской аномалией), - 600 километров. Над экватором пояс отстоит от Земли на 1500 километров. Сам по себе внутренний пояс довольно стабилен, но во время магнитных бурь, когда геомагнитное поле ослабевает, его условная граница спускается еще ближе к Земле. Поэтому положение пояса и степень солнечной и геомагнитной активности обязательно учитываются при планировании полетов космонавтов и астронавтов, работающих на орбитах высотой 300-400 километров.
Во внешнем радиационном поясе наиболее эффективно удерживаются энергичные электроны. "Население" этого пояса очень нестабильно и многократно возрастает во время магнитных бурь за счет вброса плазмы из внешней магнитосферы. К сожалению, именно по внешней периферии этого пояса проходит геостационарная орбита, незаменимая для размещения спутников связи: спутник на ней неподвижно "висит" над одной точкой земного шара (ее высота около 42 тысяч километров). Поскольку радиационная доза, создаваемая электронами, не столь велика, то на первый план выходит проблема электризации спутников. Дело в том, что любой объект, погруженный в плазму, должен находиться с ней в электрическом равновесии. Поэтому он поглощает некоторое количество электронов, приобретая отрицательный заряд и соответствующий "плавающий" потенциал, примерно равный температуре электронов, выраженной в электронвольтах. Появляющиеся во время магнитных бурь облака горячих (до сотен килоэлектрон вольт) электронов придают спутникам дополнительный и неравномерно распределенный, из-за различия электрических характеристик элементов поверхности, отрицательный заряд. Разности потенциалов между соседними деталями спутников могут достигать десятков киловольт, провоцируя спонтанные электрические разряды, выводящие из строя электрооборудование. Наиболее известным следствием такого явления стала поломка во время одной из магнитных бурь 1997 года американского спутника TELSTAR, оставившая значительную часть территории США без пейджерной связи. Поскольку геостационарные спутники обычно рассчитаны на 10-15 лет работы и стоят сотни миллионов долларов, то исследования электризации поверхностей в космическом пространстве и методы борьбы с ней обычно составляют коммерческую тайну.
Еще один важный и самый нестабильный источник космической радиации - это солнечные космические лучи. Протоны и альфа-частицы, ускоренные до десятков и сотен мегаэлектронвольт, заполняют Солнечную систему только на короткое время после солнечной вспышки, но интенсивность частиц делает их главным источником радиационной опасности во внешней магнитосфере, где геомагнитное поле еще слишком слабо, чтобы защитить спутники. Солнечные частицы на фоне других, более стабильны х источников радиации "отвечают" и за кратковременные ухудшения радиационной обстановки во внутренней магнитосфере, в том числе и на высотах, используемых для пилотируемых полетов.
Наиболее глубоко в магнитосферу энергичные частицы проникают в приполярных районах, так как частицы здесь могут большую часть пути свободно двигаться вдоль силовых линий, почти перпендикулярных к поверхности Земли. Приэкваториальные районы более защищены: там геомагнитное поле, почти параллельное земной поверхности, изменяет траекторию движения частиц на спиральную и уводит их в сторону. Поэтому трассы полетов, проходящие в высоких широтах, значительно более опасны с точки зрения радиационного поражения, чем низкоширотные. Эта угроза относится не только к космическим аппаратам, но и к авиации. На высотах 9-11 километров, где проходит большинство авиационных маршрутов, общий фон космической радиации уже настолько велик, что годовая доза, получаемая экипажами, оборудованием и часто летающими пассажирами, должна контролироваться по правилам, установленным для радиационно опасных видов деятельности. Сверхзвуковые пассажирские самолеты "Конкорд", поднимающиеся на еще большие высоты, имеют на борту счетчики радиации и обязаны лететь, отклоняясь к югу от кратчайшей северной трассы перелета между Европой и Америкой, если текущий уровень радиации превышает безопасную величину. Однако после наиболее мощных солнечных вспышек доза, полученная даже в течение одного полета на обычном самолете может быть больше, чем доза ста флюорографических обследований, что заставляет всерьез рассматривать вопрос о полном прекращении полетов в такое время. К счастью, всплески солнечной активности подобного уровня регистрируются реже, чем один раз за солнечный цикл - 11 лет.
Взбудораженная ионосфера
На нижнем этаже электрической солнечно-земной цепи расположена ионосфера - самая плотная плазменная оболочка Земли, буквально как губка впитывающая в себя и солнечное излучение, и высыпания энергичных частиц из магнитосферы. После солнечных вспышек ионосфера, поглощая солнечное рентгеновское излучение, нагревается и раздувается, так что плотность плазмы и нейтрального газа на высоте нескольких сотен километров увеличивается, создавая значительное дополнительное аэродинамическое сопротивление движению спутников и пилотируемых кораблей. Пренебрежение этим эффектом может привести к "неожиданному" торможению спутника и потере им высоты полета. Пожалуй, самым печально известным случаем такой ошибки стало падение американской станции "Скайлэб", которую "упустили" после крупнейшей солнечной вспышки, произошедшей в 1972 году. К счастью, во время спуска с орбиты станции "Мир" Солнце было спокойным, что облегчило работу российским баллистикам.
Однако, возможно, наиболее важным для большинства обитателей Земли эффектом оказывается влияние ионосферы на состояние радиоэфира. Плазма наиболее эффективно поглощает радиоволны только вблизи определенной резонансной частоты, зависящей от плотности заряженных частиц и равной для ионосферы примерно 5-10 мегагерцам. Радиоволны более низкой частоты отражаются от границ ионосферы, а волны более высокой - проходят сквозь нее, причем степень искажения радиосигнала зависит от близости частоты волны к резонансной. Спокойная ионосфера имеет стабильную слоистую структуру, позволяя за счет многократных отражений принимать радиосигнал диапазона коротких волн (с частотой ниже резонансной) по всему земному шару. Радиоволны с частотами выше 10 мегагерц свободно уходят через ионосферу в открытый космос. Поэтому радиостанции УКВ- и FM-диапазонов можно слышать только в окрестностях передатчика, а на частотах в сотни и тысячи мегагерц связываются с космическими аппаратами.
Во время солнечных вспышек и магнитных бурь количество заряженных частиц в ионосфере увеличивается, причем так неравномерно, что создаются плазменные сгустки и "лишние" слои. Это приводит к непредсказуемому отражению, поглощению, искажению и преломлению радиоволн. Кроме того, нестабильные магнитосфера и ионосфера и сами генерируют радиоволны, заполняя шумом широкий диапазон частот. Практически величина естественного радиофона становится сравнимой с уровнем искусственного сигнала, создавая значительные затруднения в работе систем наземной и космической связи и навигации. Радиосвязь даже между соседними пунктами может стать невозможной, но взамен можно случайно услышать какую-нибудь африканскую радиостанцию, а на экране локатора увидеть ложные цели (которые нередко принимают за "летающие тарелки"). В приполярных районах и зонах аврорального овала ионосфера связана с наиболее динамичными областями магнитосферы и поэтому наиболее чувствительна к приходящим от Солнца возмущениям. Магнитные бури в высоких широтах могут практически полностью блокировать радиоэфир на несколько суток. При этом, естественно, замирают и многие другие сферы деятельности, например авиасообщение. Именно поэтому все службы, активно использующие радиосвязь, еще в середине XX века стали одними из первых реальных потребителей информации о космической погоде.
Токовые струи в космосе и на Земле
Любители книг о полярных путешественниках наслышаны не только о перебоях радиосвязи, но и про эффект "сумасшедшей стрелки": во время магнитных бурь чувствительная стрелка компаса начинает вертеться как угорелая, безуспешно пытаясь уследить за всеми изменениями направления геомагнитного поля. Вариации поля создаются струями ионосферных токов силой в миллионы ампер - электроджетов, которые возникают в полярных и авроральных широтах при изменениях в магнитосферной токовой цепи. В свою очередь магнитные вариации, согласно всем известному закону электромагнитной индукции, генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в соленой воде и в оказавшихся поблизости искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов невелика и составляет примерно несколько вольт на километр (максимальное значение было зарегистрировано в 1940 году в Норвегии и составило около 50 В/км), но в протяженных проводниках с низким сопротивлением - линиях связи и электропередач, трубопроводах, рельсах железных дорог - полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер.
Наименее защищены от подобного влияния воздушные низковольтные линии связи. И действительно, значительные помехи, возникавшие во время магнитных бурь, были отмечены уже на самых первых телеграфных линиях, построенных в Европе в первой половине XIX века. Сообщения об этих помехах можно, вероятно, считать первыми историческими свидетельствами нашей зависимости от космической погоды. Получившие распространение в настоящее время волоконно-оптические линии связи к такому влиянию нечувствительны, но в российской глубинке они появятся еще нескоро. Значительные неприятности геомагнитная активность должна доставлять и железнодорожной автоматике, особенно в приполярных районах. А в трубах нефтепроводов, зачастую тянущихся на многие тысячи километров, индуцированные токи могут значительно ускорять процесс коррозии металла.
В линиях электропередач, работающих на переменном токе частотой 50-60 Гц, индуцированные токи, меняющиеся с частотой менее 1 Гц, практически вносят только небольшую постоянную добавку к основному сигналу и должны были бы слабо влиять на суммарную мощность. Однако после аварии, произошедшей во время сильнейшей магнитной бури 1989 года в канадской энергетической сети и оставившей на несколько часов половину Канады без электричества, такую точку зрения пришлось пересмотреть. Причиной аварии оказались трансформаторы. Тщательные исследования показали, что даже небольшая добавка постоянного тока может вывести из строя трансформатор, предназначенный для преобразования переменного тока. Дело в том, что постоянная составляющая тока вводит трансформатор в неоптимальный режим работы с избыточным магнитным насыщением сердечника. Это приводит к избыточному поглощению энергии, перегреву обмоток и в конце концов к аварии всей системы. Последовавший анализ работоспособности всех энергетических установок Северной Америки выявил и статистическую зависимость между количеством сбоев в зонах повышенного риска и уровнем геомагнитной активности.
Космос и человек
Все описанные выше проявления космической погоды можно условно характеризовать как технические, а физические основы их влияния в общем известны - это прямое воздействие потоков заряженных частиц и электромагнитных вариаций. Однако невозможно не упомянуть и о других аспектах солнечно-земных связей, физическая сущность которых не вполне ясна, а именно о влиянии солнечной переменности на климат и биосферу.
Перепады полного потока излучения Солнца даже во время сильных вспышек составляют менее одной тысячной солнечной постоянной, то есть, казалось бы, они слишком малы, чтобы непосредственно изменять тепловой баланс атмосферы Земли. Тем не менее существует ряд косвенных доказательств, приведенных в книгах А. Л. Чижевского и других исследователей, свидетельствующих о реальности солнечного влияния на климат и погоду. Отмечалась, например, выраженная цикличность различных погодных вариаций с периодами, близкими к 11- и 22-летним периодам солнечной активности. Эта периодичность отражается и на объектах живой природы - она заметна по изменению толщины древесных колец.
В настоящее время широкое (может быть, даже излишне широкое) распространение получили прогнозы влияния геомагнитной активности на состояние здоровья людей. Мнение о зависимости самочувствия людей от магнитных бурь уже твердо устоялось в общественном сознании и даже подтверждается некоторыми статистическими исследованиями: например, количество людей, госпитализированных "скорой помощью", и число обострений сердечно-сосудистых заболеваний явно возрастает после магнитной бури. Однако с точки зрения академической науки доказательств собрано еще недостаточно. Кроме того, в человеческом организме отсутствует какой-либо орган или тип клеток, претендующих на роль достаточно чувствительного приемника геомагнитных вариаций. В качестве альтернативного механизма воздействия магнитных бурь на живой организм часто рассматривают инфразвуковые колебания - звуковые волны с частотами менее одного герца, близкими к собственной частоте многих внутренних органов. Инфразвук, возможно, излучаемый активной ионосферой, может резонансным образом воздействовать на сердечно-сосудистую систему человека. Остается только заметить, что вопросы зависимости космической погоды и биосферы еще ждут своего внимательного исследователя и к настоящему времени остаются, наверное, самой интригующей частью науки о солнечно-земных связях.
В целом же влияние космической погоды на нашу жизнь можно, вероятно, признать существенным, но не катастрофичным. Магнитосфера и ионосфера Земли неплохо защищают нас от космических угроз. В этом смысле интересно было бы проанализировать историю солнечной активности, пытаясь уяснить, что может ждать нас в будущем. Во-первых, в настоящее время отмечается тенденция к увеличению влияния солнечной активности, связанная с ослаблением нашего щита - магнитного поля Земли - более чем на 10 процентов за последние полвека и одновременным удвоением магнитного потока Солнца, служащего основным посредником при передаче солнечной активности.
Во-вторых, анализ солнечной активности за все время наблюдений солнечных пятен (с начала XVII века) показывает, что солнечный цикл, в среднем равный 11 годам, существовал не всегда. Во второй половине XVII века, во время так называемого минимума Маундера, солнечных пятен практически не наблюдалось в течение нескольких десятилетий, что косвенно свидетельствует и о минимуме геомагнитной активности. Однако идеальным для жизни этот период назвать трудно: он совпал с так называемым малым ледниковым периодом - годами аномально холодной погоды в Европе. Случайно это совпадение или нет, современной науке доподлинно неизвестно.
В более ранней истории отмечались и периоды аномально высокой солнечной активности. Так, в некоторые годы первого тысячелетия нашей эры полярные сияния постоянно наблюдались в Южной Европе, свидетельствуя о частых магнитных бурях, а Солнце выглядело помутневшим, возможно, из-за наличия на его поверхности огромного солнечного пятна или корональной дыры - еще одного объекта, вызывающего повышенную геомагнитную активность. Начнись такой период непрерывной солнечной активности сегодня, связь и транспорт, а с ними вся мировая экономика оказались бы в тяжелейшем положении.
* * *
Космическая погода постепенно занимает подобающее ей место в нашем сознании. Как и в случае с обыкновенной погодой, мы хотим знать, что нас ждет и в отдаленном будущем, и в ближайшие дни. Для исследований Солнца, магнитосферы и ионосферы Земли развернута сеть солнечных обсерваторий и геофизических станций, а в околоземном космосе парит целая флотилия научно-исследовательских спутников. Основываясь на приводимых ими наблюдениях, ученые предупреждают нас о солнечных вспышках и магнитных бурях.
Литература
Киппенхан Р. 100 миллиардов Солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд. - М., 1990.
Куликов К. А., Сидоренко Н. С. Планета Земля. - М., 1972.
Мирошниченко Л. И. Солнце и космические лучи. - М., 1970.
Паркер Е. Н. Солнечный ветер // Астрономия невидимого. - М., 1967.
По материалам журнала "Наука и жизнь"
31.10.2012
Уровни геомагнитной активности выражаются с помощью двух индексов - А и К, показывающих величины магнитного и ионосферного возмущения. Индекс К высчитывается на основе измерений магнитного поля, проводящихся ежедневно с трехчасовым интервалом, начиная с нуля часов по универсальному времени (иначе - UTC, мировому, гринвичскому).
Максимальные величины магнитного возмущения сравниваются с значениями магнитного поля спокойного дня для конкретной обсерватории и в расчет принимается наибольшая величина из отмеченных отклонений. Затем по специальной таблице полученное значение переводится в индекс К. К-индекс - это квазилогарифмическая величина, то есть его значение увеличивается на единицу при увеличении возмущения магнитного поля примерно вдвое, что затрудняет вычисление усредненного значения.
Поскольку возмущения магнитного поля неодинаково проявляются в различных точках Земли, то такая таблица существует для каждой из 13 геомагнитных обсерваторий, расположенных на геомагнитных широтах от 44 до 60 градусов в обоих полушариях планеты. Это в целом при большом количестве измерений за длительное время дает возможность вычислить среднепланетарный К р -индекс, который представляет собой дробную величину в интервале от 0 до 9.
 |
А-индекс - величина линейная, то есть при увеличении геомагнитного возмущения возрастает аналогично ему, вследствие чего использование этого индекса часто имеет больше физического смысла. Значения А р -индекса соотносятся со значениями К р -индекса и представляют собой усредненные показатели вариации магнитного поля. Индекс А р выражается в целых числах от 0 до > 400. Например, интервалу К р от 0 о до 1+ соответствуют значения А р от 0 до 5, а К р от 9- до 9 0 - 300 и > 400 соответственно. Для определения величины А р -индекса также существует специальная таблица.
В практическом применении К-индекс учитывается для определения прохождения радиоволн. Уровень от 0 до 1 соответствует спокойной геомагнитной обстановке и хорошим условиям для прохождения КВ. Значения от 2 до 4 указывают на умеренное геомагнитное возмущение, что несколько затрудняет прохождение коротковолнового диапазона. Значениями, начиная с 5, обозначаются геомагнитные бури, которые создают серьезные помехи указанному диапазону, а при сильных бурях (8 и 9) делают прохождение коротких волн невозможным.
- Солнечные космические лучи (СКЛ) - протоны, электроны, ядра, образовавшиеся во вспышках на Солнце и достигшие орбиты Земли после взаимодействия с межпланетной средой.
- Магнитосферные бури и суббури, вызванные приходом к Земле межпланетной ударной волны, связанной как с КВМ и с КОВ, так и с высокоскоростными потоками солнечного ветра;
- Ионизующее электромагнитное излучение (ИЭИ) солнечных вспышек, вызывающее разогрев и дополнительную ионизацию верхней атмосферы;
- Возрастания потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе Земли, связанные с приходом к Земле высокоскоростных потоков солнечного ветра.
Солнечные космические лучи (СКЛ)
Образовавшиеся во вспышках энергичные частицы − протоны, электроны, ядра − после
взаимодействия с межпланетной средой могут достичь орбиты Земли. Принято
считать, что наибольший вклад в суммарную дозу вносят солнечные протоны с
энергией 20-500 МэВ. Максимальный поток протонов с энергией выше 100 МэВ от
мощной вспышки 23 февраля 1956 г. составил 5000 частиц на см -2 с -1 .
(см. подробнее материалы к теме "Солнечные космические лучи").
Основной источник СКЛ
–солнечные
вспышки, в редких случаях - распад протуберанца (волокна)
.
СКЛ как основной источник радиационной опасности в ОКП
Потоки солнечных космических лучей значительно повышают уровень радиационной
опасности для космонавтов, а также экипажей и пассажиров высотных самолетов на
полярных трассах; приводят к потерям спутников и выходу из строя аппаратуры,
используемой на космических объектах. О вреде, который радиация наносит живым
существам достаточно хорошо известно (подробнее см. материалы к теме "Как
космическая погода влияет на нашу жизнь?"), но кроме того большая доза облучения
может выводить из строя и электронное оборудование, установленное на космических
аппаратах (см. подробнее лекцию 4 и материалы к темам по воздействию внешней
среды на космические аппараты, их элементы и материалы).
Чем сложнее и современнее микросхема, тем меньше размеры каждого элемента и тем
больше вероятность сбоев, которые могут привести к её неправильной работе и даже
к остановке процессора .
Приведем
наглядный пример того, как потоки СКЛ высоких энергий влияют на состояние
научной аппаратуры, установленной на космических аппаратах.
На рисунке для сравнения приведены фотографии Солнца, сделанные прибором EIT (SOHO), сделанные до (07:06 UT 28/10/2003) и после мощной вспышки на Солнце, произошедшей около 11:00 UT 28/10/2003, после которой в ОКП потоки протонов с энергиями 40-80 МэВ возросли почти на 4 порядка. По количеству "снега" на правом рисунке видно, насколько регистрирующая матрица прибора повреждена потоками вспышечных частиц.
Влияние возрастаний потоков СКЛ на озоновый слой Земли
Поскольку источниками окислов азота и водорода, содержанием которых в средней атмосфере определяется количество озона, могут являться и высокоэнергичные частицы (протоны и электроны) СКЛ, их влияние должно быть учтено при фотохимическом моделировании и интерпретации данных наблюдений в моменты солнечных протонных событий или сильных геомагнитных возмущений.
Солнечные протонные события
Роль 11-летней вариаций ГКЛ при оценке радиационной безопасности долговременных космических полетов
При оценке радиационной безопасности длительных космических полетов (таких, например, как планируемая экспедиция на Марс) становится необходимым учет вклада в радиационную дозу галактических космических лучей (ГКЛ) (подробнее смотри лекцию 4). Кроме того, для протонов с энергией выше 1000 МэВ величина потоков ГКЛ и СКЛ становится сравнимой. При рассмотрении различных явлений на Солнце и в гелиосфере на временных интервалах длиною в несколько десятилетий и более определяющим их фактором является 11-летняя и 22-летняя цикличность солнечного процесса. Как видно из рисунка, интенсивность ГКЛ меняется в противофазе с числом Вольфа. Это весьма важно, поскольку в минимуме СА межпланетная среда возмущена слабо, а потоки ГКЛ максимальны. Имея высокую степень ионизации и будучи всепроникающими, в периоды минимума СА ГКЛ определяют дозовые нагрузки на человека в космических и авиационных полетах. Однако процессы солнечной модуляции оказываются довольно сложными и не сводятся только к антикорреляции с числом Вольфа. .
На рисунке показана модуляция интенсивности КЛ в 11-летнем солнечном цикле .
Солнечные электроны
Солнечные электроны высоких энергий могут вызвать объёмную ионизацию КА, а также выступать в качестве «электронов-киллеров» для микросхем, установленных на космических аппаратах. Из-за потоков СКЛ нарушается коротковолновая связь в приполярных районах и возникают сбои в навигационных системах.
Магнитосферные бури и суббури
Другими важными следствиями проявления солнечной активности, влияющими на
состояние околоземного пространства, являются магнитные
бури
– сильные (десятки и
сотни нТл) изменения горизонтальной составляющей геомагнитного поля, измеренного
на поверхности Земли на низких широтах. Магнитосферная
буря
– это совокупность
процессов, происходящих в магнитосфере Земли во время магнитной бури, когда
происходит сильное поджатие границы магнитосферы с дневной стороны, другие
значительные деформации структуры магнитосферы, формируется кольцевой ток
энергичных частиц во внутренней магнитосфере .
Термин "суббуря" был введен в 1961г. С-И. Акасофу для обозначения авроральных
возмущений в зоне сияний длительностью порядка часа. В магнитных данных еще
раньше были выделены бухтообразные возмущения, совпадающие по времени с суббурей
в полярных сияниях. Магнитосферная
суббуря
– это совокупность
процессов в магнитосфере и ионосфере, которую в самом общем случае можно
характериизовать как последовательность процессов накопления энергии в
магнитосфере и ее взрывного высвобождения . Источник
магнитных бурь
− приход к
Земле высокоскоростной солнечной плазмы (солнечного ветра), а также КОВ и
связанной с ними ударной волны. Высокоскоростные потоки солнечной плазмы в свою
очередь делятся на спорадические, связанные с солнечными вспышками и КВМ, и
квазистационарные, возникающие над корональными дырами Магнитные бури в
соответствии с их источником делятся на спорадические и реккурентные. (Подробнее
см. лекцию 2).
Геомагнитные индексы – Dst, AL, AU, AE
Численной характеристикой, отражающей геомагнитные возмущения, являются
различные геомагнитные индексы – Dst, Kp, Ap, AA и другие.
Амплитуду вариаций магнитного поля Земли часто используют как наиболее общую
характеристику силы магнитных бурь. Геомагнитный индекс Dst
содержит
информацию о планетарных возмущениях во время геомагнитных бурь.
Для изучения процессов суббури трехчасовой индекс не годится, за это время
суббуря может начаться и закончиться. Детальную структуру флуктуаций магнитного
поля из-за токов авроральной зоны (авроральная электроструя
)
характеризует индекс
авроральной электроструи AE
. Для вычисления индекса AE используются магнитограммы
Н-компонентов
обсерваторий,
расположенных на авроральных или субавроральных широтах и равномерно
распределенных по долготе. В настоящее время индексы АЕ вычисляются по данным 12
обсерваторий, расположенных в северном полушарии на разных долготах между 60 и
70° геомагнитной широты. Для численного описания суббуревой активности
используются также геомагнитные индексы АL (наибольшая отрицательная вариация
магнитного поля), АU (наибольшая положительная вариация магнитного поля) и AЕ
(разность АL и АU).
Dst-индекс за май 2005 г.
Кр, Ар, АА индексы
Индекс геомагнитной активности Кр рассчитывают
каждые три часа по измерениям магнитного поля на нескольких станциях,
расположенных в различных частях Земли. Он имеет уровни от 0 до 9, каждому
следующему уровню шкалы соответствуют вариации в 1,6-2 раза большие предыдущего.
Сильным магнитным бурям соответствуют уровни Кр больше 4. Так называемые
супербури с Кр =
9 случаются достаточно редко. Наряду с Кр используют также индекс Ар,
равный средней амплитуде вариаций геомагнитного поля по земному шару за сутки.
Он измеряется в нанотеслах (земное поле равно примерно
50 000 нТл). Уровню Кр =
4 приблизительно соответствует Ар,
равный 30, а уровню Кр =
9 отвечает Ар больше 400. Ожидаемые значения таких индексов и составляют
основное содержание геомагнитного прогноза . Ар-индекс
стал рассчитываться с 1932 года, поэтому для более ранних периодов используется
АА-индекс – среднесуточная амплитуда вариаций, расчитываемая по двум
антиподальным обсерваториям (Гринвич и Мельбурн) с 1867 г.
Комплексное влияние СКЛ и бурь на космическую погоду за счет проникновения СКЛ в магнитосферу Земли во время магнитных бурь
С точки зрения радиационной опасности, которую несут потоки СКЛ для высокоширотных участков орбит КА типа МКС, необходимо учитывать не только интенсивность событий СКЛ, но и границы их проникновения в магнитосферу Земли (см. подробнее лекцию 4.). Причем, как видно из приведенного рисунка, СКЛ проникают достаточно глубоко даже для небольших по амплитуде (-100 нТ и меньше) магнитных бурь.
Оценка радиационной опасности в высокоширотных областях траектории МКС по данным низкоорбитальных полярных спутников
Оценки доз радиации в высокоширотных областях траектории МКС, полученные на основании данных о спектрах и границах проникновения СКЛ в магнитосферу Земли по данным ИСЗ «Университетский-Татьяна» во время солнечных вспышек и магнитных бурь сентября 2005 года, были сопоставлены с дозами, экспериментально измеренными на МКС в высокоширотных областях. Из приведенных рисунков хорошо видно, что расчетные и экспериментальные значения согласуются, что говорит о возможности оценки радиационных доз на разных орбитах по данным низковысотных полярных спутников.
Карта доз на МКС (СРК) и сравнение расчетных и экспериментальных доз.
Магнитные бури как причина нарушения радиосвязи
Магнитные бури приводят к сильным возмущениям в ионосфере, которые в свою очередь, отрицательно сказываются на состояния радиоэфира . В приполярных районах и зонах аврорального овала ионосфера связана с наиболее динамичными областями магнитосферы и поэтому наиболее чувствительна к таким воздействиям. Магнитные бури в высоких широтах могут практически полностью блокировать радиоэфир на несколько суток. При этом страдают и другие сферы деятельности, например, авиасообщение . Другим негативным эффектом, связанным с геомагнитными бурями, является потеря ориентации ИСЗ, навигация которых осуществляется по геомагнитному полю, испытывающем во время бури сильные возмущенния . Естественно, что во время геомагнитных возмущений возникают проблемы и с радиолокацией.
Влияние магнитных бурь на функционирование телеграфных линий и линий электропередач, трубопроводов, железных дорог
Вариации геомагнитного поля, возникающие во время магнитных бурь в полярных и
авроральных широтах (согласно известному закону электромагнитной индукции),
генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в
соленой воде и в искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов
невелика и составляет примерно несколько вольт на километр, но в протяженных
проводниках с низким сопротивлением − линиях
связи и электропередач (ЛЭП), трубопроводах, рельсах железных дорог
−
полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер.
Наименее защищенными от подобного влияния являются воздушные низковольтные линии
связи. Так, значительные помехи, возникавшие во время магнитных бурь, были
отмечены уже на самых первых телеграфных линиях, построенных в Европе в первой
половине XIX века. Значительные неприятности геомагнитная активность может
доставлять и железнодорожной автоматике, особенно в приполярных районах. А в
трубах нефте- и газопроводов, тянущихся на многие тысячи километров,
индуцированные токи могут значительно ускорять процесс коррозии металла, что
приходиться учитывать при проектировании и эксплуатации трубопроводов
.
Примеры воздействия магнитных бурь на функционирование линий электропередач
Крупная авария, произошедшая во время сильнейшей магнитной бури 1989 года в энергетической сети Канады, наглядно продемонстрировала опасность магнитных бурь для ЛЭП. Исследования показали, что причиной аварии стали трансформаторы. Дело в том, что постоянная составляющая тока вводит трансформатор в неоптимальный режим работы с избыточным магнитным насыщением сердечника. Это приводит к избыточному поглощению энергии, перегреву обмоток и, в конце концов, к аварии всей системы. Последовавший анализ работоспособности всех энергетических установок Северной Америки выявил статистическую зависимость между количеством сбоев в зонах повышенного риска и уровнем геомагнитной активности .
Влияние магнитных бурь на состояние здоровья людей
В настоящее время имеются результаты медицинских исследований, доказывающих
наличие реакции человека на геомагнитные возмущения. Данные исследования
показывают, что существует достаточно большая категория людей, на которых
магнитные бури действуют отрицательно: активность человека затормаживается,
притупляется внимание, обостряются хронические заболевания. Следует отметить,
что исследования воздействия геомагнитных возмущений на здоровье человека еще
только начинаются, и результаты их достаточно спорны и противоречивы (подробнее
см. материалы к теме "Как космическая погода влияет на нашу жизнь?").
Однако большинство исследователей сходится во мнении, что в данном случае
существует три категории людей: на одних геомагнитные возмущения действуют
угнетающе, на других, наоборот, возбуждающе, у третьих же никакой реакции не
наблюдается.
Ионосферные суббури как фактор космической погоды
Суббури являются мощным источником электронов
во внешней магнитосфере
. Сильно возрастают потоки низкоэнергичных
электронов, что приводит к существенному усилению электризации
КА
(подробнее см.
материалы по теме "Электризация космических аппаратов"). Во время сильной суббуревой активности на несколько порядков возрастают потоки электронов во
внешнем радиационном поясе Земли (РПЗ), что представляет серьезную опасность для
ИСЗ, орбиты которых пересекают эту область, поскольку внутри КА накапливается
достаточно большой объемный
заряд, приводящий к выходу из строя бортовой электроники
. В качестве
примера можно привести проблемы с работой электронных приборов на ИСЗ Equator-S,
Роlаг и Сalaxy-4, которые возникли на фоне длительной суббуревой активности и,
как следствие, очень высоких потоков релятивистских электронов во внешней
магнитосфере в мае 1998 г. .
Cуббури являются неотъемлемым спутником геомагнитных бурь, однако, интенсивность
и длительность суббуревой активности имеет неоднозначную связь с мощностью
магнитной бури. Важным проявлением связи "бури-суббури" является
непосредственное влияние мощности геомагнитной бури на минимальную геомагнитную
широту, на которой развиваются суббури. Во время сильных геомагнитных бурь
суббуревая активность может опускаться с высоких геомагнитных широт, достигая
средних широт. В данном случае на
средних широтах будет наблюдаться нарушение радиосвязи, вызванное возмущающим
воздействием на ионосферу энергичных заряженных частиц,
генерируемых
во время суббуревой активности.
Взаимосвязь солнечной и геомагнитной активности – современные тенденции
В некоторых современных работах, посвященных проблеме космическое погоды и
космического климата, высказывается мысль о необходимости разделения солнечной и
геомагнитной активности .
На рисунке показано различие между среднемесячными значениями солнечных пятен,
традиционно считающимися показателем СА (красный), и АА-индекса (синий),
показывающим уровень геомагнитной активности. Из рисунка видно, что совпадение
наблюдается далеко не для всех циклов СА.
Дело в том, что в максимумах СА большую долю составляют спорадические бури, за
которые ответственны вспышки и КВМ, то есть явления, происходящие в областях
Солнца с замкнутыми силовыми линиями. Но в минимумах СА большинство бурь
реккурентные, причиной которых является приход к Земле высокоскоростных потоков
солнечного ветра, истекающих из корональных дыр - областей с открытыми силовыми
линиями. Таким образом, источники геомагнитной активности, по крайней мере, для
минимумов СА, имеют существенно различную природу .
Ионизующее электромагнитное излучение солнечных вспышек
В качестве еще одного важного фактора космической погоды следует отдельно
отметить ионизующее электромагнитное излучение (ИЭИ) солнечных вспышек. В
спокойное время ИЭИ практически полностью поглощается на больших высотах,
вызывая ионизацию атомов воздуха. Во время солнечных вспышек потоки ИЭИ от
Солнца возрастают на несколько порядков, что приводит к разогреву
и дополнительной
ионизации верхней атмосферы.
В результате разогрева под
воздействием ИЭИ
, атмосфера “раздувается”, т.е. плотность ее на
фиксированной высоте сильно увеличивается. Это представляет серьезную опасность
для низковысотных ИСЗ и пилотируемых ОС, поскольку, попадая в плотные слои
атмосферы, КА может быстро потерять высоту. Такая участь постигла американскую
космическую станцию «Скайлэб» в 1972 году во время мощной солнечной вспышки - на
станции не хватило топлива для возврата на прежнюю орбиту
.
Поглощение коротковолнового радиоизлучения
Поглощение коротковолнового радиоизлучения
является
результатом того, что приход ионизующего электромагнитного излучения − УФ и
рентгеновского излучения солнечных вспышек вызывает дополнительную ионизацию
верхней атмосферы (см. подробнее в материалах по теме "Транзиентные световые
явления в верхней атмосфере Земли"). Это приводит к ухудшению или даже полному
прекращению радиосвязи на освещенной стороне Земли в течение несколько часов
