Геофизик Пилипенко объяснил, на что влияют магнитные бури

Из архива Вячеслава Пилипенко

Какие явления относятся к космической погоде, почему она на четвертом месте по опасности для человечества среди природных катастроф и действительно ли сильные магнитные бури влияют на самочувствие некоторых людей и могут сжечь трансформатор линии электропередачи «Газете.Ru» рассказал заведующий лабораторией физики околоземного пространства Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, доктор физико-математических наук Вячеслав Пилипенко.

— Что такое космическая погода?

— Этот термин был придуман, чтобы кратко назвать то, что мы понимаем под состоянием околоземного космического пространства — текущая ситуация с динамикой плазмы, потоками частиц разных энергий, токами и электромагнитными волнами. Все это вместе называют космической погодой. Долговременные изменения космической погоды называют «космическим климатом».

— Какие процессы чаще всего относят к космической погоде?

— Два самых ярких процесса — это магнитные бури и полярные сияния. Они связаны с тем, что Земля «живет» в короне Солнца. Из Солнца постоянно истекает поток плазмы — солнечный ветер, который глазами мы увидеть не можем. В этом потоке солнечного ветра мы постоянно и существуем. Но течение солнечной плазмы не равномерно, на его фоне спорадически происходят корональные выбросы плазмы, которые Солнце испускает в космическое пространство вокруг себя. Если Земля оказывается на пути этого облака плазмы, то в околоземном пространстве развивается магнитная буря, которая в первую очередь проявляется как очень сильное возмущение магнитного поля Земли.

— В чем проявляется это возмущение?

— Оно создается мощными токами. Эти токи текут и в околоземном пространстве, и по ионосфере Земли. Но жителей Земли напрямую солнечный ветер достичь не может, потому что нас защищает плазменная полость вокруг Земли — магнитосфера. С другой стороны, взаимодействие солнечного ветра и магнитосферы Земли приводит к тому, что вблизи Земли работают природные ускорители частиц, механизм которых мы еще не до конца понимаем. Они ускоряют частицы, а геомагнитное поле направляет их в область высоких широт, где мы видим полярное сияние, которое является гигантским газовым разрядом. И когда ускоренные частицы высыпаются в атмосферу Земли, — мы видим это свечение.

— Получается, магнитные бури связаны с северными сияниями?

— При магнитной буре обязательно произойдет полярное сияние, но оно может наблюдаться и без магнитной бури.

— С чем это связано?

— Бури различаются по величине, от слабых до сильных. Кроме того, примерно раз в три дня происходят суббури. Если магнитная буря охватывает все околоземное пространство, то суббури происходят только с ночной стороны, они проявляются как резкое усиление полярных сияний. Суббуря — более локализованное явление, чем буря, но по интенсивности возмущения геомагнитного поля они сопоставимы. Наконец, происходят, хотя и редко, экстремальные бури, которые представляют угрозу для технологической жизни человечества.

— А как часто возникают экстремальные бури?

— В среднем по статистике — четыре бури за солнечный цикл, который длится примерно 11 лет.

— Почему они в принципе происходят?

— Магнитные и суббури можно назвать своего рода «космотрясениями». На Земле под нашими ногами тектонические плиты медленно движутся, но почему-то время от времени они начинают резко взбрыкивать — происходят землетрясения. Причем, они бывают разными по силе: от фоновой сейсмичности до разрушительных. Что-то похожее происходит в космосе. Хотя поток солнечного ветра дует постоянно, но почему-то эта энергия накапливается, и время от времени взрывным образом выбрасываются к Земле потоки ускоренных частиц и усиливаются токи в ионосфере — происходит суббуря. Особенно сильные возмущения космической погоды происходят, когда суббуря развивается на фоне бури.

— Доказано ли влияние магнитных бурь на человека?

— Пока это мало исследованная область. Многие ученые отрицают это воздействие, я тоже к ним отношусь. В условиях большого города трамвай, который мимо вас проезжает, создает возмущение магнитного поля гораздо больше, чем любая магнитная буря. С другой стороны, существует статистика, которая подтверждает, что количество вызовов скорой помощи при магнитных бурях возрастает.

— И есть научные статьи, которые это доказывают?

— Да. Это всерьез изучает такая наука как гелиобиология. Парадокс, с моей точки зрения, не объяснен: любой промышленный объект создает возмущение гораздо большее, чем магнитная буря, а, тем не менее, почему-то это проявляется на биологических объектах. Но отрицать это влияние полностью нельзя, потому что воздействие может быть оказано не на всех подряд, а на людей, которые находятся в пограничном состоянии — допустим, это роженица в больнице или человек с сердечной недостаточностью. На остальных же влияние очень слабое, часто незаметное. Как ни странно, на железки космическая погода действует гораздо сильнее, чем на человека.

— На железки, которые находятся в космосе или и на Земле?

— На все. На железки в космосе само собой, особенно на спутниковую электронику. Ясно, что космический корабль не расплавится от того, что на него падают космические частицы, но электроника пострадает от высокоэнергичных электронов радиационных поясов. На Землю эти электроны-убийцы электроники попасть не могут, так как нас защищает плотная атмосфера. Но для наземных систем опасность представляют другие факторы.

Под удар попадают крупномасштабные заземленные системы — например, линии электропередачи (ЛЭП). Все изменения магнитного поля, как нас учили в школе, вызывают индукционный ток в проводнике. Поэтому при сильных возмущениях геомагнитного поля в проводах наводится ток, который специалисты называют геоиндуцированным. Поскольку ЛЭП — система громадная, ток может достичь больших величин, до нескольких сотен ампер. А высоковольтные трансформаторы работают на 50 Гц и на такой квази-постоянный ток не рассчитаны. Трансформатор выходит из рабочего режима, начинается перегрев, искажается передаваемый ток, и трансформатор даже может выйти из строя.

— Как часто это бывает?

— Не очень часто, потому что экстремальные магнитные бури сравнительно редки, но уж если она произойдет, то последствия для энергетики могут быть катастрофические. В 1989 году чуть ли не четверть Канады (вся провинция Квебек) осталась без электричества, потому что основной промышленный трансформатор перегорел из-за экстремальной магнитной бури. Такой высоковольтный трансформатор просто так не заменишь, на складе они не лежат. Поэтому когда Американский Геофизический Союз составлял список природных катастроф, которые наиболее опасны для современной цивилизации, то космическая погода оказалась на четвертом месте.

— Спрогнозировать появление магнитных бурь возможно?

— Тут виден существенный прогресс. Арсенал средств, которые современная космическая геофизика использует, колоссальный. Можно магнитную бурю проследить от «колыбели» до «могилы». Постоянно ведутся наблюдения за солнечными вспышками и выбросами плазмы на Солнце как с наземных телескопов, так и со спутников. Но не каждый выброс солнечной плазмы может на нас повлиять. Облако плазмы вылетает куда-то в космическое пространство, но попадет ли оно на Землю или нет – с уверенностью сказать нельзя. Поэтому за межпланетным пространством наблюдают специальные спутники, находящиеся в точке либрации (около 200 земных радиусов от Земли, где притяжение Солнца и Земли уравниваются). Если плазменное облако приближается к Земле, эти спутники его видят и мгновенно передают всю эту информацию на Землю. Поскольку плазма распространяется существенно медленнее, чем радиоволны, у нас в запасе примерно час, чтобы среагировать на угрозу.

— То есть, если к нам летит облако, сравнимое с тем, что «наделало шуму» в 1989 году, можно успеть что-то сделать?

— Да. Если это спутник, можно выключить аппаратуру, и она не так пострадает. Если это наземные системы — высокоширотные линии электропередачи, — операторы сети могут снизить нагрузку.

Вячеслав Пилипенко

— То есть сейчас урон от магнитных бурь, подобных той, что наблюдалась в 1989 году, будет меньше?

— На самом деле, сказать сложно. Если бы буря такой силы повторилась сейчас, урон мог бы быть и больше. Сейчас сети ЛЭП существенно расширились и все они связаны между собой. Если бы в одном месте произошло катастрофическое нарушение, то «посыпалась» бы вся сеть. Поскольку магнитные бури развиваются на высоких широтах, этому подвержены только северные страны. Это Скандинавия, Канада, север США и Россия.

— В России ЛЭП защищены от подобных событий?

— Это интересный вопрос. Изучение космической погоды, особенно ее воздействия на технологические системы, долгое время находится в подвешенном состоянии. Об этом много говорят, но мало что делают. Связано это с совершенно конкретной проблемой: энергетические промышленные компании не дают ученым данные о сбоях в работе ЛЭП для изучения.

— А у них эти данные точно есть?

— Конечно, многолетние архивы. Но ни одна энергетическая компания, как у нас в России, так и на Западе тоже, никогда такой информации не даст. Они считают, что эти данные повлияют на их экономическое положение. То же самое со спутниковыми компаниями. О том, что происходят сбои, мы можем узнать только когда спутник вырубится полностью.

— Почему бы не установить на ЛЭП независимую научно-исследовательскую аппаратуру и следить за геоиндуцированными токами параллельно?

— Ее нужно устанавливать на подстанции, а это требует разрешения компании. Промышленникам проще отказать, чем дать разрешение и следить за работой аппаратуры.

И такая ситуация не только с энергетическими системами. Например, возмущения космической погоды проявляются в резком росте ионосферных неоднородностей на высоких широтах. В результате ионосферные возмущения могут быть неправильно «истолкованы» радарами. Космическая погода сказывается и на качестве радиосвязи, особенно в коротковолновом диапазоне, так как он работает на радиоволнах, которые отражаются от ионосферы. Как только начинается полярное сияние при суббуре — связь нарушается. Системы спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС тоже подвержены сбоям. Известен такой случай, когда во время американо-европейских учений «Трайдент» в Северной Атлантике внезапно пропала спутниковая связь. Все журналисты писали, что это проклятые «русские хакеры», а потом выяснилось, что была сильная магнитная буря.

— То есть, военные тоже заинтересованы в изучении магнитных бурь?

— Конечно. Допустим такую фантазию: какие-то злодеи решили уничтожить всю нашу энергетику по примеру Венесуэлы, когда с помощью компьютерной атаки вывели из строя всю их систему энергоснабжения. Как это сделать незаметно? Надо дождаться магнитной бури и под ее прикрытием уничтожить энергетическую систему, а потом сказать, что это было природное явление, и вы тут ни при чем.

Чтобы этого избежать, нужны собственные космические аппараты, которые могли бы сказать, когда действительно будет магнитная буря. Нельзя полагаться только на чужие данные. Ну и влияние космической погоды на технологические системы, несомненно, нужно серьезно изучать, не ограничиваясь только общими рассуждениями. Для этого необходимо дать ученым возможность установки необходимой аппаратуры и доступ к архиву по сбоям энергетических компаний.