Геомагнитная буря

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая Maxim Leyenson (обсуждение | вклад) в 12:51, 10 октября 2024 (→Влияние на людей и другие организмы: : еще две ссылки на Чижевского; комиссия под руководством Иоффе). Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к навигации Перейти к поиску
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

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[англ.][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]). Эта буря вызвала мощнейший сбой в работе телеграфов, а полярное сияние, которое ее сопровождало, можно было наблюдать даже в тропиках[источник не указан 331 день].

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[англ.] (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[нем.] в 1938 году 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 (англ. 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 экипажей 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.

Влияние на людей и другие организмы

Гипотеза о влиянии магнитных бурь на здоровье человека зародилась в России, ее высказал Александр Чижевский в 1936 году[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. Одновременно Чижевский предлагал использовать ионизированный воздух (который образуется, в частности, при геомагнитных бурях) для лечения легочных заболеваний [22][23]. Чижевский также предлагал использовать ионизированный воздух, образующийся, в частности, при геомагнитных бурях, в животноводстве [24]. Позже комиссия под руководством А.Ф. Иоффе дала отрицательных отзыв на гиптезы и работы Чижевского.

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[25], 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 для лётчиков и астронавтов на больших высотах из-за радиационного облучения, при этом о вредном влиянии магнитного поля на здоровье ничего не говорится, хотя электронные приборы могут быть повреждены[26].

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

Согласно полностью или частично 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[25]. Данный феномен назван неофициальным медицинским термином метеозависимость.

См. также

Примечания

  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[англ.]. — 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. ↑ Чижевский А. Л. Лечение легочных заболеваний ионизированным воздухом. — М., 1930
  23. ↑ Аэроионизация в медицине: Труды ЦНИЛИ. Т. 3 / Под ред. А. Л. Чижевского и Г. А. Лапидус. — Воронеж, 1934
  24. ↑ Чижевский А. Л. Проблемы ионификации: Пути разрешения проблемы ионификации в животноводстве, растениеводстве, в ветеринарии и медицине. — Харьков: Укрсельхозгиз, 1933.
  25. ↑ 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.
  26. ↑ U.S. Geological Survey. What are the hazards of magnetic storms? Архивная копия от 16 мая 2022 на Wayback Machine

Литература

Ссылки

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Геомагнитная_буря&oldid=140687179