Магнитни бури. — Мащаб на геомагнитни бури

Слънчевите космически лъчи (SCR) са протони, електрони, ядра, образувани при слънчеви изригвания и достигащи орбитата на Земята след взаимодействие с междупланетната среда.
Магнитосферни бури и суббури, причинени от пристигането на междупланетна ударна вълна към Земята, свързана както с CME, така и с COE, и с високоскоростни потоци от слънчев вятър;
Йонизиращо електромагнитно лъчение (IER) от слънчеви изригвания, причиняващо нагряване и допълнителна йонизация на горната атмосфера;
Увеличаване на потоците от релативистични електрони във външния радиационен пояс на Земята, свързано с пристигането на високоскоростни потоци от слънчев вятър към Земята.

Слънчеви космически лъчи (SCR)

Енергийните частици, образувани във факли - протони, електрони, ядра - след взаимодействие с междупланетната среда могат да достигнат орбитата на Земята. Общоприето е, че най-голям принос към общата доза имат слънчевите протони с енергия 20-500 MeV. Максималният поток от протони с енергия над 100 MeV от мощно изригване на 23 февруари 1956 г. е 5000 частици на cm -2 s -1.
(Вижте материалите по темата “Слънчеви космически лъчи” за повече подробности).
Основен източник на SCR– слънчеви изригвания, в редки случаи – разпадане на протуберанец (влакно).

SCR като основен източник на радиационна опасност в OKP

Потоците от слънчеви космически лъчи значително повишават нивото на радиационна опасност за астронавтите, както и екипажите и пътниците на самолети с голяма надморска височина по полярни маршрути; водят до загуба на спътници и повреда на оборудването, използвано на космическите обекти. Вредата, която радиацията причинява на живите същества, е доста добре известна (за повече подробности вижте материалите по темата „Как космическото време влияе на живота ни?“), но освен това голяма доза радиация може да повреди инсталираното електронно оборудване върху космически кораби (вижте . Прочетете повече за Лекция 4 и материали по теми за въздействието на външната среда върху космическите кораби, техните елементи и материали).
Колкото по-сложна и модерна е микросхемата, толкова по-малък е размерът на всеки елемент и по-голяма е вероятността от повреди, които могат да доведат до неправилната му работа и дори до спиране на процесора.
Нека дадем ясен пример за това как високоенергийните SCR потоци влияят върху състоянието на научното оборудване, инсталирано на космически кораби.

За сравнение фигурата показва снимки на Слънцето, направени от инструмента EIT (SOHO), направени преди (07:06 UT 28/10/2003) и след мощно слънчево изригване, настъпило около 11:00 UT 28/10/2003 , след което NCP потоците от протони с енергия от 40-80 MeV се увеличават с почти 4 порядъка. Количеството "сняг" на дясната фигура показва колко е повредена записващата матрица на устройството от потоците от изригващи частици.

Влиянието на увеличаването на потоците SCR върху озоновия слой на Земята

Тъй като източниците на азотни и водородни оксиди, чието съдържание определя количеството озон в средната атмосфера, могат да бъдат и високоенергийни частици (протони и електрони) на SCR, тяхното влияние трябва да се вземе предвид при фотохимичното моделиране и интерпретация на данни от наблюдения в моменти на слънчеви протонни събития или силни геомагнитни смущения.

Слънчеви протонни събития

Ролята на 11-годишните вариации на GCR при оценката на радиационната безопасност на дългосрочните космически полети

При оценката на радиационната безопасност на дългосрочни космически полети (като например планираната експедиция до Марс) става необходимо да се вземе предвид приносът на галактическите космически лъчи (GCR) към дозата на радиация (за повече подробности, вижте лекция 4). В допълнение, за протони с енергия над 1000 MeV, величината на потоците GCR и SCR става сравнима. При разглеждане на различни явления на Слънцето и в хелиосферата през времеви интервали от няколко десетилетия или повече, определящ фактор е 11-годишната и 22-годишната цикличност на слънчевия процес. Както може да се види от фигурата, интензитетът на GCR се променя в противофаза с числото на Волф. Това е много важно, тъй като при минимум SA междупланетната среда е слабо нарушена и GCR потоците са максимални. Като имат висока степен на йонизация и са всепроникващи, по време на периоди на минимални SA GCR определят дозовите натоварвания върху хората в космически и авиационни полети. Процесите на слънчева модулация обаче се оказват доста сложни и не могат да бъдат сведени само до антикорелация с числото на Волф. .

Фигурата показва модулацията на интензитета на CR в 11-годишния слънчев цикъл.

Слънчеви електрони

Високоенергийните слънчеви електрони могат да причинят обемна йонизация на космически кораби и също така да действат като „електрони-убийци“ за микросхеми, инсталирани на космически кораби. Поради SCR потоците комуникациите на къси вълни в полярните региони са нарушени и възникват повреди в навигационните системи.

Магнитосферни бури и суббури

Други важни последици от слънчевата активност, които влияят на състоянието на околоземното пространство, са магнитни бури– силни (десетки и стотици nT) промени в хоризонталната компонента геомагнитно поле, измерен на земната повърхност на ниски географски ширини. Магнитосферна буряе съвкупност от процеси, протичащи в магнитосферата на Земята по време на магнитна буря, когато има силно компресиране на границата на магнитосферата от дневната страна, други значителни деформации на структурата на магнитосферата и се образува пръстенен ток от енергийни частици вътрешната магнитосфера.
Терминът "суббуря" е въведен през 1961 г. S-I. Akasofu за обозначаване на аврорални смущения в авроралната зона с продължителност около час. В магнитните данни още по-рано бяха идентифицирани смущения във формата на залив, съвпадащи по време със суббуря в полярните сияния. Магнитосферна суббуряе съвкупност от процеси в магнитосферата и йоносферата, които в най-общ случай могат да се характеризират като последователност от процеси на натрупване на енергия в магнитосферата и експлозивното й освобождаване. Източник на магнитни бури− пристигането на високоскоростна слънчева плазма (слънчев вятър), както и COW и свързаната с нея ударна вълна към Земята. Високоскоростните слънчеви плазмени потоци от своя страна се делят на спорадични, свързани със слънчеви изригвания и CME, и квазистационарни, възникващи над короналните дупки, в зависимост от техния източник се делят на спорадични и повтарящи се. (Вижте лекция 2 за повече подробности).

Геомагнитни индекси – Dst, AL, AU, AE

Числени характеристики, отразяващи геомагнитните смущения са различни геомагнитни индекси - Dst, Kp, Ap, AA и др.
Амплитудата на вариациите на магнитното поле на Земята често се използва като най-обща характеристика на силата на магнитните бури. Геомагнитен индекс Dstсъдържа информация за планетарни смущения по време на геомагнитни бури.
Тричасовият индекс не е подходящ за изучаване на суббуря през това време суббуря може да започне и да свърши. Подробна структура на флуктуациите на магнитното поле, дължащи се на токове в авроралната зона ( аврорална електрическа струя) характеризира индекс на авроралната електрическа струя AE. За да изчислим индекса AE, използваме магнитограми на Н-компонентиобсерватории, разположени на аврорални или субаврорални ширини и равномерно разпределени по дължина. В момента AE индексите се изчисляват от данни от 12 обсерватории, разположени в северното полукълбо на различни географски дължини между 60 и 70° геомагнитна ширина. За числено описание на суббуревата активност се използват също геомагнитни индекси AL (най-голямата отрицателна вариация на магнитното поле), AU (най-голямата положителна вариация на магнитното поле) и AE (разликата между AL и AU).

Dst индекс за май 2005 г

Kr, Ar, AA индекси

Индекс геомагнитна активност Kp се изчислява на всеки три часа от измервания на магнитното поле в няколко станции, разположени в различни частиЗемята. Има нива от 0 до 9, всяко следващо ниво на скалата отговаря на вариации 1,6-2 пъти по-големи от предишното. Силните магнитни бури съответстват на нива на Kp по-големи от 4. Така наречените супербури с Kp = 9 се срещат доста рядко. Заедно с Kp се използва и индексът Ap, равен на средната амплитуда на вариациите на геомагнитното поле по земното кълбо за ден. Измерва се в нанотесла (полето на земята е приблизително
50 000 nT). Нивото Kp = 4 приблизително съответства на Ap равно на 30, а нивото Kp = 9 съответства на Ap по-голямо от 400. Очакваните стойности на тези индекси съставляват основното съдържание на геомагнитната прогноза. Индексът Ap започва да се изчислява през 1932 г., така че за по-ранни периоди се използва индексът AA - средната дневна амплитуда на вариациите, изчислена от две противоположни обсерватории (Гринуич и Мелбърн) от 1867 г. насам.

Комплексното влияние на SCR и бурите върху космическото време поради проникването на SCR в магнитосферата на Земята по време на магнитни бури

От гледна точка на радиационната опасност, породена от SCR потоците за сегменти с висока ширина на орбитите на космически кораби като МКС, е необходимо да се вземе предвид не само интензитетът на SCR събитията, но и границите на тяхното проникване в земната магнитосфера(Вижте Лекция 4 за повече подробности.) Освен това, както може да се види от фигурата по-горе, SCR проникват доста дълбоко дори при магнитни бури с малка амплитуда (-100 nT или по-малко).

Оценка на радиационната опасност в райони с висока ширина на траекторията на МКС въз основа на данни от нискоорбитални полярни спътници

Оценки на дозите на радиация в райони с висока ширина на траекторията на МКС, получени въз основа на данни за спектрите и границите на проникване на SCR в магнитосферата на Земята според спътниковите данни на Университетски-Татяна по време на слънчеви изригвания и магнитни бури от септември 2005 г. бяха сравнени с дози, експериментално измерени на МКС в райони с висока географска ширина. От дадените фигури ясно се вижда, че изчислените и експерименталните стойности са последователни, което показва възможността за оценка на дозите на радиация в различни орбити, като се използват данни от полярни спътници на ниска надморска височина.

Карта на дозите на МКС (IBS) и сравнение на изчислени и експериментални дози.

Магнитните бури като причина за прекъсване на радиокомуникациите

Магнитните бури водят до силни смущения в йоносферата, които от своя страна влияят негативно на състоянието радиопредаване. В субполярните области и авроралните овални зони йоносферата е свързана с най-динамичните области на магнитосферата и следователно е най-чувствителна към подобни влияния. Магнитните бури във високи географски ширини могат почти напълно да блокират радиопредаванията за няколко дни. В същото време страдат и други области на дейност, например пътуването със самолет. Друг негативен ефект, свързан с геомагнитните бури, е загубата на ориентация на сателитите, чиято навигация се извършва по геомагнитното поле, което изпитва силни смущения по време на бурята. Естествено, по време на геомагнитни смущения възникват проблеми с радара.

Влиянието на магнитните бури върху функционирането на телеграфни и електропроводи, тръбопроводи, железопътни линии

Промените в геомагнитното поле, възникващи по време на магнитни бури в полярни и аврорални ширини (според добре известния закон за електромагнитната индукция), генерират вторични електрически токове в проводимите слоеве на земната литосфера, в солена вода и в изкуствени проводници. Индуцираната потенциална разлика е малка и възлиза на приблизително няколко волта на километър, но в дълги проводници с ниско съпротивление - съобщителни и електропроводи (електропроводи), тръбопроводи, релси железници − общата сила на индуцираните токове може да достигне десетки и стотици ампери.
Най-малко защитени от такова влияние са въздушните комуникационни линии за ниско напрежение. По този начин значителни смущения, възникнали по време на магнитни бури, са отбелязани още на първите телеграфни линии, построени в Европа през първата половина на 19 век. Геомагнитната активност също може да причини значителни проблеми за железопътната автоматизация, особено в полярните региони. А в нефто- и газопроводите, простиращи се на много хиляди километри, индуцираните токове могат значително да ускорят процеса на метална корозия, което трябва да се вземе предвид при проектирането и експлоатацията на тръбопроводи.

Примери за въздействието на магнитните бури върху функционирането на електропроводите

Голяма авария, която се случи по време на силната магнитна буря през 1989 г. в електропреносната мрежа на Канада, ясно показа опасността от магнитни бури за електропроводите. Разследването показа, че причината за аварията са трансформатори. Факт е, че компонентът на постоянния ток въвежда трансформатора в неоптимален режим на работа с прекомерно магнитно насищане на сърцевината. Това води до прекомерно поглъщане на енергия, прегряване на намотките и в крайна сметка до повреда на цялата система. Последващ анализ на работата на всички електроцентрали в Северна Америка разкри статистическа връзка между броя на авариите в зоните с висок риск и нивото на геомагнитна активност.

Влиянието на магнитните бури върху човешкото здраве

В момента има резултати от медицински изследвания, доказващи наличието на човешка реакция към геомагнитни смущения. Тези проучвания показват, че има доста голяма категория хора, които магнитни буриимат отрицателен ефект: човешката дейност се потиска, вниманието се притъпява и хроничните заболявания се обострят. Трябва да се отбележи, че изследванията на влиянието на геомагнитните смущения върху човешкото здраве тепърва започват и техните резултати са доста противоречиви и противоречиви (за повече подробности вижте материалите по темата „Как космическото време влияе на живота ни?“).
Повечето изследователи обаче са съгласни, че в този случай има три категории хора: за едни геомагнитните смущения имат депресиращ ефект, за други, напротив, те имат вълнуващ ефект, а за трети не се наблюдава реакция.

Йоносферните суббури като фактор за космическото време

Суббурите са мощен източник електрони във външната магнитосфера. Потоците от нискоенергийни електрони нарастват силно, което води до значително увеличение на електрификация на космически кораби(за повече подробности вижте материалите по темата "Електрификация на космически кораби"). По време на силна активност на суббуря, електронните потоци във външния радиационен пояс на Земята (ERB) се увеличават с няколко порядъка, което представлява сериозна опасност за сателитите, чиито орбити пресичат този регион, тъй като вътре в космическия кораб се натрупва достатъчно голямо количество електрони. обемен заряд, водещ до повреда на бордовата електроника. Като пример можем да цитираме проблеми с работата на електронните инструменти на спътниците Equator-S, Polag и Calaxy-4, които възникнаха на фона на продължителна активност на суббуря и, като следствие, много високи потоци от релативистични електрони в външната магнитосфера през май 1998 г.
Суббурите са неразделен спътник на геомагнитните бури, но интензивността и продължителността на активността на суббурята има двусмислена връзка със силата на магнитната буря. Важно проявление на връзката "буря-суббуря" е прякото влияние на силата на геомагнитната буря върху минималната геомагнитна ширина, на която се развиват суббури. По време на силни геомагнитни бури суббуревата активност може да се спусне от високи геомагнитни ширини, достигайки средни ширини. В този случай в средните географски ширини ще има прекъсване на радиокомуникациите, причинено от смущаващия ефект върху йоносферата на енергийно заредени частици, генерирани по време на суббуревата активност.

Връзката между слънчевата и геомагнитната активност – съвременни тенденции

В някои съвременни произведенияпосветен на проблема за космическото време и космическия климат, се изразява идеята за необходимостта от разделяне на слънчевата и геомагнитната активност. Фигурата показва разликата между средните месечни стойности на слънчевите петна, традиционно считани за индикатор на SA (червено), и индекса AA (синьо), който показва нивото на геомагнитна активност. От фигурата може да се види, че съвпадението не се наблюдава за всички цикли на SA.
Факт е, че голяма част от максимумите на SA се състоят от спорадични бури, за които са отговорни изригвания и CME, тоест явления, възникващи в региони на Слънцето със затворени полеви линии. Но при минимумите на SA повечето бури са повтарящи се, причинени от пристигането на Земята на високоскоростни потоци от слънчев вятър, протичащи от коронални дупки - региони с отворени полеви линии. По този начин източниците на геомагнитна активност, поне за минимумите на SA, имат значително различен характер.

Йонизиращо електромагнитно лъчение от слънчеви изригвания

Като друг важен фактор в космическото време трябва отделно да се отбележи йонизиращото електромагнитно лъчение (IER) от слънчеви изригвания. По време на тихо време EI се абсорбира почти напълно на голяма надморска височина, причинявайки йонизация на въздушните атоми. По време на слънчеви изригвания, EI потоците от Слънцето се увеличават с няколко порядъка, което води до загрявамИ допълнителна йонизация на горната атмосфера.
Като резултат нагряване под въздействието на електрическа енергия, атмосферата е „напомпана“, т.е. неговата плътност при фиксирана височина нараства значително. Това представлява сериозна опасност за спътниците с ниска надморска височина и пилотираните космически кораби, тъй като при навлизане в плътните слоеве на атмосферата космическият кораб може бързо да загуби височина. Тази съдба сполетя американската космическа станция Skylab през 1972 г. по време на мощно слънчево изригване - станцията нямаше достатъчно гориво, за да се върне в предишната си орбита.

Абсорбция на късовълнови радиовълни

Абсорбция на късовълнови радиовълние резултат от факта, че пристигането на йонизиращо електромагнитно лъчение - UV и рентгеново лъчение от слънчеви изригвания предизвиква допълнителна йонизация на горната атмосфера (вижте за повече подробности в материалите по темата "Преходни светлинни явления в горната атмосфера на Земята"). Това води до влошаване или дори пълно спиране на радиокомуникациите на осветената страна на Земята за няколко часа)