Солнечный шторм: Что представляет собой солнечный радиационный шторм? | Помощь

Опасности солнечных бурь: то, что дает энергию, также может ее отнять.

В выпуске EARTH за последний месяц мы исследовали то, что известно о солнечной активности, Солнце и его взаимодействии с Землей. В этом месяце мы исследуем возможные последствия солнечной активности и уязвимости электросетей и спутников, а также то, что делается для уменьшения этой уязвимости.

Если бы на Землю обрушилась мощная солнечная буря, ее воздействие могло бы конкурировать или превосходить самые ужасные стихийные бедствия, с которыми когда-либо сталкивались люди.

«Давайте на мгновение предположим, что мы потеряли власть в большом регионе Соединенных Штатов на несколько месяцев или лет. Немедленно закрывается большая часть торговли. Несколько магазинов могут быть открыты и использовать наличные, но, как правило, торговля немедленно прекращается », — говорит Ричард Андрес, программный директор Политики энергетической и экологической безопасности в Университете национальной обороны в Вашингтоне, округ Колумбия,

Законодательство некоторых штатов обязывает заправочные станции содержать резервные генераторы, но в большинстве штатов U.Газовые насосы S. остановятся, как только пропадет электричество. Точно так же перестанут работать топливопроводы. Банкоматы выходили из строя. Через несколько часов вышли из строя и наземные телефонные линии, и сотовые телефоны. «Большинство городов теперь перекачивают воду вместо использования силы тяжести, поэтому через несколько часов или более вода перестанет перекачиваться». Также будет остановлена ​​очистка сточных вод, и сточные воды могут перетекать в питьевую воду. Это только начало наихудшего сценария, который представляют себе Андрес и другие, и которые пытаются предотвратить.

Примерно через три дня после отключения электроэнергии кладовые в домашних условиях начнут истощаться, как и терпение населения. Люди пытались покинуть пострадавшие районы, но не могли заправить свои машины. Те, у кого проблемы со здоровьем, скоро потеряют доступ к лекарствам. «Аварийные службы в основном имеют генераторы, поэтому больницы [будут] иметь электричество в течение нескольких дней», — говорит Андрес, но в конечном итоге они тоже потеряют электричество, когда их ограниченные запасы топлива закончатся.

«Примерно через пять дней после того, как возникла ситуация, полиция, пожарные и другие аварийно-спасательные службы [начнут] покидать свои рабочие места, чтобы вернуться домой и защитить свои семьи — это то, что нам сказали представители национальной гвардии и правоохранительных органов, — и люди [будут] ] пытаются найти пищу и воду везде, где они могут прокормить свои семьи, поэтому мы думаем, что это может привести к нарушению общественного порядка », — говорит Андрес.Рабочие, управляющие электросетью, также могут уйти с работы, что еще больше затруднит восстановление.

И еще есть ядерный концерн. «Сотни Фукусимы», — говорит Джон Каппенман, инженер-электрик, который десятилетиями изучал уязвимость энергосистемы США к геомагнитной активности. Ядерные реакторы остановятся и, в конце концов, расплавятся, потому что даже их системам охлаждающей воды требуется электричество для продолжения работы больших насосов, необходимых для охлаждения корпусов реакторов и бассейнов выдержки отработанного топлива.«Хотел бы я нарисовать более радужную картину, но мы должны честно говорить о таких последствиях бедствий и делать все возможное, чтобы их избежать», — говорит Каппенман.

На протяжении всей истории человечество неуклонно увеличивало свою зависимость от технологий. Хотя технологии значительно улучшили качество жизни миллиардов людей, они также открыли человечество для новых рисков и уязвимостей.

Терроризм и стихийные бедствия могут быть в центре внимания политиков и США.S. население, но над нашими головами таится значительная угроза: солнце. Массивная солнечная буря, размер которой в последний раз наблюдался полтора века назад, может легко оставить сотни миллионов людей в темноте на несколько дней, недель или даже месяцев.

Солнце следует примерно 11-летнему циклу активности, который измеряется количеством солнечных пятен на его поверхности. Максимум солнечной активности — когда активность солнечных пятен достигает пика, с соответствующим увеличением солнечных вспышек и сгустков солнечной плазмы, генерирующих магнитное поле, весом в миллиарды тонн, известных как корональные выбросы массы (CME), запускаемые с поверхности Солнца, — прогнозируется позднее в этом году.Увеличение космической погоды обычно совпадает с солнечным максимумом, вызывая изменения в магнитосфере, ионосфере и термосфере Земли из-за солнечной активности.

Супер буря уязвимости

Когда ураган «Сэнди» разразился в Нью-Джерси и Нью-Йорке в октябре прошлого года, он врезался ломом в хрупкую высокоскоростную технику одного из самых густонаселенных городских районов страны. Во время шторма туннели метро были затоплены, массивные пожары сожгли десятки домов, а ветер, волны и штормовой нагон сметали имущество и размывали береговую линию.Миллионы людей в нескольких штатах на несколько дней остались без электричества и сотовой связи.

Sandy — это напоминание о том, как массовые отключения электроэнергии ограничивают доступ к ресурсам, которые обычно считаются само собой разумеющимися. Например, на заправочных станциях может быть много топлива, но его нельзя прокачать без электричества. Вслед за Сэнди автомобилисты из Нью-Йорка и Нью-Джерси часами стояли в очередях, чтобы заправить электричество на нескольких местных станциях. Терпение иссякло, нервы вскипели, и для поддержания порядка была вызвана полиция.Тем временем магазины без электричества были закрыты ставнями, некоторые больницы без электричества были вынуждены перевезти пациентов, а вышки сотовой связи не работали без электричества. Через неделю электроснабжение в основном было восстановлено, а жизнь тех, кто не пострадал в своих домах или потерял членов семьи, начала возвращаться в нормальное русло.

«Ураган« Сэнди »демонстрирует, что может пойти не так», — говорит Каппенман, проработавший 20 лет в электроэнергетике, затем в Metatech Corporation, научно-технической консалтинговой фирме, а сейчас является независимым консультантом.После урагана люди в пострадавших регионах зависят от помощи из соседних, незатронутых регионов. В случае сильной геомагнитной бури может не оказаться соседнего незатронутого региона, говорит Каппенман. «Мы говорим о чем-то, что может охватить весь континент, а не несколько округов вблизи выхода на берег», — говорит он.

Эталонное событие, по которому оценивается суровая космическая погода, произошло 150 лет назад. В 1859 году событие Кэррингтона озарило тропическое небо полярными сияниями, которые обычно происходят только в высокоширотных регионах.Он также индуцировал токи по телеграфным кабелям, единственной в то время электрической технологии дальней связи, вызывая искры, пожары и искаженные сигналы, от которых страдали телеграфисты.

Событие Кэррингтон — самая сильная геомагнитная буря, обрушившаяся на планету за всю историю человечества. Что могло бы случиться, если бы такое событие произошло сегодня, когда редкая сеть американских телеграфных линий превратилась в огромную сеть высоковольтных линий электропередач протяженностью 160 000 километров?

Дорогостоящая дыра в данных

По словам Терезы Моретто Йоргенсен, физика-магнитосферы и директора Программы исследований космической погоды и приборостроения Национального научного фонда (NSF), понимание космической погоды — это не только стремление к знаниям, но и стремление к предсказаниям.Например, она говорит: «Мы не хотим, чтобы ученые-атмосферники просто разбирались в торнадо, мы хотим, чтобы они предсказывали: по какому пути они пойдут? Какая будет скорость ветра? » По ее словам, нам нужна такая же информация о солнечных бурях. Затем эту информацию можно использовать для устранения слабых мест уязвимой инфраструктуры.

Хотя NSF и другие группы финансируют исследования космической погоды, на пути к улучшению есть подводный камень: у науки ошеломляющая нехватка данных о худшем, что может вызвать космическая погода, говорит Моретто Йоргенсен.Изучение солнечной активности и космической погоды не усиливалось около 50 лет назад, и самым ужасным из известных событий по-прежнему остается событие Кэррингтона. Каков риск того, что произойдет еще одно событие Кэррингтона или более сильная солнечная буря? «Это вопрос на 100 миллионов долларов», — говорит она. «Мы довольно хорошо разбираемся в небольших вспышках и CME, но модели не очень хорошо отражают экстремальные явления», — говорит она.

Событие Кэррингтона было «в некотором смысле доисторическим», — говорит Карел Шрайвер, физик по солнечной и гелиосфере из Центра передовых технологий Lockheed Martin в Пало-Альто, Калифорния.По словам Шрайвер, за 154 года, прошедшие после урагана, электросеть значительно выросла, равно как и наша зависимость от нее, и мы не знаем, как на сеть повлияет экстремальная солнечная буря. Объединив усилия с инженером Lockheed Martin Сарой Д. Митчелл, Шрайвер изучил повседневную космическую погоду, чтобы понять ее экономическое влияние на энергосистему США. Хотя их исследование еще не опубликовано, предварительные данные команды предполагают, что космическая погода приносит не менее 3 миллиардов долларов в год на ремонтные расходы только из-за обычных событий.«Это значительное число — это больше, чем страна тратит на изучение космической погоды», — говорит Шрайвер.

В отчете Шрайвера и Митчелла не рассматривались вероятные финансовые последствия суровой космической погоды, но в отчете Национального исследовательского совета за 2008 год были приведены несколько ошеломляющих цифр: затраты от 1 триллиона до 2 триллионов долларов только за первый год, с восстановлением в промежутке между через четыре и десять лет после такой сильной геомагнитной бури, как событие Кэррингтона.

Уязвимые дома

Обеспокоенность U.S. Power Grid в основном специализируется на трансформаторах сверхвысокого напряжения (СВН). Трансформаторы сверхвысокого напряжения весят сотни тонн каждый. Их размер и вес затрудняют транспортировку, иногда требуются специально изготовленные железнодорожные вагоны. Срок службы многих существующих трансформаторов приближается к концу расчетного срока службы, составляющего 30-40 лет. В общей сложности сеть США насчитывает около 2000 трансформаторов сверхвысокого напряжения.

В 2010 году, работая в Metatech Corporation, Каппенман написал отчет для Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси с оценкой угрозы геомагнитных бурь на территории США.С. Электросеть. Электрические токи, вызванные геомагнитной активностью в линиях электропередачи сверхвысокого напряжения, могут вызвать перегрев трансформаторов сверхвысокого напряжения, плавление медных катушек и проводов.

По оценкам Каппенмана, сильная геомагнитная буря выведет из строя более 350 трансформаторов сверхвысокого напряжения — «значительный кусок в общей схеме вещей», — говорит он. «Другие данные предполагают, что все могло быть намного хуже».

Трансформаторы необходимо будет заменить, но время, необходимое для сборки и испытания одного заменяющего трансформатора, может составлять от 12 до 15 месяцев или даже дольше, в зависимости от размера и производителя, сообщил Каппенман.Большинство производителей находятся за границей, и транспортировка гигантских трансформаторов требует морского путешествия и специальной логистики для наземного транспорта поездом или грузовиком. Кроме того, установка трансформатора сверхвысокого напряжения сложна и обычно занимает несколько дней, «с большой подготовленной бригадой в лучших условиях», — пишет Каппенман.

Помимо логистических проблем, которые могут возникнуть, не исключено, — говорит он, — что немногие страны, производящие большие трансформаторы сверхвысокого напряжения, могут нуждаться в них для восстановления собственного энергоснабжения, если такой шторм выйдет из строя трансформаторы по всей планете.Если бы целый континент или полушарие пострадало от геомагнитной бури, спрос на замену мог бы быть огромным. «Возможность адаптироваться, доставлять запасные части и устранять проблемы была бы совершенно утрачена», — говорит Андрес.

Уязвим на орбите

У людей есть еще одна серьезная технологическая слабость: спутники. Спутники на низкой околоземной орбите все еще находятся в атмосфере Земли, и космическая погода может вызвать расширение атмосферы. Это означает, что более низкая и более плотная атмосфера может раздуться до места орбиты спутников, тем самым увеличивая сопротивление атмосферы и заставляя космический корабль падать на Землю, говорит Антти Пулккинен, разработчик космической погоды в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА.Кроме того, по словам Пулккинена, более частой опасностью является электромагнитное излучение от солнечных вспышек; Рентгеновское и ультрафиолетовое излучение от крупных вспышек увеличивает ионизацию ионосферы Земли, препятствуя передаче радиосигналов между спутниками и наземными станциями. Такие вспышки также могут вывести из строя или повредить электронику космического корабля.

Некоторые спутники имеют форму защиты. Космические аппараты НАСА наблюдают за Солнцем в режиме реального времени, а Центр прогнозов космической погоды NOAA, США.С. Военные и другие государственные учреждения тоже смотрят на солнце. Когда эти наблюдатели видят солнечную активность, которая выглядит как угроза спутникам, они предупреждают операторов спутников. «[Операторы] могут использовать эту информацию для отключения некоторых из своих высоковольтных приборов», — говорит Пулккинен.

Глобальной системы позиционирования (GPS) находятся на средней околоземной орбите частично, чтобы минимизировать риск атмосферного сопротивления. На самом деле, в целом они менее уязвимы, чем другие спутники, — говорит Тони Руссо, директор Национального координационного управления космического позиционирования, навигации и хронометража, межведомственного офиса, финансируемого Министерством транспорта.Но спутники GPS по-прежнему уязвимы для других опасностей космической погоды.

Для эффективной работы системы требуется 24 спутника, но 35 находятся на орбите (31 активный спутник и четыре резервных). «GPS — это то, что мы называем надежным созвездием», — говорит Руссо. Проблема в том, что чрезвычайная точность GPS зависит от радиосвязи, которая может быть нарушена из-за возмущений в ионосфере. «Точное время прибытия сигнала — вот что дает вам точность», — говорит он.«Это одна из причин, по которой GPS чувствителен к изменениям в ионосфере». По его словам, обычно такие сбои длятся всего несколько минут.

Гораздо более тревожным было бы, если бы спутники GPS были повреждены и группировка стала непригодной для использования. Излучение и заряженные частицы от вспышек и CME могут повредить память спутника или повредить солнечные панели, инструменты и другую электронику. По словам Руссо, GPS чрезвычайно важен: от него зависят энергосистема, транспорт и коммерческий сектор.«Даже сельское хозяйство использует его для круглосуточного ведения сельского хозяйства», — говорит он. «Мы летали на самолетах до GPS, а завтра могли бы [без него], но не так эффективно», — говорит Руссо. По его словам, у авиапассажиров, вероятно, будет больше задержек и отмен.

В коммерции GPS используется в качестве синхронизатора времени для автоматизированных систем, говорит Руссо. «Если вы пропускаете карту банкомата через насос на заправочной станции, вы используете GPS для синхронизации — это дешевый и эффективный способ сделать это», — говорит он. По его словам, GPS также помогает плавающим в океане судам избегать опасных вод, локомотивы избегают столкновений, а вертолеты избегают местности.

Потеря GPS, кратковременная или долговременная, может повлиять на безопасность, удобство и экономичность. Но энергосистема остается самой уязвимой инфраструктурой из-за того, насколько она интегрирована почти во все аспекты современного общества.

Подготовка к маловероятному событию с высокой степенью воздействия

Наиболее подверженными риску регионами в США являются Аляска, Тихоокеанский северо-запад и северо-восток, потому что это самый дальний север, где солнечные бури, вероятно, будут наиболее сильными, говорит Андрес.«Это также связано с геологией — как энергия [индуцированные электрические поля] передается через почву», — говорит он. В частности, магматическая порода обладает высокой устойчивостью к электричеству, а это означает, что путь наименьшего сопротивления для геомагнитно индуцированных токов лежит в любой близлежащей электрической инфраструктуре, а не в самой скале.

Шансы на еще одно событие в Кэррингтоне невелики, — говорит Андрес. «В любой год, может быть, 2 или 3 процента», — говорит он. Однако удар мог быть пугающим.По словам Андрес, вполне возможно, что вся Северная Америка может потерять способность передавать электроэнергию. Или, по крайней мере, возможно, что такая буря оставит «более 100 миллионов человек отключенными от электроэнергии на, возможно, недели, месяцы, а то и годы», — говорит Каппенман. «Мы не готовы к этому, и… мы действительно не хотим узнавать об этом из первых рук», — добавляет он.

Одна из первых вещей, которые необходимо сделать, — это повысить устойчивость сообщества, — говорит Андрес.По словам Андрес, на местном уровне необходимы действия по поиску альтернативных источников энергии для обеспечения работы больниц, пожарных и полицейских участков в случае сильной геомагнитной бури. По возможности, дизельные генераторы на объекте должны быть обеспечены топливом, которое может работать от нескольких недель до месяцев, добавляет Каппенман. По его словам, местным органам власти также необходимо найти место, где можно было бы обезопасить семьи сотрудников службы экстренной помощи, тем самым удерживая спасателей на работе и поддерживая порядок и безопасность. Тогда люди должны действовать сами: что касается домашних запасов еды, воды и медикаментов, «трех дней, вероятно, недостаточно», — говорит Андрес.По его словам, было бы лучше трехнедельный запас. Следует помнить, что «страх и паника никогда не бывают продуктивными», — говорит Андрес. Подготовка — это ключ к успеху.

Грохочущие сабли против космической погоды

В некоторых регионах действуют процедуры предотвращения обрушения энергосетей или быстрого восстановления энергосистемы, говорит Каппенман. Например, PJM Interconnection — это региональная передающая организация, которая координирует транспортировку электроэнергии и оптовую деятельность в 13 штатах и ​​округе Колумбия.По словам Каппенмана, у PJM есть процедура предотвращения краха сети, как и у передающих организаций Нью-Йорка и Новой Англии. По его словам, в планы входит сокращение передачи на большие расстояния по сети и отмена плановых отключений, запланированных для обслуживания трансформатора. «Очень простые вещи», — говорит Каппенман. Он добавляет, что ни одна из этих процедур не была протестирована на события типа Кэррингтона или того хуже.

Теоретически части электросети могут быть отключены, чтобы индуцированный ток не достигал некоторых трансформаторов сверхвысокого напряжения.Но производителям электроэнергии и операторам сетей «по договору запрещается» останавливать распределение электроэнергии, говорит Андрес. Кроме того, есть вопросы ответственности. По его словам, если энергетическая компания отключит или отключит сегменты сети, даже для защиты трансформаторов, энергетическая компания будет нести юридическую ответственность, если, скажем, погибнут люди в больницах или домах престарелых. С другой стороны, если энергокомпания продолжит работу и потеряет трансформаторы, по крайней мере, на них нельзя будет подать в суд, добавляет он. Конечно, потеря трансформаторов может означать, что огромный регион U.С. (или мир) мог быть без электричества месяцами или дольше. Андрес предлагает изменить такую ​​политику, возможно, на федеральном уровне. «Это основная обязанность федерального правительства — помочь подготовиться к подобному событию и смягчить его последствия, если оно произойдет», — говорит он.

На федеральном уровне наиболее важные меры по снижению уязвимости США к космической погоде были предприняты в октябре 2012 года, когда Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) предложила двухэтапный процесс. Во-первых, FERC хочет, чтобы Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения (NERC) разработала стандарты, требующие от владельцев и операторов сетей разработки процедур для смягчения воздействия геомагнитных бурь.Во-вторых, FERC предлагает NERC потребовать от владельцев и операторов оценки того, какое влияние геомагнитная активность может оказать на их системы, а затем принять меры по защите сети посредством автоматической блокировки геомагнитно индуцированных токов, изоляции трудно заменяемого оборудования и т. Д. действия.

Период обсуждения предложения закончился в декабре, и если предложение будет одобрено FERC, у NERC будет 90 дней для реализации первого шага и шесть месяцев для реализации второго шага.Хотя у FERC нет крайнего срока для принятия мер, Каппенман видит необычную срочность в предложении комиссии и подозревает, что FERC одобрит приказ в начале 2013 года. «Хорошая новость заключается в том, что в политике произошли изменения», — говорит Каппенман. «При этом нам потребовалось 50 лет, чтобы разобраться в этой проблеме», — говорит он. «Мы не сможем выбраться из этого в одночасье».

Что еще может сделать федеральное правительство в худшем случае? Андрес говорит, что у Министерства внутренней безопасности США (DHS) есть план на случай отключения электричества из-за геомагнитной бури.План варьируется в зависимости от конкретной ситуации, но структура плана такова: DHS сообщает об инциденте президенту, который затем разрабатывает план действий. «Обычно это включает координацию с промышленностью через НКРЭ и с различными федеральными и правительственными агентствами для реагирования», — говорит он. «DHS в основном играет координирующую роль, подразделения FEMA и Национальной гвардии предоставляют экстренные услуги, а частный сектор отвечает за включение и запуск электроэнергии». Однако такой план предназначен для любого отключения электроэнергии, вызванного геомагнитной бурей, но не существует плана для массового отключения электроэнергии в регионе, говорит Андрес.

Чтобы быть справедливым по отношению к национальной безопасности, Каппенман говорит: «Мы действительно ничего не можем сделать, если произойдет событие, охватывающее весь континент. Не существует сценария реагирования на стихийные бедствия, который мы могли бы реализовать, чтобы исправить что-то настолько серьезное ». Следовательно, важность действий FERC — предотвращение массового отказа энергосистемы — была бы намного лучше, чем попытки восстановиться после одного, говорит Каппенман.

Наконец, на международном уровне не игнорируется и уязвимость инфраструктуры перед космической погодой.Президент США Барак Обама и премьер-министр Великобритании Дэвид Кэмерон культивировали то, что называется «партнерством по космической погоде», на встречах между двумя лидерами в мае 2011 и марте 2012 года. В июне 2012 года NOAA и Управление науки Великобритании совместно объявили соглашение об укреплении сотрудничества между научными сообществами двух стран в целях дальнейшей защиты их инфраструктуры от ущерба космической погодой.

Ночь — относительный термин

Остается тяжелая гонка против неизвестного.Хотя ученые, инженеры и правительственные чиновники говорят об угрозе космической погоды и предпринимаются определенные действия, опасность экстремальной геомагнитной бури огромна, а научные возможности прогнозирования космической погоды явно ограничены. Отдельные модели и исследования могут не идеально предсказать конкретные детали того, что именно и когда произойдет, но научный консенсус состоит в том, что угроза реальна и что нам нужно немедленно принять меры, потому что мы не знаем, когда может ударить следующая большая угроза.

Это бедствие на несколько триллионов долларов приближается, и солнечная астрономия — наша главная защита

Этот фрагмент изображения «первого света», выпущенного солнечным телескопом NSF Inouye Solar Telescope, показывает … [+] конвективные ячейки размером с Техас на поверхности Солнца в более высоком разрешении, чем когда-либо прежде. Впервые можно увидеть объекты между ячейками с разрешением всего 30 км, что проливает свет на процессы, происходящие внутри Солнца.

12 декабря 2019 года самая мощная солнечная обсерватория в мире — солнечный телескоп Дэниела К. Иноуэ, созданный Национальным научным фондом, — впервые открыла глаза. С колоссальным диаметром главного зеркала 4 метра и уникальной смещенной от центра конструкцией солнечный телескоп Inouye способен отображать объекты размером до 30 км на Солнце. Уже на первых световых изображениях, опубликованных 29 января 2020 года, впервые были обнаружены особенности между конвективными ячейками размером с Техас.

Но солнечный телескоп Иноуэ предлагает гораздо больше, чем просто великолепные изображения нашей родительской звезды; это один из ряда проектов солнечной астрономии, которые работают вместе, чтобы защитить нашу планету от катастрофы стоимостью в несколько триллионов долларов, которая определенно надвигается: катастрофической солнечной вспышки. Это может произойти в любое время в этом году или не в течение следующих нескольких столетий, но изучение Солнца — единственный способ подготовиться. Вот наука, стоящая за этими красивыми изображениями и видео.

Это уникальное составное изображение с расширенным динамическим диапазоном было создано во время полного солнечного затмения в 2019 г… [+] всего более 2000 кадров. Видно, что солнечная корона простирается на 25 солнечных радиусов к горизонту и впечатляющие 40 солнечных радиусов от него.

До 1859 года солнечная астрономия была чрезвычайно простой: ученые изучали свет Солнца, солнечные пятна, которые иногда усеивали поверхность Солнца, и наблюдали корону во время солнечных затмений. Но в 1859 году солнечный астроном Ричард Кэррингтон случайно наблюдал за Солнцем, отслеживая большое пятно неправильной формы, когда произошло нечто беспрецедентное: наблюдалась «вспышка белого света», очень яркая и двигавшаяся по самому пятну примерно за 5 минут до этого. полностью исчезнув.

Это оказалось первым наблюдением того, что мы теперь называем солнечной вспышкой. Примерно через 18 часов (примерно в три-четыре раза быстрее, чем большинство солнечных вспышек) на Земле произошла самая большая геомагнитная буря в истории человечества. Полярные сияния наблюдались по всему миру: в Скалистых горах проснулись шахтеры; газеты можно было читать при свете северного сияния; ярко-зеленый занавес появился на Кубе, на Гавайях, в Мексике и Колумбии. В телеграфных системах, даже когда они отключены, возникали собственные наведенные токи, вызывающие сотрясения и даже возгорание.

Солнечная вспышка класса X вспыхнула на поверхности Солнца в 2012 году: событие, которое по-прежнему было намного, намного … [+] ниже по яркости и суммарному выходу энергии, чем событие Кэррингтона 1859 года, но которое все же могло вызвать катастрофу. геомагнитная буря, если она поразила Землю с правильными (или неправильными) свойствами.

Если бы такое событие произошло сегодня, наша инфраструктура электричества и электроники испытала бы разрушительные последствия, которые легко могли бы нанести ущерб в триллионы долларов.Проблема в том, что геомагнитные бури, образующиеся, когда определенные явления космической погоды проникают в нашу магнитосферу и взаимодействуют с атмосферой, могут вызывать сильные токи даже в полностью отключенных электронных цепях.

Ключевая научная цель солнечной астрономии — понять, как взаимосвязано взаимодействие между Солнцем, космической погодой, вызывающей эти штормы, и воздействием на саму Землю. Вот почему солнечный телескоп Иноуе, созданный NSF, в качестве своей главной научной цели ставит измерение магнитного поля Солнца на трех разных слоях:

• в фотосфере,
• в хромосфере,
• и по всей солнечной короне.

Обладая огромным диаметром 4 метра и пятью научными инструментами, четыре из которых представляют собой спектрополяриметры, предназначенные для измерения магнитных свойств Солнца, он будет измерять магнитные поля на Солнце и вокруг него, как никогда раньше.

Измерение магнитного поля на различных слоях Солнца — это самая важная вещь, которую мы можем сделать для предсказания космической погоды, что является неожиданностью для большинства людей. В конце 1980-х все говорили о солнечных вспышках как движущих силах космической погоды, и именно на этом до сих пор сосредоточено большинство дискуссий.Однако это говорит лишь небольшую часть истории, поскольку иногда солнечные вспышки могут вызывать впечатляющие геомагнитные бури на Земле, но в других случаях они не имеют никакого эффекта.

Наш первый крупный шаг к пониманию роли магнитных полей был сделан в 1995 году, когда была запущена обсерватория НАСА SOHO. То, что он увидел, было не просто солнечными вспышками, происходящими в фотосфере, но и явлением нового типа: выбросами корональной массы (CME), которые происходят дальше от Солнца, чем фотосфера.Если вы когда-нибудь видели синюю анимацию Солнца, где солнечный диск заблокирован коронографом, вы видели изображение с SOHO.

Несколько корональных выбросов массы (CME) наблюдаются с помощью SOHO НАСА, благодаря мощности его … [+] солнечно-блокирующего коронографа, который позволяет отображать динамическую корону в реальном времени. Рядом на этой анимации 1998 года также изображена комета C / 1998 J1.

Когда КВМ приходят на Землю, это вызывает явление космической погоды.Солнечная вспышка без CME не может вызвать сильную геомагнитную бурю; SOHO научил нас тому, что магнитное поле Земли очень хорошо защищает нас от обычных солнечных вспышек, что в лучшем случае приводит к незначительным полярным сияниям.

Но многие солнечные вспышки приведут к выбросам корональной массы, особенно если поблизости есть протуберанец на Солнце. Выступы — это скопления материала с высокой плотностью, которые находятся в короне, и CME обычно возникают там, где обнаруженные на Солнце выступы магнитно разрушаются, что приводит к выбросу материала.Сами CME имеют направленную ориентацию, и только те, которые в конечном итоге ударяются о Землю, подвергают нас риску. Когда CME уходит в сторону, не о чем беспокоиться; но когда мы видим кольцевой КВМ с нашей точки зрения, они направляются прямо к нам.

Когда кажется, что выброс корональной массы распространяется во всех направлениях относительно одинаково с нашей … [+] точки зрения, явление, известное как кольцевой CME, это признак того, что он, вероятно, направляется прямо к нашей планете.

Но даже солнечные вспышки, вызывающие выбросы CME, направленные прямо на Землю, не обязательно вызывают геомагнитные бури; Должен быть еще один кусочек головоломки, который точно выстраивается: должно быть правильное магнитное соединение. Помните, что магниты обычно имеют северный и южный полюса, где одинаковые полюса (север-север или юг-юг) отталкиваются, но противоположные полюса (север-юг или юг-север) притягиваются.

У Земли есть собственное магнитное поле, которое на расстоянии выглядит как стержневой магнит, расположенный близко к нашей оси вращения.Если магнитное поле материала, выброшенного во время CME, будет выровнено с полем Земли, солнечные частицы будут отталкиваться, и на Земле не произойдет никаких геомагнитных событий. Но если поля не выровнены, как это почти наверняка было 161 год назад во время печально известного события Кэррингтона, вы получите впечатляющее (и, возможно, опасное) событие с величайшими проявлениями полярных сияний и многим другим.

Когда заряженные частицы направляются к Земле от Солнца, они изгибаются магнитным полем Земли…. [+] Однако вместо того, чтобы отклоняться, некоторые из этих частиц направляются вниз по полюсам Земли, где они могут столкнуться с атмосферой и создать полярные сияния. Это происходит только во время CME, когда правильный компонент магнитного поля выброшенных частиц анти-выровнен с магнитным полем Земли.

С 2000-х годов нашими лучшими инструментами для измерения магнитных полей заряженных частиц от КВМ, которые направляются к Земле, является множество спутников и обсерваторий, размещенных в точке Лагранжа L1: точке в космосе, расположенной примерно в 1500000 км от Земли на Сторона, обращенная к солнцу.К сожалению, это уже 99% пути от Солнца до Земли; у нас обычно есть только около 45 минут от момента прибытия CME на L1 до того, как он прибудет на Землю, и либо вызывает геомагнитную бурю, либо нет.

В идеале, то, что принесет нам следующее поколение солнечных обсерваторий, — это значительное увеличение количества времени, которое нам нужно, чтобы узнать, нужно ли нам принимать соответствующие смягчающие меры, когда происходит такой потенциально катастрофический выброс корональной массы. Есть много вещей, которые мы можем сделать, но нам нужно более часа предварительного уведомления, чтобы это сделать.

Контурная диаграмма эффективного потенциала системы Земля-Солнце. Точка Лагранжа L1 полезна … [+] для спутников, наблюдающих за Солнцем, поскольку они всегда будут оставаться между Землей и Солнцем, но к этому моменту частицы от CME уже на 99% пути туда.

Способ, которым мы можем наилучшим образом уменьшить ущерб от космических погодных явлений на Земле, состоит в том, чтобы энергетические компании отключили токи в своих электрических сетях и вместо этого отключили (и достаточно заземлили) станции и подстанции, чтобы индуцированный ток не протекал в дома, предприятия и промышленные здания.Из-за огромной силы токов их необходимо безопасно и постепенно снижать, что обычно занимает около дня, а не часа.

Ключом к знанию того, имеет ли CME соответствующий компонент его магнитного поля, выровненный или анти-выровненный, задолго до его прибытия на Землю, является измерение магнитного поля на Солнце; вместо ~ 45 минут заблаговременности вы можете получить полные ~ 3 дня или около того, что обычно требуется выброшенному корональному материалу, чтобы добраться от Солнца до Земли.

Солнечный телескоп Иноуе — это именно тот удивительный магнитометр для измерения солнечной активности, который нам нужен для этих наблюдений.

Солнечный свет, втекающий через открытый купол телескопа солнечного телескопа Дэниела К. Иноуе … [+] (DKIST), падает на главное зеркало и заставляет фотоны без полезной информации отражаться от него, а полезные направляются в инструменты, установленные в другом месте телескопа.

Практически каждая проблема, которую мы пытаемся решить в отношении Солнца, является магнитной проблемой.Если мы хотим понять, что происходит в фотосфере Солнца, это вызвано нагревом внутренних слоев Солнца, но распределяется в соответствии с магнитным полем и его распределением по внешним слоям Солнца. Магнитная связь простирается от фотосферы до хромосферы и короны, что обеспечивает нагрев, ветер и позволяет короне быть такой энергичной.

Ветры, генерируемые в горячей короне, создают магнитную связь между Землей и Солнцем, и фактически между Солнцем и остальной частью Солнечной системы, что имеет значение для полярных сияний на планетах даже во внешних частях Солнечной системы.Независимо от того, насколько хорошо мы измеряем другие свойства материала Солнца — скорость, кинематику, энергию, калориметрию и т. Д. — магнитные свойства являются ключом к пониманию того, что движет солнечными процессами.

Солнечные корональные арки, подобные тем, которые наблюдались спутником НАСА Transition Region And Coronal Explorer (TRACE) … [+] здесь в 2005 году, следуют по траектории магнитного поля на Солнце. Когда эти петли «разрываются» правильным образом, они могут испускать выбросы корональной массы, которые потенциально могут ударить по Земле.

Чтобы понять, что и как будет воздействовать на Землю, нам необходимо всестороннее понимание того, что происходит не только с самим Солнцем, но и с частицами, выброшенными из него на всех уровнях:

• из фотосферы,
• через хромосферу,
• к короне,
• через межпланетное пространство,
• через точку Лагранжа L1,
• и на саму нашу планету.

Комбинация солнечного телескопа Inouye, солнечного зонда Parker, предстоящая миссия Solar Orbiter, а также спутники L1, такие как SOHO и SDO, позволят нам как никогда раньше понять магнитную связь между Солнцем и Землей. Неотъемлемой частью этого является солнечный телескоп Иноуе, созданный NSF, который измерял не только конвективные ячейки размером с Техас на Солнце с большей точностью, чем когда-либо, но и впервые выстилал пространство между этими ячейками.

В этом аннотированном разрезе показана принципиальная схема солнечного телескопа Дэниела К. Иноуе, … [+] включая главное зеркало, компоненты, инструменты и многое другое. Это самая современная солнечная обсерватория из когда-либо построенных.

Хотя крупнейшие солнечные вспышки случаются редко, они происходят с некоторой регулярностью. Некоторые из них создают корональные выбросы массы; некоторые выбросы корональной массы направляются прямо к Земле; некоторые из тех, что действительно направляются к Земле, обладают именно теми свойствами, которые позволяют создавать впечатляющие полярные сияния и потенциально катастрофические геомагнитные бури.Только теперь, с этим новым поколением инструментов солнечной астрономии, мы наконец в состоянии подготовиться с научной точки зрения к неизбежной катастрофе.

На протяжении десятилетий мы избегали разрушения нашей современной инфраструктуры только благодаря чистой удаче. Событие уровня Кэррингтона, если бы оно застало нас врасплох, наверняка нанесло бы ущерб на триллионы долларов по всему миру. С появлением этих новых обсерваторий, ориентированных на гелиофизику, во главе с солнечным телескопом Даниэля К. Иноуэ, NSF, у нас, наконец, будет возможность узнать, когда наступит «большой».

Насколько мы готовы к следующей гигантской солнечной вспышке?

Солнечная вспышка, видимая в правой части изображения, происходит, когда силовые линии магнитного поля разделяются и … [+] повторно соединяются. Когда вспышка сопровождается выбросом корональной массы, а магнитное поле частиц во вспышке анти-выровнено с магнитным полем Земли, может произойти геомагнитная буря с серьезным потенциалом стихийного бедствия.

В 1859 году физика Солнца действительно началась с крупнейшего извержения в истории человечества: события Кэррингтона. До этого многие люди наблюдали Солнце: подсчет и мониторинг солнечных пятен, наблюдение за дифференциальной скоростью вращения Солнца и установление потенциальной связи между солнечной активностью, магнитным полем Земли и наблюдениями за полярным сиянием Земли. Но когда астрономы Ричард Каррингтон и Ричард Ходжсон заметили огромную «белую вспышку» на Солнце 1 сентября 1859 года, мы поняли, что Солнце и Земля связаны как никогда прежде.Всего 17 часов спустя на Земле произошла крупнейшая из когда-либо зарегистрированных геомагнитных бурь, и о ее последствиях во всем мире ходят легенды. Зная, что эти события происходят регулярно, готовы ли мы к неизбежному? Это то, что хочет знать Эрих Раткамп, спрашивая:

«CME размером с Кэррингтонское событие 1859 г., если бы к нему не было подготовлено, эффективно выровняло бы энергосистему Соединенных Штатов … Можем ли мы на самом деле обеспечить предупреждение за целый день? Достаточно ли на самом деле достаточного периода предупреждения, чтобы позволить нам пережить класс Кэррингтона [событие?]…. если завтра будет обнаружено событие класса Кэррингтон, сможем ли мы эффективно пережить его? »

Когда дело доходит до надвигающихся стихийных бедствий, лучшее, что мы можем сделать, — это подготовиться к ним. Вот что приготовило для нас Солнце.

Этот фрагмент изображения «первого света», выпущенного солнечным телескопом Иноуэ, NSF, показывает … [+] конвективные ячейки размером с Техас на поверхности Солнца в более высоком разрешении, чем когда-либо прежде. Впервые можно увидеть объекты между ячейками с разрешением всего 30 км, что проливает свет на процессы, происходящие внутри Солнца.

Обычно Солнце — довольно тихая сущность, вырабатывающая такое же постоянное количество энергии с точностью до 99,9%. Он вращается вокруг своей оси с периодом 25 дней на экваторе и 33 дня на полюсах, а также испускает постоянный поток частиц: солнечный ветер. Его центральное ядро ​​достигает максимальной температуры ~ 15 миллионов К, но край его фотосферы относительно холодный ~ 6000 К, и это то, что излучает энергию, которую мы получаем.

Кроме того, есть тонкая очень горячая плазма, отделенная от фотосферы: корона Солнца, которая составляет сотни тысяч кельвинов, и хаотическое нерегулярное магнитное поле Солнца часто связывает их. Однако иногда на Солнце появляются солнечные пятна, которые представляют собой относительно прохладные области на его фотосфере. Есть магнитные связи между Солнцем, короной и даже другими телами Солнечной системы, такими как Земля. Происходящие из различных процессов, солнечные вспышки, выбросы корональной массы и другие события магнитного пересоединения могут происходить, посылая поток энергичных частиц в определенном направлении.

Солнечная вспышка от нашего Солнца, которая выбрасывает материю из нашей родительской звезды в Солнечную … [+] систему, может вызвать такие события, как выброс корональной массы. Хотя для прибытия частиц обычно требуется ~ 3 дня, наиболее энергичные события могут достичь Земли менее чем за 24 часа и могут нанести наибольший ущерб нашей электронике и электрической инфраструктуре.

В нормальных условиях это потоки частиц:

• относительно медленно движущийся и низкоэнергетический, требуется около 3 дней, чтобы достичь расстояния Земли от Солнца,
• имеют тенденцию пропускать Землю, так как они довольно локализованы в космосе и вероятность определения точного местоположения Земли невелика,
• , и даже если они попадут на Землю, магнитное поле нашей планеты имеет тенденцию безвредно увести их, возможно, за исключением полюсов, где они могут создавать красивые и захватывающие полярные сияния.

Важно отметить, что сами по себе частицы не представляют опасности для биологических организмов на поверхности Земли, таких как мы. Но это не означает, что мы невосприимчивы к любым пагубным последствиям, которые могут последовать за этим.

Если все выстроится совершенно неправильно, результат может быть плачевным. Если солнечная вспышка вызывает выброс корональной массы, и если этот выброс корональной массы имеет высокую энергию, и если частицы от него устремляются прямо на Землю, и — еще одна вещь — если магнитное поле выброшенного материала и магнитное поле Земли противостоят союзникам, это рецепт нанесения максимального ущерба нашей планете: инфраструктура, электроника и многое другое.Это почти наверняка то, что произошло 162 года назад, когда произошло печально известное событие в Кэррингтоне.

Солнечные корональные арки, подобные тем, которые наблюдались спутником НАСА Transition Region And Coronal Explorer (TRACE) … [+] здесь в 2005 году, следуют по траектории магнитного поля на Солнце. Когда эти петли «разрываются» правильным образом, они могут испускать выбросы корональной массы, которые потенциально могут ударить по Земле. Крупный выброс CME или солнечная вспышка может создать новый тип стихийного бедствия: сценарий «Вспышки».

Около полудня 1 сентября 1859 года Ричард Кэррингтон отслеживал большое пятно неправильной формы на поверхности Солнца, когда внезапно над ним возникла яркая вспышка. Кэррингтон описал вспышку как очень яркую и мигрировавшую слева направо от пятна в течение примерно 5 минут. Затем, так же внезапно, как появилась вспышка, она полностью исчезла.

Примерно через 18 часов — примерно в 3-4 раза быстрее обычной солнечной вспышки — произошла крупнейшая геомагнитная буря в истории человечества.Полярные сияния видели по всему миру; горняки в Соединенных Штатах были разбужены ярким светом, думая, что сейчас рассвет. В тех местах, где была ночь, полярные сияния были достаточно яркими, чтобы при его свете можно было читать газеты. «Зеленый занавес» полярных сияний можно было увидеть на многих экваториальных широтах: о них сообщили Куба, Гавайи, Мексика и Колумбия. И, что самое неприятное, наши ранние электрические системы, такие как телеграф, испытывали собственные индуцированные токи, вызывая сотрясения, разжигая пожары и дико щелкая, даже когда сами системы были полностью отключены.

Северное сияние (aurora borealis) за Полярным кругом, 14 марта 2016 года. Редкий фиолетовый … [+] цвет иногда можно увидеть возле полюсов, так как сочетание синих и красных линий излучения атомов может создать это необычное зрелище наряду с более типичным зеленым. Во время события Кэррингтон зеленый занавес можно было увидеть даже на экваториальных широтах.

Физика, стоящая за этим, проста и, если задуматься, устрашающая.Заряженные частицы, которые испускаются Солнцем и ударяются в атмосферу Земли, сами по себе не вредны, поскольку атмосфера обладает выдающейся тормозной способностью. Но эти частицы, когда они движутся в большом количестве и с высокой скоростью, будут создавать свои собственные магнитные поля, как любой электрический ток. Если эти магнитные поля достаточно сильны, они могут существенно изменить локальное магнитное поле на поверхности Земли. И если вы измените силу и / или направление магнитного поля, которое проходит через петлю или катушку с проводом, это изменение магнитного поля вызовет электрический ток.

Я повторю это еще раз: если у вас есть петля или катушка с проводом, внутри которой магнитное поле изменяется, она будет создавать индуцированный электрический ток. Человечество знало об этом законе задолго до события Кэррингтона; Фарадей открыл это еще в 1831 году. Но со времен Кэррингтона мир сильно изменился, поскольку электрические сети, электростанции и подстанции, инфраструктура энерготранспорта и даже бытовая, коммерческая и промышленная электроника полны петель и катушек проводов .Индуцированные токи, если бы мы сегодня пережили событие, подобное Кэррингтону, были бы буквально астрономическими.

Когда заряженные частицы направляются к Земле от Солнца, они изгибаются магнитным полем Земли. … [+] Однако вместо того, чтобы отклоняться, некоторые из этих частиц направляются вниз по полюсам Земли, где они могут столкнуться с атмосферой и создать полярные сияния. Самые большие события вызваны CME на Солнце, но они вызовут впечатляющие проявления на Земле только в том случае, если выброшенные с Солнца частицы будут иметь правильный компонент своего магнитного поля, анти-выровненный с магнитным полем Земли.

Оценки того, какой ущерб — если бы мы ничего не предприняли для его смягчения — был бы нанесен, во всем мире выросли до 11-значных цифр. Электросети большинства стран будут полностью и эффективно выровнены. Наилучший способ смягчить последствия такой вспышки — это усиленное заземление, чтобы большие токи, которые в противном случае протекали бы через провода сетки, вместо этого текли прямо на Землю. Однако каждый раз, когда энергетические компании пытаются это сделать, вместо этого происходит то, что проводящее вещество, используемое для заземления (например, медь), крадется из-за его материальной ценности.

В результате у нас есть незаземленные электростанции и подстанции, которые будут испытывать огромные наведенные токи, что обычно приводит к пожарам с последующим значительным повреждением и разрушением нашей инфраструктуры. Мы не только говорим о катастрофе стоимостью в несколько триллионов долларов (ущерб только Соединенным Штатам оценивается в 2,6 триллиона долларов), мы говорим о том, что большие слои населения мира остаются без электричества на длительные периоды времени. : потенциально годами.Если вспомнить, что произошло в Техасе совсем недавно, когда они столкнулись с отрицательными температурами и многие районы потеряли электроэнергию, существует риск чрезвычайно большого числа жертв; для многих людей электричество необходимо для поддержания их жизни.

Солнечная вспышка X-класса произошла на поверхности Солнца в 2012 году: событие, которое по-прежнему было намного, намного … [+] ниже по яркости и суммарному выходу энергии, чем событие Кэррингтона 1859 года, но которое все же могло вызвать катастрофу геомагнитная буря, если она сопровождалась выбросом корональной массы, магнитное поле которого имело правильную (или неправильную, в зависимости от вашей точки зрения) ориентацию.

Кэррингтонское событие также не было каким-то массовым выбросом, которое случается только раз в несколько миллионов лет. На Землю обрушилось множество солнечных вспышек, некоторые из которых вызвали локальный ущерб электросети. Серия солнечных штормов 1972 года вызвала повсеместное нарушение работы электрических и телекоммуникационных сетей, сбои в работе спутников и даже вызвала случайный взрыв морских мин во Вьетнаме. Геомагнитная буря 1989 года вызвала полное отключение системы электропередачи Квебека.А солнечная буря 2005 года отключила сеть GPS. Эти события, возможно, были разрушительными, но они были лишь предупредительными выстрелами по сравнению с тем, что природа неизбежно приготовила для нас.

В 2012 году Солнце, наконец, — впервые с тех пор, как мы разработали инструменты, способные в достаточной мере контролировать его, — испустило солнечную вспышку, которая, вероятно, была такой же мощной, как та, которая вызвала событие Кэррингтона 1859 года. Это произошло 23 июля, и это нас спасло. Вспышка произошла в той же плоскости, что и орбита Земли, но пропустила нас на девять дней.Как и в случае с Кэррингтоном, частицы достигли расстояния Земли от Солнца всего за 17 часов. Если бы Земля была на пути, нанесенный глобальный ущерб мог бы превысить отметку в 10 триллионов долларов, не говоря уже о неизмеримых человеческих жертвах, которые последовали бы за этим.

Солнечный свет, втекающий через открытый купол телескопа солнечного телескопа Дэниела К. Иноуе … [+] (DKIST), падает на главное зеркало и заставляет фотоны без полезной информации отражаться от него, в то время как полезные направляются в сторону инструменты, установленные в другом месте телескопа.

Тем не менее, большинство из нас думает о солнечных бурях не так, как мы думаем об ураганах, торнадо, землетрясениях, цунами или извержениях вулканов. Однако в сегодняшнем современном мире, зависящем от электроники, мы абсолютно должны думать об этом с точки зрения готовности к стихийным бедствиям. С появлением — только в прошлом году — солнечного телескопа Дэниела К. Иноуе, мы, наконец, готовы получить важное предупреждение, когда может произойти геомагнитная буря катастрофических масштабов.

Этот солнечный телескоп ведет себя как магнитометр, измеряющий Солнце, способный измерять магнитное поле на Солнце и в солнечной короне, что позволяет нам узнать, имеет ли направленный на Землю выброс корональной массы точно неправильное магнитное поле для нашей планеты. момент. Если он будет обнаружен, у нас есть шанс принять крупномасштабные меры по снижению риска, в том числе:

• , когда энергетические компании отключают токи в своих электрических сетях, что требует постепенного снижения в течение примерно ~ 24 часов, чтобы действовать ответственно,
• для отключения и (если возможно) наземных станций и подстанций, чтобы большие наведенные токи не проходили в дома, предприятия и промышленные здания, вызывая пожары,
• и дать рекомендации жильцам дома о том, как безопасно справиться с ситуацией: отключение всей бытовой техники и электроники, отключение определенных проводов и систем и т. Д.

Когда кажется, что выброс корональной массы распространяется во всех направлениях относительно одинаково с нашей … [+] точки зрения, явление, известное как кольцевой CME, это признак того, что он, вероятно, направляется прямо к нашей планете. Вместо этого вспышка, направленная в сторону, с большей вероятностью пропустит мимо нашей планеты, на что мы все должны надеяться.

Самая быстрая солнечная вспышка, когда-либо проходившая от Солнца до Земли, прошла всего за 14 лет.6 часов, а это означает, что в идеале мы хотели бы, чтобы время ответа было быстрее, чем это. Однако наибольшая опасность заключается в полной неподготовленности, что довольно близко к нынешнему положению дел. У нас есть зачатки инфраструктуры, необходимой для обнаружения и измерения этих событий, — не только с телескопом Иноу, но и с солнечным зондом Parker Solar Probe, а также с нашими спутниками для мониторинга Солнца, расположенными в точке Лагранжа L1 в космосе. место вообще.

В худшем случае вспышка произойдет во время резкого похолодания, которое затронет Северное полушарие зимой.Это отключит электричество в большинстве развитых стран, оставив миллиарды людей без тепла и электроэнергии. Может быть нарушено хранение и распределение еды и воды, в результате чего миллиарды людей будут сами заботиться о себе. Наши спутниковые системы тоже могут быть отключены; любая система, которая полагается на компьютеризированные маневры во избежание столкновений, может вместо этого запустить катастрофическую цепную реакцию столкновений со спутниками на низкой околоземной орбите. Если мы не сможем подготовиться, одно событие может отбросить нас как цивилизацию на десятилетия назад.

Столкновение двух спутников может привести к образованию сотен тысяч обломков, большинство из которых … [+] очень маленькие, но очень быстро движущиеся: до ~ 10 км / с. Если на орбите будет достаточно спутников, этот мусор может вызвать цепную реакцию, сделав окружающую среду вокруг Земли практически непроходимой.

Итак, что нам делать, чтобы подготовиться? Он начинается с раннего обнаружения: наземных и космических наблюдений за Солнцем и за частицами, движущимися от Солнца к Земле.В идеале это означало бы сеть гелиофизических обсерваторий на Земле, в точке Лагранжа L1 в космосе и в непосредственной близости от самого Солнца. Мы должны подготовить электрические сети к отключениям и отключениям, выполнение которых занимает менее ~ 14 часов, и усилить заземление на станциях и подстанциях. Мы должны создать обязательные орбиты «безопасного режима» для спутников, чтобы сбои в работе электроники не были катастрофическими, и разработать планы действий в чрезвычайных ситуациях для граждан на случай, если произойдет вспышка уровня Кэррингтона и она направится к Земле.

В самом прямом смысле слова опасность определенно приближается; вопрос только в том, когда. Если мы ничего не предпримем для подготовки, когда наступит «большой», мы можем ожидать ущерба инфраструктуре на триллионы долларов и, вполне возможно, огромного числа смертей. Но если мы сможем подготовить нашу энергосистему, систему распределения и жителей мира к неизбежному, мы действительно сможем эффективно пережить даже событие типа Кэррингтона. Нам просто нужно приложить усилия и вложить средства в профилактику.В противном случае мы будем платить за это многократно, в течение многих лет или даже десятилетий.

Присылайте свои вопросы «Задайте Итану» на номер startwithabang на gmail dot com !

Солнечные бури и космическая погода

С нашей точки зрения на Земле Солнце кажется неизменным шаром. Но на самом деле поверхность Солнца постоянно взбалтывается, и ее отрыжки и брызги могут вызывать сильные штормы, влияющие на жизнь на Земле.

Магнитная активность может удерживать плотные облака заряженного перегретого газа, в основном водорода и гелия, называемые плазмой, над поверхностью Солнца.Иногда эти солнечные протуберанцы могут извергаться, образуя петли и колонны, которые могут легко достигать высоты нескольких Земель, уложенных друг на друга.

Турбулентная поверхность Солнца также может быть испещрена солнечными пятнами — темными пятнами размером с планету, которые обозначают запутанные узлы интенсивной магнитной активности. Солнечные пятна могут оставаться в течение нескольких дней или месяцев, а также расширяться и сжиматься, когда они бродят стаями по поверхности Солнца. Солнечные астрономы в 19 веке заметили, что количество солнечных пятен увеличивалось и уменьшалось по предсказуемой схеме, известной как солнечный цикл.Этот цикл обусловлен изменением полярности северного и южного магнитных полюсов Солнца, что происходит примерно каждые 11 лет. Период максимальной активности солнечных пятен называется солнечным максимумом, а период наименьшей активности — солнечным минимумом.

Солнечные пятна являются отправными точками взрывных извержений, известных как солнечные вспышки, и огромных выбросов заряженных частиц, называемых корональными выбросами массы или CME. Хотя солнечные вспышки и CME часто происходят вместе, ученые думают, что это отдельные явления.

Солнечные вспышки — это внезапные всплески излучения непосредственно над поверхностью Солнца. Вспышки сопровождаются выбросом электронов и заряженных атомов в космос. Эти блестящие извержения вызваны быстрым высвобождением накопленной магнитной энергии и обычно происходят вокруг солнечных пятен, потому что именно там линии магнитного поля Солнца, скорее всего, разорвутся. Солнечные вспышки обычно классифицируются как A, B, C, M или X, причем вспышка класса X является самой мощной.

Напротив, выбросы корональной массы — это гигантские облака заряженных частиц, которые выбрасываются через верхнюю атмосферу Солнца, или корону, со скоростью в миллионы миль в час.Один КВМ содержит миллиарды тонн заряженных частиц и может расцветать, чтобы быть больше, чем само Солнце.

На Землю могут воздействовать как солнечные вспышки, так и CME. Вспышка может наполнить верхние слои атмосферы Земли мощным излучением и заряженными частицами с различными ударами, от усиленных полярных сияний до геомагнитных бурь, которые могут повредить спутники. Излучение от вспышки также может представлять опасность для космонавтов на орбите.

CME могут быть еще более разрушительными. Когда CME направлен на Землю, предшествующая ему ударная волна врезается в магнитный экран Земли, называемый магнитосферой, и деформирует его.Это может вызвать скачки электрического тока, способные вывести из строя спутники на орбите и даже вывести из строя электрические сети на поверхности планеты.

Технологии — не единственное, что уязвимо для солнечной активности. Есть также свидетельства того, что на жизнь на Земле могут влиять события на Солнце. Например, период необычайно низкой активности солнечных пятен с 1645 по 1715 год, известный как минимум Маундера, соответствует Малому ледниковому периоду в Европе, который был отмечен более холодной погодой, более сильным снегопадом и замерзанием крупных водоемов, таких как Темза. Река в У.К. и Балтийское море.

150 лет назад: Худшая солнечная буря за всю историю

2 сентября 1859 года невероятный шторм заряженных частиц, посланных Солнцем, врезался в атмосферу Земли, пересилил ее и вызвал опустошение на земле. Телеграфные провода, высокотехнологичное оборудование того времени, внезапно оборвались в Соединенных Штатах и ​​Европе, что привело к повсеместным пожарам. Цветное сияние, обычно видимое только в полярных регионах, было замечено на юге, вплоть до Кубы и Гавайев.

Магнитное поле Земли обычно защищает поверхность планеты от некоторых штормов.В 1859 году оборона планеты была полностью сломлена. За последнее десятилетие аналогичные, но менее мощные штормы также прорывались, давая ученым представление о том, что в конечном итоге произойдет снова.

Перспективы не радужные.

Солнечный шторм 1859 года был в три раза мощнее, чем тот, который отключил электричество во всей канадской провинции в 1989 году. Эксперты говорят, что если бы это произошло сегодня — а это могло бы быть — результат был бы немыслим.

Если сегодня случится такой сильный шторм, он может нанести до 2 триллионов долларов первоначального ущерба из-за нарушения связи на Земле и разжигания хаоса среди жителей и даже правительств в сценарии, для восстановления которого потребуется от четырех до 10 лет, согласно отчету ранее в этом году Национальной академией наук.Для сравнения, ураган «Катрина» нанес ущерб от 80 до 125 миллиардов долларов.

Хорошая новость заключается в том, что астрономы немного больше знают, с чем имеют дело в настоящее время, и имеют возможность прогнозировать солнечные бури с помощью космических кораблей, наблюдающих за солнцем. Источником штормов — все еще в значительной степени непредсказуемым — являются темные солнечные пятна. Как только пятна прорываются, первая волна радиации поражает Землю всего за несколько минут. Худшие извержения высвобождают еще одно облако заряженных частиц, которое вздымается наружу и занимает от 18 до 36 часов, чтобы добраться до нас; их можно обнаружить и оценить в пути, что позволяет относительно точно прогнозировать время прибытия и мощность.

Предварительное предупреждение позволяет отключить ключевые коммутационные станции электросети для защиты. Спутники, которые в противном случае могли бы выйти из строя из-за короткого замыкания, переводятся в спящий режим.

Нам следует поблагодарить бурю 1859 года за то, что она открыла эру прогнозирования солнечных бурь.

«Причиной всего этого [в 1859 году] была необычная солнечная вспышка, свидетелем которой накануне стал британский астроном Ричард Каррингтон», — сообщает Spaceweather.com. «Его появление ознаменовало открытие солнечных вспышек и предвещало новую область исследований: космическую погоду.«

Солнце имеет 11-летний цикл активности. Следующий пик ожидается в 2013 году. Синоптики недавно пересмотрели свой прогноз относительно того, насколько мощным может быть этот пик, понизив его до умеренного. Но солнце непредсказуемо и даже в умеренный период активности — например, сейчас — крупные вспышки могут вызвать колоссальные штормы.

• Галерея: Солнечные бури
• Видео — Как космические бури сеют хаос на Земле
• Великая солнечная буря 1859 года

Прогноз угроза хаотичного солнца только улучшилась

Все говорят о погоде , как говорится, но никто ничего не делает с этим.Группа из 7500 гражданских ученых и группа исследователей из Университета Рединга в Англии решили изменить это, если распространить природу погоды на космос — в частности, на Солнце.

Первый важный результат их труда задокументирован в исследовании, опубликованном в пятницу в журнале AGU Advances .

Корональные выбросы массы (КВМ) не являются частью погоды на Земле — они являются результатом мощных солнечных бурь — но они все равно могут повлиять на нас и наши космические спутники.Выбрасывая миллиарды тонн коронального материала из Солнца с собственным встроенным магнитным полем, они увеличиваются в размерах, покидая гравитацию Солнца. Самый большой из них может занять почти четверть пространства между Землей и Солнцем к тому времени, когда достигнет планеты.

Попутно CMEs могут быть космическими пятнами разрушения. В худшем случае они могут нанести ущерб электронике на спутниках, создать угрозу для космонавтов своим излучением и могут вывести из строя электрические сети на Земле настолько, чтобы затемнить город.Некоторые ученые считают, что солнечная буря могла помешать навигации на Титанике в ночь его затопления, а CME вызвал подрыв мин во время войны во Вьетнаме.

В 1859 году CME, ныне известная как Событие Кэррингтона, повредила телеграфные системы по всей планете. Свидетели того времени также описали это как «сцену почти невыразимой красоты» и «величайшее из зарегистрированных полярных сияний».

Невыразимая красота или нет, но они представляют опасность. Вот почему в 2010 году был основан проект Solar Stormwatch Project.

Университет Рединга в партнерстве с данными миссии НАСА STEREO создал Solar Stormwatch — добровольный проект, призванный помочь собрать точки данных на CME с помощью простых щелчков мышью. В то время ученые НАСА заявили, что «чем больше людей будут изучать наши данные, тем больше открытий мы сделаем».

Десять лет спустя и 192 224 классификации спустя, открытия делаются.В документе группа сообщает, что благодаря информации, полученной от добровольцев о размере и форме CME, прогнозы были на на 20 процентов точнее , а неопределенность была уменьшена на 15 процентов.

Не все КВМ достигают Земли, поэтому понимание их потенциальной траектории имеет решающее значение. Д-р Люк Барнард, исследователь космической погоды на кафедре метеорологии Университета Рединга, сказал, что добровольцы смогли «представить вторую стадию наблюдений в момент, когда CME более устоялся, что дало лучшее представление о его форме и траектория.”

Более точные прогнозы позволяют лучше управлять спутниками и космическими путешествиями. Знание того, что КВМ определенного размера приближается к Земле, также обеспечивает необходимый уровень готовности — например, отключение электросети вместо того, чтобы позволить ей дать сбой.

Данные Solar Spacewatch были использованы благодаря обработке новой модели солнечного ветра, которая может увеличить количество сложных симуляций, которые она может выполнять, в 10 раз.В то время как старая модель могла запускать 20 симуляций одновременно, новая модель, разработанная профессором Ридинга Мэтью Оуэнсом, может достигать 200.

CME различаются по скорости, самые медленные перемещаются со скоростью 559 234 миль в час (250 километров в секунду), в то время как самые быстрые могут перемещаться. на скорости около 6710809 миль в час (3000 км / с). В то время как медленным движкам требуются недели, чтобы достичь Земли, самый быстрый и потенциально опасный CMES может достичь планеты всего за 15–18 часов.

На протяжении более чем столетия событие Кэррингтона было пробным событием для астрономов, обсуждающих потенциальное повреждение CME.Но все изменилось в 2012 году, когда столь же мощная, если не большая, солнечная буря почти не обошла Землю.

В результате этой катастрофы ученые в 2014 году подсчитали вероятность того, что событие уровня Кэррингтона поразит Землю в следующие десять лет, и обнаружили, что риск был на удивление высоким — 12 процентов. Если такая угроза когда-либо возникнет, человечество может иметь преимущество перед добровольцами Солнечного Штормового Дозора.

Abstract: Прогнозирование прихода корональных выбросов массы (CME) — одна из ключевых задач прогнозирования космической погоды.В оперативном прогнозировании космической погоды для этой задачи используются численные модели солнечного ветра, и все чаще используются ансамблевые методы как средство улучшения этих прогнозов. В настоящее время эти прогнозы не ограничиваются доступными наблюдениями in situ и дистанционным зондированием, такими как наблюдения с гелиосферных формирователей изображений (HI) на космическом корабле STEREO Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), который записывает изображения солнечного ветра и солнечного ветра в белом свете. CME. Мы приводим тематические исследования четырех CME и показываем, как наблюдения HI могут быть использованы для улучшения навыков и уменьшения неопределенности ансамблевых ретроспективных прогнозов этих событий.Используя эффективную с вычислительной точки зрения модель солнечного ветра, мы производим ретроспективные прогнозы по ансамблям из 200 элементов, изменяя смоделированные параметры CME в пределах однородных распределений относительно наилучших оценок. Сравнивая траекторию смоделированных флангов CME с наблюдениями HI, мы вычисляем вес для каждого члена ансамбля. Взвешивание ансамблевого распределения времен прихода CME улучшает навыки и снижает неопределенность ретроспективного прогноза каждого события. Для этих четырех событий взвешенные ансамбли показывают среднее уменьшение ошибки времени прибытия на 20.1 ± 4,1%, а среднее снижение неопределенности времени прибытия на 15,0 ± 7,2% по сравнению с невзвешенными ансамблями. Этот метод можно было бы применять в оперативном прогнозировании космической погоды, если бы были доступны наблюдения HI в реальном времени. Таким образом, поскольку НАСА и Европейское космическое агентство в настоящее время планируют следующие миссии по мониторингу космической погоды, наше экспериментальное исследование предоставляет некоторые доказательства потенциальной ценности включения HI в эти миссии.

на этой неделе

Этой осенью Солнце вошло в новый солнечный цикл после того, как несколько лет «вздремнуло».Это означает, что к 2025 году самый большой объект в нашей солнечной системе снова станет активным.

«Когда мы выходим из солнечного минимума и приближаемся к максимуму солнечного цикла 25, важно помнить, что солнечная активность никогда не прекращается; он меняет форму при качании маятника », — сказала Лика Гухатакурта, солнечный ученый из отдела гелиофизики в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне.

ПОДРОБНЕЕ О ФАЗАХ СОЛНЦА

Last weekend, the Sun released a solar flare and subsequent eruption of material — and our Solar Dynamics Observatory had an unparalleled view. ☀️👀 See this solar activity through SDO’s eyes, spanning multiple wavelengths of ultraviolet light: https://t.co/b9aoJq5vHY pic.twitter.com/5VFJZ1eSyH

— NASA Sun & Space (@NASASun) December 8, 2020

Но до того, как мы закончим 2020 год, есть вероятность, что мы сможем увидеть то, что, по мнению некоторых, может быть самой сильной солнечной бурей в году, с конца среды по четверг.Центр прогнозирования космической погоды NOAA выпустил часы для наблюдения за геомагнитной бурей с 9 по 11 декабря. Согласно определению NOAA, геомагнитная буря — это серьезное нарушение магнитосферы Земли, которое возникает, когда происходит очень эффективный обмен энергией солнечного ветра с космической средой, окружающей Землю. Это может показаться чем-то «не из этого мира», но на самом деле мы могли бы испытать несколько вещей, если прогнозы верны.

Одной из самых обсуждаемых тем на этой неделе (если будет благоприятная погода!) Будет возможность увидеть северное сияние или северное сияние, довольно далеко на юге Соединенных Штатов.Это могут быть города от северо-востока до Великих озер и даже до северных равнин.

К несчастью, могут быть помехи в работе спутников, которые могут привести к некоторым периодам отключения Интернета и спутникового радио / телевидения. Электрические сети также могут быть повреждены некоторыми геомагнитными событиями, что может привести к проблемам со связью.

«Существует опасность нарушения связи на Земле, — пояснил Дэн Ситон, старший научный сотрудник по солнечной физике Национального центра экологической информации NOAA.«GPS может быть немного менее надежным во время явления космической погоды, а электросети на самом деле уязвимы для скачков напряжения, которые могут вызвать отключение электроэнергии.

Хотя это может показаться страшным событием, не волнуйтесь, это не будет шторм, который разрушит нашу планету! Вы просто можете заметить некоторые нарушения в повседневной жизни.

ПОДРОБНЕЕ ОБ ВОЗДЕЙСТВИИ СИЛЬНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК