Геомагнитная буря

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
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 (интенсификации) 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[править | править исходный текст]

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[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 — ниже −200 нТл.

Следует отметить, что 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)·103 нТл.

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 («событие Кэррингтона»).

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 сентября 1957 года (Dst = −427 нТл)[3], 11 февраля 1958 (Dst = −426 нТл)[4], 15 июля 1959 (-429 нТл), 13 марта 1989 (-589 нТл) и 20 ноября 2003 (-472 нТл).

Важным вопросом остается вопрос о частоте возникновения на Земле наиболее сильных магнитных бурь. Так как экстремальных магнитных бурь было зарегистрировано мало, то надежно 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 бури 1989 года (Dst = —589 нТл) в среднем наблюдаются один раз в 25 лет, а типа кэррингтоновской бури 1859 года (Dst ~ —1700 нТл) — не чаще одного раза в 500 лет[5].

K-индекс — это отклонение магнитного поля Земли от нормы в течение трёхчасового интервала. Индекс был введён Дж. Бартельсом в 1938 г. 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[править | править исходный текст]

Связь геомагнитной активности с явлениями на Солнце[править | править исходный текст]

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 (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[6].

Следует отметить, что иногда мощные солнечные возмущения сопровождаются как сильными рентгеновскими вспышками, так и большими выбросами корональной массы, которые почти совпадают по времени[7], поэтому сегодня есть сторонники точки зрения, что и вспышки, и выбросы корональной массы являются разными проявлениями стоящего за ними единого явления[8]. 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[9][10]. 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[11].

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)»[12]. 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[13]. 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[14][15].

Виды и методы прогноза геомагнитной активности[править | править исходный текст]

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[16].

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.

Надежность 2-суточного и 1-часового прогноза составляют, соответственно, около 30-50 % и 95 %[17]. Остальные прогнозы носят лишь общий информационный характер и имеют ограниченное практическое применение.

Влияние геомагнитных бурь на жизнь и здоровье людей[править | править исходный текст]

Геомагнитные бури являются одним из важнейших элементов космической погоды и влияют на многие области деятельности человека, из которых можно выделить нарушение связи, систем навигации космических кораблей, возникновения вихревых индукционных токов в трансформаторах и трубопроводах и даже разрушение энергетических систем.

Магнитные бури также влияют на здоровье и самочувствие людей[18][неавторитетный источник?]. Раздел биофизики, изучающий влияние изменений активности Солнца и вызываемых ею в земной магнитосфере возмущений на земные организмы, называется гелиобиологией.

Острые споры вызывал в своё время вопрос о влиянии солнечной активности на возникновение несчастных случаев и травматизм на транспорте и в производстве. На это впервые указал ещё в 1928 году Александр Чижевский.

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.[18]

См. также[править | править исходный текст]

  • Геомагнитная буря 1859 года — геомагнитная буря 1859 года, также известная как «Событие Кэррингтона», была мощнейшей геомагнитной бурей за всю историю измерения магнитного поля Земли.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Dst в реальном времени
  2. Шторм геомагнитный (магнитная буря) :: Институт географии РАН
  3. Dst-индех в сентябре 1957 года
  4. Dst-индех в феврале 1958 года
  5. [ Yermolaev, Y. I., I. G. Lodkina, N. S. Nikolaeva, and M. Y. Yermolaev (2013), Occurrence rate of extreme magnetic storms, J. Geophys. Res. Space Physics, 118, 4760-4765, doi:10.1002/jgra.50467. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jgra.50467/abstract;jsessionid=F1B2B15E9EBF2D3990E49C97B6A590E8.f02t02 ]
  6. Schwenn, R. Space Weather: The Solar Perspective // Living Reviews in Solar Physics. — 2010.
  7. Švestka, Z. Varieties of Coronal Mass Ejections and Their Relation to Flares // Space Sci. Rev.. — 2001. — Т. 95. — С. 135–146.
  8. Harrison, R.A. Soho observations relating to the association between flares and coronal mass ejections // Adv. Space Res. — 2003. — Т. 32. — С. 2425–2437.
  9. Yashiro, S. et al., Visibility of coronal mass ejections as a function of flare location and intensity // J. Geophys. Res.,. — 2005. — Т. 110.
  10. 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.
  11. Ермолаев Ю. И., Ермолаев М. Ю. Зависит ли сила геомагнитной бури от класса солнечной вспышки? // Космические исследования. — 2009. — Т. 47. — № 6. — С. 495–500.
  12. Bartels, J., Terrestrial-magnetic activity and its relations to solar phenomena // Terr. Magn. Atmos. Electr.,. — 1932. — Т. 37. — С. 1–52.
  13. Crooker, N. U., and E. W. Cliver, Postmodern View of M-Regions, // J. Geophys. Res.,. — 1994. — Т. 99. — № А12. — С. 23383–23390.
  14. Borovsky J.E. and Denton M.H., Differences between CME-driven storms and CIR-driven storms, // J. Geophys. Res.,. — 2006. — Т. 111. — С. A07S08.
  15. 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.
  16. Петрукович А.А. Предсказуема ли космическая погода? // Новости Космонавтики. — 2005. — № 3.
  17. Ермолаев Ю.И. « ВСЕ БЕШЕНЕЙ БУРЯ, ВСЕ ЗЛЕЕ И ЗЛЕЙ…» // РФФИ. — 2005.
  18. 1 2 Обридко В.Н., Рагульская М.В., Хабарова О.В. и др. Реакция человеческого организма на факторы, связанные с изменениями солнечной активности // Биофизика. — М.: Наука, 2001. — Т. 46. — № 5. — С. 940-945.

Ссылки[править | править исходный текст]