Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain
В последнее время гораздо больше людей во всем мире, чем обычно, смогли увидеть северное и южное сияние над головой невооруженным глазом. Это необычное событие было спровоцировано очень сильной солнечной бурей, которая повлияла на движение магнитного поля Земли.
Солнце достигает максимальной точки активности за 11-летний цикл. Это означает, что мы можем ожидать более взрывных излияний частиц. При правильных обстоятельствах именно это в конечном итоге порождает красивые полярные сияния в небе, а также геомагнитные бури, которые могут повредить инфраструктуру, такую как электросети и орбитальные спутники.
Так что же на самом деле является причиной этих явлений? Северное и южное сияние обычно приурочены к очень высоким и очень низким широтам. Частицы высокой энергии от Солнца движутся к Земле, направляемые солнечным магнитным полем. Они переносятся в магнитное поле Земли в процессе, известном как переподключение.
Эти действительно быстрые и горячие частицы затем несутся вниз по линиям магнитного поля Земли (направлению силы магнита) до тех пор, пока не сталкиваются с нейтральными, холодными атмосферными частицами, такими как кислород, водород или азот. В этот момент часть этой энергии теряется, и это нагревает окружающую среду.
Однако атмосферным частицам не нравится быть энергичными, поэтому они выделяют часть этой энергии в видимом диапазоне света. Теперь, в зависимости от того, какой элемент слишком горячий, вы увидите различный набор длин волн (и, следовательно, цветов), излучаемых в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Это источник полярных сияний, которые мы можем наблюдать в высоких широтах, а во время сильных солнечных явлений – и в более низких широтах.
Синий и фиолетовый цвета полярного сияния происходят от азота, а зеленый и красный — от кислорода. Этот конкретный процесс происходит постоянно, но поскольку магнитное поле Земли по форме похоже на стержневой магнит, область, которая возбуждается падающими частицами, находится на очень высоких и низких широтах (Полярный круг или Антарктида в целом).
Так что же позволило нам увидеть полярное сияние намного южнее, в северном полушарии?
Возможно, вы помните, как в школе рассыпали железные опилки на бумагу поверх магнита, чтобы посмотреть, как они выстраиваются в линию с магнитным полем. Вы можете повторить эксперимент несколько раз и каждый раз видеть одну и ту же форму.
Магнитное поле Земли также постоянно, но может сжиматься и ослабляться в зависимости от силы Солнца. Самый простой способ подумать об этом — представить себе два наполовину надутых воздушных шара, прижатых друг к другу.
Если надуть один шарик, добавив в него больше газа, давление увеличится и оттолкнет меньший шарик назад. Когда вы выпускаете лишний газ, меньший шарик расслабляется и выталкивается обратно.
Для нас, чем сильнее это давление, тем ближе к экватору отодвигаются соответствующие силовые линии магнитного поля, а это означает, что можно увидеть полярные сияния.
Исключительные штормы
Здесь также возникают потенциальные проблемы: движущееся магнитное поле может генерировать ток во всем, что проводит электричество.
В современной инфраструктуре наибольшие токи возникают в линиях электропередачи, железнодорожных путях и подземных трубопроводах. Скорость этого движения также важна и отслеживается путем измерения того, насколько магнитное поле отличается от «нормального». Одна из таких мер, используемых исследователями, называется индексом времени возмущенного шторма.
По этим меркам геомагнитные бури 10 и 11 мая были исключительно сильными. При таком сильном шторме существует потенциальная опасность возникновения электрических токов. Линии электропередач подвергаются наибольшему риску, но они выиграли от защиты, встроенной в электростанции. Они были в центре внимания после геомагнитной бури 1989 года, которая расплавила силовой трансформатор в Квебеке, Канада, что привело к отключению электроэнергии на несколько часов.
Большему риску подвергаются металлические трубопроводы, которые подвергаются коррозии при прохождении через них электрического тока. Это не мгновенный эффект, а происходит медленное накопление разрушающегося материала. Это может оказать очень сильное влияние на инфраструктуру, но его очень трудно обнаружить.
Хотя течения на Земле представляют собой проблему, в космосе они представляют собой еще большую проблему. Спутники имеют ограниченное количество заземлений, и скачок напряжения может вывести из строя приборы и средства связи. Когда спутник таким образом теряет связь, его называют спутником-зомби, и он часто теряется полностью, что приводит к очень большим инвестиционным потерям.
Изменения магнитного поля Земли также могут влиять на прохождение света. Мы не видим этого изменения, но точность системы определения местоположения в стиле GPS может сильно пострадать, поскольку показания местоположения зависят от времени, которое прошло между вашим устройством и спутником. Увеличение плотности электронов (количества частиц на пути сигнала) заставляет волну изгибаться, а это означает, что для достижения вашего устройства требуется больше времени.
Те же изменения могут повлиять на скорость спутникового Интернета и радиационные пояса планеты. Это тор высокоэнергетических заряженных частиц, в основном электронов, на расстоянии около 13 000 км от поверхности. Геомагнитная буря может вытолкнуть эти частицы в нижние слои атмосферы. Здесь частицы могут создавать помехи высокочастотному (ВЧ) радио, используемому самолетами, и влиять на концентрацию озона.
Полярные сияния не ограничиваются Землей — они есть на многих планетах, и они могут многое рассказать нам о магнитных полях, существующих на этих небесных объектах. Особый прибор, используемый для имитации полярных сияний, — это «планетерелла», впервые разработанная в начале 1900-х годов норвежским ученым Кристианом Биркеландом.
Магнитная сфера (представляющая Землю) помещается в вакуумную камеру, и солнечный ветер моделируется путем запуска электронов в сферу. У нас есть два таких инструмента в университетах Великобритании, и здесь, в Университете Ноттингем Трент, я недавно помог студенту создать бюджетную версию в качестве магистерского проекта.
Изменяя силу магнитного поля и расстояние между объектами, можно наблюдать, как меняются полярные сияния. Излучение в основном фиолетовое, как и следовало ожидать в атмосфере с содержанием азота 72%. Вокруг вершины, где на Земле было бы видно полярное сияние, появляется сильное эмиссионное кольцо, и это кольцо движется вверх и вниз по широте в зависимости от напряженности магнитного поля.
Как естественное явление, полярные сияния — это чудо. Но еще лучше то, что при каждой сильной геомагнитной буре мы вносим улучшения, которые помогают защититься от потенциального ущерба от будущих событий.
Информация от: Разговором
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
