Потоки частиц, испускаемые Солнцем, льются на Землю уже миллиарды лет. Однако следующая мощная вспышка, которой повезет с прямым попаданием в Землю, будет способна повредить энергосети и другие объекты инфраструктуры, поразив таким образом технические системы, лежащие сейчас в основе нашей цивилизации.Вот уже больше недели руководство NASA внимательно следило за тем, как грандиозные факелы вещества, раскаленного до температуры в миллионы градусов, взлетали величественными дугами над дальней стороной нашего светила. Но постепенно Солнце повернулось к нам проблемной стороной, и это зрелище открылось нашим прямым взглядам. Огромный, покрытый пятнами участок солнечной поверхности, в 13 раз превосходящий диаметр Земли, буквально бурлил под воздействием непрерывно меняющихся магнитных полей.
28 октября 2003 года примерно в семь часов утра по североамериканскому восточному времени в этой зоне произошел грандиозный взрыв, в пространство взлетел поток раскаленного ионизированного газа, и этот поток ринулся в сторону нашей планеты со скоростью во многие и многие миллионы километров в час. Тем временем в служебном модуле Международной космической станции астронавт Майкл Фоул и космонавт Александр Калери только что закончили завтракать и собрались приступить к первой рабочей неделе 195-дневной космической экспедиции. Двигаясь по своей орбите, именно в этот момент космическая станция летела над восточным побережьем Южной Америки в сторону Южно-Атлантической аномалии — той зоны, где концентрируются прилетающие от Солнца высокоэнергетические частицы.
Как вспоминает Фоул, их вызвали из Центра управления полетами и сказали: «Вас там ждут серьезные приключения, так что стоило бы вам, Майк, укрыться в отсеке экипажа». Отметив, что личный дозиметр подтвердил угрозу, Фоул проплыл 60 м и оказался в спальном отсеке, где укрылся в похожем на гроб боксе, обложенном толстыми брикетами из полиэтиленовой пены — именно они должны были защитить его тело от воздействия протонов, пронизывающих станцию насквозь. Это были посланцы солнечной вспышки — одной из самых мощных из когда-либо зафиксированных учеными. Снаружи станции в это время полыхала аврора, возникающая за счет взаимодействия электронов с атомами газов земной атмосферы. «Зрелище было фантастическим и захватывающим, — рассказывает Фоул. — С другой стороны, трудно спокойно смотреть на то, какие энергии омывают твою металлическую скорлупку».
В 7:30 утра спутник SOHO, висящий в одной из точек Лагранжа между Солнцем и Землей, зафиксировал корональный выброс массы. На следующее утро наша планета оказалась под ударом потока намагниченной плазмы массой в миллиарды тонн. Эта плазменная река вклинилась в магнитное поле Земли, которое, как колокол, отозвалось звоном на этот удар. И точно так же, как в школьных опытах движущийся магнитный брусок порождает электрический ток в проволочной обмотке, выброс возбудил мощнейшие электрические токи в линиях электропередач. Во всех электросетях мира были отмечены пиковые перегрузки. В Швеции сгорел один из высоковольтных трансформаторов, обесточив почти на час крупный город Мальме. Бомбардировка солнечными частицами продолжалась несколько дней, они нарушали и спутниковую, и обычную атмосферную радиосвязь. Полярные сияния плясали даже в ночных небесах Флориды и Австралии. Прошло около недели, и самые активные зоны на поверхности Солнца «отвернулись» от нашей планеты. В результате этой космической катастрофы никто из людей не погиб, однако буря повлекла за собой убытки на сотни миллионов долларов.
Этот корональный выброс массы на Солнце сопутствовал вспышке среднего масштаба. Когда к 2013 году Солнце достигнет пика в своем 11-летнем цикле активности, подобные события будут происходить на нем три-четыре раза в день
Этот корональный выброс массы на Солнце сопутствовал вспышке среднего масштаба. Когда к 2013 году Солнце достигнет пика в своем 11-летнем цикле активности, подобные события будут происходить на нем три-четыре раза в день
Солнечная активность подчиняется приблизительно 11-летнему циклу, причем самые сильные магнитные бури группируются вокруг пика цикла. Это подтверждается и мощными магнитными бурями, которые уже прокатились в январе и марте этого года. Благодаря счастливой случайности эти солнечные выбросы не оказали слишком уж сильного влияния на земную ситуацию, так как именно в эти моменты магнитное поле Земли располагалось так, что солнечная радиация по большей части просто обогнула нашу планету. Посмотрим, будет ли такая же удача сопутствовать нам во время следующего коронального выброса.
Эти угрозы не дают покоя Джону Каппенману, основателю фирмы Storm Analysis Consultants. Он лучше многих других знает, чем грозят нам геомагнитные бури, поскольку самым подробным образом исследовал шторм 2003года (названный позднее Halloween Storm, Хэллоуинская буря) и пришел к выводу, что нам еще очень сильно повезло. Земное магнитное поле тогда значительно ослабило плазменный удар, но буря привела к отключению целого города и перегрузке всей континентальной электросети. При полной мощности удар имел бы несравненно более трагичные последствия.
В чем состоит действие солнечной бури
В процессе коронального выброса массы Солнце извергает высокоэнергетические частицы, которые улетают в космос на скоростях в несколько миллионов километров в час. Через день или чуть позже эти частицы оказываются в магнитном поле Земли, порождая магнитную бурю.
Потоки высокоэнергетических протонов и электронов повреждают электронные схемы и вызывают деградацию солнечных батарей космических аппаратов (в том числе и Международной космической станции).
Под их воздействием несколько нагревается верхний слой атмосферы, что вызывает ее «подъем». В результате повышается лобовое сопротивление движению низкоорбитальных спутников, что требует коррекции и снижает их сроки пребывания на орбитах.
Под воздействием радиации ионосфера Земли меняет свою форму. В ней образуются пузыри плазмы. Проходя через такие зоны, сигналы от спутников GPS искажаются или поглощаются. В результате становится невозможной точная спутниковая навигация.
Кроме того, ионизированные частицы воздействуют на распространение радиоволн. Самолеты, летающие в Заполярье (на широтах выше 85 градусов), полностью зависят в своей навигации от высокочастотной радиосвязи, так что в такой ситуации серьезно рискуют сбиться с курса.
Колебания магнитного поля наводят сильные электрические токи в газо- и нефтепроводах, провоцируя таким образом их коррозию.
Кроме того, эти токи наводятся и в инфраструктуре электросетей, например в трансформаторах, которые могут просто взорваться из-за резких бросков тока.
Это может показаться чрезмерно пессимистичным, однако реальные исторические хроники утверждают, что Хэллоуинская буря 2003 года выглядит сущей безделицей в сравнении с более ранними событиями.
В марте 1989 года геомагнитная буря вырубила высоковольтный трансформатор на гидроэлектростанции в канадском Квебеке. В результате морозной зимней ночью вся провинция на девять часов осталась без электричества. Магнитная буря, охватившая всю Землю в марте 1921 года, вызывала пожары на телеграфных и телефонных станциях, а также на железнодорожных станциях, подключенных к только зарождающимся электросетям. Самая сильная из наблюдавшихся до сих пор магнитных бурь — «Событие Кэррингтона» — произошла в сентябре 1859 года. Тогда наведенные геомагнитной бурей токи достигали такой силы, что в течение четырех суток телеграфисты, отключив свое оборудование от аккумуляторов, передавали сообщения, используя исключительно «ток полярного сияния», который наводился в линиях передачи.
«За все эти годы в физических механизмах солнечного и земного магнитных полей не изменилось по сути ничего. Изменились мы сами, — говорит Каппенман. — Мы понастроили множество грандиозных электросетей и, завязав на них все стороны нашей жизнедеятельности, стали зависеть от их капризов. Раньше или позже мы дождемся еще одной бури, сравнимой с «Событием Кэррингтона». Только в 1859 году единственной технической системой, оказавшейся под ударом космической стихии, была телеграфная сеть, а в 1921 году вся электроэнергетика пребывала на стадии младенчества. Теперь же куда ни посмотри — мы везде видим системы и сети, практически беззащитные перед магнитными бурями.
Север под ударом
Воздействие геомагнитных бурь на наземную инфраструктуру в большей степени проявляется в регионах, близких к магнитным полюсам.
Поскольку в Северном полушарии магнитный полюс смещен по направлению к Канаде, в число наиболее уязвимых попадают густонаселенные районы США и Канады. В России же «под ударом» находятся только наиболее северные территории (Мурманск, Норильск и др.), инфраструктура которых рассчитана на суровые условия эксплуатации и поэтому построена с некоторым запасом надежности. А для космической отрасли (и российской, и других стран) учет влияния солнечных вспышек и геомагнитных бурь давно стал неотъемлемой частью обычной эксплуатации спутников. Но ключевым вопросом по-прежнему остается возможность заблаговременно предсказывать геомагнитные бури. «Для этого используются данные, получаемые от солнечных обсерваторий SOHO и ACE, находящихся в точке либрации L1 между Землей и Солнцем, — говорит Анатолий Петрукович, заведующий отделом физики космической плазмы Института космических исследований (ИКИ) РАН. — SOHO с помощью своего коронографа позволяет отслеживать корональные выбросы массы и по их местоположению и динамике давать трехдневный прогноз, представляют ли они опасность для Земли. ACE оснащен инструментами для изучения солнечного ветра, на основе их данных можно за час-полтора до начала магнитной бури оценить интенсивность пришедшего к Земле магнитного облака. Данные и изображения высокого разрешения от более новых аппаратов STEREO и Solar Dynamics Observatory (SDO) дают очень ценную информацию, но в основном не для кратковременных прогнозов, а для построения фундаментальных моделей поведения Солнца»
В течение последних 50 лет мировые электросети разрослись в десять раз, перейдя на более высокие рабочие напряжения. Это ведет к повышению КПД электропередачи, однако новое оборудование оказывается менее защищено от неуправляемых токов. По мере роста сетей расширяется и практика перекачки больших потоков энергии между разными регионами. Столь тесно переплетенные взаимосвязи повышают риск аварий, охватывающих обширные регионы. Человечество, само того не желая, понастроило антенны размером с целые континенты — и все эти антенны оказались идеально настроены на то, чтобы воспринимать электромагнитную энергию космических бурь.
В течение последних лет Каппенман предпринял цикл исследований по заказам различных правительственных организаций и показал, что достаточно сильная магнитная буря может привести к перегреву и выходу из строя сотен тысяч высоковольтных трансформаторов, в результате чего энергоснабжение нарушится в масштабах целых стран. Быстро заменить сгоревшее оборудование будет просто нечем, и восстановление системы может занять до десяти лет, в течение которых 100 млн человек будут вынуждены обходиться без центрального электроснабжения.
В прошлом году Министерство внутренней безопасности США поручило Jason Defense Advisory Panel (это независимая консультационная комиссия, составленная из ведущих ученых) проанализировать утверждения Каппенмана. В своем докладе от ноября 2011 года эта комиссия несколько скептически оценила вероятность наихудших сценариев, но при этом согласилась, что геомагнитные бури все же способны нанести энергосетям США серьезные повреждения. Ученые призвали к дальнейшим работам по совершенствованию систем прогноза космической погоды. Также рекомендовано повысить надежность электроэнергетической инфраструктуры и обновить постепенно устаревающие спутники, наблюдающие за Солнцем.
Физик Ави Шнурр, председатель неправительственной комиссии по безопасности электроэнергетической инфраструктуры, причисляет себя к отряду скептиков, сомневающихся, что современное общество сумеет при необходимости оперативно решить эту проблему. «Если бы катастрофа класса «События Кэррингтона» случилась прямо сейчас, она прозвучала бы не как сигнал побудки, а уже как отбой, — говорит он. — Настал момент, когда от нас требуется сделать то, на что редко отваживаются правительства, тем более правительства демократических стран. Необходимо принять целенаправленные меры для противостояния некоей заранее предсказанной угрозе, которую люди пока еще не успели увидать воочию».
Защита электросетей — это, по сути, комплекс вполне прямолинейных мероприятий. Большая часть высоковольтных трансформаторов заземлены. Это требуется для нейтрализации всплесков напряжения, когда в трансформатор попадает молния или на него оказывается какое-либо еще опасное внешнее воздействие. Однако заземление как раз делает трансформатор уязвимым для токов, наведенных геомагнитными бурями. Специалисты считают, что препятствием для нежелательных токов могут послужить специально установленные сопротивления или емкости, и всего за несколько лет такую защиту можно было бы разместить во всех жизненно важных узлах (к примеру, рядом с электростанциями, обслуживающими основные города). На практике это, конечно же, реализовать непросто и недешево: $100 000 на каждый трансформатор.
Питер Прай, бывший сотрудник ЦРУ и член Комитета по вооруженным силам Конгресса США, предпринял определенные усилия, чтобы как-то подтолкнуть законодательную работу в сфере угрозы из космоса. Он с недоумением смотрит, как чиновники неизменно кладут под сукно все постановления, направленные на повышение безопасности электросетей. «Настоящая угроза кроется не в космосе, а в бюрократии, — говорит он. — Получается, что никто не отвечает за ту угрозу, которая нависла надо всеми».
В случае экстремальных проявлений космической стихии главной причиной для лавины аварий послужат отнюдь не отключения энергии в национальных сетях. Джейн Лабченко, глава Национального управления по исследованию океана и атмосферы (NOAA), указывает на то, что высокоэнергетические частицы способны оказать негативное влияние на точность работы спутников GPS. Сигналы этих спутников позволяют определять координаты на поверхности земли, а также узнавать время с точностью до миллиардной доли секунды. Практические результаты от работы этой системы не ограничиваются помощью автомобилистам в их ориентации на дорогах. На их базе синхронизируется сотовая телефонная связь, согласуется авиационный трафик и управляются мириады машин разнообразных спасательных и аварийных служб.
«Большая часть финансовых операций снабжается сейчас с генерированным в системе GPS штампом «дата–время», эта же система обеспечивает динамическое позиционирование самых глубоководных нефтяных и газовых буровых станций, — говорит Лабченко. — А теперь попробуйте прикинуть все финансовые издержки, каких можно ждать при отключении системы GPS. Авария на Deepwater Horizons покажется детской шалостью по сравнению с теми, что могут произойти, если на буровые платформы поступит от спутников GPS ошибочная навигационная информация».
На сегодня единственным способом надежно защитить энергетические и спутниковые сети от подобного удара было бы просто предварительное отключение всех этих систем по первой же тревоге из космоса. «Такое решение трудно назвать оптимальным», — говорит Каппенман. Во-первых, каждое такое превентивное отключение приведет к убыткам в миллиарды долларов. Кроме того, говорит он, «системы прогнозирования вряд ли когда-либо будут доведены до такого уровня точности, чтобы вообще никогда не выдать ложной тревоги».
Томас Богдан, бывший директор центра слежения за космической погодой NOAA в Баулдере, Колорадо, вынужден признать, что «сейчас наши прогностические возможности оставляют желать лучшего». Особенно трудно предсказывать корональные выбросы и солнечные вспышки. Для этого требуются более совершенные теоретические модели, описывающие циркуляцию плазмы на Солнце. При этом при пиках активности нашей звезды выбросы безотказно происходят по три-четыре раза в день, а в спокойные периоды — по крайней мере раз в неделю. «Единственное, на что сейчас можно положиться, это на наше знание о том, что Солнце подчиняется строго определенному циклу активности», — говорит Богдан.
Следящие за Солнцем
Всего несколько спутников имеют на борту приборы, специально созданные для отслеживания солнечной активности и выявления радиационных бурь, устремившихся в сторону Земли. Половина из этих спутников может отказать в любую минуту.
Изображение: «Популярная механика»
Solar and Heliospheric Observatory (SOHO)
Запланированная длительность экспедиции: 2 года
Дата запуска: 2 декабря 1995 года
SOHO с помощью своего телескопа с коронографом, действующего в дальнем ультрафиолетовом диапазоне, получает изображения солнечной короны высокой четкости и предсказывает космическую погоду в режиме реального времени. В 1998 году NASA на полтора месяца утратило связь с SOHO. Сейчас этот аппарат действует без участия бортового гироскопа, который раньше стабилизировал его ориентацию в пространстве.
Advanced Composition Explorer (ACE)
Запланированная длительность экспедиции: 5 лет
Дата запуска: 25 августа 1997 года
Этот спутник оборудован пятью спектрометрами высокого разрешения и тремя приборами для изучения солнечного ветра и высокоэнергетических частиц, летящих от Солнца. После 15 лет, проведенных в открытом космосе, ACE и сейчас способен выдавать с опережением в 1 час предостережения о геомагнитных бурях.
Solar Terrestrial Relations Laboratory (STEREO)
Запланированная длительность экспедиции: 2 года
Дата запуска: 26 октября 2006 года
Два спутника, совместно работающие в экспедиции STEREO, исследуют корональные выбросы массы, что позволяет выдавать более точные предупреждения о солнечных вспышках. Эти два аппарата полностью вышли на рабочие позиции 6 февраля 2011 года, раздвинувшись друг относительно друга по орбите на 180 градусов. Таким образом, впервые за всю историю солнечных исследований появилась возможность получить 360-градусный обзор Солнца.
Solar Dynamics Observatory (SDO)
Запланированная длительность экспедиции: 5 лет
Дата запуска: 11 февраля 2010 года
Комплект приборов, установленных на SDO, позволяет рассмотреть, как формируется и структурируется магнитное поле Солнца, а также как оно преобразуется в фантастические картины, происходящие на его поверхности. Все это прорисовывается с качеством, почти не уступающим IMAX.
Geostationary Operational Environment Satellites
Главная задача этой серии спутников — неотрывно следить за Землей, но GOES-15 оборудован еще и солнечным фотоаппаратом, солнечным датчиком (оба работают в рентгеновском диапазоне) и еще одним УФ-датчиком. Эти приборы помогают NOAA в формировании прогнозов космической погоды. GOES-13 подстраховывает номер 15-й во время затмений. Правда, его рентгеновский датчик работает не так надежно. GOES-14 висит на орбите в режиме хранения, дожидаясь своего часа.
Центр космических метеопрогнозов основывает свои выводы на постоянном сканировании Солнца в поисках мельчайших симптомов, сообщающих о надвигающейся угрозе. Первым делом информация поступает от наземных обсерваторий, действующих под эгидой ВВС США, а также от спутниковой сети NOAA, которые отслеживают рентгеновские импульсы, достоверно предвещающие солнечные вспышки. Однако четко распознать, действительно ли в сторону нашей планеты направляется поток заряженных частиц или корональный выброс, способны лишь несколько спутников: Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), а также два космических аппарата из серии Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO). Еще один, Advanced Composition Explorer (ACE), способен измерять интенсивность и конфигурацию магнитного поля таких выбросов, но всего лишь за 20–50 минут до того, как буря достигает земной поверхности.
Более того, и SOHO, и ACE давно уже отслужили предусмотренный срок, а замена им так и не подготовлена. «Через год или два SOHO, вероятно, выйдет из строя, и мы лишимся уникальной возможности смотреть на Солнце как бы сквозь ружейный ствол, выявляя все направленные в нашу сторону вспышки», — говорит Стен Оденвальд, астрофизик из Центра космических полетов NASA имени Годдарда. Аппарат ACE располагает достаточными запасами топлива, чтобы функционировать вплоть до 2024 года, но приборы могут не выдержать такой длительный срок эксплуатации. Лишившись ACE, говорит Оденвальд, «мы не утратим способности фиксировать направляющиеся в нашу сторону вспышки, но не сможем заранее сказать, будут ли они относительно безвредными или же вызовут настоящий фейерверк».
STEREO на пару с еще одним спутником, Solar Dynamic Observatory, в принципе способны восполнить потерю аппарата SOHO, однако и Лабченко, и другие специалисты в один голос заявляют, что, лишившись уникальных возможностей ACE, мы неизбежно частично ослепнем. «Вряд ли прямо завтра на нас обрушится новая катастрофическая геомагнитная буря, но это не значит, что можно забыть о бдительности, — говорит Богдан. — У нас еще есть время на подготовку, но когда что-то случится, его уже не будет».
На самом-то деле космический аппарат, который мог бы встать на замену ACE, уже сейчас дожидается на складе Центра космических полетов NASA им. Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Спутник DSCOVR (Deep Space Climate Observatory) полностью собран, укомплектован и готов к запуску. NASA собиралось выпустить его в космос семь лет назад, но в тот момент помешали финансовые проблемы. В бюджетный запрос на 2012 год были включены $47,3 млн для NOAA, чтобы дооборудовать и запустить DSCOVR, поставив его на замену ACE, однако эта инициатива затерялась где-то в верхах.
В апреле 2004 года Фоул вернулся на землю в пассажирской капсуле корабля «Союз ТМА-3». После этого у него взяли кровь для тщательного исследования. «Грубо говоря, распад моих белых кровяных телец ускорился раз в десять», — сказал он. Этот процесс вернулся в норму примерно через год. «Жизнь столкнулась с воздействием радиации с самого момента своего зарождения, — говорит Фоул, — и наши клетки обзавелись весьма изощренными механизмами самовосстановления». Зато человеческое сообщество в целом стало более хрупким, слишком сложным, чтобы эффективно защититься от бурных потоков солнечного излучения. А ведь Солнце тем временем продолжает бурлить.
Ли Биллингс
«Популярная механика» №8, 2012