Северное сияние: правда и мифы

В ночь с 5-е на 6-е ноября многие жители Земли наблюдали необычайное по красоте и мощи полярное сияние. Снимки с зелеными и ярко-красными небесными огнями публиковали в соцсетях даже жители южных регионов. Скептики увидели в этом некие зловещие предзнаменования, однако ученые придерживаются другого мнения. Солнце приближается к пику своей активности в традиционном 11-летнем цикле. Подробнее о том, как влияют геомагнитные бури на обитателей и экономику планеты, что дало такой цвет сиянию, как исследуются эти явления, нам рассказал заведующий лабораторией физики нижней и средней атмосферы Института солнечно-земной физики СО РАН Роман Васильев.

О солнечных ветрах и магнитных ловушках

– В соцсетях пишут, ученые «проворонили» мощную вспышку на Солнце, которая вызывала сияние. Вы согласны?

– Ситуация простая. Более-менее точный прогноз событий, связанных с влиянием Солнца на земную атмосферу, дают спутники, но он рассчитан на несколько часов.

Также некоторый прогноз геомагнитной обстановки дается в Институте прикладной геофизики РАН, в ИЗМИРАН. Метеослужбы стараются ориентироваться на эти ресурсы, чтобы официально озвучивать более-менее определенные прогнозы. Но за несколько суток прогнозировать такие события достаточно сложно. Прогноз можно посмотреть на сайте.

Никто не ожидал, что относительно слабая вспышечная активность на Солнце 3–4 ноября даст такой сильный отклик. Поэтому и появилось сообщение о том, что ученые вовремя не сообщили об этом.

– Напомните в целом природу такого явления.

– Мы живем рядом со звездой, которая помимо оптического излучения генерирует поток частиц электромагнитной плазмы, это так называемый солнечный ветер. Когда он подходит к Земле, то встречается с нашей магнитосферой. Земля для плазмы солнечного ветра – огромный магнит, и значительная часть солнечного ветра отклоняется земным магнитным полем, которое заворачивает этот поток в десятках тысячах километрах от поверхности планеты и дает ему обтекать земной шар. Солнечный ветер после того, как обойдет Землю, формирует за ней плазменный слой. Это некая естественно сформированная магнитная плазменная ловушка, которая захватывает и удерживает часть частиц солнечного ветра.

Когда поток солнечного ветра усиливается, немного меняется конфигурация магнитного поля Земли, чуть сильнее загружается «контейнер» с частицами в хвосте земной магнитосферы. В один прекрасный момент давление накопившейся плазмы побеждает магнитное поле и происходит так называемое пересоединение силовых линий магнитного поля Земли. В результате часть частиц вылетает из ловушки, устремляется к Земле и входит в верхнюю атмосферу преимущественно в полярных областях. Поэтому все сияния там и происходят – выше 60–70 градусов северной или южной широты.

Не каждая вспышка родит бурю

– Была настолько сильная вспышка на Солнце?

– Не совсем так. Солнце – это такой разогретый кусок плазмы с мощным магнитным полем. Вспышка – некий комплексный плазменный процесс. В этом процессе помимо высвечивания электромагнитного излучения формируется протуберанец, потом какая-то часть его вырывается наружу, и увеличивший за счет этого свою плотность солнечный ветер устремляется по сложной траектории к Земле. Этот процесс называется выброс корональной массы.

Не каждая вспышка на Солнце вызовет возмущение магнитного поля Земли. Здесь влияют формы солнечных протуберанцев и другие факторы. В частности, на траекторию движения сгустка плазмы влияет в том числе конфигурация межпланетного магнитного поля. Таким образом плазма может пролететь мимо нашей планеты, а может и попасть в нее. Это довольно сложная плазменная модель, которую для прогноза создать пока затруднительно.

– В чем все-же была необычность этого явления?

– Во-первых, очень многие увидели полярное сияние. В населенных пунктах сложилась хорошая безоблачная обстановка. Повезло все это сфотографировать даже крымчанам. Хот, полярное сияние увидеть на юге можно лишь изредка.

Однако несколько лет назад тоже была сильная геомагнитная буря. На фазе развития бури мы находились на дневной стороне. А западное полушарие – на ночной. И там полярные сияния наблюдались даже в Калифорнии.

– Для мистиков такие явления кажутся некими предзнаменованиями.

– Проблема в том, что многие люди ушли от научных представлений об окружающем мире, которое формировалось в советское время. Но сияния происходят, а их как -то надо себе объяснять, укладывать в миропонимание. И поэтому люди используют другие, более понятные им интерпретации этих явлений, и даже пытаются придумывать некие последствия этих событий.

На самом деле ничего катастрофически плохого для человечества с точки зрения физики эти события не несут. Наоборот, поднимают настроение. Вы смотрите на небо: там красивое завораживающее зрелище.

Да, по всей видимости, есть люди более восприимчивые к магнитной активности, чем остальные. Человек, по сути, – набор электрохимических реакций. Основой нашей нервной деятельности являются электромагнитные процессы. Поэтому в какой-то степени эти явления, наверное, сказываются. Исследования по этой теме ведутся и в нашей стране.

В магнитную бурю такси может ошибиться адресом

– Техника реагирует на подобные явления?

– Наибольшему воздействию чаще подвергаться протяженные инфраструктурные комплексы типа линий электропередач, связи, путей ж/д сообщения. Особенно те, что находятся в высоких широтах. Над ними как раз наиболее эффективно развиваются все магнитосферные события.

Если в верхней атмосфере вследствие воздействия солнечного ветра начинают течь сильные плазменные токи и вызывать сильные вариации магнитного поля, то в протяженных проводниках на поверхности (рельсах, трубах, проводах) могут возникать токи индукции, которые способны вывести из строя связанные с ними объекты.

Например, в интернете можно найти фото трансформатора, сгоревшего от того, что вариация геомагнитного поля вызвала сильный индукционный ток. Но это не массовое явление. Не бывает так, что прошла буря, и все трансформаторы на севере сгорели. Такие события достаточно редки.

– Точка в исследованиях этих процессов не поставлена?

– Нет, конечно. Более того, наша жизнь все больше становится зависима от тонких технологий. Смотрите, в вашем телефоне есть приемник GPS. Он обеспечивает вычисление вашего расположения на Земле на основе информации радиосигналов, которые передают спутники с орбиты. Раньше люди вычисляли свое местоположение по-другому, в том числе по небесным телам, по компасу. Сейчас появилась такая, казалось бы, удобная технология. Но она немного зависит от состояния геомагнитной обстановки, от возмущенности среды.

Ведь радиосигнал проходит через ионосферу нашей планеты, внешнюю плазменную оболочку атмосферы Земли, и если она будет возмущена, будет сильно варьироваться количество и состояние ее частиц в пространстве, то эти искажения могут отразиться на свойствах радиосигнала, и информация о вашем местоположении тоже исказится.

К примеру, вы вызвали такси во время геомагнитной бури. Указали для водителя, особо не глядя в приложение, точку, где находитесь, а он в итоге подъехал в место, отдаленное на сотню метров от вас.

Далее. Вот Маск вытащил свои спутники связи на орбиту – это уже чуть более серьезно. Если GPS-сигнал – это просто ваше позиционирование, то через спутники связи по интернету вам уже передается какая-то информация. И гипотетически в магнитную бурю вы можете остаться без связи, на которую рассчитывали.

А если вы будете жить на орбите в будущем, то там такое воздействие будет еще сильнее. Во время геомагнитной бури могут повыситься потоки частиц, значит, может поменяться и радиационный фон на космической станции.

В принципе и сейчас это важно для самолетов, которые совершают трансполярные перелеты, летают через Северный полюс, где бывает прямое воздействие, связанное с высыпанием частиц из магнитосферы.

У сполохов богатая палитра

– Статистика наблюдений полярных сияний как-то сейчас меняется?

– У одного моего коллеги есть теория, согласно которой таких событий стало больше из-за того, что магнитный полюс Земли потихоньку смещается из Канады в сторону Сибири.

Подобное сияние я снимал в 2003 году в Московской области. Сейчас снимки, которые заполонили интернет, напоминают мои фото – те же цвета, линии, дискретные белесые образования. В то время цифровые фотоаппараты были достаточно редки, сейчас же камеры есть в каждом телефоне. Я считаю, что фактор изготовления и быстрой публикации качественных снимков сыграл немаловажную роль, и может сложиться впечатление, что эти события вдруг стали наблюдаться намного чаще.

У Солнца есть цикл 11-летней активности, который грубо определяет частоту наблюдения полярных сияний. Но чтобы точно оценить изменение количества полярных сияний, надо получить в текущий момент все свидетельства и учесть все факторы: точную величину солнечной активности на этот год, фазу цикла, историю и позицию наблюдений и прочее. У меня есть мнение, что если мы все эти свидетельства вытащим и учтем, то некоторое среднее число происходящих сейчас сияний не сильно увеличится по сравнению с десятилетием или двумя назад.

– Обыватели говорили о необычно красном цвете сияния. Это норма или нет?

– Если обратиться к физике – скучной и занудной, то вспомним, что атомы могут поглощать и излучать свет только строго определенной длины волны. До 100 км атмосфера Земли однородна, после ее химический состав меняется, и там начинает преобладать атомарный кислород. Он высвечивает красную и зеленую длину волны. Полярное сияние – это быстро движущиеся частицы, которые возбуждают атомы кислорода, заставляя их высвечивать красным и зеленым.

Цвет зависит в основном от высоты, на котором высвечивается полярное сияние. Если будем находиться непосредственно под ним и взглянем наверх, то увидим красивые зеленые ленты и полосы. Но выше их будут какие-то кусочки красного сияния, которые снизу не очень видны невооруженным глазом.

Когда же мы посмотрим на это сияние сбоку, то внизу увидим зеленую полосочку, а вверху – красную. То есть эти красные свечения, которые видели на юге, происходили значительно севернее, высоко в атмосфере на высоте 500–700 километров.

Цвет полярных сияний способен меняться в огромном диапазоне длин волн. Они могут быть пурпурными, лиловыми и прочее. Тот же азот в верхних слоях атмосферы, возбуждаясь в определенных условиях, высвечивает широкий спектр своих энергетических переходов.

О методах прогнозирования геомагнитной активности

– Насколько важно исследовать магнитные бури, полярные сияния?

– Для фундаментальной науки, изучающей взаимодействие солнечного ветра с атмосферой Земли, процессы и физические последствия, связанные с ним, – это чрезвычайно важно.

В ИСЗФ СО РАН есть комплекс радиофизического, оптического, магнитометрического оборудования. Оно позволяет исследовать эффекты геомагнитных бурь во многих геофизических полях верхней атмосферы и магнитосферы для того, чтобы понять, как магнитные бури их модифицируют.

Мы изучаем яркость свечения, спектр, форму полярных сияний, как короткие радиоволны распространяются в ионосфере. По этим сведениям мы судим как во время геомагнитной бури изменяются свойства этих оболочек, их химический состав и прочее. Ну и, собственно, как изменяется само магнитное поле. Пункты наблюдения у нас расположены в разных местах, мы смотрим пространственную картину изменений в Иркутске, на границе с Монголией, в Норильске. Получив комплексное представление о какой-то магнитной буре, мы делаем выводы о свойствах, морфологии, физике происходящих процессов, о сходстве и различии разных геомагнитных бурь. Но несмотря на такой комплексный подход, модели верхней атмосферы Земли еще не очень совершенны и требуют доработки.

– Есть предпосылки к тому, чтобы прогноз предмета нашего разговора стал более точным?

– Что касается прогноза геомагнитной активности, в том числе полярных сияний, у нас в ближайших планах – создать новое подразделение. Оно не будет службой, поскольку наш институт научно-исследовательский, а не прикладной. Но это подразделение займется вопросами создания методов прогнозирования геомагнитной активности и последствий, которые эта активность вызывает. Мы планируем использовать комплексные наземные и спутниковые наблюдения, технологии искусственного интеллекта и современные физические модельные представления об околоземном космическом пространстве, магнитосфере Земли и земной атмосфере.