Электромагнитная безопасность: Насколько мы готовы к следующей гигантской солнечной вспышке (спросите Итана)

Солнечная вспышка, видимая в правой части изображения, возникает, когда силовые линии магнитного поля разделяются и снова соединяются. Когда вспышка сопровождается корональным выбросом массы, а магнитное поле частиц во вспышке обратно магнитному полем Земли, может произойти геомагнитная буря, которая может привести к стихийному бедствию.

В 1859 году наука о физике Солнца по-настоящему началась с крупнейшей вспышки в истории человечества: события Кэррингтона. До этого многие люди наблюдали за Солнцем: они занимались подсчетом и отслеживанием солнечных пятен, наблюдением за дифференциальной скоростью вращения Солнца, установлением потенциальной связи между солнечной активностью и магнитным полем Земли, а также наблюдениями за полярным сиянием. Когда астрономы Ричард Кэррингтон и Ричард Ходжсон заметили огромную «белую вспышку» на Солнце 1 сентября 1859 года, стало ясно, что Земля и Солнце связаны настолько сильно, что мы даже не можем себе представить. Всего 17 часов спустя на Земле произошел самый большой геомагнитный шторм, из когда-либо зарегистрированных, и во всемирных сообщениях о его последствиях слагались легенды. Зная, что эти события происходят регулярно, готовы ли мы к неизбежному? Вот что хочет знать Эрих Раткамп, задавая следующий вопрос:

«Корональные выбросы массы, сопоставимые с событием Кэррингтона 1859 года, могут быть уничтожить всю энергосеть США… Можем ли мы распознать такие выбросы и издать предупреждения о них хотя бы за сутки? Хватит ли такого срока, чтобы пережить событие уровня Кэррингтонского? Если такое событие произойдет завтра, сможем ли мы с ним справиться?»

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

Фрагмент «первого света» солнечного телескопа Иноуэ, принадлежащего Национальному научному фонду. На нем видны тепловые ячейки размером с Техас на поверхности Солнца в более высоком разрешении, чем когда-либо. Впервые можно увидеть объекты между ячейками с разрешением всего 30 км, что проливает свет на процессы, происходящие внутри Солнца.

Обычно Солнце ведет себя довольно тихо и вырабатывает одно и тоже же постоянное количество энергии с точностью до 99,9%. Оно 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 примерно в 15 миллионов К, но край его фотосферы относительно холоден – примерно 6000 К, и именно оттуда идет энергия которую мы получаем.

Кроме того, от фотосферы отделяется тонкая и очень горячая плазма: корона Солнца, температура которой составляет сотни тысяч кельвинов, а их связь обеспечивает хаотическое нерегулярное магнитное поле Солнца. Однако иногда на Солнце появляются солнечные пятна, которые представляют собой относительно прохладные области на его фотосфере. Существуют магнитные связи между Солнцем, короной и даже другими телами Солнечной системы, такими как Земля. Солнечные вспышки, корональные выбросы массы и другие события магнитного пересоединения, связанные с различными процессами, могут посылать в определенных направлениях потоки энергетических частиц.

Солнечная вспышка, провоцирующая выбросы материи в Солнечную систему, может вызвать такие события, как выброс корональной массы. Хотя для прибытия частиц обычно требуется примерно 3 дня, наиболее мощные выбросы могут достигать Земли менее чем за 24 часа и способны нанести огромный ущерб нашей электронике и электрической инфраструктуре.

В нормальных условиях эти о потоках таких частиц можно сказать следующее:

• Они бывают относительно медленными и маломощными, на преодоления расстояния от Земли до Солнца таким требуется около 3 дней
• Они имеют тенденцию облетать Землю, поскольку они свободно разбросаны в космосе, и их шансы попасть точно в Землю невелики;
• Даже если они попадут на Землю, магнитное поле нашей планеты способно уводить их прочь. Исключением могут быть полюса, 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 значит, что мы невосприимчивы к любым пагубным последствиям этих процессов.

Если все пойдет не так, результат может быть плачевным. Если солнечная вспышка приведет к корональному выбросу массы, если этот выброс будет иметь высокую энергию, и если частицы устремятся прямо на Землю, и (еще одна вещь) если магнитное поле выброшенного материала и магнитное поле Земли будут иметь противоположные полярности, то нашей планете будет нанесен максимальный ущерб: пострадают инфраструктура, электроника и многое другое. Это почти наверняка то, что произошло 162 года назад, когда произошло печально известное событие Кэррингтона.

Солнечные корональные арки, подобные тем, что наблюдались спутником NASA Transition Region And Coronal Explorer (TRACE) в 2005 году, следуют по траектории магнитного поля на Солнце. Когда эти петли “разрываются” правильным образом, они могут приводить к корональным выбросам массы, которые потенциально могут ударить по Земле. Большой выброс или солнечная вспышка могут стать причиной появления нового типа стихийного бедствия: армагеддона от вспышек.

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 отметил, что она смещалась вправо от пятна в течение примерно 5 минут. Затем так же внезапно, как появилась, вспышка полностью исчезла.

Примерно через 18 часов (в 3-4 раза быстрее обычной солнечной вспышки) произошла крупнейшая геомагнитная буря в истории человечества. Американские горняки просыпались, думая, что наступил рассвет. В тех местах, где была ночь, полярные сияния были настолько яркими, что при их свете можно было читать газету. «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) подвергались воздействию индуцированных токов, что приводило к повреждениям, пожарам и диким щелчкам устройств, даже когда сами системы были полностью отключены.

Северное сияние за Полярным кругом, 14 марта 2016 года. Возле полюсов изредка можно увидеть фиолетовый цвет – он формируется как сочетание синих и красных линий излучения атомов может с зелеными. Во время события Кэррингтона зеленый занавес можно было увидеть даже на экваториальных широтах.

Физика, лежащая в основе этого, проста и, если задуматься, она устрашает. Заряженные частицы, которые испускаются Солнцем и ударяются в атмосферу Земли, сами по себе не вредны, поскольку атмосфера прекрасно может их тормозить. Но если большое количество таких частиц будет двигаться с большой скоростью, они будут создавать собственные магнитные поля – как в случае с любым электрическим током. Если эти магнитные поля достаточно сильны, они могут существенно изменить локальное магнитное поле на поверхности Земли. Если изменить силу и/или направление магнитного поля, проходящего через петлю или катушку, это изменение магнитного поля приведёт к появлению электрического тока.

Повторю это еще раз: если в петле или катушке изменяется магнитное поле, появляется 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 электросети, электростанции и подстанции, инфраструктура энерготранспорта и даже бытовая, коммерческая и промышленная электроника полны петель и катушек. Мощность индуцированных токов, если бы мы сегодня пережили событие, подобное Кэррингтонскому, была бы буквально астрономической.

Когда заряженные частицы направляются к Земле от Солнца, их траектории изгибаются магнитным полем Земли. Однако вместо того, чтобы отклоняться, некоторые из этих частиц направляются вниз по полюсам Земли, где они могут сталкиваться с атмосферой и создавать полярные сияния. Крупнейшие события вызваны коронарными солнечными выбросами, но они вызовут впечатляющие проявления на Земле только в том случае, если выброшенные с Солнца частицы будут иметь полярность, обратную магнитному полю Земли.

Оценки потенциального ущерба (при условии, что никаких мер для его снижения принято не будет) во всем мире выросли до 11-значных цифр. Электросети большинства стран будут полностью уничтожены. Лучший способ смягчить последствия такой вспышки — это усилить заземление, чтобы большие токи, которые пошли бы в электросети, вместо этого уходили прямо в Землю. Однако каждый раз, когда энергетические компании пытаются это сделать, 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 индуцированные токи, что обычно приводит к пожарам с последующим значительным повреждением и разрушением инфраструктуры. Мы не просто говорим о катастрофе стоимостью в несколько триллионов долларов (ущерб только Соединенным Штатам оценивается в 2,6 триллиона долларов), мы говорим о том, что огромное количество останется без электричества на длительные периоды времени (потенциально, на годы). Если вспомнить, что произошло в Техасе совсем недавно (когда отрицательные температуры привели к тому, что многие районы были лишены электричества), существует риск чрезвычайно большого количества жертв – многим людям электричество необходимо для поддержания их жизни.

Солнечная вспышка X-класса на поверхности Солнца в 2012 году: событие, которое по-прежнему было намного, намного слабее по яркости и общей выработке энергии, чем событие Кэррингтона 1859 года, но которое все же могло вызвать катастрофическую геомагнитную бурю, если бы оно сопровождалось корональным выбросом массы, магнитное поле которого имело правильную (или неправильную, в зависимости от вашей точки зрения) полярность.

Событие Кэррингтона не было каким-то массивным выбросом, который происходит раз в несколько миллионов лет. На Землю обрушилось множество солнечных вспышек, некоторые из которых вызвали локальные повреждения электросетей. Серия солнечных бурь 1972 года вызвала повсеместные сбои в работе электрических и телекоммуникационных сетей, сбои в работе спутников и даже вызвала случайный взрыв военно-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 это были всего лишь предупредительные выстрелы по сравнению с тем, что природа приготовила для нас.

В 2012 году Солнце наконец (впервые с тех пор, как мы разработали инструменты, способные в достаточной мере его контролировать) испустило солнечную вспышку, которая, вероятно, была столь же мощной, как та, что вызвала событие Кэррингтона 1859 года. Это произошло 23 июля, и вот что нас спасло. Вспышка произошла в той же плоскости, что и орбита Земли, но мы разминулись на девять дней. Как и в случае с событием Кэррингтона, частицы прошли расстояние до 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.

Солнечный свет, проникающий через открытый купол телескопа солнечного телескопа Дэниела К. Иноуэ (DKIST), падает на главное зеркало и заставляет фотоны без полезной информации отражаться от него, в то время как полезные направляются на инструменты, установленные в другой части телескопа.

Впрочем, большинство из нас не относится к солнечным бурям так же, как к ураганам, торнадо, землетрясениям, цунами или извержениям вулканов. Хотя в современном мире, зависящем от электроники, мы должны думать об этих явлениях с точки зрения готовности к стихийным бедствиям. С появлением (только в прошлом году) солнечного телескопа Дэниела К. Иноуэ, мы, наконец, готовы получить предупреждение, когда нам будет угрожать геомагнитная буря катастрофических масштабов.

Этот солнечный телескоп работает как магнитометр, измеряющий показатели Солнца. Он способен измерять магнитное поле Солнца и солнечной короны, что позволяет нам узнать, имеет ли направленный на Землю выброс корональной массы магнитное поле, обратное полю нашей планеты в данный момент. Если мы обнаружим выброс, мы сможем принять крупномасштабные меры по снижению рисков, в том числе:

• Отключение энергокомпаниями своих сетей – чтобы все сделать правильно и ответственно, на постепенное отключение нужно порядка 24 часов
• Отключение и (если возможно) заземление станций и подстанций, чтобы мощные индуцированные токи не проникали в дома, предприятия и промышленные здание и не становились причинами пожаров
• Публикация рекомендаций для жильцов домов, в которых будет говориться о том, как безопасно справляться с такими ситуациями: выключать всю бытовую технику и электронику, отключать определенные провода и системы и т.д.

Когда кажется, что корональный выброс массы распространяется во всех направлениях относительно одинаково с нашей точки зрения (это явление также известно как кольцевой выброс), это признак того, что он, вероятно, направляется прямо к нашей планете. Вспышка, направленная в сторону, с большей вероятностью пролетит мимо нашей планеты, на что мы все и должны надеяться.

Самая быстрая солнечная вспышка, когда-либо перемещавшаяся от Солнца к Земле, дошла до нас всего за 14,6 часа, а это значит, что в идеале мы хотели бы, чтобы наше время реакции оставляло пространство для маневра. Однако самая большая опасность заключается в полной неподготовленности, а мы к этому очень близки. У нас есть зачатки инфраструктуры, необходимой для обнаружения и измерения этих событий – речь не только о телескопе Иноуэ, но и о солнечном зонде Parker Solar Probe, а также о наших спутниках для мониторинга Солнца, расположенных в точке Лагранжа L1 в космос, но этого недостаточно.

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 миллиардам людей придется выживать самостоятельно. Также могут быть отключены наши спутниковые системы. Любая система, которая полагается на компьютеризированные маневры для избегания столкновений может запустить 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 малы, но развивают скорость 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? Сперва нужно наладить раннее обнаружение с помощью наземных и космических наблюдений за Солнцем и за частицами, движущимися от Солнца к Земле. В идеале для этого нужна сеть гелиофизических обсерваторий на Земле, в точке Лагранжа L1 в космосе и в непосредственной близости от самого Солнца. Мы должны подготовить электрические сети к полным отключениям и отключениям, на выполнение которых уходит менее ~ 14 часов, а также усилить заземление на станциях и подстанциях. Мы должны создать обязательные «безопасные» орбиты 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 события Кэррингтона, которая будет направляться к Земле.

На самом деле, угроза все ближе, ее наступление – лишь вопрос времени. Если мы ничего не предпримем для подготовки, когда наступит мощный выброс, можно будет ожидать ущерба инфраструктуре на триллионы долларов и, вполне возможно, огромного числа смертей. Но если мы сможем подготовить нашу энергосистему, систему распределения и человечество к неизбежному, мы действительно сможем эффективно пережить даже событие уровня Кэррингтонского. Нам просто нужно приложить усилия и вложиться в профилактику. В противном случае мы будем тяжело расплачиваться – в течение многих лет или десятилетий.

• Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
• В современном автомобиле строк кода больше чем…
• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive