Почему возникают магнитные бури?

В мае 2024 года жители средней полосы снимали на телефоны малиновое небо: полярное сияние спустилось на пару тысяч километров южнее обычного. Спутниковая навигация врала, а в США посреди сева остановились тракторы с GPS-автопилотом.

Всё это — одна магнитная буря, сильнейшая за двадцать лет: встряска магнитного поля Земли облаком солнечной плазмы.

Солнце непрерывно испускает поток заряженных частиц — обломков разобранных жаром атомов, летящих со скоростями в сотни километров в секунду. Этот поток называют солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет заряженные частицы, как зонт отклоняет дождь, и выкраивает вокруг планеты защищённую полость — магнитосферу. Её граница проходит там, где напор ветра уравновешивается упругостью поля: чем ближе к Земле, тем поле сильнее, и в какой-то точке эта «пружина» останавливает поток. В спокойный день граница стоит примерно в десяти земных радиусах с дневной стороны.

Пружина эта жёсткая, и жёсткая нелинейно. Подойдите к Земле вдвое ближе — поле усилится в восемь раз: оно растёт как куб приближения. А давление, которым поле отвечает на напор, растёт как квадрат самого поля: восемь в квадрате — шестьдесят четыре. Значит, вдавить границу вдвое ближе к Земле может только напор в 64 раза больше обычного. Поэтому даже сильнейшие бури магнитосферу сжимают, но не срывают: в мае 2024-го граница ныряла ниже орбит геостационарных спутников, до шести с половиной земных радиусов, — и на этом всё.

Иногда с внешнего слоя солнечной атмосферы — короны — срывается целое облако: миллиарды тонн плазмы, то есть газа, в котором электроны сорваны с атомов, — а вместе с ним и его собственное магнитное поле. Это корональный выброс массы. Время в пути — арифметика для пятого класса: при скорости 800 км/с облако проходит 150 миллионов километров за

$$\frac{150\,000\,000\ \text{км}}{800\ \text{км/с}}=187\,500\ \text{с}\approx 52\ \text{часа}$$

Главное происходит при встрече, и решает направление поля в облаке. Если оно смотрит туда же, куда земное, облако по большей части обтекает магнитосферу и уходит дальше. Если против — линии двух полей размыкаются и сшиваются заново (физики называют это пересоединением), в границе открывается дверь, и энергия ветра вливается внутрь. Она разгоняет частицы и зажигает в околоземном пространстве гигантские электрические токи: кольцо тока, опоясывающее планету на высоте нескольких её радиусов, и струи тока в верхней атмосфере над полюсами. А у всякого тока есть собственное магнитное поле. Эти новые поля накладываются на земное — и приборы по всей планете фиксируют отклонение. Это и есть буря.

1. магнитное поле сжато с дневной стороны
2. частицы ссыпаются к полюсам — сияние
3. выброс из короны: 800 км/с, до Земли ~2 суток

Насколько она велика? Спокойное поле у экватора — около 30 000 нанотесла (тесла — единица магнитного поля, нанотесла — её миллиардная доля). Силу бури описывают просадкой этого уровня, индексом Dst: сильная буря — минус сотня, буря мая 2024-го — минус 412, рекордные события за полтора века — за минус пятьсот. Заметьте масштаб: даже сильнейшая буря сдвигает поле лишь на процент-полтора. Человек этого не чувствует вовсе — а вот техника, настроенная на стабильное поле и стабильную ионосферу, чувствует прекрасно.

Хвост той же цепочки виден глазами. Разогнанные частицы ссыпаются вдоль магнитных линий в верхнюю атмосферу, врезаются в молекулы воздуха и передают им энергию — а те сбрасывают её светом: кислород светится зелёным и красным, азот — синим и лиловым.

Обычно это свечение держится кольцом вокруг магнитных полюсов, где линии поля втыкаются в атмосферу. Но в сильную бурю кольцо разбухает — и сияние приходит в средние широты.

Проверьте сами. Прогнозы космической погоды публикуются открыто; ориентир — планетарный индекс Kp. При Kp от семи в ясную ночь посмотрите на север: камера телефона с выдержкой в несколько секунд увидит сияние раньше глаза — именно так сняты майские кадры 2024 года.

Тот же принцип. У встряски есть цена: разогретая верхняя атмосфера расширяется и сильнее тормозит спутники, а быстро меняющееся поле наводит токи в длинных проводниках — в бурю марта 1989 года это на девять часов оставило без электричества канадский Квебек. Магнитная буря

— это погода в пространстве между нами и Солнцем; в спокойный день компас показывает на север просто потому, что наверху всё тихо.

Дополнение редакции. Этот уровень написан по двум предыдущим и эксперт (А.В. Ребриков) его не проверял. Проверенный текст — во вкладках «Кратко» и «Как это работает».

Как измеряют силу бури. Индекс Dst — усреднённая по низкоширотным обсерваториям просадка горизонтальной составляющей поля, в нанотесла. Ориентиры: умеренная буря — около −50, сильная — за −100. Буря 10–12 мая 2024 года дала минимум −412 нТл, шестое по величине событие с 1957 года и первое за двадцать лет, дотянувшее до высшей категории G5¹.

Заметьте порядок величины. Даже это событие сдвинуло поле на 412 из 30 000 — на 1,4 %. Вся разница между «ничего не заметил» и «встали тракторы» умещается в полтора процента.

Почему страдает именно техника. Два разных механизма.

• Ионосфера. Навигационный сигнал идёт сквозь ионизованный слой, и задержка в нём зависит от концентрации электронов. В бурю концентрация меняется быстро и неоднородно, поправки перестают работать — отсюда ошибки GPS в метры и десятки метров.
• Наведённые токи. Быстро меняющееся магнитное поле наводит ЭДС в длинных проводниках: линиях электропередачи, трубопроводах, рельсах. 13 марта 1989 года это на девять часов оставило без электричества канадский Квебек.

Есть и третий, медленный: разогретая бурей верхняя атмосфера расширяется и сильнее тормозит низкоорбитальные спутники.

Границы этой модели. Баланс двух давлений — грубое приближение, и вот где оно перестаёт работать.

• Модель описывает только дневную границу. С ночной стороны поле вытянуто в хвост длиной в сотни земных радиусов, и никакого равновесия «напор против упругости» там нет.
• Она не объясняет, откуда берётся энергия бури. Простое сжатие поля обратимо; буря начинается только при пересоединении, а его в балансе давлений нет вовсе.
• Дипольное приближение врёт у поверхности. Реальное поле Земли отличается от диполя на проценты, а над Южной Атлантикой — в разы; там радиационный пояс подходит к Земле особенно близко.
• Прогноз упирается в одно неизвестное. Направление магнитного поля внутри облака нельзя измерить, пока облако не долетело до точки наблюдения примерно за час до Земли. Двое суток мы знаем, что оно летит, и не знаем, будет ли буря.

О чём спорят. Насколько сильным было сильнейшее известное событие — буря Кэррингтона 1859 года, — оценивают по-разному, и расхождение велико. Единственная полная запись сделана обсерваторией Колаба в Бомбее. По мгновенному минимуму получается Dst около −1760 нТл, по правильно усреднённому часовому значению — около −850. Рабочая оценка сегодня примерно −900 нТл, но разброс по разным методам тянется от −625 до −1160². Спор при этом не академический: от оценки зависит, к чему готовить энергосети.

Открытый вопрос. Как часто случаются события такого класса, неизвестно даже по порядку. Оценки вероятности повторения «кэррингтонского» события в ближайшее десятилетие расходятся в разы — от долей процента до десятка процентов, в зависимости от того, какой хвост распределения принять и по какой выборке его строить. Полутора веками инструментальных наблюдений такой хвост не измеряется.