Что такое магнитные бури, почему они возникают и как влияют на человека
Геомагнитные бури часто упоминают в СМИ. Чувствительные люди стараются следить за прогнозами возмущений магнитосферы Земли, потому что связывают их с ухудшением здоровья. Однако действительно ли эти события влияют на наше самочувствие? Насколько точны их прогнозы, и как вообще возникают магнитные бури? На эти и другие вопросы Pro Космосу ответил профессор РАН, доктор физико-математических наук и специалист в физике Солнца Сергей Богачев.
Что такое магнитные бури
Магнитные бури — это временные возмущения магнитного поля Земли, обычно вызываемые приходом к Земле облаков плазмы, сформированных во время сильных вспышек. Длятся они от нескольких часов до нескольких дней. Начинаются они на Солнце: во время сильной активности оно способно выбрасывать в космос большие объемы вещества с высокими скоростями. Если они направлены в сторону нашей планеты, то могут достигнуть ее магнитосферы, что и приведет к буре.
«Я бы начал с обычной погоды, к которой мы все привыкли, — отметил Сергей Богачев. — Мы живем в атмосфере Земли, у нас есть температура, влажность, а воздух может двигаться из-за разности давлений. Однако Земля погружена и в магнитное поле. Если мы живем в лесу, то можем не замечать сам лес, но он все равно есть. Так же и с магнитным полем: оно существует постоянно, хотя обычно мы его не ощущаем.
Магнитное поле Земли может меняться. В этом смысле говорят о космической погоде или о магнитной погоде: меняется магнитное поле Земли, происходят его возмущения, и эти изменения можно объективно зарегистрировать приборами. Благодаря ним геомагнитные бури обнаружили очень давно, еще 100 лет назад.
Поле меняется в ответ на воздействия из космоса. К Земле приходят возмущения от Солнца: солнечный ветер, облака плазмы, ударные волны. Магнитное поле Земли реагирует на эти воздействия, и эту реакцию мы называем геомагнитной бурей».
Магнитное поле Земли: как оно защищает нас от космического излучения
Почему и как возникают магнитные бури
Магнитные бури возникают из-за солнечной активности, прежде всего из-за корональных выбросов массы, которые могут уносить в межпланетное пространство миллиарды тонн плазмы.
Сначала на Солнце происходит вспышка или корональный выброс массы, затем облако плазмы летит через межпланетное пространство, а после встречи с Землей сжимает и возмущает магнитосферу.
Если корональный выброс массы направлен к Земле, он может дойти до планеты примерно за 15 часов в самых быстрых случаях, а более медленным выбросам требуется несколько дней.
Когда такой поток достигает Земли, он приносит с собой заряженные частицы и магнитные поля, которые взаимодействуют с магнитным полем нашей планеты.
Сергей Богачев подчеркивает: «Магнитное поле Земли играет роль щита. Не все планеты обладают таким щитом. Марс, например, когда-то имел магнитное поле, но потерял его. Для Красной планеты это обернулось катастрофой. Раньше там были водоемы и атмосфера. Когда магнитное поле исчезло, солнечный ветер смог проникать к планете, и ничто уже не отражало его разрушительное воздействие. Постепенно атмосферу Марса сдуло, океаны исчезли, и Марс стал тем, что мы видим сейчас. Земля свой магнитный щит сохранила.
Этот щит работает. Если говорить о физике процесса, магнитное поле Земли отражает возмущения от Солнца. Обычно это материальное воздействие: облако плазмы или усиленный солнечный ветер.
Но при этом магнитное поле, конечно, само возмущается. Оно принимает на себя часть энергии, и какая-то часть этой энергии доходит до нас в виде колебаний магнитного поля. Представьте, что вы ударяете по щиту палицей, а он при этом вибрирует. Это очень слабое воздействие, если сравнивать его с тем, что происходит выше, в околоземном пространстве.
Есть хорошее сравнение: мы живем на дне воздушного океана. Как рыбы на глубине, которые плавают в тишине, пока наверху бушует буря. Поэтому то, что мы называем геомагнитной бурей, для нас, на поверхности Земли, в целом слабое проявление большого процесса».
Чем отличаются магнитные бури и вспышки на Солнце
На Солнце происходят вспышки, а бури происходят на Земле.
Иногда в СМИ можно увидеть такие формулировки, как «огромная магнитная буря на Солнце». По словам Сергея Богачева, так говорить некорректно.
Вспышка — это явление на Солнце, огромный взрыв очень большой силы. За секунды выделяется энергия, которой при современном уровне потребления человечеству хватило бы на очень длительное время. Это настолько мощный взрыв, что, хотя Солнце находится от нас на расстоянии около 150 миллионов километров, его последствия все равно могут воздействовать на Землю. До нас могут доходить ударные волны и потоки плазмы.
А геомагнитная буря происходит на Земле. Это реакция магнитного поля Земли на воздействие солнечной вспышки или связанного с ней выброса плазмы. Эти явления причинно-следственно связаны, но они разные и происходят на разных объектах.
Обычно они еще и разделены во времени. Возмущения от Солнца идут не мгновенно, хотя и с огромными скоростями — тысячи километров в секунду. Если разделить 150 миллионов километров на эту скорость, получится примерно двое–трое суток пути. Поэтому геомагнитные бури обычно происходят с запаздыванием после солнечных событий.
Иногда очень быстрые облака плазмы приходят примерно через сутки, но чаще — через два-три дня. Это, в числе прочего, дает возможность прогнозировать такие события. Мы видим крупный взрыв, видим, что в сторону Земли выброшено облако плазмы, и можем сказать: через некоторое время оно придет к Земле, и тогда возможна буря.
Как прогнозируют магнитные бури
Службы космической погоды наблюдают солнечные вспышки, корональные выбросы массы, солнечный ветер и межпланетное магнитное поле, чтобы оценить вероятность геомагнитной бури.
«Если событие на Солнце уже произошло и мы видим, что в сторону Земли были выброшены облака плазмы или другие формы воздействия, то с большой надежностью можно прогнозировать, когда они придут к Земле и придут ли вообще, — объясняет профессор. — Это называется краткосрочный прогноз, обычно он дается примерно на три дня.
Такой трехдневный прогноз формируют мировые агентства, в том числе и наш институт (прим.ред. — речь идет о Лаборатории солнечной астрономии ИКИ и ИСЗФ РАН). Это самый надежный прогноз, потому что он основан на уже произошедших событиях.
Более долгосрочные прогнозы — например, на 20 или 30 дней — уже в каком-то смысле пытаются предугадать будущие события. Мы видим, что на Солнце в ближайшие дни могут произойти крупные взрывы, прогнозируем эти взрывы, а уже вслед за ними прогнозируем возможные бури. Конечно, это менее надежно, потому что здесь две цепочки прогнозирования: ожидаемые вспышки могут не произойти, могут произойти в другой день или оказаться другой силы.
Совсем далекие прогнозы крайне ненадежны. Если вам говорят, что, например, в декабре этого года на Солнце будет гигантская вспышка, потому что какой-то ученый это предсказал, — не верьте. На такие сроки прогнозировать события на Солнце и связанные с ними бури невозможно».
Шкала магнитных бурь
Бури делятся на пять больших категорий — от G1 до G5. Это нелинейная шкала. Нельзя сказать, что буря четвертого уровня всего лишь в два раза сильнее бури второго уровня. Она сильнее намного больше, чем в два раза. В этом смысле шкала похожа на шкалу ураганов или штормов на Земле: 12-балльный шторм не просто в два раза сильнее 6-балльного, он катастрофически сильнее.
Бури пятого уровня — исключительно редкие события. За последние десятилетия такая буря была, например, 11–12 мая 2024 года. Бури четвертого уровня происходят чаще, но все равно это не рядовые события.
За самый известный из солнечных циклов, одиннадцатилетний, происходит не более 4-х событий уровня G5. Событий уровня G1 за такое время может произойти в среднем 1700.
Связь между мощностью вспышки на Солнце и геомагнитной бури
Мы спросили Сергея Александровича, всегда ли мощность геомагнитной бури зависит от мощности вспышки. Например, если на Солнце произошла вспышка наивысшего класса Х, значит ли это, что на Земле начнется буря уровня G5?
Оказалось, все не так просто: «Нет, далеко не всякая вспышка вызывает сильную бурю. На Солнце вспышки происходят постоянно — слабые, средние и сильные. Чтобы вспышка вызвала бурю, требуется сочетание условий. Главное — чтобы вспышка произошла в той области Солнца, которая обращена к Земле. Тогда удар будет прямым, фронтальным, и даже вспышки средней силы в такой позиции могут вызвать заметные бури.
Если вспышка очень мощная и находится в удачном с точки зрения воздействия на Землю положении, буря может быть очень сильной. И наоборот: если вспышка происходит в неудачном положении, например сбоку или на обратной стороне Солнца, Землю она может вообще не задеть.
Такое действительно бывает. Например, самая сильная вспышка XXI века произошла 4 ноября 2003 года. Она была примерно класса X40 — чудовищной силы, но находилась на краю Солнца, и ее воздействие ушло в сторону. Поэтому на Земле после нее не шелохнулась даже травинка.
Так что если вы слышите, что на Солнце произошла огромная вспышка, не стоит сразу паниковать. Нужно дождаться прогноза: направлено ли воздействие на Землю и ожидается ли геомагнитная буря. В целом из сильных вспышек, если говорить очень грубо, только одна из пяти или шести приводит к сильным бурям. Остальные либо приводят к средним бурям, либо вообще не вызывают заметных последствий для Земли».
Частые вопросы: отвечает эксперт
Можно ли увидеть геомагнитную бурю?
Во время бури меняется магнитное поле. Если вы просто положите на стол компас, его стрелка, скорее всего, не начнет заметно прыгать: воздействие все-таки недостаточно сильное для такого бытового наблюдения.
Но если у вас есть доступ к профессиональным приборам, которые измеряют магнитные поля с высокой точностью, они покажут магнитную бурю. В принципе, ее можно регистрировать даже дома или на рабочем месте, если есть достаточно чувствительная аппаратура.
Единственная проблема в крупных городах — сильный техногенный фон. На его фоне бывает трудно выделить планетарные колебания магнитного поля. Поэтому профессиональные магнитные обсерватории обычно строят в более спокойных местах, где техногенный фон ниже.
Тем не менее даже в Москве можно измерять такие явления. Мы в свое время пробовали это делать. Там хорошо видно, как большой город просыпается, как в течение дня растет фоновое магнитное поле из-за работы городской инфраструктуры, а к концу рабочего дня оно спадает. На этом фоне, однако, сильные геомагнитные всплески тоже могут проявляться и быть видны.
Для простого человека самый доступный способ увидеть проявление геомагнитной бури — это полярное сияние. Это явление почти всегда связано по времени с магнитной бурей. Конечно, увидеть сияние тоже непросто, но для этого не нужны специальные приборы: достаточно глаз, а еще лучше — фотоаппарата или телефона. Камеры телефонов часто видят сияние лучше, чем человеческий глаз.
Если вы, например, под Москвой поднимаете голову и видите, что небо какое-то странное, что с ним что-то не то, а затем наводите телефон и на снимке появляются сполохи полярного сияния, то можно с большой уверенностью сказать, что в этот момент происходит геомагнитная буря. Это самый простой и доступный способ ее увидеть.
На что в геомагнитные бури точно влияют? Где связь уже установлена наукой?
Если говорить совсем строго, в природе все влияет на все. Условный взмах крыла бабочки в джунглях Амазонки тоже как-то повлиял на вас в данный момент. Вопрос в том, насколько слабо или сильно это влияние и можно ли его измерить.
Начнем с Земли. В физике есть явление электромагнитной индукции. Его иногда показывают школьникам на простом опыте: кладут на стол амперметр, замыкают его клеммы проводом и подносят к проводу магнит. Если магнит просто держать неподвижно, стрелка прибора не шевелится. Но если магнит покачать, то есть заставить магнитное поле меняться, стрелка начинает отклоняться.
Так демонстрируют фундаментальный закон: переменные магнитные поля вызывают токи в проводящих контурах. Этот закон нельзя отменить или запретить, как нельзя отменить закон гравитации.
Геомагнитная буря — это как раз изменение магнитного поля в масштабах планеты. Поэтому она вызывает избыточные токи во всем, что погружено в это переменное поле и способно проводить ток. Дальше вопрос в масштабах эффекта.
В первую очередь подвержены этому крупномасштабные проводящие системы, которые охватывают большие территории. Самый важный пример — электросети. Провода окутывают всю планету, и когда магнитное поле начинает колебаться, в этих проводах возникают дополнительные токи.
Современные системы, конечно, умеют такие воздействия частично демпфировать. Иногда какие-то участки могут выходить из строя, но в целом современные электросети держат те бури, которые фактически наблюдались в XXI веке. Нужно понимать: Солнце в принципе способно произвести и более сильные события, чем те, которые мы регистрировали в последние десятилетия, но с зарегистрированными современная техносфера в целом справляется.
Если говорить об обычных приборах, то если ваш телефон включен в сеть во время сильной бури, он может принять на себя часть сетевых колебаний, и вероятность выхода из строя теоретически повысится. Но если телефон просто лежит на столе и не подключен к сети, непосредственно на него геомагнитная буря практически не повлияет.
Кроме электросетей, есть и другие большие проводящие контуры: нефтепроводы, металлические трубы и так далее. В них тоже могут наводиться токи.
Влияют ли магнитные бури на здоровье людей?
У живых организмов тоже есть проводящие контуры. Это, например, кровеносная система, где есть ионы, и отчасти нервная система. Поэтому физически живые организмы тоже принимают на себя часть энергии переменного магнитного поля, и в них могут возникать очень слабые токи.
С электрическими системами все относительно понятно: влияние измерено, установлено, и против него принимаются инженерные меры. С человеком все сложнее. Человеческий организм — очень сложная система, к нему нельзя просто подключить амперметр и получить однозначный ответ. Человек может сказать: «У меня болит голова», но нужно понять, от чего именно она болит — от магнитной бури, стресса или других причин.
Поэтому по влиянию на человека ведется много споров. Физически ученые однозначно подтверждают, что часть энергии человек на себя принимает. Более того, если открыть санитарные нормы или ГОСТы, касающиеся воздействия переменных магнитных полей на человека, там есть отдельные разделы, где указано, что такие поля могут негативно влиять на человека, и поэтому вводятся ограничения на пребывание в них. Конечно, эти нормы относятся прежде всего к промышленным переменным полям, а не напрямую к геомагнитным бурям.
Главный вопрос в другом: находится ли влияние геомагнитных бурь ниже порога, который может вредить человеку, или выше этого порога. Здесь и идут споры. Одни считают, что воздействие настолько слабое, что на него можно не обращать внимания. Другие говорят, что даже слабые воздействия могут иметь накопительный эффект, как в случае с радиацией. Третьи считают, что человек настолько тонкая система, что на него влияет очень многое.
Есть исследования, которые связывают пики геомагнитной активности с ростом смертности от инфарктов, инсультов и других заболеваний, связанных с сердечно-сосудистой системой. Как ученый я могу сказать: это возможно, потому что именно кровеносная система по физике должна принимать на себя часть таких воздействий. Но вы встретите и много врачей, которые скажут, что это ерунда и они в это не верят. Споров здесь действительно много.
Вредят ли геомагнитные бури космонавтике?
Если перейти к космосу, то непосредственно на спутники геомагнитные бури влияют скорее косвенно. Они могут менять плотность верхней атмосферы. Если при запуске или эксплуатации спутников не учитывать изменение плотности атмосферы, могут возникать проблемы. Известен случай, когда компания Илона Маска потеряла группу спутников: во время магнитной бури не была корректно учтена изменившаяся плотность атмосферы, и запуск оказался неудачным.
Но на спутники сильно влияет другое явление — солнечные радиационные штормы. В этом случае приходят не просто возмущения магнитного поля, а облака заряженных частиц от Солнца, прежде всего протонов, очень больших энергий. Когда плотность таких частиц повышается в тысячи или десятки тысяч раз, а спутники оказываются погружены в этот поток, это действительно опасно: ресурс техники снижается, аппараты могут выходить из строя.
Для человека в космосе это еще серьезнее. К счастью, пилотируемых полетов пока относительно мало. Но если мы говорим, например, о полете на Марс, который длится около полугода, вопрос защиты от солнечных радиационных событий становится принципиально важным. Агентство или страна, которые научатся прогнозировать такие явления и защищать от них людей, получат серьезное преимущество в освоении Солнечной системы. Игнорировать эти факторы невозможно, потому что речь идет о жизни людей.
Главное о магнитных бурях
Магнитные бури — это возмущения магнитного поля Земли, вызванные солнечной активностью и взаимодействием солнечного вещества с магнитосферой.
Главные солнечные пусковые механизмы — корональные выбросы массы и связанные с ними вспышки, однако сильные вспышки редко приводят к сильным бурям.
Быстрые корональные выбросы могут достигнуть Земли примерно за 15 часов, а медленным требуется несколько дней.
На поверхности Земли солнечные бури не причиняют сильного вреда людям, потому что нас защищают атмосфера и магнитное поле. Влияние магнитных бурь на самочувствие изучается, и отдельные работы связывают их с сердечно-сосудистыми рисками, но выводы требуют осторожности из-за ограничений исследований.
Видимое проявление магнитных бурь — полярные сияния, которые могут наблюдаться необычно далеко от полюсов во время сильных событий.
Геомагнитные бури оценивают по шкале G1-G5, где G1 — слабая буря, а G5 — экстремальная.
Самое известное историческое событие — это буря Кэррингтона 1859 года. Тогда сияния были видны далеко от полярных широт, а телеграфные системы давали сбои.
Полярные сияния и геомагнитные бури вызывают в том числе извержения протуберанцев — гигантских образований на Солнце. Как он выглядят и опасны ли для Земли — рассказывали здесь.
