Послаблюючий щит - речовина речовина
Магнітне поле Землі все ще досить сильне, щоб захистити нас від напастей космічної погоди. Але як довго? Серія вимірювань, проведена протягом десятиліть роботи, показує: захисний щит постійно втрачає міцність. Щоб з’ясувати, що відбувається, дослідники вирушають до провінції Бранденбург.
Німегк поблизу Потсдама, в липні. Сонце поширює приємне тепло, ніщо не говорить про те, що воно веде битву проти землі високо над нами. Цвіркуни цвірінькають у полі біля містечка в Бранденбурзі, ріпак чекає врожаю, сливи та бузина дозріли на узбіччі дороги. Здалеку звучить шум A9. У світлому сосновому лісі руйнується будівельний комплекс, який дуже схожий на курорт ГДР. Насправді тут досліджується життєво важливий захисний планетарний щит, який захищає землю від космічних негараздів: сонячні бурі та інші обстріли з глибокого космосу.
Вчені вимірюють тут магнітне поле Землі протягом 85 років, і обсерваторія Адольфа Шмідта - перша адреса Німеччини в цій дисципліні. Провідний дослідницький центр, мабуть, більш вражаючий. Більш високі технології. Але тут вимірювання відбуваються у двох непомітних дерев'яних будівлях.
Дані, що надходять із цих казарм, набагато важливіші; навряд чи існує інша станція у світі, яка б була так точно виміряна. А результати Німегка та близько 200 інших обсерваторій магнітного поля у всьому світі підтверджують, що перша лінія оборони нашої планети втрачає потужність, приблизно на десять відсотків з тих пір, як вимірювання магнітного поля почалося приблизно 170 років тому. Найдраматичнішою є ситуація в регіоні, який простягається від Південної Америки через Атлантику до Південної Африки і чия наукова назва звучить майже як хвороба: південноатлантична аномалія. Там магнітне поле Землі не тільки особливо слабке, воно також руйнується швидше, ніж глобальне середнє. І уражена зона розростається.
Можливо, Земля тільки починає повністю змінювати полярність, говорить Моніка Корте. Більше десяти років геофізик керував обсерваторією в Німегку, яка є частиною Німецького дослідницького центру геологічних наук (GFZ) в Потсдамі. Сьогодні вона очолює робочу групу GFZ "Довгострокові варіації магнітного поля Землі". В середньому кожні 500 000 років магнітні полюси на землі міняються місцями, пояснює вчений. І остання зміна полярності була близько 780 000 років тому - тож ми мали б прострочитись.
Що відбувається з нашими полюсами і нашим космічним щитом? Щоб з’ясувати це, вчені з Німецького дослідницького центру геонаук у Потсдамі їдуть до провінції Бранденбург, де ніщо не впливає на їх вимірювання. "Для отримання бездоганних даних слід виключити будь-які спотворюючі поля перешкод", - говорить Корте. Берлін з його електричною швидкісною станцією знаходиться за 70 кілометрів. Автомобілі дозволяється шити лише в межах 100 метрів від будівель. Дві вимірювальні будівлі виготовлені з дерева, кожне кріплення дверей, кожен цвях перед будівництвом потрібно було перевірити на свою магнітну нешкідливість.
Дві спеціальні будівлі називаються Варіаційною хатою та Абсолютгаузом. Співробітники обсерваторії відвідують будинок варіацій, де вимірювання проводять постійно при постійній температурі 17,5 градусів, коли це вкрай необхідно. “Це майже як перевірка безпеки в аеропорту, де найменші металеві деталі спрацьовують. Якщо ви заходите туди із в’язкою ключів або металевою пряжкою ременя, ми це відразу бачимо у вимірах », - говорить Корте. Навіть температура тіла зловмисника чітко сфальсифікувала б результати.
У другій дерев’яній хатині, Абсолютгаузі, магнітне поле вимірюється лише раз на тиждень. І по сьогоднішній день вручну із теодолітом, інструментом, який трохи нагадує пристрої, якими геодезисти користуються на дорогах та ділянках під забудову. За винятком того, що цей пристрій стоїть не на складаному штативі, а на восьмигранному мармуровому стовпі заввишки близько одного метра, який спирається на важку фундаментну плиту.
Перед вимірюванням Корте повинен відкрити вікна, що виходять на місто Німегк. За допомогою маленького поворотного телескопа вона прицілюється у дві характерні будівлі, які видно здалеку, водонапірну вежу та вежу міської церкви в готичному стилі. Геодані обох відомі на міліметр, як і теодоліт. Так Корте визначає, де знаходиться географічний північ. Потім вона перетворює на телескоп датчик магнітного поля, свого роду дуже чутливий компас. Поки вона не перпендикулярна до ліній магнітного поля, які проходять тут. За кутом між географічною північчю та датчиком він визначає точний напрямок магнітного поля в Німегку.
Корте та її колеги порівнюють ці дані з рядами вимірювань від Variationshaus, щоб обчислити похибки. Вимірювальні прилади добре захищені в будинку варіацій, але коливання температури або коливання рівня підземних вод можуть легко сфальсифікувати результати.
У епоху супутників для спостереження Землі це звучить дуже застаріло - але супутники можуть вимірювати лише невеликий ділянку під ними. Тільки на основі даних близько 200 наземних вимірювальних станцій у всьому світі створено чітку картину стану магнітного поля Землі, яке захищає нас від космічних бомбардувань.
Простіше кажучи, це працює так: Там, де магнітне поле Землі сильне, воно відхиляє потік частинок, який постійно тягне від сонця та глибин Всесвіту до землі. "Заряджені частинки летять паралельно лініям магнітного поля і спрямовані навколо Землі", - говорить Корте. Полярні області є винятком - тут лінії магнітного поля виходять майже вертикально від землі, а на іншому магнітному полюсі вони ведуть назад у землю. Тут частинки можуть проникати в атмосферу по лініях магнітного поля. Там вони зустрічають кисень і азот і стимулюють їх світитися, подібно до флуоресцентної трубки: полярних вогнів.
Але знову і знову Сонце викидає у космос значно більше заряджених частинок, ніж звичайно, у величезні виверження. Якщо такий масивний фронт частинок потрапляє на землю, виникає геомагнітна буря: погана космічна погода. Тоді електрони з навколоземного космосу надзвичайно прискорюються і створюють сильні електричні поля на землі.
Це може бути особливо небезпечним для електричних мереж та мереж зв'язку. У 1989 році геомагнітна буря в канадській провінції Квебек паралізувала все електроживлення протягом дев'яти годин. Різні супутники виходили з-під контролю протягом декількох годин. Найсильніша геомагнітна буря, що відома, увійшла в історію під назвою Каррінгтон в 1859 році. Тоді шкода була обмежена, оскільки не було електричних мереж, як ми їх знаємо сьогодні. Однак телеграфна мережа, хребет зв'язку, була сильно постраждала: щогли заіскрили, станції загорілися, а працівники, що працюють на пристроях, зазнали ураження електричним струмом. Страхова компанія Munich Re оцінює економічну шкоду від канадського відключення у 1989 році трохи менше 1 млрд. Євро. У нашому високомережевому світі з поясом супутників зв'язку геомагнітна буря класу Керрінгтон коштувала б у 2000 разів дорожче. Принаймні одне дослідження NASA з 2009 року приходить до такого висновку.
І більшість експертів сходяться на думці, що ми все частіше стикаємося з наслідками космічної погоди. Єдина незгода полягає в тому, в якій формі: чи можна очікувати катастроф з масштабними відключеннями електроенергії, чи це залишиться із вражаючим північним сяйвом у регіонах, де їх ніколи раніше не бачили?
Для того, щоб відповісти на це питання, такі дослідники, як Моніка Корте, хочуть краще зрозуміти, як змінюється магнітне поле Землі і як рухаються полюси, ці шлюзи для заряджених частинок. Наскільки швидко земля обертається? Остання подія такого роду могла статися всього за 100 років, італійські дослідники повідомляли минулого року. «Зміна полярності зазвичай займає більше часу, - говорить Корте, - ймовірно, кілька тисяч років. І це, мабуть, призведе до більш складної структури з кількома полями та кількома полюсами ".
Що мене справді зачаровує в геомагнетизмі, так це те, що вимірювання тут, на поверхні землі, можна використовувати для висновків про те, що відбувається на 3000 кілометрів під нашими ногами.
Навряд чи будь-який геофізик хоче взяти на себе зобов'язання. "На жаль, ми взагалі не маємо уявлення про те, як працюють зміни полярності", - говорить колега Корте Герман Люр. "Але якщо ми подивимося на зменшення магнітного поля в південній частині Атлантики, то це явна ознака того, що там уже генерується протилежне поле". Люр рідко має точне розуміння аномалії південної Атлантики. Він очолює німецький проектний офіс європейської супутникової місії Swarm при GFZ. У проекті три однакові супутники Альфа, Браво і Чарлі вимірюють магнітне поле Землі - і особливо слабке місце над Південною Атлантикою - точніше, ніж будь-коли раніше.
З листопада 2013 року вони кружляли земну кулю приблизно 15 разів на день, два на висоті 462 кілометри, третій кружляв на 510 кілометрів. У цьому утворенні вони можуть вперше записати тривимірне зображення магнітного поля Землі. Моніка Корте та її колеги з GFZ сподіваються, що тріо отримає величезну кількість знань. Перші результати Рою, опубліковані в середині 2014 року, підтверджують, що магнітне поле Землі в цілому втрачає потужність. Однак дані також показали, що магнітне поле може, крім таких регіонів, як Південно-Атлантична аномалія, які значно втрачають силу, навіть набирати сили в локальних районах - важлива інформація, якщо ми хочемо точніше передбачити, де космічна погода дасть про себе знати і як.
Наприклад, послаблення південноатлантичної аномалії дає бразильцям менш точний GPS-сигнал. Бомбардування частинками заряджає іоносферу більш електрично, що порушує сигнали супутників GPS. Для астронавтів на міжнародній космічній станції МКС аномалія Південної Атлантики означає величезне додаткове опромінення. У космосі з дозою 650 мікросівертів на добу вони отримують 100-кратну кількість на земній поверхні. З них 200 мікрозівертів обумовлені південноатлантичною аномалією, через яку вони пролітають шість разів на день. Далекі рейси, що проходять через регіон, також піддаються вищому рівню радіації.
Щоб бути в безпеці, Монхам має спеціальний модуль зв'язку, вимкнений на одному із супутників Metop, коли виникає аномалія - він має два на борту, а аномалія вже здійснила один. Інші навіть суворіші: наприклад, космічний телескоп "Хаббл" повністю вимикається в зонах підвищеного випромінювання.
Сила, з якою потік частинок потрапляє на землю, показана графічними реалізаціями вимірювань магнітного поля Землі. Насправді це повинно виглядати як у барового магніту: на одному кінці вимальовуються північний магнітний полюс, лінії поля, описують широку криву і ведуть назад у магніт на іншому кінці, південному полюсі. В принципі це так: Хоча лінії поля на полюсах входять і виходять майже вертикально і, таким чином, майже не забезпечують захисту, на екваторі вони сягають далеко в космос і відбивають безперервний вогонь. Але на стороні, спрямованій до сонця, магнітне поле сильно стиснене, тоді як на нічній стороні воно поширюється далеко в космос, як хвіст комети.
Картина, яку мають вчені про походження цього закрученого поля, набагато менш чітка. Якщо ви запитаєте Моніку Корте про ці питання, інакше досить стримана жінка впаде у захват. "Що мене справді захоплює в геомагнетизмі, так це те, що вимірювання тут, на поверхні землі, дозволяють робити висновки про те, що відбувається на 3000 кілометрів під нашими ногами", - каже вона. “У вас немає прямого доступу до цього. Ми можемо відправити ракети в космос і полетіти на Місяць. Але ми можемо по-справжньому заглянути в землю, просвердлити її на кілька кілометрів. Ви не дуже далеко зайдете ". Рекорд, встановлений групою геологів у 1989 році на російському Кольському півострові, становить добрих дванадцять кілометрів.
Згідно загальновизнаного стану досліджень, 95 відсотків магнітного поля Землі створюється геодинамо, як називається взаємодія металів у земному ядрі: Внутрішнє ядро, яке становить близько 5000 градусів Цельсія, нагріває рідкий метал у зовнішньому ядрі і дозволяє йому підніматися. Зі збільшенням відстані він охолоджується і знову тоне. Оскільки електропровідний матеріал рухається разом з металом, струми течуть - і вони генерують магнітне поле.
Решта п’ять відсотків магнітного поля Землі походить від намагнічених порід, від рухів провідної солоної води в океанах та від магнітних полів у верхніх шарах атмосфери, створених сонячним вітром.
Основне поле, породжене геодинамо, змінюється лише дуже повільно. Тому великі і швидкі коливання інтенсивності та напрямку магнітного поля свідчать про підвищену сонячну активність. Так звані сонячні бурі на Хелловін жовтня 2003 року також дали відчуття в Німегку. Силові коливання вимірювальних приладів розпочались 29 жовтня рано вранці і тривали до обіду 31 жовтня. Магнітометри шаленіли в обсерваторіях по всьому світу.
Моніка Корте дивиться вниз, щоб зрозуміти магнітне поле. Ботмер дивиться у космос, щоб зрозуміти небезпеку, від якої він захищає нас. Космічна погода зазвичай некомфортна, але не надто загрозлива: окрім видимого світла, Сонце випромінює суміш УФ та рентгенівських променів, протонів та електронів, а також атомів гелію - сонячного вітру. Разом з космічними променями, частинками високої енергії з надр космосу, він проникає в космос, близький до землі. Зовсім інша справа - сонячна буря. Він виникає внаслідок складних магнітних процесів на поверхні Сонця, під час яких наша центральна зірка різко відкашлює величезну кількість речовини. "Такий викид коронарної маси відповідає кільком мільярдам тонн речовини або, іншими словами, цілій Гімалайській горі", - каже Фолкер Ботмер.
Однак ця сильно прискорена хмара речовини стає для нас актуальною лише в тому випадку, якщо вона летить саме в напрямку Землі. На щастя, вдарити від сонця не так просто: з його точки зору, наша планета здається нам такою ж великою, як шпилька, на відстані десяти метрів. Єдина проблема: сонце має необмежену кількість спроб потрапити на нас.
Справа не в тому, коли, саме тоді, коли така супер шторм вдарить нас знову.
Для фахівців з космічної погоди очевидно одне: подія Керрінгтон, найсильніший обстріл такого роду, відомий нам, не залишиться одиничним випадком. "Справа не в тому, якщо, коли саме така надзвичайна буря знову обрушить нас", - говорить Ботмер. Єдина послуга прогнозу, яка відповідає своїй назві, в даний час пропонує Центр прогнозування космічної погоди при північноамериканській метеорологічній організації NOAA. Однак для супутникових операторів, таких як Eumetsat, навіть це не дуже корисно. Надійні попередження часто надходять лише тоді, коли льотні команди в центрах супутникового управління більше не можуть втручатися, каже керівник польоту Metop Ендрю Монхем. А супутник не можна вимкнути за однією лише підозрою. Тим не менше, дані є корисними: ретроспективно, щоб прояснити незвичні інциденти на борту супутників.
Ботмер знайомий з цією проблемою: "Наразі дані для прогнозу надходять з наукових супутників, які не призначені для постійного спостереження за космічною погодою". У дослідницькому проекті ЄС "Впливи" (Розширений прогноз забезпечення зв'язку через космос) Ботмер розробляє спільно з іншими європейськими партнерами Прототип системи раннього попередження про космічну погоду. Серед іншого, він повинен надавати інформацію про нові заходи на сонці за лічені хвилини за допомогою програми для смартфона.
Для операційної системи, яка надійно працює цілодобово, потрібно набагато більше, каже Ботмер. Не лише супутники, які потрібно було б побудувати спеціально для цієї системи попередження, а й нові методи аналізу та модельні розрахунки. Світові стандарти, згідно з якими видаються попередження. І особи, які приймають рішення, які реагують на такі попередження чітко визначеними заходами.
Це дуже багато, якщо врахувати, що сонячна буря, яка є силою події Керрінгтон, дуже рідкісна. І все ж важливо бути готовим, каже Ботмер. «Довгостроковий зрив електроенергії в певних районах, звичайно, матиме драматичні наслідки, залежно від технології мережевої системи. Ви бачили у Фукусімі, що часом не можете передбачити всіх ризиків, які можуть виникнути ".
Можливо, у такому випадку дерев'яна хатина посеред нічого в Бранденбурзі була б одним із найбезпечніших місць. •