Почему возникают магнитные бури?

В мае 2024 года жители средней полосы снимали на телефоны малиновое небо: сияние спустилось на пару тысяч километров южнее обычного. В те же дни спутниковая навигация ошибалась на метры, а в США посреди сева останавливались тракторы с GPS-автопилотом.

Всё это — одна магнитная буря, сильнейшая за двадцать лет. Буря — это встряска магнитного поля Земли облаком солнечной плазмы. Масштаб встряски стоит запомнить: спокойное поле у экватора около 30 000 нанотесла, а сильнейшая за двадцать лет буря просадила его на 412 — то есть примерно на один процент. Человек этого не чувствует вовсе. Техника, настроенная на стабильное поле, чувствует прекрасно.

Что сделать. Прогнозы космической погоды публикуются открыто, ориентир — планетарный индекс Kp по шкале от 0 до 9. 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.

Солнце дует, Земля закрывается. Солнце непрерывно испускает поток заряженных частиц — обломков разобранных жаром атомов, летящих со скоростями в сотни километров в секунду. Это солнечный ветер. 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 жёсткая, и жёсткая нелинейно. Дипольное поле убывает как куб расстояния, а давление, которым поле отвечает на напор, растёт как квадрат самого поля. Значит, при приближении вдвое давление вырастает в 2⁶ = 64 раза:

$$\frac{\rho v^2}{2}=\frac{B^2}{2\mu_0},\qquad B\propto r^{-3}\ \Rightarrow\ r\propto\left(\rho v^2\right)^{-1/6}$$

Словами: чтобы вдавить границу магнитосферы вдвое ближе к Земле, нужен 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 прилетает не ветер, а облако. С внешнего слоя солнечной атмосферы — короны — срывается целый выброс: миллиарды тонн плазмы, то есть газа, в котором электроны сорваны с атомов, а вместе с плазмой летит и её собственное магнитное поле. Это корональный выброс массы. Время в пути считается в одно действие: при скорости 800 км/с расстояние в 150 млн км проходится за 187 500 секунд, чуть больше двух суток.

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, в границе открывается дверь, и энергия ветра вливается внутрь. Физики называют это пересоединением.

Дальше энергия разгоняет частицы и зажигает в околоземном пространстве гигантские электрические токи: кольцевой ток, опоясывающий планету, и струи тока в верхней атмосфере над полюсами. У всякого тока есть собственное магнитное поле; эти новые поля накладываются на земное — и приборы по всей планете фиксируют отклонение. Это и есть буря.

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

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.