Солнечные бури и их потенциал для создания электронного хаоса

Явления на Солнце разрушают электросети, сжигают провода, выводят из строя спутники. Готовы ли мы к следующему подобному крупному событию?

Голливуд хотел бы убедить нас, что глобальную катастрофу, вызванную солнечной вспышкой, мы способны предотвратить посредством манипулирования магнитным полем Земли (фильм «Солнечный удар», 2006 г.). Но если не использовать невероятные вымышленные технологии, предложенные в фильме, возникает вопрос: сможет ли человечество на самом деле пережить такое событие, когда мощная солнечная вспышка ударит по земле?

Солнечные вспышки – это интенсивные выбросы электромагнитного излучения в атмосферу Солнца, за которыми часто следуют выбросы корональной массы (coronal mass ejection, CME) и события, связанные с всплесками солнечных космических лучей (ускорение протонов). Они также производят огромное количество энергии; обычно 10²⁰ джоулей, а при значительной активности это число увеличивается до 10²⁵ джоулей. Их частота меняется в течение 11-летнего солнечного цикла, производя несколько вспышек в день в период его максимума и менее одного раза в неделю в период минимума.

Такие вспышки классифицируются по буквам алфавита и числовым суффиксам, которые варьируются от A (самая слабая) до X (самая сильная), а также по величине пикового потока в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Например, вспышка X2 в два раза мощнее вспышки X1; вспышка X3 в три раза мощнее вспышки X1, но всего на 50% мощнее вспышки X2.

Солнечные ветры переносят эти заряженные частицы через Солнечную систему, и, врезаясь в Землю, они создают фантастические световые шоу полярных сияний, поскольку передают свою энергию в магнитосферу. Хотя эти световые шоу представляют собой поразительное зрелище, CME также могут нанести ущерб космическим платформам и наземным системам. Для тех, кто находится на земле, они представляют незначительную физическую угрозу, но астронавты могут подвергнуться воздействию смертельного количества радиации. Высокоэнергетические частицы при прохождении через живые клетки могут вызывать повреждение хромосом, что приводит к раку и другим проблемам со здоровьем.

От сбоев в работе спутников до отказа электросетей

Они также могут повредить навигационные, коммуникационные и другие спутники, сделав их неработоспособными, и даже изменив их орбиты. Большинству спутников на низкой околоземной орбите для поддержания полета требуется регулярный подъем на более высокие орбиты; в противном случае они сгорят в атмосфере. Гибель «Скайлэба» в 1979 году отчасти была вызвана более высокой, чем ожидалось, солнечной активностью, в результате чего аппарат преждевременно вошел в атмосферу Земли.

Крупные солнечные вспышки могут повлиять на работу электрических сетей, и если они выйдут из строя, на восстановление их полной работоспособности могут уйти годы.

Сбои в работе спутников могут сказаться на нас здесь, на Земле, в виде потери связи и навигации, влияя на полеты и системы GPS, на которые люди полагаются ежедневно. Впрочем, такие проблемы можно отнести скорее к категории неудобств; их можно быстро устранить, перенеся рабочие нагрузки на другие спутники, не затронутые вспышкой. С другой стороны, нарушение работы электросетей может быть катастрофическим и длиться неделями или месяцами.

Самая мощная из когда-либо наблюдавшихся солнечных вспышек произошла в сентябре 1859 года и была известна как Событие Кэррингтона. Она была видна невооруженным глазом, вызывала полярные сияния далеко на юге, вплоть до Кубы и Гавайских островов, и приводила к искрению и возгоранию телеграфных проводов, нарушая связь. Вспышка оставила след во льдах Гренландии в виде нитратов и бериллия-10, что позволило ученым измерить ее силу.
Реконструкция последствий вспышки 1859 года была сравнена с другими вспышками, задокументированными за последние 150 лет, и, по оценкам, составила около X50, что является самым высоким показателем за всю историю наблюдений. Для сравнения, самая крупная из зафиксированных в наше время вспышек произошла в ноябре 2003 года и оценивалось примерно как X45, однако ее траектория не соприкасалась с Землей.

В 1972 году солнечная вспышка класса X20 вызвала геомагнитную и протонную бурю, которая нарушила работу электрических и коммуникационных сетей, уничтожила спутник и привела к взрыву многочисленных магнитных морских мин ВМС США в водах Северного Вьетнама. В 1989 году геомагнитная буря вызвала разрушение плотины гидроэлектростанции в Квебеке, так как реле защиты оборудования сработали в каскадной последовательности, в результате чего 9 миллионов человек остались без электричества. Большинство из этих бурь, за исключением События Кэррингтона, были локальными, то есть затрагивали только одну географическую точку. Но может ли это погрузить во тьму целую страну?

Определение проблем, связанных с сетью

Мы полагаемся на энергосистему во всем – для обеспечения энергией наших домов, поездок на работу, зарядки мобильных устройств и снабжения наших продуктовых магазинов свежими продуктами. Больницы полагаются на нее для оказания критической помощи, аэропорты – для навигации, а нефтеперерабатывающие заводы – для обеспечения топливом. Без энергосистемы общество погрузилось бы в хаос. Мощные вспышки на Солнце, подобные той, что произошла в 1859 году, повторятся снова – это всего лишь вопрос времени. Но пока не спешите отправляться в эти бункеры Судного дня.

Энергосистема США состоит из нескольких объединенных синхронных сетей, включая Восточную, Западную, Техасскую, Квебекскую и Аляскинскую сети.

Исследование Геологической службы США за 2020 год показало, что критические регионы на Среднем Западе и восточном побережье США более уязвимы к геомагнитной активности, чем другие. Хотя в этих регионах проживают миллионы людей, некоторые превентивные меры, такие как создание запасов трансформаторов и другого электрооборудования, могут помочь им сохранить свет включенным, а продукты в холодильниках свежими.

Согласно исследованию, геология может помочь смягчить последствия магнитной бури для высоковольтных линий электропередачи. Горные породы, такие как осадочные образования, обладают относительно высокой электропроводностью, что означает, что они эффективнее рассеивают электрические поля, вызванные бурей. Следовательно, регионы с такими осадочными породами более устойчивы к подобным бурям. К счастью, это бóльшая часть США.

В некоторых регионах Среднего Запада и Восточного побережья отсутствуют осадочные породы, необходимые для рассеивания магнитных полей, что повышает уязвимость к последствиям и геомагнитным возмущениям от солнечных вспышек. Согласно отчету, при наихудшем сценарии эти районы останутся без электричества на несколько недель, пока не будут изготовлены и доставлены запасные трансформаторы.

Важно отметить, что в 2015 году восемь американских электроэнергетических компаний создали запас трансформаторов, которые могут быть использованы в чрезвычайных ситуациях, включая геомагнитные бури и террористические атаки. В марте 2019 года президент Трамп поручил ведомствам усилить защиту энергосистемы от электромагнитных импульсов, чтобы сделать ее еще более устойчивой к внешним воздействиям.

В том же месяце NOAA (Национальное агентство по исследованию океанов и атмосферы) опубликовало Национальную стратегию и план действий в области космической погоды, которые направлены на достижение трех основных целей: улучшение важнейшей инфраструктуры и технических средств, повышение точности и своевременности прогнозов космической погоды, а также на разработку процедур реагирования и восстановления после явлений космической погоды.

Всем ученым известно, что еще одна крупная вспышка на Солнце повлияет на электросети по всему миру. Хорошей новостью является то, что большинство энергетических компаний и правительственных учреждений готовятся к очередному Событию Кэррингтона, выявляя уязвимые места в своих сетях и работая над тем, чтобы обеспечить их безопасность и функционирование.

Хотите посмотреть, что могли бы сделать американские инженеры во время катастрофического события после солнечной катастрофы? Фильм «Финч» с Томом Хэнксом в главной роли рисует довольно реалистичную картину такого сценария. Я бы сказал, что суть истории этой можно уловить в первой четверти или около того.