18 марта 2022 года.
1 и 2 сентября 1859 года телеграфные системы по всему миру катастрофически вышли из строя. Операторы телеграфов сообщали, что получали удары током, телеграфная бумага загоралась, а оборудование работало при отключенных батареях. По вечерам аврору бореалис, более известную как северное сияние, можно было наблюдать вплоть до юга Колумбии. Обычно такое сияние можно увидеть только в более высоких широтах, на севере Канады, Скандинавии и Сибири.
В тот день мир пережил мощную геомагнитную бурю, которая теперь известна как событие Кэррингтона. Такие бури возникают, когда большой пузырь перегретого газа, называемый плазмой, выбрасывается с поверхности Солнца и падает на Землю. Этот пузырь известен как корональный выброс массы.
Плазма коронального выброса массы состоит из облака протонов и электронов, которые представляют собой электрически заряженные частицы. Когда эти частицы достигают Земли, они взаимодействуют с магнитным полем, окружающим планету. В результате взаимодействия магнитное поле искажается и ослабевает, что, в свою очередь, приводит к странному поведению авроры бореалис и других природных явлений. Как инженер-электрик, специализирующийся на электросетях, я изучаю, как геомагнитные бури могут вызвать перебои в подаче электроэнергии и работе интернета и как от этого защититься.
Геомагнитные бури
Событие Каррингтона 1859 года — крупнейший зарегистрированный случай геомагнитной бури, но это не единичный случай.
Геомагнитные бури регистрируются с начала XIX века, а научные данные, полученные из образцов керна антарктического льда, свидетельствуют о еще более мощной геомагнитной буре, которая произошла около 774 года н. э. и теперь известна как событие Мияке. Эта солнечная вспышка вызвала самый большой и быстрый рост содержания углерода-14 за всю историю наблюдений. Геомагнитные бури вызывают большое количество космических лучей в верхних слоях атмосферы Земли, которые, в свою очередь, производят углерод-14, радиоактивный изотоп углерода.
Геомагнитная буря на 60 % меньше события Мияке произошла около 993 г. н.э. Образцы ледяных кернов показали, что крупномасштабные геомагнитные бури такой же интенсивности, как события Мияке и Каррингтона, происходят в среднем раз в 500 лет.
В настоящее время Национальное управление океанических и атмосферных исследований использует шкалу геомагнитных бурь для измерения силы этих солнечных извержений. Шкала «G» имеет рейтинг от 1 до 5, где G1 — незначительные, а G5 — экстремальные. Событие Каррингтона было бы оценено как G5.
Еще страшнее становится, если сравнить событие Каррингтона с событием Мияке. Ученые смогли оценить силу Каррингтонского события по колебаниям магнитного поля Земли, зафиксированным обсерваториями того времени. Измерить магнитные колебания события Мияке не удалось. Вместо этого ученые измерили увеличение содержания углерода-14 в кольцах деревьев того периода. Событие Мияке привело к увеличению содержания углерода-14 на 12 %. Для сравнения, событие Каррингтона привело к увеличению содержания углерода-14 менее чем на 1 %, так что событие Мияке, скорее всего, превзошло событие G5 Каррингтона.
Выбивание энергии
Сегодня геомагнитная буря такой же интенсивности, как событие Каррингтона, затронет не только телеграфные провода и может стать катастрофой. Учитывая постоянно растущую зависимость от электричества и развивающихся технологий, любой сбой может привести к денежным потерям на триллионы долларов и риску для жизни людей, зависящих от этих систем. Буря затронет большинство электрических систем, которыми люди пользуются каждый день.
Геомагнитные бури генерируют индуцированные токи, которые проходят через электрические сети. Геомагнитно-индуцированные токи, которые могут превышать 100 ампер, попадают в электрические компоненты, подключенные к сети, такие как трансформаторы, реле и датчики. Сто ампер эквивалентны электроснабжению многих домашних хозяйств. Токи такой силы могут вызвать внутренние повреждения компонентов, что приведет к масштабным отключениям электроэнергии.
Геомагнитная буря, в три раза меньшая, чем Каррингтонская, произошла в Квебеке (Канада) в марте 1989 года. Эта буря привела к разрушению электрической сети Hydro-Quebec. Во время бури высокие магнитно-индуцированные токи повредили трансформатор в Нью-Джерси и отключили автоматические выключатели сети. В этом случае отключение привело к тому, что пять миллионов человек остались без электричества на девять часов.
Разрыв соединений
Помимо сбоев в электроснабжении, в мировом масштабе могут быть нарушены коммуникации. Могут выйти из строя интернет-провайдеры, что, в свою очередь, лишит различные системы возможности общаться друг с другом. Могут быть нарушены высокочастотные системы связи, такие как радиосвязь «земля-воздух», коротковолновая связь и связь между кораблями и берегом. Спутники, находящиеся на орбите вокруг Земли, могут быть повреждены наведенными геомагнитной бурей токами, в результате чего сгорят их печатные платы. Это приведет к перебоям в работе спутниковой телефонной связи, интернета, радио и телевидения.
Кроме того, когда геомагнитные бури обрушиваются на Землю, повышение солнечной активности приводит к расширению атмосферы. Это расширение изменяет плотность атмосферы в местах орбиты спутников. Более высокая плотность атмосферы создает сопротивление на спутнике, что замедляет его движение. И если его не перевести на более высокую орбиту, он может упасть обратно на Землю.
Еще одна область, которая может повлиять на повседневную жизнь, — это навигационные системы. Практически все виды транспорта, от автомобилей до самолетов, используют GPS для навигации и слежения. Даже портативные устройства, такие как сотовые телефоны, смарт-часы и метки слежения, полагаются на сигналы GPS, посылаемые со спутников. Военные системы в значительной степени зависят от GPS для координации. Другие военные системы обнаружения, такие как загоризонтные радары и системы обнаружения подводных лодок, могут быть выведены из строя, что помешает национальной обороне.
Что касается интернета, то геомагнитная буря масштаба события Каррингтона может вызвать геомагнитные токи в подводных и наземных кабелях, которые составляют основу интернета, а также в центрах обработки данных, где хранится и обрабатывается все — от электронной почты и текстовых сообщений до наборов научных данных и инструментов искусственного интеллекта. Это потенциально может нарушить работу всей сети и лишить серверы возможности соединяться друг с другом.
Вопрос времени
Очередная геомагнитная буря на Земле — лишь вопрос времени. Буря размером с Событие Кэррингтона нанесет огромный ущерб электрическим и коммуникационным системам по всему миру, а перебои в работе будут длиться неделями. Если буря будет размером с Событие Мияке, результаты будут катастрофическими для всего мира: отключения могут длиться месяцами, если не дольше. Даже при наличии предупреждений о космической погоде от Центра прогнозирования космической погоды NOAA мир будет предупрежден всего за несколько минут — несколько часов.
Я считаю, что крайне важно продолжать исследования способов защиты электрических систем от последствий геомагнитных бурь, например, путем установки устройств, способных защитить уязвимое оборудование, такое как трансформаторы, и разработки стратегий по регулированию нагрузки на электросеть при приближении солнечных бурь. Одним словом, важно работать уже сейчас, чтобы свести к минимуму перебои в работе от следующего события Каррингтона.
Автор — Дэвид Уоллес, доцент кафедры электротехники Университета штата Миссисипи.
