Космическая погода и ее воздействие на жизнедеятельность человека в Арктике

Развитие Арктического региона, объявленное одной из целей российской экономической политики, невозможно без грамотного научного сопровождения, в том числе очень важно обеспечивать своевременный и максимально подробный прогноз погоды. Чтобы добиться большей точности в прогнозах, ученые предлагают учитывать солнечно-земные связи.

Космическая погода — это комплекс явлений и процессов в космическом пространстве, которые обусловлены вариациями солнечной активности.

Основные агенты влияния Солнца на космическую погоду хорошо известны: солнечная ультрафиолетовая радиация, солнечный ветер, мощные выбросы корональной плазмы и высокоскоростные плазменные потоки, солнечные космические лучи.

Солнечный ветер — постоянное излучение низкоэнергичной намагниченной солнечной плазмы всей поверхностью Солнца (со скоростью от 300 км/с до 500 км/с). Мощные выбросы корональной плазмы и высокоскоростные плазменные потоки (со скоростью более 800 км/с) связаны с активными областями на Солнце. Солнечные космические лучи — это потоки высокоэнергичных (более 10 МэВ) солнечных протонов и электронов.

Планетарное магнитное поле Земли является в первом приближении полем диполя («большой магнит»). Ось диполя наклонена к оси вращения Земли. Под воздействием солнечного ветра магнитное поле Земли на дневной, подсолнечной стороне сжимается, а на ночной стороне вытягивается в антисолнечном направлении (подобную картину можно видеть при обтекании препятствия слабым потоком воды). Таким образом, в космическом пространстве, заполненном солнечным ветром, образуется полость — магнитосфера, где физические процессы «контролируются» магнитным полем Земли.

Форма и размеры земной магнитосферы определяются параметрами солнечного ветра: скоростью и плотностью солнечной плазмы, величиной магнитного поля, переносимого плазмой. При действии регулярного, «спокойного» солнечного ветра дневная граница земной магнитосферы находится на расстоянии 60–80 тыс. км от центра Земли (то есть 10–12 земных радиусов), утренняя и вечерняя границы — на расстоянии около 15 земных радиусов. «Хвост магнитосферы» простирается на десятки земных радиусов. Взаимодействие солнечного ветра с земной магнитосферой показано схематично на рисунке, где синие линии представляют силовые линии магнитного поля Земли, а желтым цветом изображен поток высокоскоростной плазмы, излучаемой солнечной вспышкой.

Схема взаимодействия солнечного ветра и земной магнитосферы

Фото: Луи Дж. Ланзеротти

Для того чтобы представить реальный масштаб описываемых явлений, напомним, что Земля находится на расстоянии 1490x105 км от Солнца, радиус Солнца равен приблизительно 6960х102 км, а радиус Земли — всего 6340 км, то есть в 100 раз меньше.

Активные области на Солнце (вспышки, протуберанцы, солнечные пятна) являются источником потоков высокоскоростной солнечной плазмы, несущей, как правило, сильное магнитное поле. Именно эти потоки, пронизывающие «спокойный» солнечный ветер, определяют изменчивость космической погоды. Поток солнечной плазмы, летящей со скоростью 800 км/с, достигает земной магнитосферы на третьи сутки. Воздействие «возмущенного» солнечного ветра приводит к изменению формы и размера земной магнитосферы (при большом давлении солнечной плазмы дневная граница магнитосферы приближается к Земле на расстояние, равное приблизительно шести земным радиусам). При этом в магнитосфере генерируется комплекс процессов и явлений, называемых «магнитосферные возмущения». Эти магнитосферные возмущения затрагивают все аспекты жизнедеятельности человека.

Наиболее сильными проявлениями магнитосферных возмущений являются мировые магнитные бури и магнитосферные суббури. Магнитная буря — это планетарное уменьшение интенсивности геомагнитного поля, обусловленное формированием мощного кольцевого тока, текущего вокруг Земли на расстоянии от трех до семи земных радиусов. Магнитосферные суббури характеризуются интенсивными магнитными возмущениями в высоких широтах планеты, куда вторгаются мощные потоки заряженных частиц из магнитосферы. Визуальным индикатором таких вторжений служат активные формы полярных сияний («аврора»), поэтому полоса геомагнитных широт, где наблюдаются сияния, носит название «авроральная зона», а магнитосферные суббури часто называют авроральными бурями.

Схема, иллюстрирующая влияние космической погоды на среду обитания человека

Фото: Луи Дж. Ланзеротти

Магнитосферные суббури вызывают комплекс негативных явлений, которые достигают наибольшей силы в авроральной зоне. Последствия: нештатное функционирование радионавигационных и радиолокационных систем, проблемы телекоммуникации и систем связи, выход из строя силового и электронного оборудования, нарушения в работе энергетических систем и трубопроводов. Основными факторами, обусловливающими такие эффекты, служат изменения в структуре авроральной ионосферы (ионизированной части земной атмосферы на высотах выше 60 км). Благодаря высокой степени ионизации ионосфера обладает свойством отражать радиоволны коротковолнового диапазона. При этом частота отраженного радиосигнала пропорциональна концентрации электронов в ионосфере. Именно эта особенность ионосферы лежит в основе работы систем радиосвязи, радионавигации и радиолокации. Вторжение заряженных авроральных частиц оказывает сильнейшее воздействие на ионосферу, вследствие чего распространение радиоволн в возмущенных условиях становится нерегулярным и временами может полностью прекращаться («авроральное поглощение» радиоволн). Следует отметить, что ионосферные возмущения оказывают критическое воздействие не только на наземную радиосвязь, но и на прохождение трансионосферных радиосигналов со спутников, что ведет к нарушениям в системах спутниковой связи и навигации.

Другим сильнейшим эффектом вторжения заряженных частиц является резкое повышение проводимости авроральной ионосферы на высотах слоя Е (слой Е находится приблизительно на расстоянии между 90 км и 150 км от поверхности Земли). Как следствие, в этом слое происходит генерация текущих вдоль авроральной зоны электрических токов (электроджетов) мощностью до нескольких миллионов ампер. Формирование электроджетов сопровождается генерацией индуцированных («наведенных») токов в линиях электропередачи и трубопроводах на земной поверхности с соответствующими негативными и даже катастрофическими последствиями. Сильные вариации геомагнитного поля полностью исключает возможность ориентирования в пространстве по магнитному полю во время его возмущений. В частности, даже незначительные магнитные возмущения приводят к сбоям в работе или к полной остановке прецизионной навигации бурового инструмента при наклонно-направленном бурении газовых и нефтяных скважин.

Высокоэнергичные частицы солнечного и магнитосферного происхождения оказывают сильное воздействие на спутниковую аппаратуру и обусловливают радиационное облучение не только космонавтов, но и экипажей и пассажиров самолетов на высокоширотных авиалиниях. Так, например, доза облучения в ходе двухчасового полета на широтах севернее геомагнитной широты 60° во время магнитной бури может равняться годовой норме. Имеются также достоверные сведения о влиянии магнитосферных возмущений на здоровье людей, приехавших в Арктику из других климатических зон, а именно на состояние сердечно-сосудистой системы и функциональную активность мозга.

Локализация вторжений авроральных частиц «контролируется» магнитным полем Земли, поэтому положение авроральной зоны соответствует полосе геомагнитных широт от 60° до 70°. В северном полушарии полюс геомагнитного диполя смещен относительно географического полюса в сторону Америки. Поэтому в евро-азиатском секторе авроральная зона проходит вдоль побережья Северного Ледовитого океана, тогда как в американском секторе авроральная зона проецируется на южную часть Канады. Во время сильных магнитосферных возмущений авроральная зона смещается далеко к экватору.

В силу этих обстоятельств США уже давно столкнулись с негативными последствиями магнитосферных возмущений. Так, например, резкий рост индуцированных токов во время магнитной бури 13 марта 1989 года привел к разрушению трансформатора на атомной станции в Нью-Джерси и к последующему отключению всей системы электроснабжения на северо-востоке США. Согласно оценкам специалистов, в случае очень сильных возмущений космической погоды финансовые потери (суммарные по земному шару) могут достигать $2 трлн. Для сравнения приведем величины финансовых потерь, вызванных тремя недавними катастрофическими событиями: Великое землетрясение Восточной Японии (Япония, район Тохоку, 11 мая 2011 года) — около $270 млрд, ураган «Катрина» (США, 23–31 августа 2005 года) — около $125 млрд, выход из строя одного из геостационарных спутников — приблизительно $85–110 млн.

В октябре 2016 года президент США Барак Обама опубликовал распоряжение «О подготовке нации к негативным последствиям космической погоды» (“Coordinating Efforts to Prepare the Nation for Space Weather Events”)». Документ подготовлен «с целью мониторинга и своевременного предупреждения о таких явлениях космической погоды, которые могут представлять опасность для гражданских и коммерческих секторов государства и для систем вооружения, военных операций и обороны США». Таким образом, координируются усилия основных министерств правительства США (Министерство обороны, Министерство коммерции и Министерство внутренних дел) по проведению оперативных наблюдений за космической погодой, по разработке и тестированию моделей космической погоды, по внедрению в практику результатов научных исследований, проводимых Академией наук США и учреждениями частного сектора, по внедрению, функционированию и совершенствованию наблюдательных платформ и систем, обеспечивающих надежный прогноз космической погоды и возможность предотвращения негативных последствий ее резких изменений.

В настоящее время краткосрочный космической прогноз (с заблаговременностью от 15 до 60 мин., в зависимости от скорости потока солнечной плазмы) осуществляется по данным измерений параметров солнечного ветра на борту американского спутника АСЕ. Этот спутник постоянно находится в точке либрации (на линии Земля—Солнце на удалении около 1,5 млн км от Земли). Кроме того, в США реализован космической проект STEREO, включающий два спутника А и В, расположенных на земной орбите впереди (Аhead) и позади (Вehind) линии Земля—Солнце. Такое положение спутников дает стереоскопическую (трехмерную) картину движения потоков солнечной плазмы в гелиосфере, что обеспечивает значительно большую заблаговременность (около трех суток) получения информации о геоэффективных потоках солнечной плазмы и о времени их вероятного прихода к земной магнитосфере.

Следует отметить, к сожалению, что Россия не ведет наблюдений за параметрами солнечного ветра. Информационная зависимость от служб космической погоды НАСА и НОАА (США) в части, касающейся количественного прогноза космической погоды, должна быть преодолена в обозримом будущем. В противном случае возникает угроза национальной безопасности России.

Мониторинг космической погоды в режиме реального времени осуществляется в Полярном геофизическом центре отдела геофизики ГНЦ РФ «Арктический и антарктический институт» (Санкт-Петербург) по данным магнитных наблюдений в полярных шапках Земли — на околополюсных станциях «Туле» (Гренландия) и «Восток» (Антарктида). Как показали исследования, выполненные в ААНИИ, величина магнитной активности в полярных шапках (РС-индекс) является индикатором энергии солнечного ветра, поступающей в магнитосферу, и в этом качестве может использоваться для верификации реальности контакта с магнитосферой солнечного ветра, зафиксированного в точке Лагранжа. В 2013 году РС-индекс был одобрен Международной ассоциацией геомагнетизма и аэрономии (IAGA) и получил признание мирового научного сообщества.

Задачи исследования и освоения Арктической зоны Российской Федерации требуют изучения закономерностей солнечно-земных связей, вариаций космической погоды и всего спектра ее возможных эффектов в циркумполярной Арктической зоне. В настоящее время исследования в этом направлении ведут учреждения Министерства образования и науки под научно-методическим руководством Российской академии наук. В Арктике также действует сеть станций геофизических наблюдений Росгидромета (Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды). Данные этих станций оперативно обрабатываются и обобщаются в ГНЦ РФ ААНИИ.

Но, как ни странно, до сих пор нет координации этого вида арктической деятельности и она недостаточно поддерживается государством на федеральном уровне. Нет информационного обмена, нет научных обобщений, нет стимулов для привлечения талантливой молодежи. Скорее наоборот, сегодня дефицит средств ведет к нездоровой конкуренции, к закрытию доступа к первичной информации и к результатам исследований. Разрыв между фундаментальными гелиогеофизическими исследованиями и научно-технологическими прикладными разработками делает нерентабельными финансовые вложения, ставит под угрозу комплексную безопасность развития арктической деятельности. В главном для арктической науки документе — «Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года» (утверждена президентом России в октябре 2020 года) — постановка проблемы сведена к упоминанию о геофизическом мониторинге, а пути ее решения даже не обозначены.

Реализация межведомственных и межрегиональных научно-технологических проектов в Арктике, организация Арктического геофизического центра должны стать приоритетными мероприятиями формируемой сейчас программы научно-технологического развития, обеспечивающей выполнение государственной программы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации» (на период 2021–2024 годов). Арктический геофизический центр может быть образован в рамках Национального гелиогеофизического комплекса РАН, но это должен быть «проект-прорыв» — проект без межведомственных барьеров и без межрегиональных распрей. Его реализация будет содействовать обеспечению безопасности жизнедеятельности в Арктике с учетом всех негативных последствий влияния космической погоды.

В период 2021–2023 годов Российская Федерация будет страной—председателем Арктического совета, ведущего межправительственного форума, осуществляющего сотрудничество, координацию и взаимодействие между арктическими государствами в целях устойчивого развития Арктики. Россия может привнести в перечень направлений деятельности Арктического совета на 2021–2023 годы не только «платформу действий, основанную на природосберегающих технологиях», но и гелиогеофизический проект, учитывающий важность и перспективу международных исследований воздействия космической погоды на все аспекты жизнедеятельности человека в Арктике, что, несомненно, будет способствовать поднятию престижа российской арктической науки.