Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Солнечный удар по энергосистемам

Магнитная буря 150-летней давности, повторись она сейчас, произвела бы тот же эффект, что и ураган «Катрина», прошедшийся по всей планете

Кроме лучей света, то есть электромагнитных волн, которые Солнце посылает к Земле, между этими небесными телами существуют и другие, менее заметные, но тоже важные связи. Солнечное магнитостатическое поле сильно искажает магнитное поле Земли. Но ещё сильнее на геомагнитное поле воздействует поток заряженных частиц, так называемый солнечный ветер. Фото: SOHO/ESA, NASA

В последнюю неделю октября наземные службы слежения за Солнцем зафиксировали самое значительное за весь прошедший год увеличение солнечной активности. На поверхности Солнца началось формирование солнечных пятен, затем из пятен стали формироваться отдельные группы. Одна из таких групп, состоящая из девяти пятен, была обнаружена в ночь с 23 на 24 октября. Параметры пятен этой группы указывали на приближение солнечных вспышек, уже в следующую ночь был зафиксирован стремительный рост интенсивности излучения Солнца в рентгеновском диапазоне. Прошло ещё шесть часов, и астрономы зафиксировали на его поверхности первую из серии солнечных вспышек. В ходе вспышек из недр Солнца в космическое пространство выбрасывается гигантское количество заряженных частиц. Эти частицы не представляют угрозы для населения нашей планеты, поскольку на своем пути к земной поверхности их весьма эффективно задерживает земное магнитное поле. Однако в ходе взаимодействия с частицами это поле претерпевает весьма значительные изменения — происходит то, что мы называем магнитными бурями.

Самая мощная солнечная буря за всю историю наблюдений Солнца произошла в 1859 году. В истории астрономии она фигурирует как событие Каррингтона, или Каррингтоновский шторм («Carrington event») — в честь британского астронома-любителя Ричарда Каррингтона (Richard Carrington, 1826–1875), наблюдавшего в ночь с 31 августа на 1 сентября гигантский факел на поверхности Солнца. Земные последствия солнечной бури не заставили себя ждать: уже 1–2 сентября была зафиксирована самые масштабные за все время наблюдений возмущения геомагнитного поля. Наблюдались масштабные сбои телеграфной связи в Европе и в Северной Америке, а в магнитных обсерваториях стрелки магнитометров упирались в край шкалы. Исходя из всей этой информации в совокупности, Каррингтон предположил существование весьма сильного влияния со стороны процессов, протекающих на Солнце, на то, что происходит на Земле. С тех пор неоднократно подтверждалось: геомагнитные бури — это реакция магнитного поля земли на солнечный ветер.

Всё то время, что длилась буря, на всей поверхности земного шара можно было наблюдать северное сияние, а наиболее заметным оно было на территории Карибских островов. В районе же Скалистых гор сияние было таким ярким, что шахтеры-золотодобытчики начали готовить завтрак, будучи уверенными в наступлении утра. Уже в конце XX столетия исследования взятых на различных глубинах проб льда показали, что геомагнитные бури такой интенсивности происходят в среднем каждые 500 лет.

В последующие полтора столетия исследования солнечной активности приносили все новые и новые подтверждения интенсивных солнечно-земных связей. Широкую известность приобрели, в частности, работы советского биолога Александра Чижевского (1897–1964), который, проанализировав статистические данные, обнаружил корреляцию максимумов солнечной активности и массовых катаклизмов на Земле — войн, эпидемий, революций. Отсюда он сделал вывод, что солнечная активность играет ключевую роль в социальных процессах. Своему открытию Чижевский посвящал не только научные статьи, но и стихи.

Метеорологический спутник GOES 13 SXI несет на себе установку по мониторингу космической погоды Space Environment Monitor. Вспышка 5 декабря 2006 года оказалась настолько сильной, что повредила часть светочувствительной матрицы монитора. Фото: NOAA/GOES SXI  

Он писал:

И вновь и вновь взошли на Солнце пятна,
И омрачились трезвые умы,
И пал престол, и были неотвратны
Голодный мор и ужасы чумы.

Активные исследования Солнца в ХХ веке прояснили физику протекающих на нем процессов и природу солнечного излучения. В качестве главного фактора влияния на Землю рассматриваются «корональные выбросы массы» — высокоэнергетические заряженные частицы солнечной плазмы, которые достигают атмосферы Земли и взаимодействуют с её магнитным полем. Судя по всему, именно на колебания земного магнитного поля и реагирует человеческий организм.

В последнее десятилетие — спустя полтора столетия после наблюдений Каррингтона — изменение активности Солнца обсуждают в первую очередь в связи с его воздействием на объекты техносферы. Так, весьма уязвимой для солнечного ветра оказывается бортовая электроника спутников связи и систем глобального позиционирования. Спутники, однако, находятся за пределами Земли, и хотя сбои в их работе могут иметь весьма неприятные последствия, вероятность катастрофы относительно невелика.

Главная опасность, которую солнечный ветер может представлять для нашей цивилизации, связана с его возможным воздействием на энергетические сети. Этот вопрос стал предметом специального исследования, осуществленного при поддержке NASA; отчет об исследовании был издан Национальной академией наук США (US National Academy of Sciences) в январе 2009 года. Представлявший отчет Дэниэл Бэйкер (Daniel Baker), эксперт по космической погоде из университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado in Boulder), говорил в частности: «Мы оказываемся все ближе и ближе к возможной катастрофе».

Непосредственной причиной катастрофы могут стать индукционные токи, возникающие в протяженных линиях электропередачи из-за колебаний магнитного поля. На стадии проектирования энергосетей подобные эффекты в качестве факторов риска пока обычно не рассматриваются. Наиболее уязвимыми для солнечного ветра объектами энергосетей становятся трансформаторы, преобразующие высокое напряжение линий передачи до напряжений, используемых в быту. Возникающие в линиях электропередачи дополнительные токи способствуют тому, что зависимость намагниченности сердечников трансформаторов от скорости изменения магнитного потока в них становится нелинейной. В результате сильно возрастает выделение тепла, и в итоге начинает плавиться изоляция обмоток.

Именно из-за таких процессов сгорели трансформаторы канадской провинции Квебек в марте 1989 года. Тогда шесть миллионов людей оказались лишенными электричества почти на шесть часов. Нетрудно представить себе, каковы были переживания людей, оказавшихся запертыми на все это время, например, внутри обесточившихся темных лифтов!

Анализируя подобные сценарии, авторы отчета отмечают, что катаклизм космической погоды может привести к выходу из строя трехсот ключевых трансформаторов энергетической сети США в течение всего лишь полутора минут, что будет означать прекращение доступа к электроэнергии для более чем 130 млн человек. Восстановить их работоспособность за несколько часов уже не удастся. Независимые источники питания, кроме дизельных генераторов, успеют иссякнуть. Все холодильники разморозятся, и практически все города надолго останутся без продовольствия. Деятельность всех социальных служб — полиции, медицинской помощи, пожарной охраны — окажется парализованной. Прекратится любая телекоммуникация: ни радио, ни телевидения, ни телефонов. Тем самым возникнут идеальные условия для бандитов, грабителей и мародеров. Сохранять хоть какое-то подобие социального порядка окажется невозможным.

Современная силовая подстанция — это настоящий завод по переработке электричества. Фото (Creative Commons license): striatic

Повышенное внимание к уязвимости энергосетей по отношению к вспышкам солнечной активности вызвано двумя обстоятельствами. Во-первых, в современных энергосетях электрическая энергия передается при высоком напряжении (что минимизирует потери); это обстоятельство повышает их чувствительность к изменениям «космической погоды». Во-вторых, именно от энергосетей зависит в первую очередь устойчивость всех систем жизнеобеспечения — как перечисленных выше, так и многих других. Эксперты вновь и вновь возвращаются к случаю Каррингтона, пытаясь представить себе последствия такой же бури на Солнце полтора столетия спустя. «Если бы событие Каррингтона произошло в наше время, его последствия были бы в десятки раз серьезнее, чем ураган „Катрина"» — приводит журнал New Scientist реплику Поля Кинтнера (Paul Kintner), специалиста по физике плазмы из Корнельского университета (Cornell University in Ithaca).

На самом деле ситуация, возможно, была бы ещё более тяжелой. Разные эксперты оценивают ущерб от Катрины в интервале от $81 млрд до $125 млрд. По оценке экспертов NASA, «сценарий сильного геомагнитного шторма», если воспользоваться профессиональной терминологией, оценивается для населения Земли в два триллиона долларов. На восстановление глобальной экономики от его последствий NASA отводит от 4 до 10 лет.

Но быть может авторы академического отчета просто чрезмерно эмоциональны? По мнению Майка Хэпгуда (Mike Hapgood), руководителя группы Европейского космического агенства по изучению космической погоды (European Space Agency’s space weather team), для такого предположения нет никаких оснований, поскольку «ученые слишком консервативны по своей природе» и отнюдь не склонны к тому, чтобы сеять панику. Кроме того, подготовленный ими текст выглядит вполне сбалансированным и хорошо аргументированным.

Заметим, что при широкой постановке проблемы предлагаемое авторами отчета обсуждение «сценария сильной геомагнитной бури» никоим образом не следует ограничивать территорией Северной Америки. Эксперты из стран, находящихся в высоких широтах — например, Швеции или Норвегии, — также вполне отчетливо осознают, что всполохи северного сияния, традиционно привлекающие в эти страны много туристов, свидетельствуют о повышенных рисках для расположенных на территории этих стран энергосетей.

При этом недооценка опасности развития событий по жесткому сценарию расширяет зону риска, в которую вполне могут попасть и «низкоширотные страны». Китай, например, планирует строительство 1000-километровой высоковольтной линии электропередачи с рабочим напряжением, в два раза превышающим рабочее напряжение в энергосетях США.

Каким временем мы располагаем, чтобы успеть — хотя бы в минимальной степени — подготовиться к катаклизмам космической погоды?

Наиболее важная информацию о погоде в космосе поступает от зонда NASA «Advanced Composition Explorer». Запущенный в 1997 году, он движется по околосолнечной орбите, постоянно находясь между Солнцем и Землей. С помощью зонда мы узнаем направление и скорость частиц солнечного ветра и других заряженных частиц, пролетающих мимо его датчиков. Благодаря этому мы получаем информацию о приближающейся геомагнитной буре в среднем за полчаса до её начала. Энергетическим же компаниям для соответствующей подготовки энергосетей хватает обычно половины этого времени. Например, они могут понизить рабочее напряжение в передающих сетях и ограничить нагрузки — чтобы внезапные скачки тока не приводили к каскадным сбоям.

Пункт слежения за космической погодой Американской национальной атмосферной службы. Изменения космической погоды надо уметь вовремя заметить, а ещё лучше — точно предсказать. Усиление солнечного ветра может обернуться настоящим ураганом в построенных человеком силовых сетях. Фото: NOAA

Впрочем, не исключено, что времени может и не хватить. Так, анализируя наблюдения Каррингтона и синхронизируя их с записями магнитометров, эксперты пришли к выводу, что в исключительных случаях (а именно таким и было событие 1859 года) выбросы корональной массы могут перемещаться с большей скоростью и преодолеть расстояние от зонда до Земли за время меньше 15 мин.

Ситуацию ухудшает и то, что «Explorer» на орбите уже одиннадцать лет, его расчетное время жизни давно истекло. Некоторые размещенные на борту зонда датчики уже вышли из строя, а оставшиеся в случае реально мощной солнечной вспышки, скорее всего, не смогут предоставить адекватную информацию о происходящем. Да и изначально зонд не был рассчитан на регистрацию аномальных изменений «космической погоды». Заменить же его в ближайшее время нечем. Безусловно, мы можем воспользоваться и информацией от других космических аппаратов (например, SOHO — Solar and Heliospheric Observatory), однако поступающие от них сведения существенно менее детализованы.

В целом, экспертов сильно беспокоит безразличие общества в отношении информации о катаклизмах космической погоды и связанных с ними угроз для человеческой цивилизации. Так, Поль Кинтнер говорит, что студенты не скрывают на его лекциях по данной теме своего «глубокого безразличия». Если столь же безразличны будут знакомящиеся с отчетом НАСА политические деятели, то общество может заплатить за это десятками миллионов жизней.

Борис Булюбаш, 23.11.2009

 

Новости партнёров