RW Space

В последнее время гораздо больше людей во всем мире, чем обычно, смогли увидеть северное и южное сияние над головой невооруженным глазом. Это необычное событие было спровоцировано очень сильной солнечной бурей, которая повлияла на движение магнитного поля Земли.

Солнце достигает максимальной точки активности за 11-летний цикл. Это означает, что мы можем ожидать более взрывных излияний частиц.

При правильных обстоятельствах именно они в конечном итоге порождают красивые полярные сияния в небе, а также геомагнитные бури, которые могут повредить инфраструктуру, такую ​​​​как электросети. и орбитальные спутники.

Так что же на самом деле является причиной этих явлений? Северное и южное сияние обычно приурочены к очень высоким и очень низким широтам. Частицы высокой энергии от Солнца движутся к Земле, направляемые солнечным магнитным полем. Они переносятся в магнитное поле Земли в процессе, известном как пересоединение.

Эти очень быстрые и горячие частицы затем несутся вниз по линиям магнитного поля Земли (направлению силы магнита) до тех пор, пока не сталкиваются с магнитным полем Земли. нейтральные, холодные атмосферные частицы, такие как кислород, водород или азот. В этот момент часть этой энергии теряется – и это нагревает окружающую среду.

Однако атмосферным частицам не нравится быть энергичными, поэтому они выделяют часть этой энергии в видимом диапазоне света. . Теперь, в зависимости от того, какой элемент слишком горячий, вы увидите различный набор длин волн – и, следовательно, цветов – излучаемых в видимом диапазоне электромагнитного спектра.

Это источник полярных сияний, которые мы наблюдаем. может видеть в высоких широтах, а во время сильных солнечных явлений — и в более низких широтах.

Синий и фиолетовый цвета полярного сияния происходят от азота, а зеленый и красный — от кислорода. Этот конкретный процесс происходит постоянно, но поскольку магнитное поле Земли по форме похоже на стержневой магнит, область, которая возбуждается падающими частицами, находится на очень высоких и низких широтах (Полярный круг или Антарктида в целом). p>

Так что же позволило нам увидеть полярное сияние намного южнее, в северном полушарии?

Возможно, вы помните, как в школе рассыпали железные опилки на бумагу поверх магнита, чтобы посмотреть, как они совпадать с магнитным полем. Вы можете повторить эксперимент несколько раз и каждый раз видеть одну и ту же форму.

Магнитное поле Земли также постоянно, но может сжиматься и высвобождаться в зависимости от силы Солнца. Самый простой способ представить это — представить себе два полунадутых шарика, прижатых друг к другу.

Если вы надуете один шарик, добавив в него больше газа, давление увеличится и оттолкнет меньший шарик назад. Когда вы выпускаете этот дополнительный газ, меньший воздушный шар расслабляется и выталкивается обратно.

Для нас, чем сильнее это давление, тем ближе к экватору смещаются соответствующие линии магнитного поля, а это означает, что можно увидеть полярные сияния. .

Исключительные штормы

Здесь также возникают потенциальные проблемы: движущееся магнитное поле может генерировать ток во всем, что проводит электричество.

Для современного мира инфраструктуры, самые большие токи генерируются в линиях электропередачи, железнодорожных путях и подземных трубопроводах. Скорость этого движения также важна и отслеживается путем измерения того, насколько магнитное поле отличается от «нормального». Одна из таких мер, используемых исследователями, называется индексом времени возмущенной бури.

По этому показателю геомагнитные бури 10 и 11 мая были исключительно сильными. При таком сильном шторме существует потенциальная опасность возникновения электрических токов.

Линии электропередач подвергаются наибольшему риску, но они выиграли от защиты, встроенной в электростанции. Они были в центре внимания после геомагнитной бури 1989 года, которая расплавила силовой трансформатор в Квебеке, Канада, что привело к отключению электроэнергии на несколько часов.

Более высокому риску подвергаются металлические трубопроводы, которые подвергаются коррозии при прохождении через них электрического тока. . Это не мгновенный эффект, а происходит медленное накопление разрушающегося материала. Это может оказать очень сильное воздействие на инфраструктуру, но его очень трудно обнаружить.

Хотя токи на земле представляют собой проблему, в космосе они представляют собой еще большую проблему. Спутники имеют ограниченное количество заземлений, и скачок напряжения может разрушить приборы и средства связи.

Когда спутник теряет связь таким образом, его называют спутником-зомби, и он часто теряется полностью – что приводит к очень большим потерям инвестиций.

Изменения в магнитном поле Земли также могут влиять на прохождение света.

Мы не видим этого изменения, но система определения местоположения в стиле GPS точность может сильно пострадать, поскольку определение местоположения зависит от времени, которое прошло между вашим устройством и спутником. Увеличение плотности электронов (количества частиц на пути сигнала) приводит к изгибу волны, а это означает, что ей требуется больше времени, чтобы достичь вашего устройства.

Те же изменения могут также повлиять на полосу пропускания. скорость спутникового интернета и радиационные пояса планеты. Это тор высокоэнергетических заряженных частиц, в основном электронов, на расстоянии около 13 000 км от поверхности.

Геомагнитная буря может вытолкнуть эти частицы в нижние слои атмосферы. Здесь частицы могут создавать помехи высокочастотному (ВЧ) радиосигналу, используемому самолетами, и влиять на концентрацию озона.

Полярные сияния не ограничиваются Землей — они есть на многих планетах, и они могут многое рассказать нам о магнитные поля, существующие на этих небесных объектах. Конкретным устройством, используемым для имитации полярных сияний, является «планетерелла», впервые разработанная в начале 1900-х годов норвежским ученым Кристианом Биркеландом.

Магнитная сфера (изображающая Землю) помещается в вакуумную камеру, а солнечная ветер моделируется путем запуска электронов в сферу. У нас есть два таких инструмента в университетах Великобритании, и здесь, в Университете Ноттингем Трент, я недавно помог студенту создать бюджетную версию в качестве магистерского проекта.

Изменяя силу магнитного поля и расстояние между объектов, можно наблюдать, как меняются полярные сияния. Излучение в основном фиолетовое, как и следовало ожидать в атмосфере с 72% азота.

Сильное эмиссионное кольцо появляется вверху, где на Земле можно было бы увидеть полярное сияние, и это кольцо движется вверх и вниз в широта в зависимости от напряженности магнитного поля.

Полярное сияние как естественное явление является чудом. Но еще лучше то, что при каждой сильной геомагнитной буре мы вносим улучшения, которые помогают защититься от потенциального ущерба от будущих событий.

Иэн Уиттакер, старший преподаватель физики, Университет Ноттингем Трент

Эта статья переиздана из журнала The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.