Новое исследование показывает беспрецедентные изменения в атмосфере во время майской геомагнитной супербури

11 мая великолепная аврора удивила звездочетов на юге США. В те же выходные трактор, ориентирующийся по GPS, промахнулся мимо цели.

Что общего между видимостью северного сияния и скомпрометированной сельскохозяйственной техникой на Среднем Западе?

Необычайно мощная геомагнитная буря, говорится в двух работах, написанных в соавторстве со Скоттом Инглендом из Технологического института Вирджинии.

«Северное сияние вызывается энергичными заряженными частицами, попадающими в наши верхние слои атмосферы, на которые влияют многочисленные космические факторы, включая Солнце», — говорит Ингленд, доцент кафедры аэрокосмической и океанотехники имени Кевина Т. Крофтона.

«Во время солнечных геомагнитных бурь в пространстве вокруг Земли становится гораздо больше этих энергичных заряженных частиц, поэтому мы наблюдаем усиление северного сияния, а регион, над которым его можно увидеть, расширяется и включает в себя такие места, как нижние 48 штатов, которые обычно не видят этого зрелища».

Ингленд и группа университетских и промышленных коллег отследили это явление в верхних слоях атмосферы 11 мая с помощью прибора НАСА GOLD. Оказалось, что это была самая сильная геомагнитная буря, зафиксированная за последние 20 лет.

Их выводы были опубликованы в журнале Geophysical Research Letters в двух исследованиях, соавторами которых являются представители Англии. Первое исследование, проведенное первым автором Дипаком Караном из Университета Колорадо в Боулдере, показало беспрецедентные изменения в расположении и распространении частиц в верхних слоях атмосферы. Второе исследование, проведенное первым автором и выпускником Virginia Tech Дж. Скоттом Эвансом, зафиксировало изменения состава и температуры.

Среди собранных данных Энгланд отметил, что впервые наблюдал «восхитительные вихревые узоры», а также резкое движение воздуха в сторону от авроры, вызвавшее образование огромных вихрей, которые перемещали воздух по спирали, превосходящей по размерам ураган. Конкретные наблюдения включали в себя:

• Непредсказуемое движение низкоэнергетических заряженных частиц из района экватора в сторону авроры.
• Заряженные частицы, которые можно разделить на две группы: низкоэнергетические и высокоэнергетические, последние из которых могут нанести вред людям, работающим в космосе, и повредить электронику
• Изменения температуры и давления, которые, вероятно, приводят к появлению вихрей и вихревых потоков.
• Изменения в расположении и распространении низкоэнергетических частиц, которые могут негативно влиять на GPS, спутники и даже электрические сети.

«По мере усиления авроры вы видите больше огней, но вместе с этим в атмосферу поступает больше энергии, поэтому атмосфера вблизи полюсов становится очень горячей, что приводит к вытеснению воздуха с полюсов в сторону экватора», — говорит Энгланд.

«Эти данные ставят множество вопросов, например, произошло ли во время этой геомагнитной бури что-то совсем другое, чем раньше, или у нас просто появились более совершенные приборы для измерения изменений?»

Кроме того, что эти изменения могут означать для человеческих технологий, которые вращаются в этой области атмосферы?

Больше, чем шоу северного сияния

Верхние слои атмосферы Земли, простирающиеся примерно от 60 до 400 миль над нами, граничат с космосом и являются зоной обитания спутников и Международной космической станции. Верхние слои атмосферы состоят из тех же частиц, что и нижние, где мы живем и дышим.

Но у нее есть и другая сторона — ионосфера, которую можно представить себе почти как электрическое одеяло — сильно заряженное и постоянно колеблющееся. Заряженные частицы в ионосфере — одна из причин, делающих эту область космоса такой динамичной. Температура и состав верхних слоев атмосферы и ионосферы часто меняются. Фактически, это происходит предсказуемо в течение дня и ночи и даже меняется в зависимости от времени года.

Англия говорит, что на частицы в атмосфере Земли влияют многочисленные космические факторы, в том числе активность Солнца. Во время вспышки геомагнитной бури интенсивный всплеск излучения от Солнца изменяет состав и скорость частиц в атмосфере Земли. Так почему же в последние месяцы по всему земному шару северное сияние можно увидеть там, где его раньше не наблюдалось?

«Количество солнечных пятен, вспышек и штормов меняется в течение 11 лет, которые мы называем солнечным циклом», — говорит Энгланд. «Количество вспышек, которые мы наблюдаем, постепенно увеличивается в течение последних нескольких лет по мере приближения к пику солнечного цикла».

Помимо видимости северного сияния, геомагнитные бури оказывают влияние на наши технологии. Поскольку радио- и GPS-сигналы проходят через это постоянно колеблющееся «электрическое одеяло», изменения в этом слое атмосферы могут нарушать сигналы и препятствовать работе навигационных и коммуникационных систем, таких как GPS.

Различные факторы как земной, так и космической погоды могут влиять на этот важнейший слой, но многое еще предстоит узнать о том, почему происходят изменения в верхней и нижней атмосфере и как они могут повлиять на жизнь, какой мы ее знаем.

«Эти бури также могут усиливать электрические токи, которые текут вокруг Земли, что может повлиять на технологические устройства, использующие очень длинные провода. В последние годы наблюдалось воздействие на электросети, когда по проводам протекал слишком большой ток. Во время крупнейшей из когда-либо зафиксированных геомагнитных бурь, события Каррингтона в 1859 году, это привело к возгоранию телеграфных систем — передовой технологии того времени», — говорит Ингленд.

Ученые подозревают, что буря, подобная Каррингтоновской 1859 года, случись она сегодня, могла бы вызвать интернет-апокалипсис, отправив большое количество людей и предприятий в оффлайн. Хотя буря 11 мая не вызвала резких сбоев, пик солнечного цикла ожидается в июле 2025 года, нам еще предстоит около года, чтобы узнать о возможных последствиях.

«Одна из причин, по которой мы изучаем геомагнитные бури, заключается в том, чтобы попытаться построить модели для прогнозирования их последствий», — говорит Ингленд. «Основываясь на солнечном цикле, мы ожидаем, что условия, которые мы наблюдаем в этом году, сохранятся в течение следующих двух лет».