Почему возникают магнитные бури?

В мае 2024 года жители средней полосы снимали на телефоны малиновое небо: сияние спустилось на пару тысяч километров южнее обычного. В те же дни спутниковая навигация ошибалась на метры, а в США посреди сева останавливались тракторы с GPS-автопилотом.

Всё это — одна магнитная буря, сильнейшая за двадцать лет. Буря — это встряска магнитного поля Земли облаком солнечной плазмы. Масштаб встряски стоит запомнить: спокойное поле у экватора около 30 000 нанотесла, а сильнейшая за двадцать лет буря просадила его на 412 — то есть примерно на один процент. Человек этого не чувствует вовсе. Техника, настроенная на стабильное поле, чувствует прекрасно.

Что сделать. Прогнозы космической погоды публикуются открыто, ориентир — планетарный индекс Kp. При Kp от семи в ясную ночь посмотрите на север: камера телефона с выдержкой в несколько секунд увидит сияние раньше глаза. Именно так сняты майские кадры 2024 года.

Солнце дует, Земля закрывается. Солнце непрерывно испускает поток заряженных частиц — обломков разобранных жаром атомов, летящих со скоростями в сотни километров в секунду. Это солнечный ветер. Магнитное поле Земли отклоняет заряженные частицы, как зонт отклоняет дождь, и выкраивает вокруг планеты защищённую полость — магнитосферу.

Её граница проходит там, где напор ветра уравновешивается упругостью поля. Чем ближе к Земле, тем поле сильнее, и в какой-то точке эта пружина останавливает поток. В спокойный день граница стоит примерно в десяти земных радиусах с дневной стороны.

Пружина жёсткая, и жёсткая нелинейно. Дипольное поле убывает как куб расстояния, а давление, которым поле отвечает на напор, растёт как квадрат самого поля. Значит, при приближении вдвое давление вырастает в 2⁶ = 64 раза:

$$\frac{\rho v^2}{2}=\frac{B^2}{2\mu_0},\qquad B\propto r^{-3}\ \Rightarrow\ r\propto\left(\rho v^2\right)^{-1/6}$$

модель

Словами: чтобы вдавить границу магнитосферы вдвое ближе к Земле, нужен напор в 64 раза больше обычного. Поэтому даже сильнейшие бури магнитосферу сжимают, но не срывают. В мае 2024-го граница ныряла ниже орбит геостационарных спутников, до шести с половиной земных радиусов, — и на этом всё.

Иногда прилетает не ветер, а облако. С внешнего слоя солнечной атмосферы — короны — срывается целый выброс: миллиарды тонн плазмы, то есть газа, в котором электроны сорваны с атомов, а вместе с плазмой летит и её собственное магнитное поле. Это корональный выброс массы. Время в пути считается в одно действие: при скорости 800 км/с расстояние в 150 млн км проходится за 187 500 секунд, чуть больше двух суток.

Решает направление поля в облаке. Если оно смотрит туда же, куда земное, облако по большей части обтекает магнитосферу и уходит дальше. Если против — линии двух полей размыкаются и сшиваются заново, в границе открывается дверь, и энергия ветра вливается внутрь. Физики называют это пересоединением.

Дальше энергия разгоняет частицы и зажигает в околоземном пространстве гигантские электрические токи: кольцевой ток, опоясывающий планету, и струи тока в верхней атмосфере над полюсами. У всякого тока есть собственное магнитное поле; эти новые поля накладываются на земное — и приборы по всей планете фиксируют отклонение. Это и есть буря.

Хвост цепочки виден глазами. Разогнанные частицы ссыпаются вдоль магнитных линий в верхнюю атмосферу, врезаются в молекулы воздуха и передают им энергию, а те сбрасывают её светом: кислород светится зелёным и красным, азот — синим и лиловым. Обычно свечение держится кольцом вокруг магнитных полюсов, где линии поля втыкаются в атмосферу. В сильную бурю кольцо разбухает — и сияние приходит в средние широты.

Ниже — текст, проверенный экспертом, без изменений. Формула восстановлена по числам этого же текста: в присланном документе она стояла картинкой.

В мае 2024 года жители средней полосы снимали на телефоны малиновое небо: полярное сияние спустилось на пару тысяч километров южнее обычного. Спутниковая навигация врала, а в США посреди сева остановились тракторы с GPS-автопилотом.

Всё это — одна магнитная буря, сильнейшая за двадцать лет: встряска магнитного поля Земли облаком солнечной плазмы.

Солнце непрерывно испускает поток заряженных частиц — обломков разобранных жаром атомов, летящих со скоростями в сотни километров в секунду. Этот поток называют солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет заряженные частицы, как зонт отклоняет дождь, и выкраивает вокруг планеты защищённую полость — магнитосферу. Её граница проходит там, где напор ветра уравновешивается упругостью поля: чем ближе к Земле, тем поле сильнее, и в какой-то точке эта «пружина» останавливает поток. В спокойный день граница стоит примерно в десяти земных радиусах с дневной стороны.

Пружина эта жёсткая, и жёсткая нелинейно. Подойдите к Земле вдвое ближе — поле усилится в восемь раз: оно растёт как куб приближения. А давление, которым поле отвечает на напор, растёт как квадрат самого поля: восемь в квадрате — шестьдесят четыре. Значит, вдавить границу вдвое ближе к Земле может только напор в 64 раза больше обычного. Поэтому даже сильнейшие бури магнитосферу сжимают, но не срывают: в мае 2024-го граница ныряла ниже орбит геостационарных спутников, до шести с половиной земных радиусов, — и на этом всё.

Иногда с внешнего слоя солнечной атмосферы — короны — срывается целое облако: миллиарды тонн плазмы, то есть газа, в котором электроны сорваны с атомов, — а вместе с ним и его собственное магнитное поле. Это корональный выброс массы. Время в пути — арифметика для пятого класса: при скорости 800 км/с облако проходит 150 миллионов километров за

$$\frac{150\,000\,000\ \text{км}}{800\ \text{км/с}}=187\,500\ \text{с}\approx 52\ \text{часа}$$

Главное происходит при встрече, и решает направление поля в облаке. Если оно смотрит туда же, куда земное, облако по большей части обтекает магнитосферу и уходит дальше. Если против — линии двух полей размыкаются и сшиваются заново (физики называют это пересоединением), в границе открывается дверь, и энергия ветра вливается внутрь. Она разгоняет частицы и зажигает в околоземном пространстве гигантские электрические токи: кольцо тока, опоясывающее планету на высоте нескольких её радиусов, и струи тока в верхней атмосфере над полюсами. А у всякого тока есть собственное магнитное поле. Эти новые поля накладываются на земное — и приборы по всей планете фиксируют отклонение. Это и есть буря.

Насколько она велика? Спокойное поле у экватора — около 30 000 нанотесла (тесла — единица магнитного поля, нанотесла — её миллиардная доля). Силу бури описывают просадкой этого уровня, индексом Dst: сильная буря — минус сотня, буря мая 2024-го — минус 412, рекордные события за полтора века — за минус пятьсот. Заметьте масштаб: даже сильнейшая буря сдвигает поле лишь на процент-полтора. Человек этого не чувствует вовсе — а вот техника, настроенная на стабильное поле и стабильную ионосферу, чувствует прекрасно.

Хвост той же цепочки виден глазами. Разогнанные частицы ссыпаются вдоль магнитных линий в верхнюю атмосферу, врезаются в молекулы воздуха и передают им энергию — а те сбрасывают её светом: кислород светится зелёным и красным, азот — синим и лиловым.

Обычно это свечение держится кольцом вокруг магнитных полюсов, где линии поля втыкаются в атмосферу. Но в сильную бурю кольцо разбухает — и сияние приходит в средние широты.

Проверьте сами. Прогнозы космической погоды публикуются открыто; ориентир — планетарный индекс Kp. При Kp от семи в ясную ночь посмотрите на север: камера телефона с выдержкой в несколько секунд увидит сияние раньше глаза — именно так сняты майские кадры 2024 года.

Тот же принцип. У встряски есть цена: разогретая верхняя атмосфера расширяется и сильнее тормозит спутники, а быстро меняющееся поле наводит токи в длинных проводниках — в бурю марта 1989 года это на девять часов оставило без электричества канадский Квебек. Магнитная буря — это погода в пространстве между нами и Солнцем; в спокойный день компас показывает на север просто потому, что наверху всё тихо.