Грозная стихия

Солнечные вспышки: малая вероятность, большой ущерб
10.07.2021
Виктор Санников

Доцент кафедры физики и астрономии Айовского университета Грегори Хоус изучает Солнце и его активность, которая может негативно повлиять на состояние энергетической инфраструктуры у нас на Земле.

«Если резко изменить магнитное поле у поверхности Земли, в электрических сетях возникнут наведённые напряжения, способные пожечь силовые трансформаторы размером с двухэтажный дом, - говорит Хоус. - Ремонт и замена трансформаторов в случае серьёзных повреждений растянутся на недели».

На всякий космический

Некоторые американские энергетические компании, например Alliant Energy, сознают опасность и организуют учения и тренинги оперативного персонала на случаи угрозы мощных солнечных вспышек и геомагнитных бурь. «Мы собираем сводки о текущей космической погоде и прогнозы на будущее, - рассказывает представитель Alliant Energy Морган Хок, - и передаём эту информацию на наши электростанции. Там оперативный персонал отслеживает все необычные явления: малопонятные изменения напряжений, величину реактивной мощности, аномальные температуры, шумы в силовых трансформаторах. Принимаем меры по недопущению аварий».

В принципе все объекты электрической сети снабжены системами релейной защиты и автоматики, которые должны уберечь её от воздействия солнечных вспышек. А имея надёжный прогноз о том, что приближается сильная геомагнитная буря, можно действовать на опережение, но никогда нельзя сказать заранее, в каком случае ущерб будет меньше. «Вся современная экономика завязана на электрическую сеть, - объясняет Хоус. - Остановка работы энергосети из соображений предосторожности чревата большими убытками. И прогнозы пока не настолько точны, чтобы им можно было безоговорочно доверять. Не хотелось бы часто объявлять ложную тревогу». Тем не менее геомагнитные бури с тяжёлыми последствиями для энергосистемы время от времени случаются.

Десятого марта 1989 года Солнце выбросило мощный плазменный поток (миллиарды тонн ионизированных газов) в сторону Земли. Двенадцатого марта поток достиг магнитосферы нашей планеты. Началась геомагнитная буря небывалой силы - полярное сияние было видно даже на Кубе. Нарушилась радиосвязь на коротких волнах. Из-за изменений магнитного поля возникли мощнейшие токи в земной коре, особенно в высоких широтах. Наиболее сильное воздействие испытала территория Канады. Ночью тринадцатого марта в провинции Квебек на гидроэлектростанции сгорел трансформатор, после чего вся региональная энергосистема оказалась обесточена на двенадцать часов. Миллионы потребителей остались без света. На территории США тоже были серьёзные проблемы: в сетях континентальных штатов за один день случилось около двух сотен инцидентов. В штате Нью-Йорк отключились генерирующие мощности на 150 МВт, в Новой Англии - на 1,4 ГВт.

Поскольку в те годы Северный магнитный полюс был смещен по направлению к Канаде, ущерб понесли густонаселённые районы этой страны и соседних американских штатов. В России удар стихии пришёлся на северные территории (Мурманск, Норильск и другие), инфраструктура которых с учётом суровых природных условий построена с хорошим запасом надёжности. Сегодня, однако, Северный магнитный полюс находится уже в арктическом секторе России и движется в сторону Таймыра, так что угроза по отношению к нашей стране нарастает.

Тем временем меры против стихии пока принимают за океаном. Чтобы предупредить серьёзные аварии, Центр по прогнозированию космической погоды в городе Боулдер (штат Колорадо) в 2015 году был соединён прямыми линиями связи с крупнейшими энергетическими компаниями Северной Америки. На местах размещаются координаторы по вопросам надёжности энергосетей. «Для соединения с координатором достаточно поднять трубку, - рассказывает сотрудник центра Билл Муртах. - Мы быстро обзвоним два десятка сотрудников, чтобы передать им информацию. Обязательно уточним, остались ли у них вопросы».

Наблюдения

На декабрь 2019 года пришёлся минимум очередного одиннадцатилетнего солнечного цикла. В 2025-м ожидается максимум, так что вероятность мощных коронарных выбросов сегодня повышается. Впрочем, даже в периоды слабой солнечной активности случаются отдельные мощные выбросы. Как их обнаружить?

Обычно взрывные явления на Солнце фиксируются с помощью коронографов, которые перекрывают солнечный шар непрозрачным диском, создавая искусственное затмение. Коронографы, находящиеся на Земле, не дают точных результатов из-за яркого свечения неба, поэтому их чаще устанавливают на космических аппаратах. Сегодня в космосе работают два коронографа - на борту спутников STEREO и SOHO в точках Лагранжа. Запуск новых подобных аппаратов ожидается только через несколько лет. У наблюдений с помощью коронографов есть и существенный недостаток: закрывая солнечный диск на несколько радиусов, невозможно разглядеть раннюю эволюцию выброса.

Ученые из Сколковского института науки и технологий совместно с коллегами из Грацского университета имени Карла и Франца (Австрия) и обсерватории Канцельхох разработали метод автоматического обнаружения следов выбросов - тёмных пятен (диммингов). Как выяснилось, димминги в ультрафиолетовой части спектра служат надёжными индикаторами для ранней диагностики выбросов энергии.

«Мы показали, что наблюдая димминги на Солнце, можно на ранних стадиях оценить массу и скорость коронального выброса, то есть ключевые параметры, позволяющие предсказать масштаб события и время его ожидаемых последствий на Земле, - отметила аспирант Космического центра Сколтеха Галина Чикунова. - Это имеет большое прикладное значение для разработки оперативных сервисов космической погоды, а также для будущих космических миссий в точку Лагранжа L5. Космические аппараты будут располагаться на орбите, всегда образуя одно и то же положение вместе с Землей. Это позволит детектировать следы корональных выбросов массы непосредственно на Солнце, а также прогнозировать параметры мощных выбросов, прежде чем они будут замечены с Земли».

Прогнозы

Астрофизики из Нагойского университета в 2020 году разработали первую базирующуюся на теоретических расчётах физическую модель, которая может точно предсказывать крупные солнечные вспышки.

Новый метод, названный «каппа-схемой» (К-схема), основан на теории двухдуговой магнитогидродинамической неустойчивости, вызванной магнитным пересоединением. Исследователи предположили, что пересоединение силовых линий магнитного поля может сформировать двойное дуговое (m-образное) магнитное поле, спровоцировав начало солнечной вспышки.

К-схема предполагает, что солнечные вспышки возникают, когда множество силовых линий магнитного поля сливается в одну большую петлю. Чтобы найти места на Солнце, где созданы условия для таких магнитных пересоединений и, следовательно, солнечных вспышек, используются спутниковые изображения.

Прогнозная модель была протестирована на информации примерно о двухстах регионах Солнца в период их активности. По каждому региону анализировались данные, полученные спутником NASA Solar Dynamics Observatory во время 24-часовых циклов солнечной активности за 2008-2019 годы.

Было продемонстрировано, что за некоторыми исключениями модель успешно предсказывает за двадцать часов самые крупные солнечные вспышки, а также точно показывает место, где они появятся. По этим данным несложно вычислить, полетит ли поток плазмы в сторону Земли.

Все предыдущие методы прогнозирования солнечных вспышек основывались на эмпирических допущениях, согласно которым наблюдения предыдущего дня экстраполировались на следующий день без учёта возможного изменения силы вспышки. Каппа-схема предсказывает аномальные выбросы, основываясь лишь на физических параметрах, независимо от предшествующей активности светила.

Исследователи отмечают, что их схема несовершенна и требует доработки, но уже сейчас она позволяет прогнозировать солнечные вспышки значительно надёжнее, чем все ранее созданные методы.

Тем временем специалисты NASA подсчитали, что вероятность мощнейшей геомагнитной бури в каждом десятилетии равна 12%.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы