Болният щит

Магнитното поле на Земята все още е достатъчно силно, за да ни предпази от несгодите на космическото време. Но колко дълго? Измервателните серии, записани в продължение на десетилетия работа, показват: Защитният щит непрекъснато губи здравина. За да разберат какво става, изследователите отиват в провинция Бранденбург.

Niemegk близо до Потсдам, през юли. Слънцето разпространява приятна топлина, нищо не подсказва, че води битка срещу земята високо над нас. Щурците цвърчат в поле извън малкия град в Бранденбург, изнасилването чака реколтата, сливите и бъзът узряват край пътя. Отдалеч се чува шумът на A9. В лека борова гора се срутва сграден комплекс, който много прилича на ваканционен курорт на ГДР. Всъщност тук се изследва жизненоважният защитен планетарен щит, който предпазва земята от космически несгоди: слънчеви бури и други обстрели от дълбок космос.

Учените измерват тук магнитното поле на Земята в продължение на 85 години, а обсерваторията на Адолф Шмид е първият адрес на Германия в тази дисциплина. Водещ изследователски център е може би по-зрелищен. По-високи технологии. Но тук измерванията се извършват в две незабележими дървени сгради.

Данните, които се предоставят от тези казарми, са още по-важни; едва ли има друга станция никъде по света, която да е толкова точно измерена. А резултатите от Niemegk и около 200 други обсерватории с магнитно поле по света потвърждават, че първата отбранителна линия на нашата планета губи мощност, около десет процента от началото на измерванията на магнитното поле преди около 170 години. Най-драматична е ситуацията в регион, който се простира от Южна Америка през Атлантическия океан до Южна Африка и чието научно наименование звучи почти като болест: южноатлантическата аномалия. Там земното магнитно поле е не само особено слабо, но и се разрушава по-бързо от средното за света. И засегнатата област расте.

Вероятно Земята тепърва започва да обръща напълно полярността, казва Моника Корте. Повече от десет години геофизикът управлява обсерваторията в Нимегк, която е част от Германския изследователски център за геонауки (GFZ) в Потсдам. Днес тя оглавява работната група на GFZ "Дългосрочни вариации на магнитното поле на Земята". Ученият обяснява, че магнитните полюси на земята сменят местата си средно на всеки 500 000 години. И последното обръщане на полярността беше преди около 780 000 години - така че щяхме да закъснеем.

Какво се случва с нашите полюси и космическия ни щит? За да разберат, учените от Германския изследователски център за геология в Потсдам отиват до провинция Бранденбург, където нищо не влияе на техните измервания. „За да получим безупречни данни, всички изкривяващи смущения трябва да бъдат изключени“, казва Корте. Берлин с електрическия S-Bahn е на 70 километра. Автомобилите могат да шият само на 100 метра от сградите. Двете измервателни сгради са изработени от дърво, всеки монтаж на вратата, всеки пирон трябва да бъде тестван за неговата магнитна безвредност преди строителството.

Двете специални сгради се наричат Variationshaus и Absoluthaus. Персоналът на обсерваторията отива само до вариационната къща, където измерванията се извършват непрекъснато при постоянна температура от 17,5 градуса, когато това е абсолютно необходимо. „Това е почти като проверката за сигурност на летището, където най-малките метални части задействат аларма. Ако влезете там с куп ключове или метална катарама на колана, веднага го виждаме при измерванията “, казва Корте. Дори телесната температура на нарушителя явно би фалшифицирала резултатите.

Във втората дървена хижа, Absoluthaus, магнитното поле се измерва само веднъж седмично. И до днес на ръка с теодолита, инструмент, който малко прилича на устройствата, които геодезистите използват по пътища и парцели. Освен че това устройство не стои на сгъваем статив, а на осмоъгълна, приблизително метър висока мраморна колона, която се опира на тежка фундаментна плоча.

Преди измерването Корте трябва да отвори прозорците, които гледат към град Нимегк. С малък, въртящ се телескоп, тя се прицелва в две отличителни и широко видими сгради, водната кула и кулата на неоготическата градска църква. Геоданните и за двете са известни на милиметър, точно като тези на теодолита. Ето как Korte определя къде е географският север. След това тя обръща сензора за магнитно поле, нещо като силно чувствителен компас, върху телескопа. Докато не е перпендикулярна на линиите на магнитното поле, които минават тук. От ъгъла между географския север и сензора той определя точната посока на магнитното поле в Niemegk.

Korte и нейните колеги сравняват тези данни с измервателните серии от Variationshaus, за да изчислят грешките. Измервателните уреди са добре защитени в вариационната къща, но температурните колебания или колебанията в нивото на подпочвените води могат лесно да фалшифицират резултатите.

В ерата на сателитите за наблюдение на земята това звучи много остаряло - но сателитите могат да измерват само малкия участък под тях. Само с данните от около 200 наземни измервателни станции по целия свят има точна картина на състоянието на земното магнитно поле, което ни предпазва от космическа бомбардировка.

Казано по-просто, работи по следния начин: Когато магнитното поле на земята е силно, то отклонява потока от частици, който непрекъснато се дърпа от слънцето и от дълбините на Вселената към земята. „Заредените частици летят успоредно на линиите на магнитното поле и са насочени около земята“, казва Корте. Полярните области са изключение - тук линиите на магнитното поле излизат почти вертикално от земята, а на другия магнитен полюс те водят обратно в земята. Тук частиците могат да проникнат в атмосферата по линиите на магнитното поле. Там те се срещат с кислород и азот и ги стимулират да светят като във флуоресцентна тръба: полярни сияния.

Но отново и отново слънцето хвърля значително повече заредени частици от нормалното в космоса при огромни изригвания. Ако такъв масивен фронт на частици удари земята, възниква геомагнитна буря: лошо космическо време. Тогава електроните от околоземното пространство се ускоряват значително и генерират силни електрически полета на земята.

Това може да бъде особено опасно за електрическите и комуникационните мрежи. През 1989 г. геомагнитна буря в канадската провинция Квебек парализира цялото захранване за девет часа. Различни сателити бяха извън контрол в продължение на няколко часа. Най-жестоката геомагнитна буря, която е известна, остана в историята като Carrington Event през 1859 година. Тогава щетите бяха ограничени, тъй като нямаше електрически мрежи, каквито ги познаваме днес. Телеграфната мрежа, гръбнакът на комуникацията, обаче беше силно ударена: мачтите искряха, станциите се запалваха, а служителите, работещи на устройствата, претърпяха токов удар. Застрахователната компания Münchener Rück изчислява икономическите щети от канадското затъмнение от 1989 г. на малко под 1 млрд. Евро. В нашия силно мрежов свят със своя пояс от комуникационни сателити геомагнитната буря от клас Carrington би струвала 2000 пъти повече. Поне едно проучване на НАСА от 2009 г. стига до този извод.

И повечето експерти са съгласни, че все по-често се сблъскваме с ефектите от космическото време. Единственото несъгласие е под каква форма: можем ли да очакваме катастрофи с мащабни прекъсвания на електрозахранването или ще остане със зрелищно северно сияние в региони, където никога не са били виждани досега?

За да отговорят на този въпрос, изследователи като Моника Корте искат да разберат по-добре как се променя магнитното поле на Земята и как се движат полюсите, тези шлюзове за заредени частици. Колко бързо се обръща земята? Последното по рода си събитие би могло да се случи само за 100 години, съобщиха италиански изследователи миналата година. „Обръщането на полярността обикновено отнема повече време“, казва Корте, „вероятно няколко хиляди години. И вероятно ще се получи по-сложна структура с няколко полета и няколко полюса. "

Това, което наистина ме очарова при геомагнетизма, е, че измерванията тук, на повърхността на земята, могат да се използват, за да се направят изводи за това какво се случва на 3000 километра под краката ни.

Едва ли някой геофизик иска да се ангажира. „За съжаление изобщо нямаме представа как работят обръщанията на полярността“, казва колегата на Корте Херман Люр. „Но ако разгледаме намаляването на магнитното поле в южната част на Атлантическия океан, това е ясен знак, че там вече се генерира противоположно поле.“ Люр рядко има точен поглед върху аномалията в южния Атлантик. Той оглавява германския офис за проекти за европейската сателитна мисия Swarm в GFZ. В проекта трите идентични спътника Алфа, Браво и Чарли измерват магнитното поле на Земята - и особено слабото място над Южния Атлантик - по-точно от всякога.

От ноември 2013 г. те обикалят земното кълбо около 15 пъти на ден, две на височина 462 километра, третата обикаля на 510 километра. В тази формация те могат за първи път да запишат триизмерно изображение на земното магнитно поле. Моника Корте и колегите й от GFZ се надяват, че триото ще придобие огромно количество знания. Първите резултати от рояка, публикувани в средата на 2014 г., потвърждават, че магнитното поле на Земята губи мощност като цяло. Данните обаче показват също, че магнитното поле може, в допълнение към региони като Южноатлантическата аномалия, които губят значително сила, дори да придобие сила на местно ниво - важна информация, ако искаме да прогнозираме по-точно къде ще се почувства космическото време.

Отслабващата южноатлантическа аномалия например дава на бразилците по-малко точен GPS сигнал. Бомбардировката с частици зарежда йоносферата по-електрически, което нарушава сигналите от GPS сателитите. За астронавтите на международната космическа станция ISS аномалията в Южния Атлантик означава огромно допълнително облъчване. В космоса те получават доза от 650 микрозиверта на ден, 100 пъти повече от количеството на земната повърхност. От тях 200 микросиверта се дължат на южноатлантическата аномалия, през която прелитат шест пъти на ден. Полетите на дълги разстояния, които преминават през региона, също са изложени на по-високи нива на радиация.

За да бъде в безопасност, Monham има специален комуникационен модул, изключен на един от спътниците Metop, когато настъпи аномалията - той има два на борда, а аномалията вече е отнесла един. Други са още по-строги: космическият телескоп Хъбъл например се самоизключва в зони с повишено излъчване.

Силата, с която потокът от частици удря земята е показана от графични изпълнения на измервания върху земното магнитно поле. Всъщност тя трябва да изглежда като тази на пръчковиден магнит: В единия край магнитният северен полюс, полевите линии изплуват, описват широка крива и водят обратно в магнита от другия край, южния полюс. По принцип е така: Докато полевите линии на полюсите влизат и излизат почти вертикално и по този начин не предлагат почти никаква защита, на екватора те стигат далеч в космоса и отклоняват непрекъснатия огън. Но от страната, обърната към слънцето, магнитното поле е силно компресирано, докато от нощната страна се простира далеч в космоса като опашката на комета.

Картината, която учените имат за произхода на това завихрящо се поле, е много по-малко ясна. Ако попитате Моника Корте за тези въпроси, иначе доста резервираната жена ще изпадне във възторг. „Това, което наистина ме очарова при геомагнетизма, е, че измерванията тук, на повърхността на земята, позволяват да се правят изводи за това какво се случва на 3000 километра под краката ни“, казва тя. „Нямате пряк достъп до това. Можем да изпращаме ракети в космоса и да летим към Луната. Но наистина можем да погледнем в земята, да я пробием само за няколко километра. Не се стига много далеч. ”Рекордът, поставен от екип от геолози през 1989 г. на руския полуостров Кола, е добри дванадесет километра.

95 процента от земното магнитно поле, според общопризнатото състояние на изследванията, се създава от геодинамо, тъй като се нарича взаимодействието на металите в земното ядро: Вътрешното ядро, което е около 5000 градуса по Целзий, загрява течния метал във външното ядро и го оставя да се издигне. С увеличаване на разстоянието той се охлажда и потъва отново. Тъй като електропроводимият материал се движи с метала, токовете протичат - и те генерират магнитно поле.

Останалите пет процента от магнитното поле на Земята идват от намагнитени скали, от движенията на проводима солена вода в океаните и от магнитни полета в горните слоеве на атмосферата, създадени от слънчевия вятър.

Основното поле, генерирано от геодинамото, се променя много бавно. Поради това големите и бързи колебания в интензивността и посоката на магнитното поле показват повишена слънчева активност. Така наречените Хелоуин слънчеви бури от октомври 2003 г. също се усетиха в Niemegk. Силните колебания на измервателните уреди започнаха на 29 октомври в ранните сутрешни часове и продължиха до следобеда на 31 октомври. Магнитометрите полудяваха в обсерватории по целия свят.

Моника Корте поглежда надолу, за да разбере магнитното поле. Ботмър гледа в космоса, за да разбере опасностите, от които ни защитава. Космическото време обикновено е неудобно, но не твърде заплашително: В допълнение към видимата светлина, слънцето излъчва комбинация от UV и рентгенови лъчи, протони и електрони, както и атоми на хелий - слънчевия вятър. Заедно с космическите лъчи, високоенергийни частици от дълбините на космоса, той прониква в космоса близо до земята. Слънчевата буря е съвсем друг въпрос. Възниква поради сложни магнитни процеси на повърхността на слънцето, по време на които централната ни звезда изведнъж изкашля огромни количества материя. „Такова изхвърляне на коронална маса съответства на няколко милиарда тона материя или, с други думи, на цяла хималайска планина“, казва Фолкер Ботмер.

Този силно ускорен облак от материя обаче става актуален за нас само ако лети точно в посоката на Земята. За щастие не е толкова лесно да се удари от слънцето: От негова гледна точка нашата планета ни се вижда точно колкото пинхед на десет метра. Единственият проблем е: слънцето има неограничен брой опити да ни удари.

Не става въпрос дали точно кога точно такава супер буря ще ни удари отново.

За експертите по космическо време едно е сигурно: събитието „Карингтън“, най-тежките обстрели от този вид, познати ни, няма да остане изолиран инцидент. „Въпросът не е дали точно кога ще ни връхлети такава супер буря“, казва Ботмър. Към днешна дата единствената услуга за прогнози, която отговаря на името си, се предлага от Центъра за прогнозиране на космическото време при северноамериканската метеорологична организация NOAA. За сателитни оператори като Eumetsat обаче дори това не е наистина полезно. Надеждни предупреждения често идват само когато полетните екипи в сателитните контролни центрове вече не са в състояние да се намесят, казва ръководителят на полета на Metop Андрю Монхам. И сателит не може да бъде изключен само по подозрение. Независимо от това, данните са полезни: в ретроспекция, за изясняване на необичайни инциденти на борда на спътниците.

Ботмер е запознат с този проблем: „Данните за прогнозата досега идват от научни спътници, които не са предназначени за непрекъснато наблюдение на космическото време.“ В изследователския проект на ЕС „Ефекти“ (Разширена прогноза за осигуряване на комуникации чрез космоса), Боммер проектира заедно с други европейски партньори Прототип на система за ранно предупреждение за космическо време. Освен всичко друго, тя трябва да предоставя информация за нови слънчеви дейности в рамките на минути чрез приложение за смартфон.

Необходими са много повече за операционна система, която работи надеждно денонощно, казва Ботмър. Не само сателити, които трябва да бъдат изградени специално за тази предупредителна система, но и нови методи за анализ и изчисления на модели. Глобално валидни стандарти, съгласно които се издават предупреждения. И вземащите решения, които реагират на подобни предупреждения с ясно определени мерки.

Това е много, като се има предвид, че слънчевата буря силата на събитието Карингтън е много рядка. И все пак е важно да бъдете подготвени, казва Ботмър. „Продължителното прекъсване на електрозахранването в определени области, разбира се, ще има драматични последици, в зависимост от технологията на мрежовата система. Видяхте във Фукушима, че понякога не можете да предвидите всички рискове, които могат да възникнат. "

Може би в такъв случай дървена колиба в средата на нищото в Бранденбург би била едно от най-безопасните места. •