Много повече хора по света от обикновено наскоро успяха да видят с просто око северното и южното сияние. Това необичайно събитие беше предизвикано от много силна слънчева буря, която повлия на движението на магнитното поле на Земята.
Слънцето достига максималната си активност в рамките на 11-годишен цикъл. Това означава, че можем да очакваме по-експлозивни изхвърляния на частици.
При подходящи обстоятелства те са тези, които в крайна сметка генерират красивите полярни сияния в небето, както и геомагнитните бури, които могат да повредят инфраструктурата, като например електрическите мрежи и орбиталните спътници.
И така, какво всъщност се случва, за да предизвика тези явления? Северното и южното сияние обикновено са ограничени до много високи и много ниски географски ширини. Високоенергийните частици от Слънцето се насочват към Земята, направлявани от слънчевото магнитно поле. Те се пренасят върху магнитното поле на Земята в процес, известен като повторно свързване.
След това тези бързи и горещи частици спринтират надолу по линиите на земното магнитно поле – посоката на силата на магнита – докато не се сблъскат с неутрална, студена атмосферна частица като кислород, водород или азот. В този момент част от енергията се губи и това нагрява местната среда.
Атмосферните частици обаче не обичат да бъдат енергийни, затова освобождават част от тази енергия във видимия светлинен диапазон. В зависимост от това, кой елемент е твърде горещ, ще видите различен набор от дължини на вълните – и следователно цветове – излъчени във видимата светлина на електромагнитния спектър.
Това е източникът на полярните сияния, които можем да наблюдаваме на високи географски ширини, а по време на силни слънчеви събития – и на по-ниски географски ширини.
Синьото и лилавото в полярното сияние идват от азота, а зеленото и червеното – от кислорода. Този специфичен процес се случва постоянно, но тъй като магнитното поле на Земята има форма, подобна на бар магнит, зоната, която се зарежда с енергия от постъпващите частици, е на много високи и ниски географски ширини (Арктическия кръг или Антарктида като цяло).
И така, какво се е случило, за да можем да наблюдаваме полярното сияние много по на юг в северното полукълбо?
Може би си спомняте, че в училище поръсвахме железни стърготини върху хартия върху магнит, за да видим как те се подреждат в една линия с магнитното поле. Можете да повторите експеримента многократно и всеки път да виждате една и съща форма.
Магнитното поле на Земята също е постоянно, но може да се компресира и освобождава в зависимост от това колко силно е Слънцето. Лесен начин да мислите за това е да си представите два наполовина надути балона, притиснати един към друг.
Ако надуете единия балон, като добавите повече газ към него, налягането ще се увеличи и ще избута по-малкия балон назад. Когато изпуснете този допълнителен газ, по-малкият балон се отпуска и се изтласква обратно.
За нас колкото по-силно е това налягане, толкова по-близо до екватора се изтласкват съответните линии на магнитното поле, което означава, че могат да се наблюдават полярни сияния.
Тук възникват и потенциалните проблеми: движещото се магнитно поле може да генерира ток във всичко, което провежда електричество.
В съвременната инфраструктура най-големите токове се генерират в електропроводите, железопътните линии и подземните тръбопроводи. Скоростта на това движение също е важна и се проследява, като се измерва доколко магнитното поле се отклонява от „нормалното“. Една такава мярка, използвана от изследователите, се нарича индекс на смутеното време на бурята.
По този показател геомагнитните бури на 10 и 11 май са били изключително силни. При такава силна буря съществува потенциална опасност от индуциране на електрически ток.
Електропроводите са изложени на най-голям риск, но са се възползвали от защитите, вградени в електроцентралите. На тях се обръща внимание след геомагнитната буря през 1989 г., която разтопи електротрансформатор в Квебек, Канада, причинявайки часове наред прекъсване на електрозахранването.
Още по-застрашени са металните тръбопроводи, които корозират, когато през тях преминава електрически ток. Това не е мигновен ефект, а се наблюдава бавно натрупване на ерозиращ материал. Това може да има много силен ефект върху инфраструктурата, но е много трудно да се открие.
Докато земните течения са проблем, в космоса те са още по-голямо предизвикателство. Сателитите имат ограничено количество заземяване и електрическият удар може да унищожи инструментите и комуникациите.
Когато сателитът загуби комуникация по този начин, той се нарича „зомби сателит“ и често се губи напълно – което води до много големи загуби на инвестиции.
Промените в магнитното поле на Земята също могат да повлияят на преминаващата през него светлина.
Ние не можем да видим тази промяна, но точността на системата за определяне на местоположението в стил GPS може да бъде силно засегната, тъй като отчитането на местоположението зависи от времето, което се изминава между вашето устройство и сателита. Увеличаването на електронната плътност (броят на частиците, които пречат на сигнала) води до огъване на вълната, което означава, че й е необходимо повече време, за да достигне до вашето устройство.
Същите промени могат да повлияят и на скоростта на честотната лента на сателитния интернет и на радиационните пояси на планетата. Те представляват торус от високоенергийни заредени частици, предимно електрони, на разстояние около 13 000 км от повърхността на планетата.
Геомагнитната буря може да изтласка тези частици в долните слоеве на атмосферата. Тук частиците могат да смущават високочестотното радио, използвано от самолетите, и да повлияят на концентрацията на озон.
Полярните сияния не се ограничават само до Земята – има ги на много планети и те могат да ни кажат много за магнитните полета, които съществуват на тези небесни обекти. Конкретен уред, използван за симулиране на полярни сияния, е „планетонела“, разработена за първи път в началото на 1900 г. от норвежкия учен Кристиан Биркеланд.
Магнитна сфера (представляваща Земята) се поставя във вакуумна камера и слънчевият вятър се симулира чрез изстрелване на електрони към сферата. В Обединеното кралство имаме два такива инструмента в университетите, а тук, в университета Нотингам Трент, наскоро помогнах на студент да построи бюджетна версия като магистърски проект.
Като променяте силата на магнитното поле и разстоянието между обектите, можете да наблюдавате как се променят полярните сияния. Излъчването е предимно лилаво, както може да се очаква в атмосфера със 72% азот.
Около върха, където полярното сияние би се наблюдавало на Земята, се появява силен пръстен на излъчване, който се движи нагоре-надолу по ширина в зависимост от силата на магнитното поле.
Като природно явление полярните сияния са чудо. Но още по-хубавото е, че при всяка силна геомагнитна буря ние правим подобрения, които помагат да се предпазим от потенциалните щети от бъдещи събития.
