Как часто бывают вспышки на солнце: на Земле уже появились проблемы, но будут еще (видео) |

Содержание

на Земле уже появились проблемы, но будут еще (видео)

Ученые считают, что это только начало и дальше стоит ожидать еще серию выбросов мощного излучения.

Опасность сбоев от отдельных ядерных частиц — миф или реальность? / Хабр

С 6 сентября 2017 года произошло 4 мощных вспышки на Солнце, одной из них был присвоен балл X9.3, что делает ее самой мощной за последние 12 лет. Ведущий научный сотрудник Пулковской обсерватории Георгий Гончаров посоветовал: «Если у вас есть возможность сегодня, завтра, послезавтра не летать на самолете, не плавать на подводной лодке, не садиться за руль — надо этим воспользоваться». Ему возразил главный научный сотрудник лаборатории «Рентгеновская астрономия Солнца» ФИАН Сергей Богачев: «… Это глупости. Дело в том, что жесткое излучение от вспышек полностью тормозится в атмосфере Земли. Воздух практически не пропускает рентгеновское излучение, и высота, до которой доходит излучение, вызванное вспышками на Солнце, — примерно 30 километров… На самолетах летать не опасно, а плавать на подводных лодках и подавно… Есть некоторые сообщения в истории, о правдивости которых не могу судить, о случаях выхода электросетей из строя. Безусловно, все это влияет и на беспроводную связь, на спутниковую связь и на связь, которая использует отражение ионосферы Земли, поскольку свойства ионосферы меняются при солнечных вспышках».

Может, и нет никакой опасности или, по крайней мере, эта опасность сильно преувеличена? Давайте разберёмся с тем, что касается отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) — нейтронов и имеющих электрический заряд протонов и ядер атомов химических элементов. Надеюсь, что моя статья развеет как сомнения одних, так и паранойю других.

Рассмотрим 2 похожих случая, связанных как раз с авиаперелётами:

1) Boeing 777 компании «Аэрофлот», выполнявший рейс из Москвы в Бангкок 1 мая 2017 года, при подлёте к аэропорту «Суваннапум» попал в область сильной турбулентности. В результате пострадали 27 пассажиров, в том числе дети [1].

2) В 2008 году пассажирский самолёт компании «Qantas», осуществлявший перелёт из Сингапура в Перт (Австралия), внезапно начал резкое снижение и за 23 секунды «нырнул» вниз на 210 метров. Примерно треть пассажиров получила настолько серьёзные травмы, что командир воздушного судна принял решение отклониться от курса и сесть в ближайшем аэропорту.[2]

Рис.1 Кратчайшие пути из Москвы в Бангкок и из Сингапура в Перт

У этих случаев много общего:

— пострадали пассажиры самолётов, которые начало трясти или произошло резкое снижение;

— оба случая произошли вблизи экватора.

А вот объяснения этих инцидентов принципиально разные. В первом случае причиной назвали так называемую «турбулентность ясного неба» (ТЯН), во втором — воздействие одиночной частицы (вероятно, нейтрона) на бортовой компьютер, повлиявшее на работу автопилота. Обоими явлениями занимаются уже много лет, причём электронная компонентная база бортовой электроники проходит дорогостоящие испытания.

«Если нечто выглядит как утка, плавает как утка и крякает как утка, то это, вероятно, утка и есть». Если эффекты проявляются одинаково, а вероятность попадания отдельной ядерной частицы в чувствительную область микро- (или нано-)электронного прибора размером всего каких-нибудь 10 мм Х 10 мм «крайне мала», то, может, применить бритву Оккама и объяснить происходящее более «земными» причинами?

История вопроса

Даже среди опытных разработчиков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) для космоса можно услышать: «Наши аппараты с 1960-х годов лётали — и никаких ваших „ТЗЧ“ (тяжёлых заряженных частиц) мы не знали, и всё было нормально. А теперь — ишь! — придумали».

То, что космос и, в частности, солнечная активность, влияют на электронные приборы, люди узнали сравнительно давно. Ещё в сентябре 1859 года произошло событие, в литературе называемое солнечным суперштормом или «событием Кэррингтона» (Carrington Event) в честь британского астронома, наблюдавшего корональный выброс массы (Coronal Mass Ejection, CME). Рассказывают, что северные сияния наблюдались по всему миру, не только на Севере, но и на широтах, соответствующих Карибам. Над Скалистыми горами яркое северное сияние разбудило золотоискателей, которые стали готовить завтрак, думая, что наступило утро. Было так светло, что ночью можно было читать газету [3]. Дать точные численные характеристики этому событию сейчас сложно, тем не менее, оценки есть в литературе, и они показывают, что следующее крупное событие (солнечный супершторм) 1989 года, крупнейшее с начала Космической эры, было до 3-х раз слабее по Dst-индексу, однако этого хватило, чтобы, к примеру, один трансформатор в городе Салем¹, штат Массачусетс, США, превратился вот в такое:

Рис.2 Трансформатор после солнечного шторма 1989 года

Как и в позапрошлом веке, в 1989 были масштабные сбои в энергосети Северной Америки и полярные сияния до широты Мексики и острова Большой Кайман. Добавились сбои высокочастотной радиосвязи во всем мире и, конечно, нарушения в работе космических аппаратов [4].

К естественным причинам, приводящим к аномалиям космической погоды, человечество прибавило искусственные: с 1958 года Соединёнными Штатами проведено 3 высотных ядерных взрыва на высотах 200-500 км (мощность — 1 килотонна). 9 июля 1962 года американцы в рамках проекта Starfish Prime взорвали 1,45-мегатонную атомную бомбу на высоте 400 км над атоллом Джонстон в Тихом океане. На Гавайях (в 1500 км от взрыва) вышли из строя около 300 уличных фонарей, телевизоры, радиоприемники и другая электроника. Зарево в небе можно было наблюдать более 7 минут. А в октябре 1962 г. в районе Новой Земли взорвали 2 высотных ядерных устройства уже советские [5]. В результате вышли из строя треть имевшихся на низких орбитах спутников, в том числе 24 ноября 1962 г.² — первый коммерческий телекоммуникационный спутник «Телстар 1» (Telstar 1), выведенный на орбиту через день после американского высотного ядерного взрыва.

Рис.3 78-летняя акционер компании AT&T миссис Луиза Бакер (Louise Bucker) рассматривает полномасштабную модель коммуникационного спутника Telstar в помещении AT&T’s Bell Laboratories в сентябре 1961 г. Telstar 1 выйдет из строя из-за высотных ядерных взрывов через год и 2 месяца (Источник фото).

Обратите внимание, что поражающими факторами в этих событиях были не отдельные ядерные частицы (ОЯЧ), а электромагнитный импульс и накопленная доза ионизирующего излучения. Где же пресловутые ОЯЧ?

ОЯЧ (нейтроны и заряженные частицы: протоны и ядра) приходят из космоса или образуются в атмосфере в результате ядерных реакций по двум основным направлениям — от Солнца (СКЛ, солнечные космические лучи) и из-за пределов Солнечной системы (ГКЛ, галактические космические лучи). Лёгких элементов (протонов, альфа-частиц) очень много, тяжёлых частиц — очень мало (см. далее раздел о вероятности возникновения сбоя).

Описание взаимодействия солнечного ветра с радиационными поясами Земли и ОЯЧ — с чувствительной областью полупроводника заняло бы слишком много места (желающих узнать больше посылаю сразу в раздел «Что почитать?»), поэтому ограничусь здесь общими соображениями. Заряженная частица с энергией E, попадая в область полупроводника, отдаёт свою энергию на ионизацию, т. е. образование электронно-дырочных пар, которые, при наличии электрического поля, не «схлопываются» (не рекомбинируют), а пространственно разделяются. Электроны и дырки имеют разную подвижность [6], так что в активной области полупроводника образуется избыточный заряд. Возникающий импульс тока может изменить состояние запоминающего элемента — в этом случае говоря о сбое типа SEU (Single Event Upset). Характеристика эффективности ионизации — линейная передача энергии, ЛПЭ (Linear Energy Transfer, LET), выражаемая в МэВ*см2/мг: LET=, где ro — плотность кремния.

ОЯЧ выходят на сцену в 1975 году, когда публикуется статья Биндера (Binder) с соавторами из Hughes Aircraft Company³ [7]. В работе проведён анализ экспериментальных результатов и обосновывается влияние одиночных частиц на запоминающие элементы.

В 1979 году обнаружили совершенно неожиданную вещь не в космосе, а на Земле: в памяти Intel 2107 16-kb DRAM происходили непонятные сбои от альфа-частиц. Откуда этим частицам было взяться внутри корпуса? Оказалось, что источником альфа-частиц являлись примеси (порядка нескольких ppm) урана и тория в материалах корпусов, которые производили на построенной в 1970-х на Green River в Колорадо новой фабрике: недалеко от русла реки была старая урановая шахта [8]! Статью T. C. May and M. H. Woods из Intel с описанием этого эффекта [9] цитировали более 430 раз⁴.

Конечно же, хотелось посмотреть, сбивается ли от ОЯЧ электроника космических аппаратов, и проверить это можно было там, где частиц достаточно много, например, в районе так называемой Южно-Атлантической (Бразильской) магнитной аномалии (South Atlantic magnetic Anomaly, SAA)⁵. И такие исследования провели с помощью британских спутников UoSAT-1, -2 [11] и -3 [12], запущенных соответственно в 1981, 1984 и 1990 годах. На аппаратах установили, в частности, микросхемы памяти от Harris и Hitachi: HM-6564, HM-6564, 6264-LP, 6116-L. Вся критическая информация защищалась по Хэммингу (12, 8) [11]. На рис. 4 показаны результаты анализа сбоев в электронных компонентах, установленных на UoSAT-2. Парочка сбоев над СССР, остальное — над Бразилией.

Рис.4 Результаты анализа сбоев в электронике, установленной на UoSAT-2, по состоянию на 1988 год [11]

А вот результаты того же UoSAT-2, представленные двумя годами позже:

Рис. 5 Результаты анализа сбоев в электронике UoSAT-2 по состоянию на 1990 год [12]

Хорошо видно, что с 1988 по 1990 год что-то случилось — что-то, из-за чего количество сбоев резко возросло (в том числе в районе ЮАА). И это что-то, как нетрудно догадаться, — супершторм 1989 года.

Оценка вероятности

Конечно, сбои на спутниках фиксируются постоянно, причём особенно часто — во время солнечных вспышек. Супершторм — явление очень неприятное, но редкое. В районе ЮАА можно постараться не летать или летать редко. Давайте оценим вероятность наступления «события», т.е. мягкого (восстановимого) сбоя или отказа, от ОЯЧ в микросхеме, стоящей на борту космического аппарата, летающего или под радиационными поясами, или над ними.

Как упоминалось выше, протоны, альфа-частицы и тяжёлые ядера приходят от Солнца (СКЛ) и из-за пределов Солнечной системы (ГКЛ). Активность нашей звезды циклична: в солнечном максимуме к нам прилетает наибольшее количество частиц, в минимуме — наименьшее. При этом максимум солнечной активности снижает потоки извне (приходящие в виде ГКЛ). Рис. 6 иллюстрирует циклы активности Солнца:

Рис.6 Цикличность активности Солнца[12]

Флюенс (интегральный поток протонов на см²) протонов растёт в солнечном максимуме и падает в солнечном минимуме.

Каких частиц прилетает больше — лёгких или тяжёлых? Высоко- или низкоэнергетичных? Вспомним определение линейной передачи энергии (ЛПЭ, см. выше). Оказывается, эта величина не постоянна для данного иона, а является нелинейной функцией его энергии: существует максимум зависимости («пик Брэгга»), и чем тяжелее ион, тем больше у него максимальное значение ЛПЭ. При этом, чем ион быстрее (чем больше его энергия), тем меньше ЛПЭ, а значит — меньше выделенный заряд в чувствительной области прибора, меньше вероятность сбоя или отказа. Получается, что наиболее опасно для прибора не увеличение энергии иона, а наоборот, меньшая энергия, соответствующая максимальному значению ЛПЭ. Попадая в интегральную схему, допустим, со стороны слоёв металлизации, ион теряет энергию, при этом растёт его ЛПЭ, а значит энергию он теряет ещё быстрее — получается своеобразный механизм положительной обратной связи.

Если энергия, с которой ион «влетает» в интегральную схему, будет слишком маленькой, ион просто не долетит до активной области (до транзисторов), а застрянет в металлизации. Если энергия «влёта» будет достаточно большой, ион «прошьёт» интегральную схему насквозь, практически не выделив в ней заряда. Но при достаточно большой энергии есть вероятность того, что ион выбьет атом кремния или чего-нибудь потяжелее (например, вольфрам), и полученное ядро отдачи как раз сможет долететь до активной области и привести к сбою или отказу. Этот механизм особенно важен с точки зрения устойчивости к воздействию протонов, которых много, причём часто встречаются высокоэнергетичные: собственная максимальная ЛПЭ протона меньше 1 МэВ*см²/мг и такие частицы опасны только для очень мелких проектных норм (менее 65 нм), зато за счёт большой энергии влетающего протона на пути его следования может образоваться целый каскад вторичных частиц, многие из которых будут иметь достаточно большие значения ЛПЭ⁶.

Что-то подобное часто происходит в атмосфере в виде ШАЛ — широких атмосферных ливней, накрывающих несколько км² поверхности Земли. На рис.7 схематично показано развитие этого процесса. До поверхности Земли долетают «всего лишь» нейтроны, электроны, позитроны и мезоны, которые не причиняли вреда «старым» микросхемам (с большими проектными нормами), но теперь вполне могут привести к сбою в современной памяти или микропроцессоре, которые стоят в вашем смартфоне (если энергии хватит, чтобы пролететь через корпус) [13].

Рис.7 Образование ливня от первичной космической частицы

Зависимости ЛПЭ от энергии иллюстрирует рис. 8.

Рис.8 Зависимость ЛПЭ от энергии (по данным [14])

Что же касается состава космических лучей, то преобладают частицы с низким значением ЛПЭ, причём в районе ЛПЭ, соответствующей железу (около 30 МэВ*см²/мг), поток резко спадает (рис. 9 и 10).

Рис.9 Зависимость интегрального потока частиц от ЛПЭ(по данным [15])

Рис. 10 Распространённость ядер тяжёлых элементов в космических лучах (по данным [16])

Довольно сложно понять из приведённых выше рисунков, много это или мало. Робер Экоффе (Robert Ecoffet) из CNES приводит следующие оценки. Для того, чтобы через 1 см² пролетела частица с ЛПЭ 30 МэВ*см²/мг, нужно около 30 лет, 60 МэВ*см²/мг — около 300 лет, 100 МэВ*см²/мг — около 3 миллионов лет [17]).

Означает ли это избыточность и «параноидальность» требований, задаваемых в технических заданиях на разработку современной электронной компонентной базы⁷?

Миф или не миф?

Нет, не означает. И вот, почему:

1) Приводимые Экоффе времена касаются детектирования частицы. Таких «детекторов» в космосе — довольно много: это все интегральные схемы, установленные в бортовую аппаратуру (попробуйте просуммировать их площади).

2) Как отмечалось выше, сбой может произойти не только от первичной, но и от вторичной частицы, ЛПЭ которой будет достаточно как для сбоя, так и для отказа.

А то, что в космосе найдётся частица с достаточной энергией — сомневаться не приходится. Так 15 октября 1991 года на испытательном полигоне Дагвэй в штате Юта с помощью детектора космических лучей «Глаз мухи» (Fly’s Eye Cosmic Ray Detector) обнаружили частицу ультравысокой энергии — 3х10⁸ ТэВ⁸. Эту частицу окрестили «Oh-My-God particle» (частицей «О боже мой!»), и с тех пор зарегистрировали не менее 15-ти подобных событий.

Сказанное подтверждают постоянно наблюдаемые сбои в космических аппаратах, о чём можно узнать, например, на этом сайте.

Что же до поверхности Земли, то и здесь в естественном радиационном фоне хватает частиц, которые могли бы привести к сбою (пусть и не к отказу): современные СБИС используют встроенное помехоустойчивое кодирование для внутренних памятей не только для исправления ошибок, возникающих по технологическим причинам, но и для парирования сбоев, вызванных ОЯЧ, неважно откуда они возьмутся (из окружающего фона, из корпуса или из других источников). Это реальная проблема для суперкомпьютеров [18]. Кроме того, ряд авторов рассматривает ОЯЧ (главным образом, альфа-частицы) как источники катастроф беспилотных автомобилей, не могущих из-за сбоя правильно распознать дорожный знак или пешехода [19].

Остались, наверное, только два вопроса:

1) Как отличить сбой от ОЯЧ от сбоя, вызванного иной причиной?

2) Как будут обстоять дела со сбоями от ОЯЧ при дальнейшем развитии микро- и наноэлектроники: будет лучше или хуже?

Универсального ответа на первый вопрос не существует: анализ причин сбоя обычно включает рассмотрение таких обстоятельств, как наличие или отсутствие солнечной вспышки, источника альфа-частиц в корпусе, радиационная обстановка на орбите, устойчивость к электростатическому разряду и т.п. Вердикт «сбой от ОЯЧ» выносится примерно в 30%-45% случаев [20].

Ответ на второй вопрос следующий. С одной стороны, уменьшение проектных норм приводит к росту числа множественных сбоев, т.е. со сбоями становится всё хуже. С другой — накоплен значительный опыт борьбы со сбоями как на уровне аппаратуры, так и на уровне микросхемы, так что разработчики готовы к такому ухудшению.

Выводы

Как это часто бывает, правы оба эксперта, слова которых приведены в начале статьи: кажущиеся противоречия связаны с тем, что обсуждаются разные аспекты, связанные с солнечными вспышками. Действительно, рентгеновское излучение из космоса до поверхности Земли не доходит. Но ОЯЧ, порождённые космическими частицами, во-первых, представляют реальную угрозу для летательных аппаратов, во-вторых, могут порождать ШАЛ, доходящие до поверхности Земли в виде нейтронов, электронов и мезонов, способных вызывать сбои в современных СБИС. Кроме того, сильные солнечные вспышки типа события Кэррингтона могут вывести из строя даже энергосети. Намного более слабые события приводят к заметным эффектам, причём это не давние события, ставшие легендарными: 29-30.10.2003 — блэк-аут в Мальмё (Швеция) из-за перегрева трансформатора, аварийные события в США и Южной Африке; сентябрь 2005 — отключение связи во многих районах Северной Америки и резкое снижение точности спутниковой навигации GPS…

Кроме того, Природа постоянно преподносит сюрпризы, и пример с «oh-my-God» частицей заствляет нас вслед за шекспировским Гамлетом воскликнуть: «Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам!»

Благодарности

Автор благодарит Г. А. Протопопова — начальника сектора филиала ОАО «ОРКК» — «НИИ КП» за помощь с материалами.

Что почитать?

1) Advanced Forecast For Ensuring Communications Through Space — сайт программы Европейского Союза о космической погоде и её исследовании.

2) Физика радиационных эффектов, влияющих на электронику в космосе by amartology

3) Микроэлектроника для космоса и военных by BarsMonster

4) К. Таперо, В. Улимов, А. Членов. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения.

Примечания

¹Там, где была знаменитая охота на ведьм.
²Некоторую функциональность Telstar 1 поначалу удалось восстановить, но 21 февраля 1963 года спутник был потерян окончательно.
³Помните фильм «Авиатор» о Говарде Хьюзе режиссёра Мартина Скорсезе c Леонардо ДиКаприо в главной роли?
⁴По данным Web of Science.
⁵Роль ЮАА как основного источника ионизирующего излучения на низких неполярных орбитах была подтверждена сравнением потоков протонов, измеренных в течение космической миссии Mercury-Atlas 7 (аппарат запущен 24 марта 1962 года), с данными миссии Mercury-Atlas 8 (аппарат запущен 3 октября 1962 года, за 2 недели до начала Карибского кризиса) [10].
⁶Около 15 МэВ*см²/мг в максимуме имеют Si и Al, поэтому для кремниевых интегральных микросхем добиться отсутствия сбоев для всех ионов с ЛПЭ менее 15 МэВ*см²/мг — большой успех, означающий, что от протонов вероятность сбоя или отказа пренебрежимо мала (опять же, если мы не имеем дела со слишком мелкими проектными нормами, о чём будет сказано далее).
⁷Например, отсутствие катастрофического отказа по тиристорному эффекту при воздействии частиц с ЛПЭ не менее 60 МэВ*см²/мг.
⁸Это как если бы детектор зарегистрировал 142-граммовый бейсбольный мяч, летящий со скоростью 93,6 км/ч.

Литература

[1] РИА «Новости»
[2] «Alien particles from outer space are wreaking low-grade havoc on personal electronic devices» by David Salisbury
[3] You Should Have Heard About the Carrington Event
[4] Superactive Region AR:5395 of SOLAR-CYCLE-22
[5] В.С. Першенков. История сотрудничества США-Россия в области радиационной стойкости электронных систем. Труды НИИСИ РАН. Том 7, № 2, стр. 114-117. 2017 г. (в печати)
[6]Messenger, G. C.; «Collection of Charge on Junction Nodes from Ion Tracks,» IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume: 29, Issue: 6, Publication Year: 1982, Page(s): 2024 – 2031.
[7] D. Binder, et al., «Satellite Anomalies from Galactic Cosmic Rays,» IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 22, no. 6, pp. 2675-2680, Dec. 1975.
[8] J. F. Ziegler, H. W. Curtis, H. P. Muhlfeld, C. J. Montrose, et al., IBM experiments in soft fails in computer electronics (1978-1994). IBM 1. RES. DEVELOP. VOL. 40 NO. 1 JANUARY 1996.
[9] T. C. May and M. H. Woods, «Alpha-Particle-Induced Soft Errors in Dynamic

Memories,» IEEE Trans. Electron Dev., vol. 26, no. 1, pp. 2-9, 1979
[10] Robert G. Richmond. RADIATION DOSIMETRY FOR THE GEMINI PROGRAM. NASA technical note, 1972.
[11] Jeff W Ward. OBSERVATIONS OF SINGLE-EVENT MEMORY UPSETS ON THE UOSAT-2 SATELLITE. Proceedings 2nd Utah Stale University A.I.A.A. Conference on Small Satellites, Logan, Utah. 8 – 21, 1988.
[12] C Underwood, E Daly, R Harboe-Sorensen,” Observation and analysis of single-event upset phenomena on-board the UOSAT-2 Satellite”, Proceedings of the ESA Space Environment Workshop, ESTEC, Ott 1990.
[13] A. Akkerman, J. Barak, and Nir M. Yitzhak, «Role of Elastic Scattering of Protons, Muons, and Electrons in Inducing Single Event Upsets ,» IEEE Trans. on Nucl. Sci., 2017.
[14] J. Barth, «Modeling space radiation environments,» Notes from 1997 IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference Short Course.
[15] Henry B. Garrett. Spacecraft Environment Interactions. 2011 IEEE NSREC Short Course.
[16] P. R. Meyer, R. Ramaty, and R. Webber, «Cosmic Rays — Astronomy with Energetic Particles,» in Physics Today. vol. Oct., 1974.
[17] Robert Ecoffet, 2nd RADECS «LET workshop», UCL, B, 25-01-07.
[18] Marc Snir, et al., «Addressing Failures in Exascale Computing,» Report on a Workshop organized by the Institute for Computing Sciences on Aug 4-11 2012 at Park City, Utah.
[19] Paolo Rech. How to Deal with Radiation: Evaluation and Mitigation

of GPUs Soft-Errors. GPU Technology Conference. April 6th 2015 – San José, CA.
[20] 2015 Short Course NSREC, Section IV

разрушительных солнечных бурь обычно обрушиваются на Землю каждые 25 лет или около того, говорят ученые : ScienceAlert

Солнечные бури, достаточно мощные, чтобы нанести ущерб электронному оборудованию, обрушиваются на Землю каждые 25 лет, согласно новому исследованию. Менее сильные, но все же опасные штормы случаются каждые три года или около того.

К такому выводу пришла группа ученых из Уорикского университета и Британской антарктической службы.

Эти мощные бури могут вывести из строя электронное оборудование, в том числе оборудование связи, авиационное оборудование, электрические сети и спутники.

Команда выделяет два типа мощных магнитных бурь: «великие супербури» являются самыми мощными и происходят в среднем каждые 25 лет. Более слабые, но все же опасные «сильные супербури» случаются в среднем каждые три года.

Новая статья, в которой представлены эти результаты, называется «Использование индекса аа за последние 14 солнечных циклов для характеристики экстремальной геомагнитной активности». Он опубликован в журнале Geophysical Research Letters . Ведущий автор — доктор С. С. Чепмен из Уорикского университета.

Солнечные бури также называют геомагнитными бурями. Они вызваны возмущениями на Солнце, которые посылают заряженные частицы в космос. Когда эти частицы ударяются о магнитосферу Земли, они вызывают бурю.

Частицы могут исходить от выбросов корональной массы (CME), областей взаимодействия с одновременным вращением (CIR) и корональных дыр, испускающих высокоскоростной поток солнечного ветра, который может двигаться в два раза быстрее, чем обычный солнечный ветер.

Самая известная геомагнитная буря — Кэррингтонское событие 1859 года.. Событие Кэррингтона также является самой мощной геомагнитной бурей из когда-либо зарегистрированных. Эта буря вывела из строя несколько телеграфных систем в разных частях мира, вызвала несколько пожаров и даже потрясла некоторых телеграфистов.

Совсем недавно ураган 1989 года в Квебеке нарушил работу системы распределения электроэнергии и создал мощные полярные сияния, которые можно было увидеть даже на юге штата Техас.

Солнечные бури представляют все большую опасность, так как наш мир становится все более электронным. Не только наши системы распределения электроэнергии, но и наши глобальные системы связи.

Возможно, наши спутники наиболее уязвимы, и современное общество полагается на них больше, чем многие думают. Было подсчитано, что такой сильный шторм, как Кэррингтонское событие, если бы он случился сегодня, причинил бы ущерб на миллиарды, а возможно, даже триллионы долларов.

Ученые интересуются этими штормами из-за необходимости их предсказывать. Эта новая статья основана на данных о магнитном поле за 150 лет. Авторы говорят, что могут определить, сколько мощных штормов было в тот период времени и как часто они происходили.

(NASA/Steele Hill)

В пресс-релизе ведущий автор профессор Сандра Чепмен из Центра термоядерного синтеза, космоса и астрофизики Уорикского университета заявила: является важной частью планирования уровня смягчения последствий, необходимого для защиты критической национальной инфраструктуры».

В своей статье авторы показывают, что «сильные» магнитные бури происходили в 42 из последних 150 лет, или примерно каждые три года. Более мощные «великие» супербури происходили в течение 6 лет из 150, или примерно каждые 25 лет. Обычно такие штормы длятся всего несколько дней, но они все равно могут быть очень разрушительными для современных технологий.

Сильные бури могут вызвать перебои в подаче электроэнергии, нарушить работу или повредить спутники, нарушить работу авиации и вызвать временную потерю сигналов GPS и радиосвязи. (GPS предназначен не только для навигации. Хотите верьте, хотите нет, но современная банковская система в значительной степени полагается на GPS для синхронизации финансовых транзакций. )

«В этом исследовании предлагается новый метод анализа исторических возникновения суперштормов и какую активность суперштормов мы, вероятно, увидим в будущем», — сказал Чепмен.

Событие в Кэррингтоне не было частью исследования, потому что данные, на которые обращали внимание исследователи, не имеют такой далекой давности. Их данные о магнитном поле получены с противоположных концов Земли, со станций в Великобритании и Австралии. Он охватывает последние 14 солнечных циклов, датируемых задолго до космической эры.

Их анализ показывает, что такие сильные штормы, как событие Кэррингтона, могут быть более распространенными, чем предполагалось, и что они могут произойти в любое время с очень небольшим предупреждением.

Профессор Ричард Хорн, руководитель службы космической погоды в Британской антарктической службе, сказал: «Наше исследование показывает, что супер-шторм может происходить чаще, чем мы думали. Не верьте статистике, это может произойти в любое время, мы просто не знаем, когда, и прямо сейчас мы не можем предсказать, когда».

Эти бури рождаются на Солнце, но за космической погодой можно следить, наблюдая за изменениями магнитного поля на поверхности земли. Есть высококачественные данные с нескольких станций на Земле, относящиеся к началу космической эры, около 1957.

Ученым известно, что у Солнца примерно 11-летний цикл активности, и в течение этого цикла интенсивность Солнца меняется. Проблема в том, что этих данных недостаточно. Он охватывает только пять солнечных циклов.

Для лучшего понимания мощных солнечных бурь и частоты их возникновения требуется больший набор данных, охватывающий большее количество солнечных циклов. В этом новом исследовании ученые отправились еще дальше во времени.

Они изучили геомагнитный индекс, который поступает из мест в Великобритании и Австралии, расположенных на противоположных концах Земли. Индекс аа компенсирует фоновое поле Земли и достигает 150 лет назад, или 14 солнечных циклов. Это самая длинная, почти непрерывная запись изменений магнитных полей на поверхности Земли.

(Экипаж 23-й экспедиции МКС)

Чтобы прийти к выводу, команда использовала среднегодовые значения первых нескольких процентов индекса аа. Вот как они обнаружили, что «сильный» супер-шторм происходил в 42 года из 150, а более редкий, но более мощный «великий» супер-шторм происходил в 6 лет из 150.

Это означает, что эти экстремальные штормы случаются один раз в каждые 25 лет. Например, шторм 1989 года, вызвавший серьезное отключение электроэнергии в Квебеке, был сильным штормом.

Несколько лет назад произошел несчастный случай. В 2012 году Солнце произвело мощный всплеск исключительно большого и сильного выброса корональной массы. К счастью для нас, Земля не оказалась на его пути. Но данные показали, что это был бы супер-шторм, если бы он ударил нас.

(NASA/GSFC/SDO)

Интерес к Солнцу и космической погоде, которую оно нам посылает, вызывает все больший интерес. Поскольку наша экономика и образ жизни все больше и больше зависят от спутников, связи и энергосистем, правительства и агентства сделали понимание и прогнозирование космической погоды своим приоритетом.

В настоящее время Солнце изучают несколько космических аппаратов, в том числе SOHO (Солнечная гелиосферная обсерватория), SDO (Солнечная динамическая обсерватория) и солнечный зонд Parker. Эти космические корабли расширяют наше понимание Солнца и нашу способность предсказывать эти опасные бури.

Эта статья была первоначально опубликована Universe Today. Прочитайте оригинальную статью.

Плохая астрономия | Как часто сильные солнечные бури обрушиваются на Землю?

Огромная солнечная вспышка произошла на Солнце в октябре 2003 года. Он также сопровождался мощным корональным выбросом массы. Солнечные бури, подобные этим, представляют опасность для нашей энергосистемы и орбитальных спутников. Предоставлено: NASA/SOHO

Время от времени Солнце становится вспыльчивым.

С его поверхности извергаются огромные штормы, некоторые (называемые солнечных вспышек ) испускают интенсивное излучение в электромагнитном спектре, некоторые (называемые выбросами корональной массы ) выбрасывают миллиарды тонн субатомных частиц, которые мчатся по Солнечной системе с невероятной скоростью. Если эти бури обрушатся на Землю, они могут создать хаос. В лучшем случае могут быть незначительные радиопомехи и, возможно, слава полярного сияния.

В худшем случае они могут уничтожить спутники на орбите и вызвать широкомасштабные отключения электроэнергии, после которых на восстановление могут уйти месяцы и даже годы. Для этого требуется чрезвычайно мощное событие, и мы не переживали ни одной из таких мегабурь с тех пор, как началась электронная эра на Земле. Но если бы это произошло сейчас, и Земля столкнулась бы с полной тяжестью, ущерб, который он причинил бы, мог быть глобальным и катастрофическим.

Время от времени Солнце раздражается. Но как часто ?

Как видите, это не академический вопрос. Экономика его важна. Уборка после крупного события может стоить многие триллионы долларов, и хотя заблаговременное смягчение последствий такой катастрофы обойдется дешевле, это все равно очень дорого. Если эти бури случаются крайне редко, то должны ли правительства тратить часть своего ВВП на профилактику?

Проблема в малочисленности статистики. Солнце довольно часто выбрасывает небольшие бури, но чем они крупнее, тем реже. Вдобавок ко всему, лучший способ измерить силу этих штормов восходит только к 1957.

Повреждение трансформатора в Квебеке во время солнечной бури 1989 года. Кредит: НАСА

Фото:
НАСА

Чтобы лучше понять цифры, группа ученых искала лучший способ измерить силу этих штормов. Используя статистические методы, они смогли продлить записи во времени до 1868 года, и то, что они обнаружили, меня удивило: штормы, достаточно сильные, чтобы нарушать работу служб и вызывать отключения электроэнергии (например, 1989 блэкаут в Квебеке) имеют 28-процентную вероятность ударов в год (они обнаружили 42 таких события за 150 лет), а экстраординарные штормы имеют 4-процентную вероятность ударов в год (6 за 150 лет).

Признаюсь, это было намного выше, чем я ожидал. Но до относительно недавнего времени такие бури были бы плохими, но не обязательно катастрофическими. Теперь, когда так много нашей цивилизации зависит от электроники, которая может быть поджарена такими штормами, это немного больше беспокоит.

Интересный метод, который они использовали. Обычно есть единица измерения, называемая 9.0011 индекс времени бури возмущений , который измеряет магнитное поле Земли вблизи экватора. Он достаточно надежен в определении того, когда обрушивается сильный шторм и взаимодействует с нашим геомагнитным полем, но он восходит только к 1957 году.

Магнитное поле Солнца меняется, становится сильнее и слабее в течение 11-летнего цикла, поэтому используется только индекс DST. возвращается примерно на 5 циклов.

Рентгеновский снимок Солнца с 2008 по 2014 год, сделанный космическим кораблем Хинодэ. Пик солнечной магнитной активности пришелся на 2014 год, но после пика солнечные бури все еще обычны. Предоставлено: ДЖАКСА/НАСА/CfA

Другое измерение, называемое индексом аа , использует магнитные измерительные станции на противоположных сторонах Земли, измеряя магнитное поле другим способом. Он восходит к 1868 году, охватывающему 14 солнечных циклов, но измерения сделаны таким образом, что их сбор и использование для прогнозирования солнечных бурь затруднено. Что сделали ученые в этой новой работе, так это посмотрели на среднегодовые значения этих измерений и смогли статически показать, что эти максимумы хорошо соответствуют индексу летнего времени, когда обрушиваются штормы. Затем они могли бы использовать индекс аа для экстраполяции значений индекса DST 9.0011 выглядел бы так, как из 1868–1957 годов, до того, как он стал доступен. Отсюда они могли видеть, как выглядели бури в далеком прошлом.

Умный. Более того, они могли сделать с этим и кое-какую научную работу. В 1859 году на Землю обрушилась, пожалуй, самая мощная солнечная буря из когда-либо зарегистрированных. Названное Событием Кэррингтона в честь астронома, изучавшего его, если бы что-то столь мощное произошло сегодня, результаты были бы совершенно катастрофическими. Они задавались вопросом, было ли это событие действительно единственным в своем роде (например, для его возникновения нужны особые обстоятельства на Солнце или в поле Земли), или это был просто чрезвычайно сильный шторм с нормальными обстоятельствами, приведшими к нему, хвостовой конец в противном случае нормальное распределение силы шторма.

В октябре 2003 года на Солнце произошла мощная вспышка. Он также сопровождался мощным корональным выбросом массы. Солнечные бури, подобные этим, представляют опасность для нашей энергосистемы и орбитальных спутников. Предоставлено: NASA/SOHO

Экстраполируя свою статистику, они обнаружили, что шторм 1859 года на самом деле был лишь верхним пределом нормального диапазона, а не какой-то странной случайностью. Это не утешительно, если честно. Хуже того, в 2012 году Солнце сдуло еще одну эпически мощную бурю, но она была направлена в другом направлении и, к счастью, не попала в Землю.