На высоте 100 км над уровнем моря расположена линия Кармана – условная нижняя граница космического пространства. На самом деле, линия Кармана пролегает в пределах ионосферы, и выше этой линии также наблюдаются явления, которые можно назвать «погодой». Однако технически пространство над линией Кармана считается космосом потому, что там пролегают орбиты искусственных спутников. Именно эксплуатация спутников, в особенности, спутников связи, в последнее время привлекает всё более пристальное внимание к изучению полярных сияний (авроры) как атмосферно-космического погодного явления. Многие аспекты полярных сияний до сих пор не вполне изучены, а в этой статье основное внимание будет уделено геомагнитным и навигационным проблемам, напрямую связанным с авророй. В заголовок статьи вынесена русская поморская поговорка, указывающая, что среди северных мореходов описываемые проблемы издавна были общеизвестны и актуальны. Здесь «пазори» означает «северное сияние», а «матка» - компас.

Полярные сияния и солнечные бури

В упрощенном виде природа полярных сияний объясняется тривиально: активность этого явления связана с солнечной активностью и усилением солнечного ветра, а также с возникновением дыр в солнечной короне – с последующими выбросами заряженных частиц. Геомагнитное явление, вызывающее полярные сияния, называется «магнитная суббуря», и наступление очередной суббури на Земле чётко коррелирует с активностью солнечной короны. Уважаемая @ladynoname размещала на Хабре статью о прогнозировании полярных сияний и о многих их физических аспектах.

Таким образом, активность и географическое распространение сияний напрямую связаны с силой и продолжительностью магнитных бурь. Сияния принято считать «полярными», так как именно вблизи географических полюсов Земли находятся её магнитные полюса, и заряженные частицы солнечного ветра устремляются к магнитным полюсам, как к водостоку. Атмосфера Земли плотная, глубокая и состоит из целого набора газов, концентрация которых в разных слоях атмосферы сильно отличается – поэтому отличается и цвет сполохов, а также конфигурация южных и северных полярных сияний. Поскольку яркость, продолжительность и распространение сияний напрямую связаны с геомагнитной реакцией на порывы солнечного ветра, давайте вспомним, какие экстремальные события такого рода знает история.

Событие Кэррингтона

Геомагнитные бури непосредственно фиксируются с начала XIX века, но гляциологическая хронология подтверждает, что примерно в 774 году произошел крупнейший геомагнитный шторм, сегодня именуемый первым «cобытием Мияке» (в честь Фуса Мияке из университета Нагои – она открыла два таких события). Аналогичный шторм, примерно на 60% слабее первого, произошел примерно в 993 году; это возмущение называется «вторым событием Мияке». Солнечная вспышка опознается по резкому росту концентрации углерода-14 в ледовых кернах и в древесном угле. Изотопы углерода-14 образуются в атмосферном диоксиде углерода при активной бомбардировке космическими лучами. По-видимому, всплески геомагнитной активности, подобные событиям Мияке, происходят примерно раз в 500 лет. Но в новейшую эпоху, когда уже было известно и изучено электричество, самым сильным геомагнитным возмущением было «событие Кэррингтона», произошедшее в 1859 году – названо так в честь британского астронома Ричарда Кэррингтона, который 1 сентября зафиксировал мощную солнечную вспышку.    

Во время события Кэррингтона на всей Земле регистрировались флуктуации планетарного магнитного поля. Несомненно, такие флуктуации происходили и при событиях Мияке, но никаких данных о них по определению не сохранилось. Но сохранились косвенные данные, связанные всё с тем же увеличением концентрации ¹⁴С. При событии Кэррингтона концентрация этого изотопа в годичных кольцах возросла на 1%, тогда как при событиях Мияке – на 12-14%. По-видимому, в нынешнем гиперсвязанном мире, зависящем от электроники, новое «событие Мияке» вызвало бы глобальную катастрофу. Подробная статья о событии Кэррингтона уже выходила на Хабре (интересна она, в частности, сравнением этого события с более современными слабыми геомагнитными штормами, например, с произошедшим в 1989 году).

Кэррингтон зафиксировал вторую, более сильную из двух геомагнитных бурь, последовавших практически подряд. Уже в ночь на 28 августа множество телеграфных линий на территории США вышли из строя. Сотрудник телеграфа в Питтсбурге сообщал, что токи в проводах настолько усилились, что платиновые контакты искрили и «были готовы расплавиться». Телеграфиста Фредерика Ройса из Вашингтона чуть не убило током – коллеги сообщали, что между его головой и телеграфным аппаратом проскочила электрическая дуга. Бумажные телеграфные ленты воспламенялись.

2 сентября, когда Кэррингтон наблюдал в дневном небе «белые вспышки», мощные сияния полыхали над всей Северной Америкой. Небо приобрело малиновый оттенок, жители Южной Каролины полагали, что видят зарево от пожаров. В одном из городков бригада каменщиков собралась на работу глубокой ночью, поскольку людям показалось, что уже утро. Единственный раз в истории полярные сияния горели над Кубой и Ямайкой. В Чарльстоне (Южная Каролина) атмосфера была настолько наэлектризована, что, по свидетельству телеграфистов, сообщения в Портленд, штат Мэн, можно было передавать даже при выключенном телеграфном аппарате, с интервалом в 30-90 секунд. Буря спала только к 10 утра.  

Не углубляясь в экстраполяцию «как событие Мияке или Кэррингтона могло бы выглядеть сегодня», давайте подробнее рассмотрим, как образуются полярные сияния и формируется геомагнитная погода.

Ионосфера и магнитосфера

Солнечная активность постоянно меняется как в долгосрочной перспективе (циклы Чижевского), так и в более краткосрочной. Иными словами, от нового «события Мияке» наш мир совершенно не застрахован, а наша уязвимость перед таким катаклизмом постоянно возрастает. Магнитное поле Земли отклоняет большую часть заряженных частиц солнечного ветра и действует при этом как упругий «резиновый» экран, вибрирующий под порывами солнечного ветра. При этом магнитосфера отклоняет не все заряженные частицы, некоторая их доля просачивается в ионосферу. Заряженные частицы солнечного ветра проникают во всё более плотные (по сравнению с вакуумом) слои атмосферы, где замедляются и бомбардируют атомы газа, возбуждая их:

При этом в ионосфере образуются поперечные альвеновские волны (названы в честь шведского астрофизика Ханнеса Альвена, в 1942 году предсказавшего существование таких волн). Именно они и дают характерный волнистый или бахромчатый рисунок полярных сияний (смотреть с 0.32):

Полярные сияния формируются преимущественно на высотах от 90 до 400 километров. Нижние сияния возникают от свечения молекул, а высокие – атомов и ионов. Молекулярный кислород даёт зелёные оттенки, а азот, в особенности сильно ионизированный – красные, фиолетовые и даже ультрафиолетовые. Визуально нижние полярные сияния напоминают волны, а верхние – столбы. Кислород даёт зелёное свечение при длине волны около 560 нм на высоте 90-100 километров, красное свечение – при длине волны 630 нм на высоте от 150 до 400 километров. Азот даёт красное свечение при длине волны около 522 нм, фиолетовый свет — при длине волны около 430 нм, а при длине волны между 390 и 400 нм порождает ультрафиолетовое полярное сияние.

В 1985 году полярные сияния были впервые получены искусственно в рамках советско-французского метеорологического проекта. Из архипелага Кергелен была запущена ракета, направленная по линии магнитного поля в район поселка Согра в Архангельской области. На ракете был установлен ускоритель электронов, которые, попав в ионосферу, действительно вызвали над Согрой полярное сияние. Проект был назван «Аракс», сокращенно от «Artificiel polaire aurore — Kergelen–Sogra» (искусственное полярное сияние Кергелен - Согра).

Исследование полярных сияний постепенно перешло из геофизической в телекоммуникационную плоскость только во втором десятилетии XXI века, с достаточным развитием GPS и повсеместным распространением спутниковой и мобильной связи. В сентябре 2013 года Канадское космическое агентство (CSA) вывело на орбиту аппарат для исследования ионосферных возмущений, названный CASSIOPE (Cascade Smallsat and Ionospheric Polar Explorer).

Основной задачей этого спутника было построение геомагнитной карты высокоширотных областей ионосферы. На борту CASSIOPE был установлен прибор, собранный инженерами из института Нью-Брансуика, специально предназначенный для изучения GPS-сигналов, проходящих через ионосферу. Это был первый опыт по отслеживанию GPS из космоса и оценке искажений этих сигналов. Польза таких измерений не ограничивается работой с GPS. CASSIOPE также позволяет проверить влияние ионосферы на обмен сигналами между самолетом и диспетчерским пунктом на земле, чтобы в дальнейшем можно было автоматически корректировать курс самолёта в условиях полярного сияния. Понимание и коррекция ионосферных искажений также важны при эксплуатации радиотелескопов.   

В 2015 году в журнале «Geophysical Research Letters» была опубликована статья, исследующая, в какой степени ионосферная «турбулентность» может влиять на передачу телекоммуникационных сигналов в атмосфере и осложнять работу спутников, в частности – нарушать GPS-навигацию. Исследование выполнила группа под руководством Исайи Шуме из Лаборатории реактивного движения (JPL) при NASA.

В 2021 году учёные из Университета Айовы методом компьютерного моделирования смогли воспроизвести, как именно возникают полярные сияния (то есть, как именно возбуждаются атомы кислорода и азота). Была доказана прямая связь между альвеновскими волнами и полярными сияниями. Под действием альвеновских волн примерно 0,1% атомов в атмосфере переходит в возбуждённое состояние и начинает излучать свет. От резкого насыщения атмосферы электронами в ионосфере возникает геомагнитный аналог «турбулентности» или «пены». Если уподобить ионосферу жидкости или раствору, а альвеновские волны сравнить с обычной рябью на поверхности воды, то ионизация верхних слоев атмосферы будет распространяться как пузырьки (компактные области повышенной ионизации) на фоне сгустков менее интенсивной ионизации. Эта «пена» приводит к возмущениям и нерегулярностям в ионосфере и негативно сказывается как на точности глобального позиционирования, так и на работе спутников.

Согласно другим исследованиям, самые высокие полярные сияния, также проявляющие описанное выше сходство с «геомагнитной пеной» могут осложнять не только передачу спутниковых данных, но и само движение спутников. В условиях северного сияния спутник или космический корабль может терять скорость, и в данном случае сияние действует подобно «лежачему полицейскому». По данным исследования, проведённого в 2015 году под руководством Марка Лессарда из Университета Нью-Гэмпшира, спутник, попадающий в зону полярных сияний, теряет скорость и высоту (меняет орбиту). Это явление было открыто в рамках специально организованной суборбитальной миссии RENU2 (Rocket Experiment for Neutral Upwelling 2).

В текущем году профессор Стивен Кепплер из Университета Южной Каролины даже запланировал и выполнил смелый эксперимент: его группа прозондировала северное сияние, пропустив через ионизированную область две ракеты. Проект называется INCAA. 4 июля 2022 года в 4.47 и 4.50 по аляскинскому времени (AKDT) в зону северного сияния были запущены две геофизические ракеты, достигшие, соответственно, высот в 340 и 208 км. Первая ракета выпустила яркий газообразный краситель, подобный тому, что применяется в фейерверках – по движению краски был исследован рисунок турбулентных потоков в авроре. Вторая ракета была оснащена датчиками для измерения плотности и температуры сияния. Кроме того, весь опыт позволил проверить, как приборы реагируют на северное сияние, и как поддерживать связь между землёй и ракетами в таких условиях.

Заключение

Можно не сомневаться, что наша зависимость от интернета (в том числе, спутникового), а также от беспроводных систем связи в ближайшем будущем только возрастёт, а наступление нового геомагнитного супершторма – всего лишь дело времени. Потенциальное «третье событие Мияки» может вырубить наши сети на целые месяцы, причём остаётся только догадываться, как их после этого восстанавливать. В США уже действует центр прогнозирования космической погоды (NOAA), однако современные возможности такой службы позволят предсказать геомагнитный шторм за минуты или, в лучшем случае, за считанные часы до наступления. Вероятно, первыми его признаками могут стать именно яркие или нетипично продолжительные авроры в низких широтах. Именно поэтому сегодня изучение полярных сияний уверенно переходит из эстетической плоскости в сугубо практическую, а рассчитать необходимый запас прочности и избыточность для спутников и электросетей на случай таких катаклизмов можно только путём непосредственного изучения и зондирования ионосферы.