Как Солнце может выключить нам свет: рассказывают ученые Пермского Политеха

По прогнозам метеорологов, 13 сентября ожидается сильная магнитная буря. Она продлится три дня и отразится на всем живом и неживом, что есть на нашей планете. Как образуются магнитные бури и какое влияние оказывают на наш организм и электроприборы — рассказали физики Пермского Политеха.     

Почему происходят магнитные бури?

Об этом рассказал Вячеслав Кирчанов, кандидат физико-математичсеких наук, доцент кафедры общей физики Пермского Политеха.

Магнитные бури — это особый тип изменений магнитного поля Земли. Источником геомагнитного поля нашей планеты являются электрические токи, протекающие в жидком электропроводящем слое внешнего ядра Земли. На поверхности в ионосфере показатель магнитной индукции (силовой характеристики магнитного поля) достигает 10–6 Тесла (Тл, единица измерения магнитной индукции), что составляет всего 2% от среднего значения, которое есть внутри Земли. На Северном географическом полюсе находится Южный магнитный полюс, куда входят все силовые линии магнитного поля. На южном географическом полюсе помещается Северный магнитный полюс, откуда, наоборот, выходят силовые линии магнитного поля Земли. По форме это напоминает яблоко.

Солнце представляет собой раскаленный газовый шар, где в процессе горения водорода образуется гелий, и выделяется большое количество тепла. Непрерывно на Землю от Солнца излучается свет, и направляется солнечный ветер. Солнечный ветер — это поток заряженных частиц, которые представлены ядрами атомов гелия и водорода. Эти ионизированные частицы со скоростью 300 км/с и выше налетают на магнитное поле Земли. Магнитосферу (то есть то, что находится внутри магнитного поля) обдувает потоком солнечного ветра, что приводит к возникновению на её границе электрических токов восточного направления, которые увеличивают магнитное поле Земли на экваторе. Возникают также в высоких широтах ионосферные токи и вариации (изменения в течение некоторого времени, колебания) магнитного поля Земли на полюсах. Это спокойные изменения магнитного поля Земли. Их величина 10–7 Тл — 0,2% от среднего значения магнитного поля планеты.

Но при вспышках на Солнце происходит выделение огромного количества энергии — 1026 Джоулей за две тысячи секунд. Это приводит к увеличению рентгеновского и ультрафиолетового излучения, возникновению ударных волн и выбросу гелиево-водородной плазмы солнечного ветра даже за орбиту Земли. Удар по магнитному полю Земли сжимает его и усиливает электрические токи на поверхности магнитосферы. Такое импульсное увеличение поля охватывает весь земной шар и достигает на экваторе  несколько десятков нанотесл (10–9 Тл = 1 нанотесла).

Магнитные бури делятся на три фазы. Начальная занимает от 10 до 60 минут, главная фаза составляет 3-20 часов, а восстановление достигает от одного дня до пяти суток. Во время главной фазы из всего падающего на магнитосферу потока энергии (1013 Вт) внутрь магнитосферы передается только 1-5%. Возникающие в ионосфере суббури генерируют продольные токи, текущие вдоль магнитных силовых линий. Магнитные возмущения на поверхности Земли достигают 500-3000 нанотесл. (от 5*10–7 до 3*10–6 Тл).

Чем сильнее магнитная буря, тем в более низких широтах она наблюдается. Может возникнуть северное сияние: радиационные частицы во время вспышек на Солнце направляются к Земле и начинают ионизировать с атмосферой. Обычно северное сияние видно в широтах 80 градусов и выше. Наблюдать это явление на экваторе — большая редкость.

Кроме того, магнитное поле может изменяться и локально. Например, у месторождений железа или ферритов. Ферромагнитные частицы намагничиваются лучше прочих и участками усиливают магнитное поле планеты. Об этом рассказал Эргаш Нуруллаев, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха.

В России за солнечной активностью наблюдает служба «Солнечный патруль», астрономическая станция расположена недалеко от Кисловодска на горе Шат Жад Маз. Они выявляют вспышки, которые потенциально могут достичь Земли, преодолев 150 млн км между Солнцем и нашей планетой.

Как магнитные бури влияют на человека?

— Человек так же, как и любая материя, состоит из атомов. При атомах появляются свободные электроны, которые во время магнитных бурь начинают двигаться в сторону усиленного магнитного поля Земли. Из-за этого метеозависимые люди начинают чувствовать слабость, снижение тонуса организма, скачки артериального давления и головную боль, — рассказывает Эргаш Нуруллаев.

Ученый ПНИПУ также объясняет, что магнитное поле в организме человека существует благодаря наличию в нем ферромагнитных частиц, которые намагничиваются сильнее прочих. К ним относят, например, железо.

— Самое сильное магнитное поле у здорового сердца человека (10–10 Тл). Обычный геомагнитный шум составляет примерно 10–8-10–10 Тл, городской магнитный шум —10–7-10–11Тл. В максимуме они могут превышать собственное магнитное поле сердца в 100 раз, что оказывает вредное воздействие на организм человека, — отмечает Вячеслав Кирчанов, преподаватель кафедры общей физики ПНИПУ.

Интересно, что изменения магнитного поля Земли на космонавтах сказываются меньше, чем на людях с поверхности. Орбитальные станции отделаны специальными материалами, из-за которых магнитное поле самой станции очень мало, считает Эргаш Нуруллаев.

Люди на круговых орбитах находятся примерно в 400 км над уровнем моря, и ближний радиационный пояс Земли начинается с 500-600 км. Он содержит заряженные частицы — протоны солнечного ветра большой концентрации. Если магнитная буря очень сильная, тогда доза радиации для космонавтов может быть значительной. Профессия космонавта очень вредная, отмечает Вячеслав Кирчанов. Примерно один год полета равен 10 годам жизни на Земле.

Опасны ли магнитные бури для наших устройств?

В большей степени, чем на человеке, магнитные бури сказываются на работе различных устройств и приборов. Они способны вывести из строя системы радиолокации, заблокировать работу спутников и свести их с орбиты. Чтобы защитить устройства от воздействия внешнего магнитного поля, можно создать вокруг них электрическое поле — «шар», по поверхности которого пущен ток. Внутри такого шара-проводника магнитное поле вообще формироваться не будет. Однако создать такие условия для домашних приборов очень сложно, поэтому на время бурь стоит отключать электроприборы от источников питания, советует преподаватель кафедры прикладной физики ПНИПУ Эргаш Нуруллаев.

— Почему во время грозы нам рекомендуют отключать устройства от розетки? Гроза, как и магнитная буря, — явление магнетизма: электрический разряд формирует молнию, которая представляет собой плазму — поток ионизированных частиц, к которым устремляются свободные электроны, — объясняет ученый Пермского Политеха.

Однако отключить наши приборы могут только действительно сильные магнитные бури, которые происходят крайне редко. Устройства чаще требуется защищать от магнитных полей других электроприборов. По словам Вячеслава Кирчанова, существуют ферромагнитные экраны — листы и цилиндры с высокой магнитной проницаемостью и низкой остаточной индукцией для защиты аппаратуры от внешних магнитных полей. Ферромагнитные экраны используют, чтобы локализовать, например, магнитное поле транс­фор­ма­то­ров, по­сто­ян­ных маг­ни­тов, силь­но­точ­ных це­пей, поскольку те мо­гут ока­зы­вать негативное воз­дей­ст­вие на ок­ру­жаю­щую сре­ду или на­ру­шать нор­маль­ную ра­бо­ту со­сед­них уст­ройств.

— Человечество не может контролировать магнитные бури, Солнце и ядро Земли. Жизнь на планете миллиард лет существует в условиях периодических магнитных бурь и, более того, в условиях неоднократного отсутствия магнитного поля Земли. Как возмущение магнитные бури оказывают глобальное действие на все уровни биомассы планеты, начиная вирусами и микробами и заканчивая человеческим обществом, — считает доцент кафедры общей физики ПНИПУ Вячеслав Кирчанов.  

Это обусловлено влиянием магнитных бурь на атмосферу и ее состав. Изменения в атмосфере могут, например, способствовать увеличению некоторой формы вируса или, наоборот, уничтожить ее, добавляет Эргаш Нуруллаев.

Полностью защититься от воздействия магнитных бурь человек пока не может. Поэтому людям, чувствительным к погодным переменам, стоит быть осторожнее и следить за прогнозами синоптиков. На время магнитных бурь следует отключать устройства от питания или использовать такие средства защиты, как ферромагнитные экраны.