Геомагнитное поле (ГП) генерируется источниками, расположенными а также в магнитосфере и ионосфере. Оно защищает планету и жизнь на ней от пагубного влияния Его присутствие наблюдал каждый, кто держал компас и видел, как один конец стрелки указывает на юг, а другой - на север. Благодаря магнитосфере были совершены великие открытия в физике, и до сих пор ее наличие используется для морской, подводной, авиационной и космической навигации.

Общая характеристика

Наша планета - это громадный магнит. Северный его полюс находится в "верхней" части Земли, неподалеку от географического полюса, а южный - рядом с соответствующим географическим полюсом. Из этих точек на многие тысячи километров в космос простираются силовые магнитные линии, сосставляющие собственно магнитосферу.

Магнитные и географические полюса достаточно удалены друг от друга. Если провести четкую грань между магнитными полюсами, в итоге можно получить магнитную ось с углом наклона в 11,3° к оси вращения. Эта величина непостоянна, а все потому, что магнитные полюса перемещаются относительно поверхности планеты, ежегодно меняя свое местоположение.

Природа геомагнитного поля

Магнитный экран генерируется электрическими токами (движущимися зарядами), которые рождаются во внешнем жидком ядре, расположенном внутри Земли на очень приличной глубине. Это текучий металл, и он перемещается. Данный процесс именуется конвекцией. Движущееся вещество ядра образует токи и, как следствие, магнитные поля.

Магнитный экран надежно защищает Землю от Основной ее источник - солнечный ветер - движение ионизированных частиц, истекающих из Магнитосфера отклоняет этот непрерывный поток, перенаправляя его вокруг Земли, благодаря чему жесткая радиация не оказывает губительного влияния на все живое голубой планеты.

Если бы у Земли не было геомагнитного поля, то солнечный ветер лишил бы ее атмосферы. По одной из гипотез, именно это и случилось на Марсе. Солнечный ветер - далеко не единственная угроза, поскольку Солнце также высвобождает большое количество вещества и энергии в виде корональных выбросов, сопровождающихся сильнейшим потоком радиоактивных частиц. Однако и в этих случаях магнитное поле Земли защищает ее, отклоняя эти течения от планеты.

Магнитный экран меняет свои полюса приблизительно раз в 250 000 лет. Северный магнитный полюс становится на место северного, и наоборот. У ученых нет четкого объяснения, почему такое происходит.

История исследования

Знакомство людей с удивительными свойствами земного магнетизма произошло еще на заре цивилизации. Уже во времена античности человечеству был известен магнитный железняк - магнетит. Однако кто и когда выявил, что природные магниты одинаково ориентируются в пространстве по отношению к географическим полюсам планеты, неизвестно. По одной из версий, китайцы были знакомы с этим явлением уже в 1100 году, однако использовать его на практике начали лишь спустя два века. В Западной Европе магнитный компас начали использовать в навигации в 1187 году.

Строение и характеристики

Магнитное поле Земли можно разделить на:

• главное магнитное поле (95%), источники которого находятся во внешнем, проводящем электроток ядре планеты;
• аномальное магнитное поле (4%), создаваемое горными породами в верхнем слое Земли с хорошей магнитной восприимчивостью (одна из самых мощных - Курская магнитная аномалия);
• внешнее магнитное поле (также называемое переменным, 1%), связанное с солнечно-земными взаимодействиями.

Регулярные геомагнитные вариации

Изменения геомагнитного поля во времени под влиянием как внутренних, так и внешних (по отношению к поверхности планеты) источников называют магнитными вариациями. Они характеризуются отклонением составляющих ГП от среднего значения в месте наблюдения. Магнитные вариации имеют непрерывную перестройку во времени, при этом зачастую такие перемены носят периодический характер.

Регулярные вариации, повторяющиеся ежесуточно, - это изменения магнитного поля, связанные с солнечно- и лунно-суточными изменениями напряженности ГП. Вариации достигают максимума днем и при лунном противостоянии.

Нерегулярные геомагнитные вариации

Данные изменения возникают в результате влияния солнечного ветра на земную магнитосферу, изменений внутри самой магнитосферы и ее взаимодействия с ионизированным верхним слоем атмосферы.

• Двадцатисемидневные вариации существуют как закономерность к повторному росту магнитной возмущенности через каждые 27 суток, соответствующих периоду вращения главного небесного светила относительно земного наблюдаиеля. Данная тенденция обусловлена существованием активных областей-долгожителей на нашей родной звезде, наблюдаемых в течение нескольких ее оборотов. Проявляется она в виде 27-суточной повторяемости геомагнитной возмущенности и
• Одиннадцатилетние вариации связаны с периодичностью пятнообразовательной деятельностью Солнца. Выявлено, что в годы наибольшего скопления темных областей на солнечном диске магнитная активность также достигает своего максимума, однако рост геомагнитной активности отстает от роста солнечной в среднем - на год.
• Сезонные вариации имеют два максимума и два минимума, соответствующие периодам равноденствий и времени солнцеворота.
• Вековые, в отличие от вышеперечисленных, - внешнего происхождения, образуются в результате движения вещества и волновых процессов в жидком электропроводящем ядре планеты и являются главным источником информации об электрической проводимости нижней мантии и ядра, о физических процессах, приводящих к конвекции вещества, а также о механизме генерации геомагнитного поля Земли. Это самые медленные вариации - с периодами от нескольких лет до года.

Влияние магнитного поля на живой мир

Несмотря на то, что магнитный экран нельзя увидеть, обитатели планеты прекрасно его ощущают. К примеру, перелетные птицы строят свой маршрут, ориентируясь именно на него. Ученые выдвигают несколько гипотез относительно данного явления. Одна из них предполагает, что пернатые воспринимают его визуально. В глазах перелетных птиц имеются особые белки (криптохромы), которые способны менять свое положение под влиянием геомагнитного поля. Авторы данной гипотезы уверены, что криптохромы могут выполнять роль компаса. Однако не только птицы, но и морские черепахи используют магнитный экран в качестве GPS-навигатора.

Воздействие магнитного экрана на человека

Влияние геомагнитного поля на человека принципиально отличается от любого иного, будь то радиация или опасный ток, поскольку оно воздействует на человеческий организм полностью.

Ученые считают, что геомагнитное поле действует в ультранизком диапазоне частот, в результате чего отвечает основным физиологическим ритмам: дыхательному, сердечному и мозговому. Человек может и не ощущать ничего, но организм при этом все же реагирует на него функциональными изменениями нервной, сердечно-сосудистой систем и деятельности мозга. Психиатры уже много лет отслеживают взаимосвязь между всплесками интенсивности геомагнитного поля и обострением психических недугов, часто приводящих к суициду.

«Индексирование» геомагнитной активности

Возмущения магнитного поля, связанные с изменениями магнитосферно-ионосферной токовой системы, называются геомагнитной активностью (ГА). Для определения ее уровня используются два индекса - А и К. Последний показывает величину ГА. Он высчитывается на основе измерений магнитного экрана, осуществляемых ежедневно с трехчасовым интервалом, начиная с 00:00 UTC (всемирное координированное время). Наибольшие показатели магнитного возмущения сопоставляются со значениями геомагнитного поля спокойного дня для определенного научного учреждения, при этом в расчет принимаются максимальные величины из наблюдаемых отклонений.

На основе полученных данных исчисляется индекс К. В силу того, что он является квазилогарифмической величиной (т.е. увеличивается на единицу при увеличении возмущенности примерно в 2 раза), его нельзя усреднять с целью получения долгосрочной исторической картины состояния геомагнитного поля планеты. Для этого имеется индекс А, представляющий собой дневное среднее значение. Определяется он достаточно просто - каждое измерение индекса К преобразуется в эквивалентный индекс. Значения К, полученные на протяжении всего дня, усредняются, благодаря чему удается получить индекс А, значение которого в обычные дни не превышает порог в 100, а в период серьезнейших магнитных бурь может переваливать за 200.

Поскольку возмущения геомагнитного поля в разных точках планеты проявляются неодинаково, то значения индекса А из разных научных источников могут заметно разниться. Для того чтобы не было такого разбега, индексы А, полученные обсерваториями, сводятся к среднему и появляется глобальный индекс А р. То же самое и с индексом К р, который представляет собой дробную величину в интервале 0-9. Его значение от 0 до 1 говорит о том, что геомагнитное поле в норме, а значит, сохраняются оптимальные условия для прохождения на коротковолновых диапазонах. Конечно, при условии довольно интенсивного потока солнечного излучения. Геомагнитное поле в 2 балла характеризуется как умеренное магнитное возмущение, что немного усложняет прохождение дециметровых волн. Значения от 5 и до 7 говорят о наличии геомагнитных бурь, создающих серьёзные помехи упомянутому диапазону, а при сильном шторме (8-9 баллов) делают прохождение коротких волн невозможным.

Влияние магнитных бурь на человеческое здоровье

Отрицательному воздействию магнитных бурь подвержены 50-70% населения всего мира. При этом начало стрессовой реакции у одних людей отмечается за 1-2 дня до магнитного возмущения, когда наблюдаются вспышки на солнце. У других - в самый пик или через некоторое время после чрезмерной геомагнитной активности.

Метозависимым людям, а также тем, кто страдает хроническими болезнями, необходимо отслеживать информацию о геомагнитном поле на неделю, чтобы при возможном приближении магнитных бурь исключить физические и эмоциональные нагрузки, а также любые действия и события, способные привести к стрессу.

Синдром дефицита магнитного поля

Ослабление геомагнитного поля в помещениях (гипогеомагнитное поле) возникает из-за конструктивных особенностей различных строений, материалов стен, а также намагниченных конструкций. При нахождении в помещении с ослабленным ГП нарушается кровообращение, поставка кислорода и питательных веществ к тканям и органам. Ослабление магнитного экрана также влияет на нервную, сердечно-сосудистую, эндокринную, дыхательную, костную и мышечную системы.

Японский врач Накагава «обозвал» данное явление «синдромом дефицита магнитного поля человека». По своей значимости это понятие вполне может конкурировать с дефицитом витаминов и минералов.

Основными симптомами, указывающими на наличие данного синдрома, являются:

• повышенная утомляемость;
• снижение работоспособности;
• бессонница;
• головная и суставные боли;
• гипо- и гипертония;
• сбои в пищеварительной системе;
• нарушения в работе сердечно-сосудистой системы.

Вы наверное обращали внимание на всевозможные баннеры и целые страницы на сайтах радиолюбительской тематики, содержащие разнообразные индексы и показатели текущей солнечной и геомагнитной активности. Вот они то нам и нужны для оценки условий прохождения радиоволн на ближайшее время. Несмотря на всё многообразие источников данных, одним из самых популярных являются баннеры, которые предоставляет Paul Herrman (N0NBH), причём совершенно бесплатно.

На его сайте можно выбрать любой из 21 доступных баннеров для размещения в удобном для вас месте, либо воспользоваться ресурсами, на которых эти баннеры уже установлены. В общей сложности они могут отображать до 24 параметров в зависимости от форм-фактора баннера. Ниже приводятся краткие сведения по каждому из параметров баннера. На разных баннерах обозначения одних и тех же параметров могут отличаться, поэтому в некоторых случаях приводится несколько вариантов.

Параметры солнечной активности

Индексы солнечной активности отражают уровень электромагнитного излучения и интенсивность потока частиц, источником которых является Солнце.
Интенсивность потока солнечного излучения (SFI)

SFI — это показатель интенсивности излучения на частоте 2800 МГц, генерируемого Солнцем. Эта величина не оказывает прямого влияния на прохождение радиоволн, но её значение гораздо легче измерить, а она хорошо коррелирует с уровнями солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения.
Число солнечных пятен (SN)

SN — это не просто количество пятен на Солнце. Значение этой величины зависит от количества и размера пятен, а так же от характера их расположения на поверхости Солнца. Диапазон значений SN — от 0 до 250. Чем выше значение SN, тем выше интенсивность ультрафиолетового и рентгеновского излучения, которое повышает ионизацию Земной атмосферы и приводит к формированию в ней слоёв D, E и F. C ростом уровня ионизации ионосферы повышается и максимально применимая частота (MUF). Таким образом, увеличение значений SFI и SN свидетельствует об увеличении степени ионизации в слоях E и F, что в свою очередь оказывает положительное воздействие на условия прохождения радиоволн.

Интенсивность рентгеновского излучения (X-Ray)

Величина этого показателя зависит от интенсивности рентгеновского излучения, достигающего Земли. Значение параметра состоит из двух частей — буквы, отражающей класс активности излучения, и числа, показывающего мощность излучения в единицах Вт/м2. От интенсивности рентгеновского излучения зависит степень ионизации слоя D ионосферы. Обычно в дневное время слой D поглощает радиосигналы на низкочастотных КВ диапазонах (1.8 — 5 МГц) и значительно ослабляет сигналы в диапазоне частот 7-10 МГц. С ростом интенсивности рентгеновского излучения слой D расширяется и в экстремальных ситуациях может поглощать радиосигналы практически во всём КВ-диапазоне, затрудняя радиосвязь и иногда приводя к практически полному радиомолчанию, которое может продолжаться несколько часов.

Это значение отражает относительную интенсивность всего солнечного излучения в ультрафиолетовом диапазоне (длина волны 304 ангстрем). Ультрафиолетовое излучение оказывает значительное влияние на уровень ионизации ионосферного слоя F. Значение 304A коррелирует со значением SFI, поэтому его увеличение приводит к улучшению условий прохождения радиоволн отражением от слоя F.

Межпланетное магнитное поле (Bz)

Индекс Bz отражает силу и направление межпланетного магнитного поля. Положительное значение этого параметра означает, что направление межпланетного магнитного поля совпадает с направлением магнитного поля Земли, а отрицательное значение свидетельствует об ослаблении магнитного поля Земли и снижении его экранирующих эффектов, что в свою очередь усиливает воздействие заряженных частиц на земную атмосферу.

Солнечный ветер (Solar Wind/SW)

SW — это скорость заряженных частиц (км/ч), достигших поверхности Земли. Значение индекса может лежать в интервале от 0 до 2000. Типичное значение — около 400. Чем выше скорость частиц, тем большее давление испытывает ионосфера. При значениях SW, превышающих 500 км/ч, солнечный ветер может вызвать возмущение магнитного поля Земли, что в итоге приведёт к разрушению ионосферного слоя F, снижению уровню ионизации ионосферы и ухуджению условий прохождения на КВ-диапазонах.

Поток протонов (Ptn Flx/PF)

PF — это плотность протонов внутри магнитного поля Земли. Обычное значение не превышает 10. Протоны, вступившие во взаимодействие с магнитным полем Земли, перемещаются по его линиям в направлении полюсов, изменяя в этих зонах плотность ионосферы. При значениях плотности протонов свыше 10000 увеличивается затухание радиосигналов, проходящих через полярные зоны Земли, а при значениях свыше 100000 возможно полное отсутствие радиосвязи.

Поток электронов (Elc Flx/EF)

Этот параметр отражает интенсивность потока электронов внутри магнитного поля Земли. Ионосферный эффект от взаимодействия электронов с магнитным полем аналогичен потоку протонов на авроральных трассах при значениях EF, превышающих 1000.
Уровень шума (Sig Noise Lvl)

Это значение в единицах шкалы S-метра показывает уровень шумового сигнала, который возникает в результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.

Параметры геомагнитной активности

Есть два аспекта, по которым информация о геомагнитной обстановке важна для оценки прохождения радиоволн. С одной стороны, с ростом возмущённости магнитного поля Земли разрушается ионосферный слой F, что негативно сказывается на прохождении коротких волн. С другой — возникают условия для аврорального прохождения на УКВ.

Индексы A и К (A-Ind/K-Ind)

Состояние магнитного поля Земли характеризуется индексами A и K. Увеличение значения индекса K свидетельствует о нарастающей его нестабильности. Значения K, превышающие 4 означают наличие магнитной бури. В качестве базовой величины для определения динамики изменения значений индекса K используется индекс A.
Аврора (Aurora/Aur Act)

Значение этого параметра является производной величиной от уровня мощности солнечной энергии, измеряемой в гигаваттах, которая достигает полярных областей Земли. Параметр может принимать значения в интервале от 1 до 10. Чем больше уровень солнечной энергии, тем сильнее ионизация слоя F ионосферы. Чем больше значение этого параметра, тем меньшую широту имеет граница авроральной шапки и тем выше вероятность возникновения полярных сияний. При высоких значениях параметра появляется возможность для проведения дальних радиосвязей на УКВ, но при этом полярные трассы на КВ частотах могут быть частично или полностью заблокированы.

Широта (Aur Lat)

Максимальная широта, на которой возможно авроральное прохождение.

Максимально применимая частота (MUF)

Значение максимально применимой частоты, измеренное в указанной метеорологической обсерватории (или обсерваториях, в зависимости от вида баннера), на приведённый момент времени (UTC).

Затухание на трассе Земля-Луна-Земла (EME Deg)

Этот параметр характеризует величину затухания в децибелах радиосигнала, отражённого от лунной поверхности на трассе Земля-Луна-Земля, и может принимать следующие значения: Very Poor (> 5.5 дБ), Poor (> 4 дБ), Fair (> 2.5 дБ), Good (> 1.5 дБ), Excellent (

Геомагнитная обстановка (Geomag Field)

Этот параметр характеризует текущую геомагнитную обстановку на основании значения индекса K. Его шкала условно разделена на 9 уровней от Inactive до Extreme Storm. При значениях Major, Severe и Extreme Storm прохождение на КВ диапазонах ухудшается вплоть до полного их закрытия, а вероятность возникновения аврорального прохождения увеличивается.

При отсутствии программы неплохой оценочный прогноз можно сделать самостоятельно. Очевидно, что большие значения индекса солнечного потока — это хорошо. Вообще говоря, чем интенсивнее поток, тем лучше будут условия прохождения на высокочастотных КВ диапазонах, включая диапазон 6 м. Однако, следует иметь ввиду так же и значения потока за предыдущие дни. Сохранение больших значений в течение нескольких дней обеспечит более высокую степень ионизации слоя F2 ионосферы. Обычно значения, превышающие 150, гарантируют хорошее прохождение на КВ. Высокие уровни геомагнитной активности обладают так же и неблагоприятным побочным эффектом, значительно снижающим МПЧ. Чем выше уровень геомагнитной активности согласно индексам Ap и Kp, тем ниже МПЧ. Фактические значения МПЧ зависят не только от силы магнитной бури, но также и от ее продолжительности.

• Солнечные космические лучи (СКЛ) - протоны, электроны, ядра, образовавшиеся во вспышках на Солнце и достигшие орбиты Земли после взаимодействия с межпланетной средой.
• Магнитосферные бури и суббури, вызванные приходом к Земле межпланетной ударной волны, связанной как с КВМ и с КОВ, так и с высокоскоростными потоками солнечного ветра;
• Ионизующее электромагнитное излучение (ИЭИ) солнечных вспышек, вызывающее разогрев и дополнительную ионизацию верхней атмосферы;
• Возрастания потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе Земли, связанные с приходом к Земле высокоскоростных потоков солнечного ветра.

Солнечные космические лучи (СКЛ)

Образовавшиеся во вспышках энергичные частицы − протоны, электроны, ядра − после взаимодействия с межпланетной средой могут достичь орбиты Земли. Принято считать, что наибольший вклад в суммарную дозу вносят солнечные протоны с энергией 20-500 МэВ. Максимальный поток протонов с энергией выше 100 МэВ от мощной вспышки 23 февраля 1956 г. составил 5000 частиц на см -2 с -1 .
(см. подробнее материалы к теме "Солнечные космические лучи").
Основной источник СКЛ –солнечные вспышки, в редких случаях - распад протуберанца (волокна) .

СКЛ как основной источник радиационной опасности в ОКП

Потоки солнечных космических лучей значительно повышают уровень радиационной опасности для космонавтов, а также экипажей и пассажиров высотных самолетов на полярных трассах; приводят к потерям спутников и выходу из строя аппаратуры, используемой на космических объектах. О вреде, который радиация наносит живым существам достаточно хорошо известно (подробнее см. материалы к теме "Как космическая погода влияет на нашу жизнь?"), но кроме того большая доза облучения может выводить из строя и электронное оборудование, установленное на космических аппаратах (см. подробнее лекцию 4 и материалы к темам по воздействию внешней среды на космические аппараты, их элементы и материалы).
Чем сложнее и современнее микросхема, тем меньше размеры каждого элемента и тем больше вероятность сбоев, которые могут привести к её неправильной работе и даже к остановке процессора .
Приведем наглядный пример того, как потоки СКЛ высоких энергий влияют на состояние научной аппаратуры, установленной на космических аппаратах.

На рисунке для сравнения приведены фотографии Солнца, сделанные прибором EIT (SOHO), сделанные до (07:06 UT 28/10/2003) и после мощной вспышки на Солнце, произошедшей около 11:00 UT 28/10/2003, после которой в ОКП потоки протонов с энергиями 40-80 МэВ возросли почти на 4 порядка. По количеству "снега" на правом рисунке видно, насколько регистрирующая матрица прибора повреждена потоками вспышечных частиц.

Влияние возрастаний потоков СКЛ на озоновый слой Земли

Поскольку источниками окислов азота и водорода, содержанием которых в средней атмосфере определяется количество озона, могут являться и высокоэнергичные частицы (протоны и электроны) СКЛ, их влияние должно быть учтено при фотохимическом моделировании и интерпретации данных наблюдений в моменты солнечных протонных событий или сильных геомагнитных возмущений.

Солнечные протонные события

Роль 11-летней вариаций ГКЛ при оценке радиационной безопасности долговременных космических полетов

При оценке радиационной безопасности длительных космических полетов (таких, например, как планируемая экспедиция на Марс) становится необходимым учет вклада в радиационную дозу галактических космических лучей (ГКЛ) (подробнее смотри лекцию 4). Кроме того, для протонов с энергией выше 1000 МэВ величина потоков ГКЛ и СКЛ становится сравнимой. При рассмотрении различных явлений на Солнце и в гелиосфере на временных интервалах длиною в несколько десятилетий и более определяющим их фактором является 11-летняя и 22-летняя цикличность солнечного процесса. Как видно из рисунка, интенсивность ГКЛ меняется в противофазе с числом Вольфа. Это весьма важно, поскольку в минимуме СА межпланетная среда возмущена слабо, а потоки ГКЛ максимальны. Имея высокую степень ионизации и будучи всепроникающими, в периоды минимума СА ГКЛ определяют дозовые нагрузки на человека в космических и авиационных полетах. Однако процессы солнечной модуляции оказываются довольно сложными и не сводятся только к антикорреляции с числом Вольфа. .

На рисунке показана модуляция интенсивности КЛ в 11-летнем солнечном цикле .

Солнечные электроны

Солнечные электроны высоких энергий могут вызвать объёмную ионизацию КА, а также выступать в качестве «электронов-киллеров» для микросхем, установленных на космических аппаратах. Из-за потоков СКЛ нарушается коротковолновая связь в приполярных районах и возникают сбои в навигационных системах.

Магнитосферные бури и суббури

Другими важными следствиями проявления солнечной активности, влияющими на состояние околоземного пространства, являются магнитные бури – сильные (десятки и сотни нТл) изменения горизонтальной составляющей геомагнитного поля, измеренного на поверхности Земли на низких широтах. Магнитосферная буря – это совокупность процессов, происходящих в магнитосфере Земли во время магнитной бури, когда происходит сильное поджатие границы магнитосферы с дневной стороны, другие значительные деформации структуры магнитосферы, формируется кольцевой ток энергичных частиц во внутренней магнитосфере .
Термин "суббуря" был введен в 1961г. С-И. Акасофу для обозначения авроральных возмущений в зоне сияний длительностью порядка часа. В магнитных данных еще раньше были выделены бухтообразные возмущения, совпадающие по времени с суббурей в полярных сияниях. Магнитосферная суббуря – это совокупность процессов в магнитосфере и ионосфере, которую в самом общем случае можно характериизовать как последовательность процессов накопления энергии в магнитосфере и ее взрывного высвобождения . Источник магнитных бурь − приход к Земле высокоскоростной солнечной плазмы (солнечного ветра), а также КОВ и связанной с ними ударной волны. Высокоскоростные потоки солнечной плазмы в свою очередь делятся на спорадические, связанные с солнечными вспышками и КВМ, и квазистационарные, возникающие над корональными дырами Магнитные бури в соответствии с их источником делятся на спорадические и реккурентные. (Подробнее см. лекцию 2).

Геомагнитные индексы – Dst, AL, AU, AE

Численной характеристикой, отражающей геомагнитные возмущения, являются различные геомагнитные индексы – Dst, Kp, Ap, AA и другие.
Амплитуду вариаций магнитного поля Земли часто используют как наиболее общую характеристику силы магнитных бурь. Геомагнитный индекс Dst содержит информацию о планетарных возмущениях во время геомагнитных бурь.
Для изучения процессов суббури трехчасовой индекс не годится, за это время суббуря может начаться и закончиться. Детальную структуру флуктуаций магнитного поля из-за токов авроральной зоны (авроральная электроструя ) характеризует индекс авроральной электроструи AE . Для вычисления индекса AE используются магнитограммы Н-компонентов обсерваторий, расположенных на авроральных или субавроральных широтах и равномерно распределенных по долготе. В настоящее время индексы АЕ вычисляются по данным 12 обсерваторий, расположенных в северном полушарии на разных долготах между 60 и 70° геомагнитной широты. Для численного описания суббуревой активности используются также геомагнитные индексы АL (наибольшая отрицательная вариация магнитного поля), АU (наибольшая положительная вариация магнитного поля) и AЕ (разность АL и АU).

Dst-индекс за май 2005 г.

Кр, Ар, АА индексы

Индекс геомагнитной активности Кр рассчитывают каждые три часа по измерениям магнитного поля на нескольких станциях, расположенных в различных частях Земли. Он имеет уровни от 0 до 9, каждому следующему уровню шкалы соответствуют вариации в 1,6-2 раза большие предыдущего. Сильным магнитным бурям соответствуют уровни Кр больше 4. Так называемые супербури с Кр = 9 случаются достаточно редко. Наряду с Кр используют также индекс Ар, равный средней амплитуде вариаций геомагнитного поля по земному шару за сутки. Он измеряется в нанотеслах (земное поле равно примерно
50 000 нТл). Уровню Кр = 4 приблизительно соответствует Ар, равный 30, а уровню Кр = 9 отвечает Ар больше 400. Ожидаемые значения таких индексов и составляют основное содержание геомагнитного прогноза . Ар-индекс стал рассчитываться с 1932 года, поэтому для более ранних периодов используется АА-индекс – среднесуточная амплитуда вариаций, расчитываемая по двум антиподальным обсерваториям (Гринвич и Мельбурн) с 1867 г.

Комплексное влияние СКЛ и бурь на космическую погоду за счет проникновения СКЛ в магнитосферу Земли во время магнитных бурь

С точки зрения радиационной опасности, которую несут потоки СКЛ для высокоширотных участков орбит КА типа МКС, необходимо учитывать не только интенсивность событий СКЛ, но и границы их проникновения в магнитосферу Земли (см. подробнее лекцию 4.). Причем, как видно из приведенного рисунка, СКЛ проникают достаточно глубоко даже для небольших по амплитуде (-100 нТ и меньше) магнитных бурь.

Оценка радиационной опасности в высокоширотных областях траектории МКС по данным низкоорбитальных полярных спутников

Оценки доз радиации в высокоширотных областях траектории МКС, полученные на основании данных о спектрах и границах проникновения СКЛ в магнитосферу Земли по данным ИСЗ «Университетский-Татьяна» во время солнечных вспышек и магнитных бурь сентября 2005 года, были сопоставлены с дозами, экспериментально измеренными на МКС в высокоширотных областях. Из приведенных рисунков хорошо видно, что расчетные и экспериментальные значения согласуются, что говорит о возможности оценки радиационных доз на разных орбитах по данным низковысотных полярных спутников.

Карта доз на МКС (СРК) и сравнение расчетных и экспериментальных доз.

Магнитные бури как причина нарушения радиосвязи

Магнитные бури приводят к сильным возмущениям в ионосфере, которые в свою очередь, отрицательно сказываются на состояния радиоэфира . В приполярных районах и зонах аврорального овала ионосфера связана с наиболее динамичными областями магнитосферы и поэтому наиболее чувствительна к таким воздействиям. Магнитные бури в высоких широтах могут практически полностью блокировать радиоэфир на несколько суток. При этом страдают и другие сферы деятельности, например, авиасообщение . Другим негативным эффектом, связанным с геомагнитными бурями, является потеря ориентации ИСЗ, навигация которых осуществляется по геомагнитному полю, испытывающем во время бури сильные возмущенния . Естественно, что во время геомагнитных возмущений возникают проблемы и с радиолокацией.

Влияние магнитных бурь на функционирование телеграфных линий и линий электропередач, трубопроводов, железных дорог

Вариации геомагнитного поля, возникающие во время магнитных бурь в полярных и авроральных широтах (согласно известному закону электромагнитной индукции), генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в соленой воде и в искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов невелика и составляет примерно несколько вольт на километр, но в протяженных проводниках с низким сопротивлением − линиях связи и электропередач (ЛЭП), трубопроводах, рельсах железных дорог − полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер.
Наименее защищенными от подобного влияния являются воздушные низковольтные линии связи. Так, значительные помехи, возникавшие во время магнитных бурь, были отмечены уже на самых первых телеграфных линиях, построенных в Европе в первой половине XIX века. Значительные неприятности геомагнитная активность может доставлять и железнодорожной автоматике, особенно в приполярных районах. А в трубах нефте- и газопроводов, тянущихся на многие тысячи километров, индуцированные токи могут значительно ускорять процесс коррозии металла, что приходиться учитывать при проектировании и эксплуатации трубопроводов .

Примеры воздействия магнитных бурь на функционирование линий электропередач

Крупная авария, произошедшая во время сильнейшей магнитной бури 1989 года в энергетической сети Канады, наглядно продемонстрировала опасность магнитных бурь для ЛЭП. Исследования показали, что причиной аварии стали трансформаторы. Дело в том, что постоянная составляющая тока вводит трансформатор в неоптимальный режим работы с избыточным магнитным насыщением сердечника. Это приводит к избыточному поглощению энергии, перегреву обмоток и, в конце концов, к аварии всей системы. Последовавший анализ работоспособности всех энергетических установок Северной Америки выявил статистическую зависимость между количеством сбоев в зонах повышенного риска и уровнем геомагнитной активности .

Влияние магнитных бурь на состояние здоровья людей

В настоящее время имеются результаты медицинских исследований, доказывающих наличие реакции человека на геомагнитные возмущения. Данные исследования показывают, что существует достаточно большая категория людей, на которых магнитные бури действуют отрицательно: активность человека затормаживается, притупляется внимание, обостряются хронические заболевания. Следует отметить, что исследования воздействия геомагнитных возмущений на здоровье человека еще только начинаются, и результаты их достаточно спорны и противоречивы (подробнее см. материалы к теме "Как космическая погода влияет на нашу жизнь?").
Однако большинство исследователей сходится во мнении, что в данном случае существует три категории людей: на одних геомагнитные возмущения действуют угнетающе, на других, наоборот, возбуждающе, у третьих же никакой реакции не наблюдается.

Ионосферные суббури как фактор космической погоды

Суббури являются мощным источником электронов во внешней магнитосфере . Сильно возрастают потоки низкоэнергичных электронов, что приводит к существенному усилению электризации КА (подробнее см. материалы по теме "Электризация космических аппаратов"). Во время сильной суббуревой активности на несколько порядков возрастают потоки электронов во внешнем радиационном поясе Земли (РПЗ), что представляет серьезную опасность для ИСЗ, орбиты которых пересекают эту область, поскольку внутри КА накапливается достаточно большой объемный заряд, приводящий к выходу из строя бортовой электроники . В качестве примера можно привести проблемы с работой электронных приборов на ИСЗ Equator-S, Роlаг и Сalaxy-4, которые возникли на фоне длительной суббуревой активности и, как следствие, очень высоких потоков релятивистских электронов во внешней магнитосфере в мае 1998 г. .
Cуббури являются неотъемлемым спутником геомагнитных бурь, однако, интенсивность и длительность суббуревой активности имеет неоднозначную связь с мощностью магнитной бури. Важным проявлением связи "бури-суббури" является непосредственное влияние мощности геомагнитной бури на минимальную геомагнитную широту, на которой развиваются суббури. Во время сильных геомагнитных бурь суббуревая активность может опускаться с высоких геомагнитных широт, достигая средних широт. В данном случае на средних широтах будет наблюдаться нарушение радиосвязи, вызванное возмущающим воздействием на ионосферу энергичных заряженных частиц, генерируемых во время суббуревой активности.

Взаимосвязь солнечной и геомагнитной активности – современные тенденции

В некоторых современных работах, посвященных проблеме космическое погоды и космического климата, высказывается мысль о необходимости разделения солнечной и геомагнитной активности . На рисунке показано различие между среднемесячными значениями солнечных пятен, традиционно считающимися показателем СА (красный), и АА-индекса (синий), показывающим уровень геомагнитной активности. Из рисунка видно, что совпадение наблюдается далеко не для всех циклов СА.
Дело в том, что в максимумах СА большую долю составляют спорадические бури, за которые ответственны вспышки и КВМ, то есть явления, происходящие в областях Солнца с замкнутыми силовыми линиями. Но в минимумах СА большинство бурь реккурентные, причиной которых является приход к Земле высокоскоростных потоков солнечного ветра, истекающих из корональных дыр - областей с открытыми силовыми линиями. Таким образом, источники геомагнитной активности, по крайней мере, для минимумов СА, имеют существенно различную природу .

Ионизующее электромагнитное излучение солнечных вспышек

В качестве еще одного важного фактора космической погоды следует отдельно отметить ионизующее электромагнитное излучение (ИЭИ) солнечных вспышек. В спокойное время ИЭИ практически полностью поглощается на больших высотах, вызывая ионизацию атомов воздуха. Во время солнечных вспышек потоки ИЭИ от Солнца возрастают на несколько порядков, что приводит к разогреву и дополнительной ионизации верхней атмосферы.
В результате разогрева под воздействием ИЭИ , атмосфера “раздувается”, т.е. плотность ее на фиксированной высоте сильно увеличивается. Это представляет серьезную опасность для низковысотных ИСЗ и пилотируемых ОС, поскольку, попадая в плотные слои атмосферы, КА может быстро потерять высоту. Такая участь постигла американскую космическую станцию «Скайлэб» в 1972 году во время мощной солнечной вспышки - на станции не хватило топлива для возврата на прежнюю орбиту .

Поглощение коротковолнового радиоизлучения

Поглощение коротковолнового радиоизлучения является результатом того, что приход ионизующего электромагнитного излучения − УФ и рентгеновского излучения солнечных вспышек вызывает дополнительную ионизацию верхней атмосферы (см. подробнее в материалах по теме "Транзиентные световые явления в верхней атмосфере Земли"). Это приводит к ухудшению или даже полному прекращению радиосвязи на освещенной стороне Земли в течение несколько часов }