Геомагнітне поле (ГП) генерується джерелами, розташованими а також у магнітосфері та іоносфері. Воно захищає планету і життя на ній від згубного впливу. Його присутність спостерігав кожен, хто тримав компас і бачив, як один кінець стрілки вказує на південь, а інший на північ. Завдяки магнітосфері було здійснено великі відкриття у фізиці, і досі її наявність використовується для морської, підводної, авіаційної та космічної навігації.

Загальна характеристика

Наша планета – це величезний магніт. Північний його полюс знаходиться у "верхній" частині Землі, неподалік географічного полюса, а південний - поряд з відповідним географічним полюсом. З цих точок на багато тисяч кілометрів у космос простягаються силові магнітні лінії, що складають власне магнітосферу.

Магнітні та географічні полюси досить віддалені один від одного. Якщо провести чітку грань між магнітними полюсами, можна отримати магнітну вісь з кутом нахилу в 11,3° до осі обертання. Ця величина є непостійною, а все тому, що магнітні полюси переміщуються щодо поверхні планети, щорічно змінюючи своє місцезнаходження.

Природа геомагнітного поля

Магнітний екран генерується електричними струмами (зарядами, що рухаються), які народжуються в зовнішньому рідкому ядрі, розташованому всередині Землі на дуже пристойній глибині. Це текучий метал і він переміщається. Цей процесназивається конвекцією. Двигуна ядра утворює струми і, як наслідок, магнітні поля.

Магнітний екран надійно захищає Землю від Основне її джерело - сонячний вітер - рух іонізованих частинок, що витікають з Магнітосфери, відхиляє цей безперервний потік, перенаправляючи його навколо Землі, завдяки чому жорстка радіація не надає згубного впливу на все живе блакитну планету.

Якби у Землі не було гео магнітного поля, то сонячний вітер позбавив би її атмосфери. За однією з гіпотез саме це й трапилося на Марсі. Сонячний вітер - далеко не єдина загроза, оскільки Сонце також вивільняє велику кількість речовини та енергії у вигляді корональних викидів, що супроводжуються сильним потоком радіоактивних частинок. Проте й у випадках магнітне полі Землі захищає її, відхиляючи ці течії від планети.

Магнітний екран змінює свої полюси приблизно раз на 250 000 років. Північний магнітний полюсстає місце північного, і навпаки. Вчені не мають чіткого пояснення, чому таке відбувається.

Історія дослідження

Знайомство людей із дивовижними властивостями земного магнетизму відбулося ще на зорі цивілізації. Вже за часів античності людству був відомий магнітний залізняк - магнетит. Однак хто і коли виявив, що природні магніти однаково орієнтуються у просторі стосовно географічних полюсів планети, невідомо. За однією з версій, китайці були знайомі з цим явищем вже в 1100 році, проте використовувати його практично почали лише через два століття. У Західної Європимагнітний компас почали використовувати у навігації у 1187 році.

Будова та характеристики

Магнітне поле Землі можна поділити на:

• головне магнітне поле (95%), джерела якого знаходяться у зовнішньому, що проводить електрострум ядрі планети;
• аномальне магнітне поле (4%), що створюється гірськими породамиу верхньому шарі Землі з гарною магнітною сприйнятливістю (одна з найпотужніших – Курська магнітна аномалія);
• зовнішнє магнітне поле (також зване змінним, 1%), пов'язане із сонячно-земними взаємодіями.

Регулярні геомагнітні варіації

Зміни геомагнітного поляу часі під впливом як внутрішніх, і зовнішніх (стосовно поверхні планети) джерел називають магнітними варіаціями. Вони характеризуються відхиленням складових ГП від середнього значення у місці спостереження. Магнітні варіації мають безперервну перебудову в часі, причому такі зміни мають періодичний характер.

Регулярні варіації, що повторюються щодобово, - це зміни магнітного поля, пов'язані із сонячно- та місячно-добовими змінами напруженості ГП. Варіації досягають максимуму вдень та при місячному протистоянні.

Нерегулярні геомагнітні варіації

Дані зміни виникають внаслідок впливу сонячного вітру на земну магнітосферу, змін усередині самої магнітосфери та її взаємодії з іонізованим верхнім шаром атмосфери.

• Двадцятисемиденні варіації існують як закономірність до повторного зростання магнітної збуреності через кожні 27 діб, що відповідають періоду обертання головного небесного світила щодо земного спостереження. Ця тенденція зумовлена ​​існуванням активних областей-довгожителів на нашій рідній зірці, які спостерігаються протягом кількох її оборотів. Виявляється вона у вигляді 27-добової повторюваності геомагнітної збуреності та
• Одинадцятирічні варіації пов'язані з періодичністю освітою плям Сонця. Виявлено, що в роки найбільшого скупчення темних областей на сонячному диску магнітна активність також досягає свого максимуму, проте зростання геомагнітної активності відстає від сонячної сонячної в середньому - на рік.
• Сезонні варіації мають два максимуми і два мінімуми, що відповідають періодам рівнодення та часу сонцевороту.
• Вікові, на відміну від перерахованих вище, - зовнішнього походження, утворюються в результаті руху речовини і хвильових процесів в рідкому електропровідному ядрі планети і є головним джерелом інформації про електричну провідність нижньої мантії і ядра, про фізичні процеси, що призводять до конвекції речовини, а також про механізм генерації геомагнітного поля Землі Це найповільніші варіації – з періодами від кількох років до року.

Вплив магнітного поля на живий світ

Незважаючи на те, що магнітний екран не можна побачити, мешканці планети чудово його відчувають. Наприклад, перелітні птахи будують свій маршрут, орієнтуючись саме на нього. Вчені висувають кілька гіпотез щодо цього явища. Одна з них припускає, що пернаті сприймають його візуально. В очах перелітних птахів є спеціальні білки (криптохроми), які здатні змінювати своє становище під впливом геомагнітного поля. Автори цієї гіпотези впевнені, що криптохроми можуть виконувати роль компасу. Однак не тільки птахи, а й морські черепахи використовують магнітний екран як GPS-навігатор.

Вплив магнітного екрану на людину

Вплив геомагнітного поля на людину принципово відрізняється від будь-якого іншого, чи це радіація чи небезпечний струм, оскільки воно впливає на людський організмповністю.

Вчені вважають, що геомагнітне поле діє в ультранизькому діапазоні частот, внаслідок чого відповідає основним фізіологічним ритмам: дихальному, серцевому та мозковому. Людина може і не відчувати нічого, але організм при цьому все ж таки реагує на нього функціональними змінами нервової, серцево-судинної системта діяльності мозку. Психіатри вже багато років відстежують взаємозв'язок між сплесками інтенсивності геомагнітного поля та загостренням психічних недуг, які часто призводять до суїциду.

"Індексування" геомагнітної активності

Обурення магнітного поля, пов'язані із змінами магнітосферно-іоносферної струмової системи, називаються геомагнітною активністю (ГА). Для визначення її рівня використовуються два індекси – А та К. Останній показує величину ГА. Він вираховується на основі вимірювань магнітного екрану, що здійснюються щодня з тригодинним інтервалом, починаючи з 00:00 UTC (світовий координований час). Найбільші показники магнітного обурення зіставляються зі значеннями геомагнітного поля спокійного дня для певної наукової установи, при цьому до уваги беруться максимальні величини із спостережуваних відхилень.

На основі отриманих даних обчислюється індекс К. Через те, що він є квазілогарифмічною величиною (тобто збільшується на одиницю при збільшенні обурення приблизно в 2 рази), його не можна усереднювати з метою отримання довгострокової історичної картинистани геомагнітного поля планети. Для цього є індекс А, що є денним середнім значенням. Визначається він досить просто - кожен вимір індексу перетворюється на еквівалентний індекс. Значення К, отримані протягом усього дня, усереднюються, завдяки чому вдається отримати індекс А, значення якого у звичайні дні не перевищує поріг у 100, а в період найсерйозніших магнітних бурможе перевалювати за 200.

Оскільки обурення геомагнітного поля у різних точках планети виявляються неоднаково, то значення індексу А з різних наукових джерелможуть помітно відрізнятися. Щоб не було такого розбігу, індекси А, отримані обсерваторіями, зводяться до середнього і з'являється глобальний індекс А р. Те саме і з індексом К р, який являє собою дробову величину в інтервалі 0-9. Його значення від 0 до 1 говорить про те, що геомагнітне поле в нормі, отже, зберігаються оптимальні умови для проходження на короткохвильових діапазонах. Звісно, ​​за умови досить інтенсивного потоку сонячного випромінювання. Геомагнітне поле 2 бали характеризується як помірне магнітне обурення, що трохи ускладнює проходження дециметрових хвиль. Значення від 5 до 7 говорять про наявність геомагнітних бур, що створюють серйозні перешкоди згаданому діапазону, а при сильному штормі (8-9 балів) роблять проходження коротких хвиль неможливим.

Вплив магнітних бур на людське здоров'я

Негативний вплив магнітних бур схильні до 50-70% населення всього світу. При цьому початок стресової реакції в одних людей відзначається за 1-2 дні до магнітного збурення, коли спостерігаються спалахи на сонці. В інших – у самий пік або через деякий час після надмірної геомагнітної активності.

Метозалежним людям, а також тим, хто страждає на хронічні хвороби, необхідно відстежувати інформацію про геомагнітне поле на тиждень, щоб при можливому наближенні магнітних бур виключити фізичні та емоційні навантаження, а також будь-які дії та події, здатні призвести до стресу.

Синдром дефіциту магнітного поля

Ослаблення геомагнітного поля в приміщеннях (гіпогеомагнітне поле) виникає через конструктивні особливості різних будов, матеріалів стін, а також намагнічених конструкцій. При знаходженні в приміщенні з ослабленим ДП порушується кровообіг, постачання кисню та поживних речовин до тканин та органів. Послаблення магнітного екрану також впливає на нервову, серцево-судинну, ендокринну, дихальну, кісткову та м'язову системи.

Японський лікар Накагава «обізвав» це явище «синдромом дефіциту магнітного поля людини». За своєю значимістю це поняття цілком може конкурувати з дефіцитом вітамінів та мінералів.

Основними симптомами, що вказують на наявність даного синдрому, є:

• підвищена стомлюваність;
• зниження працездатності;
• безсоння;
• головний та суглобові болі;
• гіпо-і гіпертонія;
• збої у травній системі;
• порушення у роботі серцево-судинної системи.

Ви напевно звертали увагу на всілякі банери та цілі сторінки на сайтах радіоаматорської тематики, що містять різноманітні індекси та показники поточної сонячної та геомагнітної активності. Ось вони нам і потрібні для оцінки умов проходження радіохвиль на найближчий час. Незважаючи на все різноманіття джерел даних, одним із найпопулярніших є банери, які надає Paul Herrman (N0NBH), причому абсолютно безкоштовно.

На його сайті можна вибрати будь-який із 21 доступних банерів для розміщення у зручному для вас місці, або скористатися ресурсами, на яких ці банери вже встановлені. Загалом вони можуть відображати до 24 параметрів залежно від форм-фактора банера. Нижче наводяться короткі відомостіза кожним із параметрів банера. На різних банерах позначення одних і тих параметрів можуть відрізнятися, тому в деяких випадках наводиться кілька варіантів.

Параметри сонячної активності

Індекси сонячної активності відображають рівень електромагнітного випромінювання та інтенсивність потоку частинок, джерелом яких є Сонце.
Інтенсивність потоку сонячного випромінювання (SFI)

SFI - це показник інтенсивності випромінювання на частоті 2800 МГц, що генерується Сонцем. Ця величина не має прямого впливу на проходження радіохвиль, але її значення набагато легше виміряти, а вона добре корелює з рівнями сонячного ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання.
Число сонячних плям (SN)

SN – це не просто кількість плям на Сонці. Значення цієї величини залежить від кількості та розміру плям, а також від характеру їх розташування на поверхні Сонця. Діапазон значень SN - від 0 до 250. Чим вище значення SN, тим вище інтенсивність ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання, яке підвищує іонізацію Земна атмосфераі призводить до формування в ній шарів D, E і F. C зростанням рівня іонізації іоносфери підвищується і максимально застосовна частота (MUF). Таким чином, збільшення значень SFI і SN свідчить про збільшення ступеня іонізації в шарах E і F, що в свою чергу позитивно впливає на умови проходження радіохвиль.

Інтенсивність рентгенівського випромінювання (X-Ray)

Розмір цього показника залежить від інтенсивності рентгенівського випромінювання, що досягає Землі. Значення параметра складається з двох частин - літери, що відображає клас активності випромінювання, і числа, що показує потужність випромінювання в одиницях Вт/м2. Від інтенсивності рентгенівського випромінювання залежить рівень іонізації шару D іоносфери. Зазвичай у денний часшар D поглинає радіосигнали на низькочастотних КВ діапазонах (1.8 - 5 МГц) та значно послаблює сигнали в діапазоні частот 7-10 МГц. Зі зростанням інтенсивності рентгенівського випромінювання шар D розширюється і в екстремальних ситуаціяхможе поглинати радіосигнали практично у всьому КВ-діапазоні, ускладнюючи радіозв'язок і іноді призводячи до практично повного радіомовчання, яке може тривати кілька годин.

Це значення відображає відносну інтенсивність всього сонячного випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні (довжина хвилі 304 ангстрем). Ультрафіолетове випромінюваннязначно впливає на рівень іонізації іоносферного шару F. Значення 304A корелює зі значенням SFI, тому його збільшення призводить до поліпшення умов проходження радіохвиль відбиттям від шару F.

Міжпланетне магнітне поле (Bz)

Індекс Bz відображає силу та напрямок міжпланетного магнітного поля. Позитивне значення цього параметра означає, що напрямок міжпланетного магнітного поля збігається з напрямком магнітного поля Землі, а негативне значеннясвідчить про ослаблення магнітного поля Землі та зниження його екрануючих ефектів, що у свою чергу посилює вплив заряджених частинок на земну атмосферу.

Сонячний вітер (Solar Wind/SW)

SW - це швидкість заряджених частинок (км/год), що досягли поверхні Землі. Значення індексу може лежати в інтервалі від 0 до 2000. Типове значення — близько 400. Чим вище швидкість частинок, тим більший тиск зазнає іоносфери. При значеннях SW, що перевищують 500 км/год, сонячний вітер може викликати обурення магнітного поля Землі, що призведе до руйнації іоносферного шару F, зниження рівня іонізації іоносфери і погіршення умов проходження на КВ-діапазонах.

Потік протонів (Ptn Flx/PF)

PF – це щільність протонів усередині магнітного поля Землі. Звичайне значення вбирається у 10. Протони, вступили у взаємодію Космосу з магнітним полем Землі, переміщаються з його лініях у бік полюсів, змінюючи у цих зонах щільність іоносфери. При значеннях щільності протонів понад 10000 збільшується згасання радіосигналів, що проходять через полярні зони Землі, а при значеннях понад 100000 можлива повна відсутність радіозв'язку.

Потік електронів (Elc Flx/EF)

Цей параметр відбиває інтенсивність потоку електронів усередині магнітного поля Землі. Іоносферний ефект від взаємодії електронів з магнітним полем аналогічний потоку протонів на авроральних трасах при значеннях EF, що перевищують 1000.
Рівень шуму (Sig Noise Lvl)

Це значення одиницях шкали S-метра показує рівень шумового сигналу, що виникає внаслідок взаємодії сонячного вітру з магнітним полем Землі.

Параметри геомагнітної активності

Є два аспекти, за якими інформація про геомагнітну обстановку важлива для оцінки проходження радіохвиль. З одного боку, зі зростанням обурення магнітного поля Землі руйнується іоносферний шар F, що негативно позначається на проходженні коротких хвиль. З іншого боку, виникають умови для аврорального проходження на УКХ.

Індекси A та К (A-Ind/K-Ind)

Стан магнітного поля Землі характеризується індексами A і K. Збільшення значення індексу K свідчить про наростаючу його нестабільність. Значення K, що перевищують 4, означають наявність магнітної бурі. Як базовий величини визначення динаміки зміни значень індексу K використовується індекс A.
Аврора (Aurora/Aur Act)

Значення цього параметра є похідною величиною рівня потужності сонячної енергії, що вимірюється в гігаватах, яка досягає полярних областей Землі. Параметр може приймати значення в інтервалі від 1 до 10. Чим більший рівень сонячної енергії, тим сильніша іонізація шару F іоносфери. Чим більше значення цього параметра, тим меншу широту має межа авроральної шапки і тим більша ймовірність виникнення полярних сяйв. При високих значенняхпараметра з'являється можливість проведення далеких радіозв'язків на УКХ, але при цьому полярні траси на КВ частотах можуть бути частково або повністю заблоковані.

Широта (Aur Lat)

Максимальна широта, де можливе авроральне проходження.

Максимально застосовна частота (MUF)

Значення максимально застосовної частоти, виміряне у зазначеній метеорологічній обсерваторії (або обсерваторіях, залежно від виду банера) на наведений момент часу (UTC).

Згасання на трасі Земля-Луна-Земла (EME Deg)

Цей параметр характеризує величину загасання в децибелах радіосигналу, відбитого від місячної поверхніна трасі Земля-Луна-Земля, і може приймати наступні значення: Very Poor (> 5.5 дБ), Poor (> 4 дБ), Fair (> 2.5 дБ), Good (> 1.5 дБ), Excellent (

Геомагнітний стан (Geomag Field)

Цей параметр характеризує поточну геомагнітну обстановку на основі значення індексу K. Його шкала умовно поділена на 9 рівнів від Inactive до Extreme Storm. При значеннях Major, Severe та Extreme Storm проходження на КВ діапазонах погіршується до повного їх закриття, а ймовірність виникнення аврорального проходження збільшується.

За відсутності програми непоганий оціночний прогноз можна зробити самостійно. Очевидно, що великі значення індексу сонячного потоку це добре. Взагалі кажучи, чим інтенсивнішим є потік, тим краще будуть умови проходження на високочастотних КВ діапазонах, включаючи діапазон 6 м. Однак, слід мати на увазі так само і значення потоку за попередні дні. Збереження великих значень протягом кількох днів забезпечить більше високий ступіньіонізації шару F2 іоносфери. Зазвичай значення, що перевищують 150, гарантують хороше проходження КВ. Високі рівнігеомагнітної активності мають так само і несприятливий побічним ефектом, що значно знижує МПЛ. Чим вищий рівень геомагнітної активності згідно з індексами Ap і Kp, тим нижчий МПЛ. Фактичні значення МПЧ залежать не тільки від сили магнітної бурі, але також від її тривалості.

• Сонячні космічні промені (СКЛ) - протони, електрони, ядра, що утворилися у спалахах на Сонці і досягли орбіти Землі після взаємодії з міжпланетним середовищем.
• Магнітосферні бурі та суббурі, викликані приходом до Землі міжпланетною ударної хвилі, пов'язаної як з КВМ і КОВ, так і з високошвидкісними потоками сонячного вітру;
• Іонізуюче електромагнітне випромінювання(ІЕІ) сонячних спалахів, що викликає розігрів та додаткову іонізацію верхньої атмосфери;
• Зростання потоків релятивістських електронів у зовнішньому радіаційному поясі Землі пов'язані з приходом до Землі високошвидкісних потоків сонячного вітру.

Сонячні космічні промені (СКЛ)

Енергійні частинки, що утворилися в спалахах, - протони, електрони, ядра - після взаємодії з міжпланетним середовищем можуть досягти орбіти Землі. Вважають, що найбільший внесок у сумарну дозу вносять сонячні протони з енергією 20-500 МеВ. Максимальний потік протонів з енергією вище 100 МеВ від потужного спалаху 23 лютого 1956 р. становив 5000 частинок на см -2 з -1.
(Див. докладніше матеріали до теми "Сонячні космічні промені").
Основне джерело СКЛ- Сонячні спалахи, в окремих випадках - розпад протуберанця (волокна).

СКЛ як основне джерело радіаційної небезпеки в ОКП

Потоки сонячних променів значно підвищують рівень радіаційної небезпеки для космонавтів, а також екіпажів та пасажирів висотних літаків на полярних трасах; призводять до втрат супутників і виходу з ладу апаратури, що використовується на космічних об'єктів. Про шкоду, яку радіація завдає живим істотам досить добре відомо (докладніше див. матеріали до теми "Як космічна погода впливає на наше життя?"), але також велика доза опромінення може виводити з ладу та електронне обладнання, встановлене на космічних апаратах (див. .докладніше лекцію 4 та матеріали до тем з впливу зовнішнього середовища на космічні апарати, їх елементи та матеріали).
Чим складніша і сучасніша мікросхема, тим менші розміри кожного елемента і тим більша ймовірність збоїв, які можуть призвести до її неправильної роботи і навіть до зупинки процесора.
Наведемо наочний приклад того, як потоки СКЛ високих енергій впливають стан наукової апаратури, встановленої на космічних апаратах.

На малюнку для порівняння наведені фотографії Сонця, зроблені приладом EIT (SOHO), зроблені до (07:06 UT 28/10/2003) та після потужного спалаху на Сонці, що стався близько 11:00 UT 28/10/2003, після якого ОКП потоки протонів з енергіями 40-80 МеВ зросли майже 4 порядку. За кількістю "снігу" на правому малюнку видно, наскільки матриця приладу, що реєструє, пошкоджена потоками спалахових частинок.

Вплив зростання потоків СКЛ на озоновий шар Землі

Оскільки джерелами оксидів азоту і водню, вмістом яких у середній атмосфері визначається кількість озону, можуть бути високоенергійні частинки (протони і електрони) СКЛ, їх вплив має бути враховано при фотохімічному моделюванні та інтерпретації даних спостережень у моменти сонячних протонних подій або сильних геомагнітних.

Сонячні протонні події

Роль 11-річної варіації ГКЛ при оцінці радіаційної безпеки довгострокових космічних польотів

При оцінці радіаційної безпеки тривалих космічних польотів(Таких, наприклад, як планована експедиція на Марс) стає необхідним облік вкладу в радіаційну дозу галактичних космічних променів (ГКЛ) (детальніше дивись лекцію 4). Крім того, для протонів з енергією вище 1000 МеВ величина потоків ГКЛ та СКЛ стає порівнянною. При розгляді різних явищ на Сонці та в геліосфері на тимчасових інтервалах завдовжки кілька десятиліть і більш визначальним їх фактором є 11-річна і 22-річна циклічність сонячного процесу. Як очевидно з малюнка, інтенсивність ГКЛ змінюється протифазі з числом Вольфа. Це дуже важливо, оскільки в мінімумі СА міжпланетне середовище обурене слабко, а потоки ГКЛ максимальні. Маючи високий рівень іонізації і будучи всепроникающими, у періоди мінімуму СА ГКЛ визначають дозові навантаження людини у космічних і авіаційних польотах. Проте процеси сонячної модуляції виявляються досить складними і зводяться лише до антикореляції з числом Вольфа. .

На малюнку показано модуляцію інтенсивності КЛ в 11-річному сонячному циклі.

Сонячні електрони

Сонячні електрони високих енергій можуть викликати об'ємну іонізацію КА, а також виступати як «електрони-кілери» для мікросхем, встановлених на космічних апаратах. Через потоки СКЛ порушується короткохвильовий зв'язок у приполярних районах та виникають збої в навігаційних системах.

Магнітосферні бурі та суббурі

Іншими важливими наслідками прояву сонячної активності, що впливають на стан навколоземного простору, є магнітні бурі- сильні (десятки та сотні нТл) зміни горизонтальної складової геомагнітного поля, виміряного на поверхні Землі на низьких широтах. Магнітосферна буря- це сукупність процесів, що відбуваються в магнітосфері Землі під час магнітної бурі, коли відбувається сильне підтискання кордону магнітосфери з денного боку, інші значні деформації структури магнітосфери, формується кільцевий струм енергійних частинок у внутрішній магнітосфері.
Термін "суббуря" було введено у 1961р. С-І. Акасофу для позначення авроральних збурень у зоні сяйв тривалістю близько години. У магнітних даних ще раніше були виділені бухтоподібні обурення, що збігаються за часом із суббурею в полярних сяйв. Магнітосферна суббуря- це сукупність процесів у магнітосфері та іоносфері, яку в загальному випадку можна характеризувати як послідовність процесів накопичення енергії в магнітосфері та її вибухового вивільнення. Джерело магнітних бур− прихід до Землі високошвидкісної сонячної плазми (сонячного вітру), а також КОВ та пов'язаної з ними ударної хвилі. Високошвидкісні потоки сонячної плазми у свою чергу діляться на спорадичні, пов'язані з сонячними спалахами і КВМ, і квазістаціонарні, що виникають над корональними дірками. Магнітні бурі відповідно до їхнього джерела поділяються на спорадичні та рекурентні. (Докладніше див. лекцію 2).

Геомагнітні індекси – Dst, AL, AU, AE

Чисельною характеристикою, що відбиває геомагнітні збурення, є різні геомагнітні індекси – Dst, Kp, Ap, AA та інші.
Амплітуду варіацій магнітного поля Землі часто використовують як найбільш загальну характеристику сили магнітних бур. Геомагнітний індекс Dstмістить інформацію про планетарні обурення під час геомагнітних бур.
Для вивчення процесів суббурі тригодинний індекс не годиться, цей час суббуря може розпочатися і закінчитися. Детальну структуру флуктуацій магнітного поля через струми авроральної зони ( авроральний електрострум) характеризує індекс аврорального електроструму AE. Для обчислення індексу AE використовуються магнітограми Н-компонентівобсерваторій, розташованих на авроральних або субавроральних широтах та рівномірно розподілених за довготою. В даний час індекси АЕ обчислюються за даними 12 обсерваторій, розташованих у північній півкулі на різних довготах між 60 і 70 ° геомагнітної широти. Для чисельного опису суббурової активності використовуються також геомагнітні індекси АL (найбільша негативна варіація магнітного поля), AU (найбільша позитивна варіація магнітного поля) та AE (різниця АL та AU).

Dst-індекс за травень 2005 р.

Кр, Ар, АА індекси

Індекс геомагнітної активності Кр розраховують кожні три години за вимірюваннями магнітного поля на кількох станціях, розташованих у різних частинахЗемлі. Він має рівні від 0 до 9, кожному наступному рівню шкали відповідають варіації в 1,6-2 рази більші за попередній. Сильним магнітним бурям відповідають рівні Кр більше 4. Так звані супербурі з Кр = 9 трапляються досить рідко. Поряд з Кр використовують також індекс Ар, рівний середній амплітуді варіацій геомагнітного поля по земній куліза добу. Він вимірюється в нанотеслах (земне поле дорівнює приблизно
50000 нТл). Рівню Кр = 4 приблизно відповідає Ар, що дорівнює 30, а рівню Кр = 9 відповідає Ар більше 400. Очікувані значення таких індексів і становлять основний зміст геомагнітного прогнозу. Ар-індекс став розраховуватися з 1932 року, тому для більш ранніх періодів використовується АА-індекс – середньодобова амплітуда варіацій, що розраховується за двома антиподальними обсерваторіями (Грінвіч і Мельбурн) з 1867 року.

Комплексний вплив СКЛ та бур на космічну погоду за рахунок проникнення СКЛ у магнітосферу Землі під час магнітних бур

З погляду радіаційної небезпеки, яку несуть потоки СКЛ для високоширотних ділянок орбіт КА типу МКС, необхідно враховувати як інтенсивність подій СКЛ, а й межі їхнього проникнення в магнітосферу Землі(Див. Докладніше лекцію 4.). Причому, як видно з наведеного малюнка, СКЛ проникають досить глибоко навіть для невеликих по амплітуді (-100 нТ і менше) магнітних бур.

Оцінка радіаційної небезпеки у високоширотних областях траєкторії МКС за даними низькоорбітальних полярних супутників

Оцінки доз радіації у високоширотних областях траєкторії МКС, отримані на підставі даних про спектри та межі проникнення СКЛ у магнітосферу Землі за даними ШСЗ «Університетський-Тетяна» під час сонячних спалахів та магнітних бур вересня 2005 року, були зіставлені з дозами, експеримент у високоширотних областях. З наведених малюнків добре видно, що розрахункові та експериментальні значення узгоджуються, що говорить про можливість оцінки радіаційних доз на різних орбітах за даними низьковисотних полярних супутників.

Карта доз на МКС (СРК) та порівняння розрахункових та експериментальних доз.

Магнітні бурі як причина порушення радіозв'язку

Магнітні бурі призводять до сильних обурень в іоносфері, які, у свою чергу, негативно позначаються на стані радіоефіру. У приполярних районах та зонах аврорального овалу іоносфера пов'язана з найбільш динамічними областями магнітосфери і тому найбільш чутлива до таких дій. Магнітні бурі у високих широтах можуть повністю блокувати радіоефір на кілька діб. При цьому страждають інші сфери діяльності, наприклад, авіасполучення. Іншим негативним ефектом, пов'язаним з геомагнітними бурями, є втрата орієнтації ШСЗ, навігація яких здійснюється геомагнітним полем, що зазнає під час бурі сильні обурення. Природно, що під час геомагнітних збурень виникають проблеми з радіолокацією.

Вплив магнітних бур на функціонування телеграфних ліній та ліній електропередач, трубопроводів, залізниць

Варіації геомагнітного поля, що виникають під час магнітних бур у полярних та авроральних широтах (відповідно до відомого закону електромагнітної індукції), генерують вторинні електричні струмиу провідних шарах літосфери Землі, у солоній воді та у штучних провідниках. Різниця потенціалів, що наводиться, невелика і становить приблизно кілька вольт на кілометр, але в протяжних провідниках з низьким опором − лініях зв'язку та електропередач (ЛЕП), трубопроводах, рейках залізниць − повна сила індукованих струмів може досягати десятків та сотень ампер.
Найменш захищеними від такого впливу є повітряні низьковольтні лінії зв'язку. Так, значні перешкоди, що виникали під час магнітних бур, були відзначені вже на перших телеграфних лініях, побудованих у Європі в першій половині XIX століття. Значні негаразди геомагнітна активність може завдавати і залізничної автоматики, особливо у приполярних районах. А в трубах нафто- і газопроводів, що тягнуться на багато тисяч кілометрів, індуковані струми можуть значно прискорювати процес корозії металу, що доводиться враховувати при проектуванні та експлуатації трубопроводів.

Приклади впливу магнітних бур на функціонування ліній електропередач

Велика аварія, що сталася під час найсильнішої магнітної бурі 1989 року в енергетичній мережі Канади, продемонструвала небезпеку магнітних бур для ЛЕП. Дослідження засвідчили, що причиною аварії стали трансформатори. Справа в тому, що постійна складова струму вводить трансформатор у неоптимальний режим роботи з надлишковим магнітним насиченням осердя. Це призводить до надмірного поглинання енергії, перегріву обмоток і, зрештою, аварії всієї системи. Послідовний аналіз працездатності всіх енергетичних установок Північної Америки виявив статистичну залежність між кількістю збоїв у зонах підвищеного ризику та рівнем геомагнітної активності.

Вплив магнітних бур на стан здоров'я людей

В даний час є результати медичних досліджень, що доводять наявність реакції людини на геомагнітні збурення. Дані дослідження показують, що є досить велика категорія людей, у яких магнітні бурі діють негативно: активність людини загальмовується, притуплюється увагу, загострюються хронічні захворювання. Слід зазначити, що дослідження впливу геомагнітних обурень на здоров'я людини ще тільки починаються, і результати їх досить суперечливі (див. матеріали до теми "Як космічна погода впливає на наше життя?").
Однак більшість дослідників сходиться на думці, що в даному випадкуіснує три категорії людей: на одних геомагнітні обурення діють гнітюче, на інших, навпаки, збудливо, у третіх ніякої реакції не спостерігається.

Іоносферні суббурі як фактор космічної погоди

Суббурі є потужним джерелом електронів у зовнішній магнітосфері. Сильно зростають потоки низькоенергічних електронів, що призводить до суттєвого посилення електризації КА(Докладніше див. матеріали на тему "Електризація космічних апаратів). Під час сильної суббурової активності на кілька порядків зростають потоки електронів у зовнішньому радіаційному поясі Землі (РПЗ), що становить серйозну небезпеку для ШСЗ, орбіти яких перетинають цю область, оскільки всередині КА накопичується досить великий об'ємний заряд, що призводить до виходу з ладу бортової електроніки. Як приклад можна навести проблеми з роботою електронних приладів на ШСЗ Equator-S, Роlаг та Сalaxy-4, які виникли на тлі тривалої суббурової активності і, як наслідок, дуже високих потоків релятивістських електронів у зовнішній магнітосфері у травні 1998 року.
Cуббури є невід'ємним супутником геомагнітних бур, проте інтенсивність і тривалість суббурової активності має неоднозначний зв'язок з потужністю магнітної бурі. Важливим проявом зв'язку бурі-суббурі є безпосередній вплив потужності геомагнітної бурі на мінімальну геомагнітну широту, на якій розвиваються суббурі. Під час сильних геомагнітних бур суббурова активність може опускатися з високих геомагнітних широт, досягаючи середніх широт. В даному випадку на середніх широтах спостерігатиметься порушення радіозв'язку, викликане впливом, що обурює, на іоносферу енергійних заряджених частинок, що генеруються під час суббурової активності.

Взаємозв'язок сонячної та геомагнітної активності – сучасні тенденції

У деяких сучасних роботах, присвячених проблемі космічної погоди та космічного клімату, висловлюється думка про необхідність поділу сонячної та геомагнітної активності. На малюнку показано різницю між середньомісячними значеннями сонячних плям, які традиційно вважаються показником СА (червоний), і АА-індексу (синій), що показує рівень геомагнітної активності. З малюнка видно, що збіг спостерігається далеко ще не всіх циклів СА.
Справа в тому, що в максимумах СА велику частку становлять спорадичні бурі, за які відповідальні спалахи та КВМ, тобто явища, що відбуваються в областях Сонця із замкнутими силовими лініями. Але в мінімумах СА більшість бур реккурентна, причиною яких є прихід до Землі високошвидкісних потоків сонячного вітру, що витікають з корональних дірок - областей з відкритими силовими лініями. Таким чином, джерела геомагнітної активності, принаймні для мінімумів СА, мають суттєво різну природу.

Іонізуюче електромагнітне випромінювання сонячних спалахів

Як ще один важливий чинник космічної погоди слід окремо відзначити іонізуюче електромагнітне випромінювання (ІЕІ) сонячних спалахів. У спокійний час ІЕІ практично повністю поглинається на висотах, викликаючи іонізацію атомів повітря. Під час сонячних спалахів потоки ІЕІ від Сонця зростають на кілька порядків, що призводить до розігрівуі додаткової іонізації верхньої атмосфери
В результаті розігріву під впливом ІЕІ, атмосфера “роздувається”, тобто. густина її на фіксованій висоті сильно збільшується. Це є серйозною небезпекою для низьковисотних ШСЗ і пілотованих ОС, оскільки, потрапляючи в щільні шари атмосфери, КА може швидко втратити висоту. Така доля спіткала американську космічну станцію «Скайлеб» у 1972 році під час потужного сонячного спалаху – на станції не вистачило палива для повернення на колишню орбіту.

Поглинання короткохвильового радіовипромінювання

Поглинання короткохвильового радіовипромінюванняє результатом того, що прихід іонізуючого електромагнітного випромінювання – УФ та рентгенівського випромінювання сонячних спалахів викликає додаткову іонізацію верхньої атмосфери (див. докладніше у матеріалах на тему "Транзієнтні світлові явища у верхній атмосфері Землі"). Це призводить до погіршення або навіть повного припинення радіозв'язку на освітленому боці Землі протягом кількох годин }