Геомагнитная буря 5 баллов что значит. Мировой центр данных. Кр, Ар, АА индексы

Г е о м а г н и т н ы е À, K и Kp и н д е к с ы.

Регулярные суточные вариации магнитного поля создаются, в основном, изменениями токов в ионосфере Земли из-за изменения освещенности ионосферы Солнцем в течение суток. Нерегулярные вариации магнитного поля создаются вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, изменениями внутри магнитосферы, и взаимодействия магнитосферы и ионосферы

Индексы геомагнитной активности предназначены для описания вариаций магнитного поля Земли, вызванных этими нерегулярными причинами. К-индекс - это квазилогарифмический (увеличивается на единицу при увеличении возмущенности приблизительно в два раза) индекс, вычисляемый по данным конкретной обсерватории за трехчасовой интервал времени. Индекс был введен Дж. Бартельсом в 1938 г. и представляет собой значения от 0 до 9 для каждого трехчасового интервала (0-3, 3-6, 6-9 и т.д.) мирового времени. Для вычисления индекса берется изменение магнитного поля за трехчасовой интервал, из него вычитается регулярная часть, определяемая по спокойным дням, и полученная величина по специальной таблице переводится в К-индекс.

Поскольку магнитные возмущения проявляются по разному в различных местах на земном шаре, то для каждой обсерватории существует своя таблица, построенная так, чтобы различные обсерватории в среднем за большой интервал времени давали одинаковые индексы.

Для обсерватории Москва эта таблица задается так:

Ap является линейным индексом (увеличение возмущения в несколько раз дает такое же увеличение индекса) и во многих случаях использование Ap индекса имеет больше физического смысла.

Качественно состояние магнитного поля в зависимости от Кp-индекса можно приблизительно охарактеризовать следующим образом:

Планетарные Кp и Ap индексы имеются с 1932 г. и могут быть получены по запросу по FTP из

• 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 }