1 сентября 1859 года британский астроном Ричард Кэррингтон, который уже несколько дней наблюдал за скоплением пятен на Солнце, заметил нечто совершенно неожиданное: пятна внезапно взорвались огромными вспышками, выплеснув языки света из солнечного диска. Что произошло, ученый не знал, но последствия уже через 18 часов ощутил весь мир. Северные сияния озарили небо даже в тропиках, ночью стало светло, как днем, а телеграфные линии заискрились и начали передавать сообщения, будучи отключенными от батарей. Люди викторианской эпохи были зачарованы удивительным природным явлением, о нем наперебой писали газеты. Но потребовалось время, чтобы осознать, какую серьезную угрозу оно несет для человечества. На тогдашнюю цивилизацию его влияние было несущественным, но для нынешней, полностью зависимой от электричества и связи, подобное событие может стать общемировой катастрофой. А ведь это далеко не самый мощный геомагнитный шторм, с которым сталкивалась наша планета. Рассказываем, что произошло 166 лет назад и к чему такое явление может привести сегодня.
Пробный удар
28 августа 1859 года викторианский мир впервые столкнулся с космической стихией. В воскресенье вечером жители северных штатов Америки увидели в небе необычное свечение: яркие лучи света поднимались от горизонта к зениту, постоянно меняя форму и цвет.
В штате Вермонт люди увидели зарево за горой и сначала подумали, что там пожар. «В семь тридцать нас известили о большом пожаре за горой на севере, и мы вышли посмотреть. Вскоре красные облака начали исчезать, и зеленые шпили взметнулись с того же места», — писала газета Boston Transcript.
Небо переливалось от зеленого к красному в течение трех часов. Объекты вдали можно было различить «более ясно и четко, чем при полной луне». Подобное сияние охватило даже Австралию — газета The Hobart Town Mercury назвала увиденное «самым великолепным полярным сиянием из когда-либо наблюдавшихся в [британской] колонии».
Но красота на небе обернулась проблемами на земле. В тот же вечер телеграфные операторы по всему миру столкнулись с небывалыми трудностями. Опытный телеграфист из Вашингтона Фредерик Ройс недоумевал: ток в линиях то появлялся, то пропадал. В Питтсбурге менеджер телеграфа по фамилии Калган сообщал, что токи в проводах стали настолько мощными, что платиновые контакты оказались под угрозой расплавления, а из цепей лились «потоки огня». На некоторых станциях, где в работе с телеграфными лентами использовали химикаты, листы загорались от скачков напряжения. Между Квебеком и другими станциями связь стала практически невозможной.
Коммерческое использование телеграфа началось в 1830-х годах и быстро развилось в 1840-х. К 1859 году в развитых странах было уже много телеграфных линий — они представляли собой провода, подвешенные на столбах. В 1861-м в США открылась первая трансконтинентальная линия телеграфа.
«Никогда за пятнадцать лет работы с телеграфными линиями я не был свидетелем чего-либо подобного», — отмечал опытный канадский оператор. Во Франции связь также была нарушена, с проводов сыпались искры. Линии приходилось закрывать.
Но это была только затравка.
Впервые в истории
Утром 1 сентября в английском городке Редхилл Ричард Кэррингтон, как обычно, поднялся в свою частную обсерваторию. 33-летний астроном оставил семейную пивоваренную империю ради изучения звезд — выбор, который современники считали странным.
Отец готовил Ричарда к духовной карьере, но лекции профессора Джеймса Чаллиса по астрономии в Кембридже изменили планы молодого человека. В 1852 году, используя семейное состояние, Кэррингтон построил в Редхилле дом с обсерваторией, оснастив ее лучшими инструментами.
Его увлекали солнечные пятна — темные области на поверхности светила, природа которых тогда была загадкой. Каждый день Кэррингтон направлял свой латунный телескоп на Солнце, проецируя его изображение на 30-сантиметровый экран.
И 1 сентября в 11.18 произошло событие, которое изменило понимание связи между Солнцем и Землей. Наблюдая за группой крупных пятен, Кэррингтон внезапно увидел нечто необычное. «Случилось явление, которое, я полагаю, чрезвычайно редко. С изображения солнечного диска вырвались два пятна интенсивно белого и яркого света. Яркость была равна яркости прямого солнечного света», — записал он позже.
Точки света двигались по поверхности Солнца, а через пять минут исчезли. Кэррингтон бросился искать свидетеля своего открытия, но когда вернулся к телескопу, все было кончено.
К счастью, в тот же момент в Клейбери, в графстве Эссекс, за Солнцем наблюдал другой британский астроном — Ричард Ходжсон. Он независимо зафиксировал то же явление: «Я был внезапно удивлен появлением очень яркой световой звезды, гораздо ярче солнечной поверхности, ослепительной для защищенного глаза. Лучи распространялись во всех направлениях, а центр можно было сравнить с ослепительным блеском яркой звезды альфа Лиры, наблюдаемой в большой телескоп малой мощности. Сияние продолжалось около пяти минут».
Это была первая фиксация солнечной вспышки в истории науки.
Горящее небо
То, что увидели Кэррингтон и Ходжсон утром, к ночи достигло Земли, устроив космическую бурю, охватившую все континенты. Северное сияние, обычно ограниченное полярными областями, вспыхнуло над Кубой и Гавайями, над Карибскими островами и Мексикой.
Высоко в Скалистых горах группа золотоискателей спала под открытым небом. Но их сон был прерван, писал корреспондент Rocky Mountain News: «Немного после полуночи [2 сентября] нас разбудил авроральный свет (aurora borealis — одно из названий северного сияния. — Прим. ред.), настолько яркий, что можно было легко читать». Когда небо засветилось еще ярче, некоторые из отряда решили, что уже утро, и принялись готовить завтрак.
Даже животные поддались обману — птицы начинали петь, думая, что наступил рассвет. В Вирджинии жаворонки проснулись в час ночи и принялись щебетать — и один железнодорожный рабочий застрелил троих из них.
В городах люди высыпали на улицы. Свечение «было настолько ярким, что к часу ночи при этом свете можно было читать обычный шрифт» в газетах, чем и занялись горожане, писала наутро пресса в Нью-Йорке и Бостоне.
Женщина с острова Салливан в Южной Каролине оставила подробное описание, которое опубликовали в Charleston Mercury: «Восточное небо казалось кроваво-красного цвета, как будто полная луна или солнце собирались взойти. Весь остров был освещен. Море отражало это явление, и никто не мог смотреть на это, не думая об отрывке из Библии: „Море превратилось в кровь“. Ракушки на пляже, отражающие свет, напоминали тлеющие угли».
«Через два часа, когда свечение достигло пика, северное небо было совершенно освещено, а южное пылало мертвенно-красным огнем. Друг друга сменяли могучие столбы, катящиеся „кучевые облака“, выбрасывающие лучи, закрученные и пушистые волны. Они быстро меняли оттенки с красного на оранжевый, с оранжевого на желтый, с желтого на белый и обратно в том же порядке к ярко-красному, пока утренний свет не поглотил это великолепие», — писала The New York Times.
На видео ниже — полярное сияние от магнитного шторма 27 февраля 2014 года, снятое на севере Шотландии. Оно дает лишь отдаленное представление о том, что происходило в 1859 году, ведь тогда шторм был намного мощнее.
Хаос на проводе
Самое неожиданное снова происходило на телеграфе. Сети из 200 тысяч километров проводов, опутавшие Северную Америку, Европу и Австралию, сильнее всего ощутили воздействие. Уже упоминавшийся телеграфист Фредерик Ройс в Вашингтоне получил сильный удар током, когда его лоб коснулся заземляющего провода. Очевидец заметил, как между его лбом и кабелем проскочила искра.
Но оборудование не только выходило из строя. 2 сентября сотрудники American Telegraph Company в Бостоне сделали удивительное открытие. Придя в офис в 8 утра, они обнаружили, что обычная передача сообщений невозможна. Однако атмосфера была — буквально — настолько наэлектризована, что операторы смогли отключить батареи и передавать сообщения в Портленд, используя только ток, созданный бурей.
Сохранилась запись переговоров между телеграфистами:
— Пожалуйста, полностью отключите батарею от линии на пятнадцать минут, — передал оператор из Бостона.
— Сделаю. Отключена, — ответил коллега из Портленда.
— Моя тоже отключена, и мы работаем на авроральном токе. Как вы принимаете мои сообщения?
— Лучше, чем с нашими включенными батареями. Ток то появляется, то исчезает постепенно.
— У меня ток временами очень сильный. Нам лучше будет работать без батарей, поскольку «аврора», похоже, попеременно усиливает и нейтрализует наши батареи, делая ток слишком сильным для наших реле-магнитов. Предлагаю работать без батарей, пока на нас влияет эта проблема.
— Отлично. Мне продолжать работу?
— Да, продолжайте.
И таким образом два часа операторы общались, используя только ток, который тек по проводам сам собой — без привычного источника.
Анатомия бури
Что же произошло 1 сентября 1859 года? То, что увидели Кэррингтон и Ходжсон, было солнечной вспышкой — взрывным высвобождением энергии на поверхности Солнца. Эта звезда вращается неравномерно: экватор делает оборот за 25 дней, а полюса — примерно за 35. Разность скоростей постоянно закручивает магнитные поля звезды, создавая в них колоссальное электрическое напряжение. Когда оно достигает предела, происходит «короткое замыкание» — та самая вспышка с выбросом огромного объема энергии.
А следом с Солнца срывается облако раскаленной плазмы — корональный выброс звездной массы. Наша звезда словно чихает, выбрасывая в космос с огромной скоростью заряженные частицы. На видео ниже — пример крупного выброса 2012 года (он прошел мимо Земли).
Обычно такое облако летит к Земле два-три дня, но 1 сентября 1859 года путешествие заняло всего восемнадцать часов. Ученые предполагают, что причиной была либо огромная мощность вспышки, либо то, что меньшая вспышка 28 августа могла «расчистить дорогу» для следующей, сдув с пути солнечный ветер — постоянный поток частиц, который обычно тормозит такие выбросы.
От вспышек на Солнце Землю защищает магнитосфера — невидимое поле электротоков, создаваемое потоками расплавленного железа в ядре нашей планеты. Это ее главный щит от космической радиации. Обычно он надежно отклоняет заряженные частицы, но 2 сентября 1859-го поток был слишком мощным. Частицы прорвались через магнитное поле планеты и, сталкиваясь с атомами воздуха, заставили их светиться. Так родились полярные сияния над тропиками — там, где их никогда не видели.
Но это лишь визуальный эффект. Главное, что вторжение заряженных частиц заставило магнитное поле Земли резко колебаться, дрожать, словно задетая струна. А любые такие возмущения порождают в металлических проводниках электрический ток — тот же принцип, что лежит в основе электрогенераторов.
Телеграфные линии, протянувшиеся на сотни километров, стали такими огромными проводниками в планетарном «генераторе». Магнитное поле Земли колебалось так сильно, что в проводах «сами по себе» возникали токи мощнее, чем от обычных батарей.
После
Ученые викторианской эпохи оказались в замешательстве. Связь между солнечной активностью и земными явлениями тогда была новой идеей. Сам Кэррингтон, заметив совпадение по времени между своими наблюдениями и магнитными возмущениями, осторожно написал: «Одна ласточка весны не делает» — не стоит, мол, спешить с выводами.
Но связь была слишком очевидной, чтобы ее игнорировать. И издание Scientific American в октябре 1859 года провозгласило: «Связь между северным сиянием и силами электричества и магнетизма теперь полностью установлена».
Американский математик Элиас Лумис собрал и опубликовал свидетельства со всего мира, подтвердив глобальный масштаб явления. В своем отчете Смитсоновскому институту он заключил: «Мы вынуждены рассматривать великие полярные сияния не только как атмосферное явление, но как результат воздействия внеземных сил». Так рождалась наука о космической погоде.
Для самого Кэррингтона открытие стало вершиной карьеры. В феврале 1859 года он получил Золотую медаль Королевского астрономического общества за каталог звезд. А наблюдение солнечной вспышки принесло ему членство в этом обществе.
Но после того, как в 1858 году у него умер отец, Кэррингтону пришлось переключиться на управление пивоварней. Он все равно писал статьи, предлагал план модернизации Кембриджской обсерватории и претендовал в ней на пост директора, но назначение не состоялось, что сильно разочаровало ученого. И все же страсть к астрономии в нем победила. В 1865 году Кэррингтон продал бизнес и переехал в уединенное место в Суррее, где построил новую обсерваторию. Правда, уже имел проблемы со здоровьем и к серьезным наблюдениям больше не вернулся. Ученый умер в 1875 году в возрасте 49 лет от кровоизлияния в мозг всего через десять дней после того, как его жена Роза скончалась, приняв большую дозу хлоральгидрата — снотворного, которое в те времена иногда использовалось для самоубийств.
Вчера и сегодня
Событие 1859 года открыло человечеству глаза на силы, действующие в космосе, доказав, что Земля — не изолированный мир, а часть сложной системы, и процессы на звезде за 150 миллионов километров могут очень быстро повлиять на нашу планету. Но в ту эпоху люди еще не осознавали, что переливающееся радугой небо может грозить реальной катастрофой. Ведь в 1859 году почти единственной уязвимой к такому явлению технологией был телеграф. А вот сегодня все иначе — наша цивилизация полностью зависит от электроники.
Последние десятилетия показали, что даже более слабые геомагнитные штормы, чем тот, что случился в 1859-м, могут причинять серьезный ущерб. В марте 1989 года солнечная буря вывела из строя энергосистему канадской провинции Квебек, сеть рухнула менее чем за 90 секунд, когда индукционные токи (такие же, как те, что появлялись в телеграфной сети за полтора века да этого) перегрузили трансформаторы — шесть миллионов человек остались без электричества на девять часов.
В 2003 году так называемые Хэллоуинские бури нарушили работу спутников связи, GPS-навигации и авиасообщения. Вспышка на Солнце тогда была одной из крупнейших, северные сияния были видны от Калифорнии до Техаса и Флориды.
А совсем недавно, в мае 2024 года, мир увидел самую сильную геомагнитную бурю за последние два десятилетия. Ученые измеряют их силу с помощью Dst-индекса — он показывает, насколько сильно «трясется» магнитное поле Земли при ударе космических частиц. Чем больше отрицательное число, тем сильнее буря. Обычные магнитные штормы, которые вызывают северные сияния в Арктике, но не причиняют никакого вреда, показывают Dst около −50 нТ (нанотесла). А мощность «Кэррингтона» была, по современным оценкам, −800 или даже −1750 нТ. С тех пор ничего подобного пока не было. Буря 1989 года, которая обесточила Квебек, достигала −600 нТ, Хэллоуинские бури — в районе -400 нТ.
В мае 2024 года индекс достиг −412 нТ. Но даже эта последняя буря, вдвое слабее исторической, показала нашу уязвимость. Фермеры не смогли использовать тракторы John Deere: их системы позиционирования перестали работать без сигналов GPS. Бытовые дроны падали, вероятно, по этой же причине. Геофизическая обсерватория GOES-16 пару часов не могла передавать данные. Спутники Starlink теряли связь, 12 из них упали из-за возросшего сопротивления атмосферы (энергия вспышки, достигая верхних слоев атмосферы, сильно нагревает их, атмосфера расширяется, как воздушный шар, и плотность воздуха на высоте полета спутников резко возрастает, создавая дополнительное сопротивление, которое тормозит сателлиты, заставляет их терять высоту и сходить с орбиты).
При этом современные энергосети, например в Канаде, и телекоммуникационные компании заранее приняли защитные меры, что позволило избежать большого ущерба по сравнению с бурями 1989 и 2003 годов.
Может быть намного хуже
Шторм в 1859 году выделил энергию, примерно эквивалентную 10 миллиардам атомных бомб мощностью в 1 мегатонну тротила (для сравнения, бомба, сброшенная на Нагасаки, была эквивалентна около 20 килотонн). Если бы сейчас Земли достигла такая же мощная вспышка, это, по оценкам ученых, вызвало бы «интернет-апокалипсис», отключения электроэнергии и ущерб на триллионы долларов. Но что, если буря будет в десятки раз сильнее?
В 2012 году японская аспирантка-физик Фуса Мияке из Нагойского университета изучала образцы древесины и обнаружила кое-что странное. В одном из годичных кольц кедра, выросшего в VIII веке, содержание радиоактивного углерода-14 подскочило на 12% — намного больше обычных колебаний от космической радиации. Это произошло в кольце 774−775 годов.
Углерод-14 образуется в атмосфере, когда космические лучи сталкиваются с атомами азота. Чем интенсивнее поток частиц из космоса, тем больше этого изотопа попадает в воздух и потом накапливается в растениях. Мияке поняла: такое отклонение в годичных кольцах означает, что в 774 году Земли достиг мощнейший поток заряженных частиц.
Европейские и американские ученые подтвердили открытие, исследовав деревья с других континентов — из Германии, России, США, Финляндии и Новой Зеландии. В древесине каждого древнего дерева за 774 год был обнаружен такой же скачок углерода-14. В антарктических льдах той же эпохи нашли аналогичные всплески бериллия-10 — еще одного изотопа, который образуется от космического излучения. То есть явление было глобальным и могло объясняться только воздействием на всю планету из космоса.
После этого открытия ученые обнаружили шесть таких событий в разные периоды — их стали называть событиями Мияке. К 774 году добавились еще несколько дат: 7176, 5410, 5259 годы до нашей эры, а также 660 и 993−994 годы нашей эры. А пару лет назад исследователи нашли в дереве из древнего леса во французских Альпах следы события, произошедшего 14 300 лет назад. Там скачок углерода-14 оказался вдвое больше, чем при событии 774 года.
Кэррингтонское событие — самое сильное, которое зафиксировала наука — подняло уровень углерода-14 менее чем на один процент. События Мияке были в 10−20 раз мощнее, а по некоторым источникам — до 80 раз.
Интересно, что у некоторых гигантских вспышек были свидетели, и это отразилось в хрониках и легендах. Например, ученые нашли восемь записей о полярном сиянии, зарегистрированном в разных частях мира с октября 992 года по январь 993 года. В Саксонии небо «краснело трижды за ночь», в Ирландии описывали небо «цвета крови», в Корее писали об открывшихся «вратах неба». Кроме того, «Англосаксонская хроника» (сборник летописей IX века) упоминает о возможном северном сиянии в виде «красного распятия после заката», замеченном в небе в 774 году. Описание сияния есть и в китайской хронике «Цзютаншу» за 775 год.
Что могло вызвать эти всплески? Это могли быть не только сверхмощные солнечные вспышки, но и, например, взрывы далеких звезд — точно это пока не известно. Но понятно одно: раз такие события случались в прошлом, они могут повториться.
«Нам нужно знать больше, потому что если бы что-то подобное произошло сегодня, это уничтожило бы всю технику. Последствия для глобальной инфраструктуры были бы невообразимыми», — считает Бенджамин Поуп, астрофизик из Университета Квинсленда, Австралия.
Современные высоковольтные линии — все равно что огромные антенны для космических токов. Мощнейший всплеск выведет из строя трансформаторы электростанций по всему миру, что приведет к масштабным и длительным отключениям электричества, восстановление будет долгим, поскольку запчасти потребуются сразу и повсеместно.
Спутники, от которых зависят связь и навигация, получат критические повреждения. GPS перестанет работать, нарушив не только навигацию, но и, в частности, синхронизацию банковских операций, мобильных сетей и работу экстренных служб. Космонавты на МКС и люди в самолетах на большой высоте могут подвергнуться серьезному облучению.
Что касается интернета, то, хотя сами оптоволоконные кабели не пострадают (по ним не идет ток), проблемы возникнут с их подводными усилителями, которые питаются по медным проводам.
Словом, если случится новый «Кэррингтон», отключения разных систем могут продлиться недели. Если же разразится буря масштаба событий Мияке, мы можем лишиться благ цивилизации на месяцы, а то и дольше.
Теоретически защита возможна. Сегодня есть системы предупреждения о солнечных бурях, космические обсерватории следят за Солнцем круглосуточно. При опасности энергетики могут отключить наиболее уязвимые трансформаторы, авиакомпании — изменить маршруты полетов, операторы спутников — перевести аппараты в более безопасный режим. Более того, уже испытывают устройства, которые будут не пропускать геомагнитные токи в трансформаторы. Спутники хоть и непросто, но можно защитить клетками Фарадея, которые блокируют электромагнитное излучение. Исследователи работают над системами раннего предупреждения, автоматическим отключением уязвимого оборудования, резервными источниками питания.
Однако чтобы защитить всю планетарную инфраструктуру, потребуются триллионы долларов и десятилетия работы. А ведь от предупреждения до мощной геомагнитной бури пройдет всего несколько часов. Наш мир сегодня готов к «Кэррингтону» намного лучше, чем в 1859 году. Но защита от события масштаба 774 года по-прежнему остается за пределами современных возможностей.
События Мияке случаются в среднем раз в тысячу лет, но у космоса нет расписания — следующая супербуря может случиться и через столетие, и послезавтра. Ирония в том, что чем более развитой и технологически сложной становится наша цивилизация, тем уязвимее она для космических сил, которые когда-то всего лишь дарили людям красивое зрелище в ночном небе. Теперь ставки стали намного выше.
Читайте также
