Солнечные бури августа 1972 года были исторически мощной серией солнечных бурь с интенсивными и экстремальными солнечными вспышками , событиями солнечных частиц и компонентами геомагнитной бури в начале августа 1972 года во время солнечного цикла 20. Буря вызвала широкомасштабные нарушения электро- и коммуникационных сетей на больших территориях Северной Америки, а также сбои в работе спутников. 4 августа 1972 года буря вызвала случайную детонацию многочисленных американских военно-морских мин около Хайфона , Северный Вьетнам . [1] Время прохождения коронального выброса массы (CME) от Солнца до Земли является самым быстрым из когда-либо зарегистрированных. [2]
Наиболее значительная обнаруженная активность солнечных вспышек наблюдалась с 2 по 11 августа. Большая часть значительной солнечной активности исходила из активной области солнечных пятен McMath 11976 (MR 11976; активные области представляют собой скопления пар солнечных пятен ). [3] [4] [5] [6] McMath 11976 был необычайно магнитно сложным. Его размер был большим, хотя и не исключительным. [7] McMath 11976 произвел 67 солнечных вспышек (4 из них X-класса ) за то время, когда он был обращен к Земле, с 29 июля по 11 августа. [8] Он также произвел несколько относительно редких вспышек белого света в течение нескольких дней. [1] Та же самая активная область была долгоживущей. Он сохранялся в течение пяти циклов вращения Солнца , сначала получив обозначение Региона 11947, когда был обращен к Земле, оставаясь невидимым, когда вращался мимо дальней стороны Солнца, затем вернувшись к Земле как Регион 11976, прежде чем циклически меняться как Регионы 12007, 12045 и 12088 соответственно. [9]
Вспышка 4 августа была одной из крупнейших с момента начала регистрации. [10] Она насытила рентгеновский датчик Solrad 9 примерно на уровне X5.3, но, по оценкам, находилась в районе X20, [11] порога очень редко достигаемого R5 по шкале космической погоды NOAA. [12] Радиовсплеск 76 000 sfu был измерен на частоте 1 ГГц . [8] Это была исключительно длительная вспышка, генерирующая рентгеновские излучения выше фонового уровня в течение более 16 часов. Редкие излучения в спектре гамма-лучей ( -лучей) были впервые обнаружены как 4, так и 7 августа Орбитальной солнечной обсерваторией ( OSO 7 ). [13] По оценкам, электромагнитные излучения широкого спектра самой крупной вспышки в общей сложности составляют 1-5 x 10 32 эрг в выделившейся энергии. [14]
Время прибытия связанного коронального выброса массы (CME) и его коронального облака, 14,6 часа, остается рекордно короткой продолжительностью по состоянию на ноябрь 2023 года, что указывает на исключительно быстрое и, как правило, исключительно геоэффективное событие (нормальное время прохождения составляет два-три дня). Предшествующая серия солнечных вспышек и CME очистила межпланетную среду от частиц, что позволило быстро прибыть в процессе, аналогичном солнечной буре в июле 2012 года . [2] Нормализуя время прохождения других известных экстремальных событий к стандартной 1 а. е . для учета изменяющегося расстояния Земли от Солнца в течение года, одно исследование показало, что сверхбыстрая вспышка 4 августа является выбросом из всех других событий, даже по сравнению с великой солнечной бурей 1859 года, в целом самой экстремальной известной солнечной бурей, которая известна как « Событие Кэррингтона ». [15] Это соответствует скорости выброса , оцениваемой в 2850 км/с (1770 миль/с). [16]
Скорость солнечного ветра вблизи Земли также может быть рекордной и, по расчетам, превысила 2000 км/с (1200 миль/с) (около 0,7% скорости света ). Скорость не поддавалась непосредственному измерению, поскольку приборы были зашкаливающими. [17] [18] Анализ магнитограммы Гуама показал, что ударная волна пересекает магнитосферу со скоростью 3080 км/с (1910 миль/с) и поразительное время внезапного начала бури (SSC) 62 с. [19] Оценочная напряженность магнитного поля 73-103 нТл и напряженность электрического поля >200 мВ/м были рассчитаны на расстоянии 1 а.е. [20]
Повторный анализ, основанный на данных космической солнечной обсерватории IMP-5 (также известной как Explorer 41 ), показывает, что поток ионов >10 МэВ достиг 70 000 частиц · с -1 · ср -1 · см -2 (т. е. 70 000 частиц в секунду, на стерадиан, на квадратный сантиметр; см. Radiance ), что приближает его к чрезвычайно редко достигаемому уровню NOAA S5 по шкале солнечной радиации. [12] Потоки на других уровнях энергии, от мягких до жестких, при >1 МэВ, >30 МэВ и >60 МэВ, также достигли экстремальных уровней, а также предполагаемых для >100 МэВ. [21] [1] Буря частиц привела к истощению полярного стратосферного озона северного полушария примерно на 46% на высоте 50 км (31 миля) в течение нескольких дней, прежде чем атмосфера восстановилась, и это продолжалось в течение 53 дней на более низкой высоте 39 км (24 мили). [22]
Интенсивный солнечный ветер и буря частиц, связанные с выбросами корональной массы, привели к одному из самых больших уменьшений излучения космических лучей из-за пределов Солнечной системы, известному как Форбуш-понижение , которое когда-либо наблюдалось. [23] Натиск солнечных энергичных частиц (SEP) был настолько сильным, что Форбуш-понижение фактически частично ослабло. [24] SEP достигли поверхности Земли, вызвав событие на уровне земли (GLE). [25]
Вспышка и выброс 4 августа оказали значительное или экстремальное воздействие на магнитосферу Земли, которая отреагировала необычайно сложным образом. [1] Индекс времени возмущения бури (Dst) составил всего −125 нТл, что попадает лишь в относительно распространенную категорию «интенсивных» бурь. Первоначально произошел исключительный геомагнитный отклик, а позднее локально произошел некоторый экстремальный шторм (некоторые из них, возможно, в пределах суббурь ), но прибытие последующих корональных выбросов массы с магнитными полями, ориентированными на север, как полагают, сместило межпланетное магнитное поле (ММП) с первоначальной южной на северную ориентацию, тем самым существенно подавив геомагнитную активность, поскольку солнечный взрыв был в значительной степени отклонен от Земли, а не к ней. Раннее исследование обнаружило необычайный диапазон асимметрии ≈450 нТл. [26] Исследование 2006 года показало, что при наличии благоприятной южной ориентации ММП Dst мог превзойти −1600 нТл, что сопоставимо с событием Кэррингтона 1859 года. [27]
Магнитометры в Боулдере, Колорадо , Гонолулу, Гавайи , [28] и других местах вышли за пределы шкалы. Станции в Индии зафиксировали внезапные геомагнитные импульсы (GSI) 301-486 нТл. [29] Расчетный индекс AE достиг пика более 3000 нТл, а K p достигал 9 с интервалом в несколько часов [30] (что соответствует уровню NOAA G5). [12]
Магнитосфера быстро и существенно сжалась, магнитопауза сократилась до 4-5 R E , а плазмопауза (граница плазмосферы или нижней магнитосферы) сократилась до 2 R E или меньше. Это сокращение составляет по крайней мере половину и до двух третей размера магнитосферы при нормальных условиях, на расстояние менее 20 000 км (12 000 миль). [31] Динамическое давление солнечного ветра увеличилось примерно в 100 раз по сравнению с нормой, согласно данным Prognoz 1. [ 32]
Астрономы впервые сообщили о необычных вспышках 2 августа, позднее подтвержденных орбитальными космическими аппаратами. 3 августа Pioneer 9 обнаружил ударную волну и внезапное увеличение скорости солнечного ветра [33] примерно от 217 до 363 миль/с (349–584 км/с). [34] Ударная волна прошла мимо Pioneer 10 , который в то время находился на расстоянии 2,2 а.е. от Солнца. [4] Сильно сжатая магнитосфера заставила многие спутники выйти за пределы защитного магнитного поля Земли , такие пересечения границ в магнитооболочку привели к неустойчивым погодным условиям в космосе и потенциально разрушительной бомбардировке солнечными частицами. [35] Выработка электроэнергии решетками солнечных панелей спутника связи Intelsat IV F-2 снизилась на 5%, что составляет около 2 лет износа. [36] Отказ питания на орбите положил конец миссии спутника Системы спутниковой связи обороны (DSCS II) . [37] Сбои в работе электроники сканера Программы метеорологических спутников обороны (DMSP) привели к появлению аномальных световых точек на снимках южной полярной шапки. [1]
4 августа полярное сияние было настолько ярким, что тени отбрасывались на южное побережье Соединенного Королевства [1] , а вскоре и на юг, до Бильбао , Испания, на магнитной широте 46°. [38] Продолжавшаяся до 5 августа интенсивная геомагнитная буря сопровождалась ярко-красным (относительно редкий цвет, связанный с экстремальными явлениями) и быстро движущимся полярным сиянием, видимым в полдень из темных регионов Южного полушария. [39]
Радиочастотные (РЧ) эффекты были быстрыми и интенсивными. Радиопотери начались почти мгновенно на солнечной стороне Земли на КВ и других уязвимых диапазонах. Развился ночной слой E в средних широтах . [40]
Геомагнитно-индуцированные токи (GIC) были сгенерированы и вызвали значительные нарушения в электросетях по всей Канаде и на большей части восточной и центральной части Соединенных Штатов, с сильными аномалиями, зарегистрированными на юге, в Мэриленде и Огайо , умеренными аномалиями в Теннесси и слабыми аномалиями в Алабаме и северном Техасе . Падение напряжения на 64% на соединении Северная Дакота - Манитоба было бы достаточным, чтобы вызвать разрыв системы, если бы произошло во время высоких экспортных условий на линии , что привело бы к большому отключению электроэнергии . Многие американские коммунальные службы в этих регионах не сообщили об нарушениях, при наличии геологии магматических пород в качестве предполагаемого фактора, а также геомагнитной широты и различий в эксплуатационных характеристиках соответствующих электросетей. [41] Manitoba Hydro сообщила, что мощность, идущая в обратном направлении, из Манитобы в США, резко упала на 120 МВт в течение нескольких минут. Защитные реле неоднократно активировались в Ньюфаундленде . [1]
Сообщалось об отключении коаксиального кабеля L4 компании American Telephone and Telegraph (теперь AT&T ) между Иллинойсом и Айовой . В то время локально оценивались вариации магнитного поля (дБ/дт) ≈800 нТл/мин [31] , а пиковая скорость изменения напряженности магнитного поля достигала >2200 нТл /мин в центральной и западной Канаде, хотя отключение, скорее всего, было вызвано быстрым усилением восточного электроджета ионосферы . [ 42] AT&T также испытала скачок напряжения в 60 вольт на своем телефонном кабеле между Чикаго и Небраской . [34] Превысив порог отключения высокого тока, было измерено индуцированное электрическое поле на уровне 7,0 В/км. Шторм был обнаружен в низкоширотных районах, таких как Филиппины и Бразилия, а также Япония. [1]
Спутники обнаружения ядерных взрывов Vela ВВС США ошибочно приняли взрыв за произошедшее, но с этим быстро разобрались сотрудники, отслеживавшие данные в режиме реального времени. [1]
ВМС США пришли к выводу, как показано в рассекреченных документах, [43], что, по-видимому, спонтанная детонация десятков морских мин с магнитным воздействием Destructor (DST) в течение примерно 30 секунд в районе Хон Ла (магнитная широта ≈9°) была весьма вероятным результатом интенсивной солнечной бури. В одном из отчетов утверждается, что было взорвано 4000 мин. [44] Было известно, что солнечные бури вызывают земные геомагнитные возмущения, но военным пока не было известно, могут ли эти эффекты быть достаточно интенсивными. Это было подтверждено как возможное на встрече исследователей ВМС в Центре космической среды NOAA (SEC) [2], а также другими учреждениями и экспертами. [1]
Хотя это произошло между миссиями Аполлона , шторм давно задокументирован в NASA . Аполлон-16 вернулся на Землю 27 апреля 1972 года, а последующая (и в конечном итоге окончательная) посадка Аполлона на Луну была запланирована на 7 декабря того же года. Если бы миссия проводилась в августе, находящиеся внутри командного модуля Аполлона были бы защищены от 90% поступающего излучения. Однако эта уменьшенная доза все равно могла бы вызвать острую лучевую болезнь , если бы астронавты находились за пределами защитного магнитного поля Земли, что имело место для большей части лунной миссии. Астронавт, совершающий выход в открытый космос на орбите или совершающий лунную прогулку, мог бы испытать сильное радиационное отравление или даже получить потенциально смертельную дозу. Независимо от местоположения, астронавт подвергся бы повышенному риску заболевания раком после воздействия такого количества радиации.
Это была одна из немногих солнечных бурь, произошедших в космическую эру , которая могла вызвать серьезные заболевания, и потенциально была самой опасной. [45] Если бы самая интенсивная солнечная активность начала августа произошла во время миссии, это заставило бы экипаж прервать полет и прибегнуть к экстренным мерам, включая экстренное возвращение и посадку для оказания медицинской помощи. [46]
Шторм был важным событием в области гелиофизики , изучения космической погоды , с многочисленными исследованиями, опубликованными в последующие несколько лет и в течение 1970-х и 1980-х годов, а также приведшими к нескольким влиятельным внутренним расследованиям и значительным изменениям политики. Почти пятьдесят лет спустя шторм был повторно изучен в статье, опубликованной в октябре 2018 года в журнале Американского геофизического союза (AGU) Space Weather . Первоначальные и ранние исследования, а также более поздние исследования повторного анализа стали возможны только благодаря первоначальным средствам мониторинга, установленным во время Международного геофизического года (МГГ) в 1957-1958 годах, и последующему глобальному научному сотрудничеству для поддержания наборов данных. Эти первоначальные наземные данные с наземных станций и аэростатов были позже объединены с космическими обсерваториями, чтобы сформировать гораздо более полную информацию, чем это было возможно ранее, причем этот шторм стал одним из первых широко задокументированных штормов тогда еще молодой космической эры. Он убедил как военных, так и НАСА серьезно отнестись к космической погоде и соответственно выделить ресурсы на ее мониторинг и изучение. [1]
Авторы статьи 2018 года сравнили шторм 1972 года с великим штормом 1859 года по некоторым аспектам интенсивности. Они утверждают, что это был шторм класса Кэррингтона. [1] Другие исследователи приходят к выводу, что событие 1972 года могло бы быть сопоставимо с 1859 годом по геомагнитному шторму, если бы параметры ориентации магнитного поля были благоприятными, [20] [47] или как «неудавшийся шторм типа Кэррингтона» на основе связанных соображений, [48] что также является выводом отчета Королевской инженерной академии 2013 года . [49]