Событие Кэррингтона: уязвимости, которые показал супершторм 1859 года

Первого сентября 1859 года британский любитель астрономии Ричард Кэррингтон поднялся в свою приватную обсерваторию под Лондоном, направил телескоп на Солнце и спроецировал изображение на белый экран. На диске светила выделялась группа аномально крупных темных пятен.

В 11:18 по местному времени прямо поверх этих пятен вспыхнули две ослепительные белые дуги. Вспышка длилась от силы минут пять. Кэррингтон бросился искать свидетеля, но когда вернулся к телескопу, свечение уже заметно ослабло, а через несколько минут исчезло вовсе.

Тогда ученый еще не понимал значения увиденного и не знал, что примерно через 17 часов Земля столкнется с последствиями этой вспышки.

Свет посреди ночи

К ночи 2 сентября планету накрыло. К Земле добрался корональный выброс массы — облако солнечной плазмы, двигавшееся с необычно высокой скоростью. Обычно такие структуры достигают Земли примерно за трое суток. Эта добралась за 17,5 часа.

Полярные сияния наблюдались на необычно низких широтах. Их видели на Кубе, Ямайке, Гавайях. В Скалистых горах золотоискатели проснулись посреди ночи, посмотрели на ярко-зеленое небо и спокойно начали жарить бекон, решив, что наступило утро. В Бостоне среди ночи сияние было настолько ярким, что газеты можно было читать без ламп. В Южной Каролине жители в панике выбегали из домов, думая, что соседние города охвачены гигантским пожаром — настолько кроваво-красным казался горизонт.

Все выглядело красиво и почти безобидно. Для эпохи, когда главным источником энергии оставался уголь, а транспортом — лошадь, планетарный магнитный шторм казался просто грандиозным небесным спектаклем.

Сильнее всего шторм проявил себя в работе телеграфных сетей.

В телеграфных конторах по всему миру началось сумасшествие. Геомагнитная индукция породила в длинных проводах мощнейшие токи. Аппараты искрили. В Вашингтоне оператору отбросило голову токовым ударом, когда он случайно коснулся заземления. В некоторых офисах от искр загорелась бумажная лента.

Одним из самых необычных эпизодов того шторма стала история операторов из Бостона и Портленда. Они полностью отключили от сети батареи, питавшие линию, и продолжали обмениваться сообщениями в течение двух часов, используя только ток, который наводила в проводах геомагнитная индукция.

Земля превратилась в гигантский генератор и событие Кэррингтона оказалось крупнейшей геомагнитной бурей за всю историю регистрации.

Антенна планетарного масштаба

Здесь стоит сделать паузу и посмотреть на физику процесса. Когда мощное возмущение изменяет магнитное поле Земли, на поверхности возникает индуцированное электрическое поле. В протяжённых проводниках под его воздействием возникают геомагнитно индуцированные токи.

Такие токи имеют очень низкую частоту и по сравнению с обычным переменным током фактически действуют как квазипостоянная составляющая. В трансформаторе она может вызвать полупериодическое насыщение магнитопровода, сопровождающееся ростом тока намагничивания, появлением гармоник и дополнительным нагревом.

Чем длиннее проводник и чем сильнее воздействует на него наведённое электрическое поле, тем выше потенциально окажется напряжение между его концами.

В 1859 году длины телеграфных линий хватило для возникновения опасных токов и снопов искр. За прошедшие полтора века ситуация радикально изменилась. Суша покрылась протяжёнными магистральными ЛЭП и длинными трубопроводами. По сути, человечество собственными руками построило колоссальную приемную антенну, оплетающую всю планету.

И если в XIX веке шторм класса Кэррингтона просто нарушил работу телеграфных сетей на несколько дней, то сегодня последствия аналогичного события будут совсем другими.

Заменить мощный высоковольтный трансформатор — не лампочку в подъезде вкрутить. Речь идет о многотонных агрегатах с длительным циклом производства и поставки.

Тихий апокалипсис

В популярных фильмах-катастрофах конец света обычно сопровождается взрывами, цунами или падающими метеоритами. В случае с геомагнитным штормом сверхвысокой мощности все будет выглядеть удивительно тихо.

С 1859 года на Земле происходили и другие экстремальные геомагнитные бури — от разрушительной Майской бури 1921 года до масштабного геошторма в мае 2024 года, — и эта история уже дала несколько наглядных примеров того, как всё может произойти.

Сильная геомагнитная буря способна серьезно нарушить работу спутниковых систем. Верхние слои атмосферы от нагрева расширяются, плотность газа на низких орбитах растет, а вместе с ней увеличивается аэродинамическое сопротивление. В 2003 году во время «Хэллоуинского шторма» операторам пришлось переводить в защитный режим десятки космических аппаратов, а японский научный спутник ADEOS-II впоследствии был потерян.

Возмущения ионосферы также критически влияют на навигацию: во время геошторма в мае 2024 года по всему миру фиксировались массовые сбои высокоточного GPS, из-за чего в США часть сельскохозяйственной техники, использующей системы точного позиционирования, пришлось временно вывести из работы.

Энергосети находятся под еще большим ударом. В наиболее уязвимых узлах возможны отключения и каскадные аварии.

Классический пример произошёл 13 марта 1989 года в Канаде: из-за геомагнитно-индуцированных токов в системе Hydro-Québec сработала автоматическая защита, и в течение 92 секунд после начала аварийного процесса целая провинция с населением около шести миллионов человек погрузилась в темноту на девять часов. Затяжной блэкаут такого рода способен запустить цепную реакцию: без электроэнергии нарушается работа насосных станций водоснабжения, усложняется доставка топлива для резервных генераторов и возникают проблемы с охлаждением в центрах обработки данных.

Возникнет опасность и для информационных сетей. Интернет привычно воспринимается как абстрактная облачная структура, хотя в реальности держится на вполне конкретном физическом железе, полностью зависимом от энергоснабжения с подстанций. Оптическое волокно ток не проводит, но в подводных магистральных кабелях проложена медная жила для дистанционного питания промежуточных усилителей (репитеров).

Геомагнитно индуцированные токи в этих длинных проводниках способны нарушить работу питающей аппаратуры, а отказ нескольких магистральных систем связи может серьёзно осложнить связь между континентами. При масштабных отключениях энергоснабжения на суше отдельные сегменты сети начнут терять доступность, а оборудование оптических узлов связи потребует резервного питания.

Парадокс: человечество создало систему глобальных коммуникаций огромной сложности, но ее устойчивость напрямую зависит от капризов космической погоды и уязвимости базовой наземной инфраструктуры.

Как же все-таки защитить инфраструктуру?

Полностью защитить инфраструктуру от явления планетарного масштаба невозможно, но уменьшить последствия сильной геомагнитной бури вполне реально. На словах всё просто: получить предупреждение, подготовить сеть и снизить последствия бури. На практике энергосистема слишком сложна для одного универсального сценария — нужно заранее определить уязвимые узлы и успеть изменить режим их работы.

В зависимости от скорости коронального выброса массы на подготовку может оставаться от нескольких часов до нескольких суток. Последние данные поступают со спутников в районе точки Лагранжа L1, например DSCOVR: примерно за 15-60 минут до прихода солнечного потока к Земле они непосредственно измеряют его параметры.

Времени катастрофически мало. Провести масштабную перенастройку энергосистемы за полчаса невозможно, поэтому операторы заранее разрабатывают процедуры реагирования, а автоматика выполняет критические защитные действия. При необходимости меняется конфигурация сети, перераспределяется нагрузка и принимаются меры для снижения риска перегрузки наиболее уязвимых элементов.

Для защиты силовых трансформаторов от геомагнитно-индуцированных токов применяют устройства, ограничивающие постоянную составляющую тока через заземлённую нейтраль трансформатора. Это уменьшает подмагничивание магнитопровода и снижает риск перегрева обмоток и сердечника.

В 1859 году телеграфисты узнавали о проблеме уже по искрам в собственных аппаратах. Сегодня у нас есть возможность заранее обнаружить угрозу и подготовить инфраструктуру к приходу геомагнитной бури.