Полярные сияния, завораживающие небесные танцы света, могут обернуться настоящим коллапсом для нашей технологической инфраструктуры. Ярким примером стал инцидент 1989 года, когда в канадской провинции Квебек произошло масштабное отключение электроэнергии. Геомагнитная буря – возмущение магнитного поля Земли – вывела из строя местную энергосистему, оставив шесть миллионов человек без света на девять часов. Это событие, известное как «день, когда солнце принесло тьму», наглядно продемонстрировало как потенциальное разрушительное воздействие солнечной активности на современные технологии, так и нашу недостаточную готовность к мощным солнечным штормам.
Содержание
Причины солнечных бурь и их типы
Солнечные бури возникают в результате магнитного пересоединения – процесса, при котором вращение Солнца заставляет его магнитные поля скручиваться и запутываться. В ходе 11-летнего цикла активность этих полей нарастает. В конечном итоге магнитные поля разрываются и вновь соединяются, высвобождая энергию и плазму, которые выбрасываются с поверхности Солнца в Солнечную систему. Хотя эти явления невидимы невооруженным глазом, солнечные бури могут оказывать глубокое влияние на магнитное поле Земли. И если это явление ответственно за полярные сияния, оно также способно нанести серьезный ущерб нашей технологической инфраструктуре.
Эти выбросы вызывают три основных типа солнечных бурь:
- Солнечные вспышки – это мощные выбросы света и радиации. Способные производить энергию, эквивалентную миллиарду водородных бомб, солнечные вспышки распространяются со скоростью света, достигая атмосферы Земли всего за восемь минут.
- Радиационные бури – это выбросы заряженных частиц, которые проносятся сквозь Солнечную систему, достигая Земли всего за полчаса.
- Наиболее крупные – корональные выбросы массы (КВМ) – представляют собой огромные облака намагниченной плазмы. Каждое из этих солнечных событий может нарушить магнитное поле Земли, вызывая геомагнитные бури, которые угрожают энергосетям, нарушают системы связи и даже выводят из строя глобальную интернет-инфраструктуру.
Воздействие солнечных бурь на Землю
Прежде чем углубляться в то, как солнечные бури влияют на технологии, важно понять основы геомагнитных процессов. Когда солнечная буря достигает защитной магнитной области атмосферы Земли, известной как магнитосфера, ее заряженные частицы временно изменяют атомный и магнитный состав земной атмосферы, нарушая ее магнитные поля, токи и плазму.
Подобно самим солнечным событиям, эти возмущения можно разделить на три основные категории. Корональные выбросы массы, например, могут вызывать геомагнитные бури, которые посылают геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ) по линиям магнитного поля Земли к полюсам. Там они могут преодолевать атмосферную защиту Земли и нарушать работу технологических систем. Интенсивные солнечные ветры также способны генерировать геомагнитные бури. Аналогично, радиационные бури направляют сильно заряженные протоны по этим линиям магнитного поля, проталкивая радиацию в нижние слои атмосферы Земли. Солнечные вспышки, в свою очередь, могут вызывать явление, известное как радиопомехи или блэкауты радиосвязи, посредством ионизации – процесса, при котором магнитно заряженные частицы проникают сквозь атмосферу, выбивая электроны из атмосферных молекул и тем самым изменяя траекторию радиочастот.
Классификация и масштабы солнечных бурь
Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) оценивает все три типа солнечных бурь по шкале от одного (незначительная) до пяти (экстремальная). Хотя солнечная активность обычна, подавляющее большинство солнечных бурь фиксируется на нижних уровнях спектра. Например, если незначительные события могут происходить почти 3000 раз в течение 11-летнего цикла, то экстремальных солнечных бурь за тот же период ожидается менее пяти. Однако даже самые крупные зарегистрированные бури бледнеют по сравнению с их историческими предшественниками. Но об этом позже. А пока сосредоточимся на том, какие технологии находятся под угрозой.
Угроза для электросетей
Как показал геомагнитный инцидент, вызвавший печально известный блэкаут в Квебеке, мощные солнечные бури могут оказать серьезное влияние на мировые электросети. Когда геомагнитно-индуцированные токи воздействуют на электрическую инфраструктуру, они могут вызывать отключения электроэнергии, перегревая трансформаторы, реле и датчики. Замена критической массы трансформаторов, дорогих и сложных в производстве, может занять годы. Геомагнитные токи также способны перегружать и повреждать линии электропередач сетевых систем. Инфраструктуры управления и защиты, с помощью которых мы управляем электросетями, также уязвимы для геомагнитных токов. Со временем эти бури могут сократить срок службы сетей, повреждая их электрические компоненты и изоляционные материалы, вызывая заметный износ.
Не все электросети одинаково подвержены угрозе солнечных бурь, поскольку на их уязвимость влияют несколько факторов окружающей среды. Во-первых, геомагнитные бури географически «предвзяты». Поскольку бури притягиваются к магнитным полюсам Земли, широта является наиболее стабильным показателем риска: в арктических регионах наблюдаются самые сильные магнитные возмущения. Например, в 2003 году часть шведской энергосистемы была выведена из строя серией аномально мощной геомагнитной активности. Удельное сопротивление грунта, которое показывает, насколько хорошо земля проводит электрический ток, является еще одним фактором. Особому риску подвергаются районы с высокой вероятностью воздействия, чей грунт хорошо проводит энергию. Например, арктические регионы между 55 и 70 градусами широты особенно уязвимы, учитывая их высокие широты и показатели сопротивления.
Все больше экспертов обеспокоены рисками, которые солнечные бури представляют для искусственного интеллекта и других энергоемких отраслей. И хотя бум искусственного интеллекта уже создает нагрузку на нашу электрическую инфраструктуру, затраты от широкомасштабных отключений электроэнергии могут оказаться катастрофическими для самой быстрорастущей отрасли в мире. В своей статье для Space News Скот Макинтош, бывший заместитель директора Национального центра атмосферных исследований, отметил, что руководители компаний, занимающихся искусственным интеллектом, «являются одними из тех, кто должен быть наиболее обеспокоен» цепными эффектами солнечных бурь.
Влияние на спутники
Хотя спутники спроектированы так, чтобы выдерживать космическую погоду, защита их от самых мощных солнечных событий является дорогостоящей и непрактичной. Таким образом, солнечные бури могут повредить аппаратное обеспечение и внутреннюю электронику спутника. Такое повреждение может сократить срок службы спутника или потребовать критического ремонта.
Программное обеспечение спутника также находится под угрозой. По словам Рассела ДеХарта, ведущего инженера Центра космических полетов Годдарда НАСА, высокоэнергетические частицы могут «попасть в компьютерный чип на борту космического аппарата и вызвать переворот бита», что приводит к «аномалии», известной как «одиночный сбой». По сути, высокоэнергетические частицы от солнечной радиационной бури могут физически заставить последовательности нулей и единиц, составляющие двоичный код программы, изменить свои свойства. Если ключевые операции испытывают битовый переворот, это заставляет спутник приостанавливать некритические задачи до устранения проблемы.
Корональные выбросы массы обычно нагревают и расширяют атмосферу, создавая более плотную среду для прохождения спутников. Это дополнительное сопротивление может привести к потере спутниками скорости и высоты, снижая их орбиту примерно на 610 метров. Потеря нескольких сотен метров на орбите высотой более 1600 километров может показаться не катастрофой. Но, учитывая, что спутники являются точно откалиброванными машинами, падение может быть достаточно существенным, чтобы полностью остановить операции.
Ситуацию усложняет то, что низкая околоземная орбита становится все более переполненной. Изменения высоты создают риск столкновений с другими спутниками или космическим мусором. И хотя большинство спутников имеют дополнительное топливо для маневрирования и возвращения на место, его использование может сократить срок службы миссии. Как отмечает ДеХарт, «можно потерять годы» миссии спутника, «если солнечный цикл окажется более активным, чем первоначально предполагалось».
Многие спутниковые технологии подвержены этим сбоям. Например, солнечная буря в 2022 году вывела из строя 38 интернет-спутников SpaceX. Между тем, в октябре 2003 года всплеск солнечной активности нарушил работу половины мировых спутников. Бури привели к отмене рейсов между Северной Америкой и Азией, заглушили теле- и радиопередачи, нарушили работу удаленных систем GPS и сорвали несколько научных миссий. Поскольку все больше нашей технологической инфраструктуры продолжает мигрировать на низкую околоземную орбиту, такие опасения, вероятно, будут становиться все острее.
Нарушения радиосвязи
Очевидно, что проблемы со спутниками могут нарушить работу множества коммуникационных технологий. Навигационные системы, такие как GPS, которые зависят от точного позиционирования спутника и географических координат, могут быть дезориентированы достаточно сильной солнечной бурей. Достаточно вспомнить фермеров, чьи тракторы с поддержкой GPS были выведены из строя солнечной бурей в 2024 году, что привело к ущербу в размере около полумиллиарда долларов. То же самое можно сказать и о многих спутниковых системах связи.
Однако, помимо физического повреждения спутников, солнечные бури могут нанести ущерб спутниковым системам связи, изменяя атомный состав атмосферы Земли. Как упоминалось ранее, солнечные вспышки, корональные выбросы массы и солнечные радиационные бури могут оказывать заметное влияние на ионосферу Земли. Радиационные бури, например, могут блокировать прохождение радиоволн на больших высотах. Ионизация, вызванная солнечными вспышками и корональными выбросами массы, в свою очередь, приводит к тому, что ионосфера Земли либо поглощает, либо преломляет различные радиоволны. Эти изменения в путях распространения волн могут нарушать работу GPS и других спутниковых навигационных систем, которым необходимо прохождение частот через ионосферу.
Радиостанции, использующие высокочастотные радиоволны, также известные как коротковолновое радио, используют ионосферу Земли для преломления радиочастот и увеличения дальности сигнала. Обычно используемые операторами, которым необходимо общаться за горизонтом, коротковолновые радиосистемы развертываются на глубоководных судах, самолетах, аварийно-спасательными службами и военным персоналом для связи на огромные расстояния. Изменения в ионосфере изменяют угол преломления, затрудняя достижение радиопередачами предполагаемых приемников. Системы радиосвязи очень высоких частот (VHF) и ультравысоких частот (UHF), в свою очередь, более устойчивы к геомагнитным бурям, поскольку они не зависят от преломления в ионосфере.
Нарушения работы спутников могут повлиять на популярные потребительские устройства. Согласно отчету производителя IoT-устройств Memfault, серия бурь в 2024 году потенциально вызвала неисправности примерно в 2,5 миллионах их устройств. К счастью, солнечные события должны оказать минимальное влияние на сотовую связь для потребителей, поскольку радиоволны, используемые беспроводными сетями, в значительной степени не затрагиваются ионизацией. Аналогично, сигнал GPS вашего телефона использует данные о местоположении сотовых вышек в сочетании со спутниковым GPS, что ограничивает их подверженность сбоям спутников. Однако многие из этих оговорок, вероятно, перестанут действовать в случае катастрофических бурь, которые уничтожают электросети, от которых зависят сотовые сети.
Интернет-инфраструктура под угрозой
Некоторые эксперты предупреждают, что массированный корональный выброс массы также может повредить мировую интернет-инфраструктуру. Доктор Сангит Абду Джиоти, профессор и исследователь из Калифорнийского университета в Ирвайне, в своей работе 2021 года подробно описала, как солнечная буря может вызвать всемирный «интернет-апокалипсис». По мнению Джиоти, солнечные бури угрожают подводным оптоволоконным кабелям, которые лежат в основе глобальной сети. И хотя местные и региональные сети, вероятно, в безопасности, кабели, передающие данные между континентами, остаются под угрозой.
Чтобы понять это различие, необходимо погрузиться в суть оптоволоконных технологий. Для краткости, данные интернета можно представить как импульсы света, передаваемые по тонким стеклянным нитям, известным как оптоволоконные кабели. Глобальный интернет поддерживается примерно 1,4 миллиона километров этих кабелей, которые проложены по дну океана. Интересно, что сами оптоволокна невосприимчивы к сбоям, вызванным геомагнитно-индуцированными токами. К сожалению, световые сигналы рассеиваются при прохождении больших расстояний. Для устранения этой проблемы ретрансляторы сигнала устанавливаются каждые 50-160 километров для усиления оптического сигнала. По данным NOAA, более 95% международных данных маршрутизируется через эти подводные кабели.
К сожалению, электронные компоненты оптических ретрансляторов уязвимы для геомагнитно-индуцированных токов. По словам доктора Джиоти, достаточно крупный корональный выброс массы может сделать многие из этих кабелей непригодными для использования, нанеся удар по глобальной интернет-инфраструктуре. Добавьте к этому потенциальный ущерб спутниковым интернет-системам, и мощная солнечная буря может существенно замедлить интернет-трафик.
Примечательно, что исследование показывает, что некоторые регионы более подвержены «интернет-апокалипсису», чем другие. Как и в случае с электросетями, ущерб от геомагнитно-индуцированных токов для интернет-кабелей, вероятно, будет коррелировать с широтой. Наибольшему риску подвергаются длинные кабели, соединяющие США с Европой, в то время как внутренние коммуникации в Азии и Европе сравнительно изолированы.
Подготовка к экстремальным событиям
Современные технологии еще не сталкивались с исторически сильной геомагнитной бурей, поскольку самая мощная зарегистрированная произошла в 1859 году. Известная как событие Кэррингтона, эта буря была в три раза мощнее той, что вывела из строя электросеть Hydro-Quebec, и вызвала полярные сияния, простирающиеся на юг до Панамы. Та немногочисленная техника, которая существовала тогда, а именно телеграфные аппараты, вышла из строя, некоторые даже загорелись. Ученые опасаются, что такая буря может парализовать нашу современную технологическую экосистему, останавливая самолеты, выводя из строя электросети, нарушая интернет-соединения и глобальные системы связи.
Те, кто хочет подготовиться к мощной солнечной буре, могут обеспечить доступ к основным электронным устройствам с помощью различных бытовых продуктов. Например, генераторы становятся все более эффективными, доступны в различных размерах и ценовых категориях и идеально подходят для длительной выработки электроэнергии. Домашние аккумуляторные резервные системы на солнечной энергии, такие как Anker Solix E10 или Tesla Powerwall, являются экологически чистыми альтернативами, способными поддерживать электроснабжение в течение нескольких дней. Для более мобильных вариантов портативные электростанции могут обеспечить значительную мощность в меньшем корпусе, в то время как источники бесперебойного питания (ИБП) могут быть доступным средством подачи энергии на жизненно важные электронные устройства.
К счастью, такие бури, как событие Кэррингтона, происходят примерно дважды в тысячелетие. Однако даже событие Кэррингтона исторически является относительно мягким. Ученые нашли доказательства солнечных событий, которые затмевают бурю 1859 года, измеряя уровни углерода-14 в образцах арктического льда. Самые крупные из них называются событиями Мияке, и одно из таких событий, произошедшее в 774 году нашей эры, по предположениям, было в 12 раз сильнее бури Кэррингтона.
Некоторые ученые предупреждают, что катастрофическая буря неизбежна. Как сообщает Washington Post, Национальная академия наук США считает, что геомагнитная катастрофа может обойтись более чем в 2 триллиона долларов. Укрепление мировой спутниковой, интернет-, коммуникационной и энергетической инфраструктуры, вероятно, повлечет за собой значительные финансовые затраты. Например, Фонд устойчивых обществ прогнозирует, что только защита национальной электросети США обойдется примерно в 255 миллиардов долларов. И хотя НАСА инвестировало в обнаружение геомагнитных бурь, в отчете NOAA за 2025 год отмечается, что наши системы солнечного прогнозирования также нуждаются в модернизации. Решение этих проблем, вероятно, потребует обширного международного сотрудничества. Но, учитывая относительно низкие ежегодные шансы геомагнитной катастрофы, маловероятно, что правительства мира коллективно противодействуют им с той срочностью, которую отстаивают некоторые эксперты.