Время от времени наша звезда выпускает плазменную бомбу в случайном направлении. На что мы можем положиться в следующий раз, когда Земля окажется под прицелом? Это конденсаторы.
С точки зрения фотона солнце похоже на переполненный ночной клуб. Внутри температура 27 миллионов градусов, и оно заполнено возбужденными телами — атомы гелия сливаются, ядра сталкиваются, позитроны ускользают вместе с нейтрино. Когда фотон направится к выходу, его путешествие займет в среднем 100 000 лет. (Нет быстрого способа протолкнуться мимо 10 септиллионов танцоров, даже если вы двигаетесь со скоростью света). Оказавшись на поверхности, фотон может отправиться в ночное путешествие в одиночестве. Или, если он появится не в том месте и не в то время, он может застрять внутри выброса корональной массы - скопления заряженных частиц, способного разрушить цивилизацию.
Причиной этого является магнитное поле Солнца. Созданное хаотичным движением частиц в ядре, оно возникает в виде упорядоченных линий с севера на юг. Но на разных широтах расплавленная звезда вращается с разной скоростью — 36 дней на полюсах и только 25 дней на экваторе. Очень быстро эти линии растягиваются и спутываются, образуя магнитные узлы, которые могут "проколоть" поверхность и удерживать материю под собой. Издалека получившиеся пятна кажутся темными. Они известны как солнечные пятна. Обычно удерживаемое вещество охлаждается, конденсируется в плазменные облака и выпадает обратно на поверхность огненным корональным дождем. Однако иногда узлы распутываются спонтанно, бурно. Солнечное пятно превращается в дуло пистолета: фотоны вылетают во всех направлениях, а сгусток намагниченной плазмы вырываются наружу, как пуля.
Солнце играло в эту русскую рулетку с Солнечной системой миллиарды лет, иногда производя несколько выбросов корональной массы в день. Большинство из них не достигает Земли. Потребуются столетия человеческого наблюдения, прежде чем кто-то сможет увидеть в телескоп, как это происходит. В 11:18 утра 1 сентября 1859 года Ричард Кэррингтон, 33-летний владелец пивоварни и астроном-любитель, был в своей частной обсерватории, делая зарисовки солнечных пятен — важная, но обыденная процедура учета. В этот момент пятна превратились в ослепляющий луч света. Кэррингтон бросился искать свидетеля. Когда он вернулся через минуту, изображение уже вернулось к норме. Весь день Кэррингтон пытался разобраться в феномене. Уловил ли его объектив случайное отражение? Не прошла ли между его телескопом и звездой неизвестная комета или планета? Пока он мучался догадками, плазменная бомба бесшумно полетела к Земле со скоростью несколько миллионов миль в час.
Когда на вашем пути появляется корональный выброс массы, важнее всего магнитная ориентация этой "пули". Если она имеет ту же полярность, что и защитное магнитное поле Земли, вам повезло: они будут отталкиваться друг от друга, как пара стержневых магнитов, ориентированных с севера на север или с юга на юг. Но если полярности противостоят друг другу, они сокрушительно столкнутся друг с другом. Именно это произошло 2 сентября, на следующий день после того, как Кэррингтон увидел ослепляющий луч.
Электрический ток пронесся по небу над западным полушарием. При типичном разряде молнии сила тока достигает 30 000 ампер. Эта геомагнитная буря регистрировалась повсеместно. Когда часы в Нью-Йорке пробили полночь, небо стало алым, пронизанным желтыми и оранжевыми струями. На улицах собрались испуганные толпы. Над континентальным водоразделом ярко-белое полуночное сияние разбудило группу рабочих Скалистых гор; они решили, что наступило утро, и начали готовить завтрак. В Вашингтоне, округ Колумбия, искры сыпались со лба телеграфиста к его коммутатору, когда его оборудование внезапно намагнитилось. Огромные участки находящейся в зачатке телеграфной системы перегрелись и отключились.
Событие Кэррингтона, как известно сегодня, считается геомагнитной бурей, которая случается раз в столетие, но потребовалось всего шесть десятилетий, чтобы другой сопоставимый взрыв достиг Земли. В мае 1921 года загорелись станции управления поездами на северо-востоке Америки и телефонные станции в Швеции. В 1989 г. умеренный шторм, сила которого составляла лишь одну десятую по сравнению с 1921 г., оставил Квебек в темноте на девять часов после перегрузки региональной электросети. В каждом из этих случаев ущерб был прямо пропорционален зависимости человечества от передовых технологий — более заземленная электроника — больше риск.
Когда на нашем пути появится еще одна крупная буря, а это может произойти в любое время, существующие технологии наблюдения предупредят об этом за один или два дня. Но мы не поймем истинный уровень угрозы, пока облако не достигнет спутника, исследующего глубокий космос и находящегося примерно в миллионе миль от Земли. У него есть инструменты, которые анализируют скорость и полярность направляющихся к нам солнечных частиц. Если магнитная ориентация облака представляет опасность, это оборудование стоимостью 340 миллионов долларов предупредит человечество — с его 7,2 миллиардами мобильных телефонов, 1,5 миллиардами автомобилей и 28 000 коммерческих самолетов — максимум за час до удара.
Активность на поверхности Солнца имеет цикл примерно в 11 лет. В начале каждого цикла на средних широтах обоих полушарий Солнца образуются скопления солнечных пятен. Эти скопления растут и мигрируют к экватору. Примерно в то время, когда они наиболее активны, известном как солнечный максимум, магнитное поле Солнца меняет полярность. Солнечные пятна уменьшаются, и наступает солнечный минимум. Потом все повторяется. "Я не знаю, почему потребовалось 160 лет каталогизации данных, чтобы понять это", — говорит Скотт Макинтош, прямолинейный шотландский астрофизик, который работает заместителем директора Национального центра атмосферных исследований США. — "Это же очевидно".
Сегодня, в 25-м солнечном цикле с начала регулярного ведения записей, ученым нечего показать, кроме этой модели миграции. Они не до конца понимают, почему полюса меняются местами. Они не могут объяснить, почему одни циклы солнечных пятен длятся всего девять лет, а другие длятся 14 лет. Они не могут надежно предсказать, сколько солнечных пятен сформируется или где произойдут выбросы корональной массы. Ясно только то, что крупный выброс может произойти в любом цикле: летом 2012 года, во время исторически спокойного 24-го цикла, два гигантских выброса корональной массы едва не задели Землю. Тем не менее, более активный цикл увеличивает шансы прямого попадания.
Без основополагающей теории солнечной динамики ученые склонны использовать статистический подход, полагаясь на сильные корреляции и постфактумные обоснования, чтобы делать свои прогнозы. Одна из наиболее влиятельных моделей, обладающая значительной предсказательной силой, использует магнитную силу полярных областей Солнца в качестве показателя уровня следующего цикла. В 2019 году дюжина ученых, привлеченных НАСА, предсказала, что текущий солнечный цикл достигнет пика с 115 солнечными пятнами в июле 2025 года, что намного ниже среднего исторического значения в 179.
Макинтош, которого не пригласили в группу НАСА, называет это «выдуманной физикой». Он считает, что модели старой школы описывают не те вещи — солнечные пятна, а не процессы, которые их попрождают. «Магнитный цикл — это то, что вы должны пытаться смоделировать, а не его производную», — говорит он. «Вы должны объяснить, почему солнечные пятна волшебным образом появляются на 30 градусах широты».
Попытка Макинтоша сделать это восходит к 2002 году, когда по указанию научного руководителя после защиты докторской диссертации он начал отмечать крошечные концентрации ультрафиолета на поверхности Солнца, известные как яркие точки. «Я думаю, мой руководитель знал, что я найду, если пройду полный цикл», — вспоминает он. «К 2011 году я был таким, черт возьми». Он обнаружил, что яркие точки возникают на более высоких широтах, чем солнечные пятна, но следуют по тому же пути к экватору. Для него это означало, что солнечные пятна и яркие точки являются двойственным проявлением одного и того же основного явления, которого нет в учебниках по астрофизике.
Его Теория Великого объединения, разработанная в течение десяти лет, звучит примерно так: каждые 11 лет, когда полярность Солнца меняется, возле каждого полюса образуется магнитная полоса, охватывающая окружность звезды. Эти группы существуют пару десятков лет, медленно мигрируя к экватору, где встречаются, взаимно уничтожая друг друга. В любой момент времени в каждом полушарии обычно есть две противоположно заряженные полосы. Они уравновешивают друг друга, что способствует относительному спокойствию на поверхности. Но не все магнитные полосы доживают до одного возраста. Некоторые достигают того, что Макинтош называет «терминатором», с необычайной скоростью. Когда это происходит, молодые группы остаются на несколько лет в одиночестве, без сдерживающего влияния старших групп, и у них появляется шанс "устроить шум".
Макинтош и его коллега Маусуми Дикпати считают, что расчет времени терминатора является ключом к прогнозированию солнечных пятен и, как следствие, выбросов корональной массы. Чем быстрее "вымирает" один набор полос, тем драматичнее будет следующий цикл.
Согласно их данным, самый последний терминатор произошел 13 декабря 2021 года. В последующие дни магнитная активность вблизи солнечного экватора рассеялась (сигнализируя о гибели одного набора полос), в то время как количество солнечных пятен на средних широтах быстро удвоилось (сигнализируя единоличное господство остальных групп). Поскольку этот терминатор появился немного раньше, чем ожидалось, Макинтош прогнозирует активность выше среднего для текущего солнечного цикла, достигающую пика в примерно 190 солнечных пятен.
Явный победитель в смоделированных противостояниях может определиться уже в этом году. Но Макинтош уже думает о следующем шаге — об инструментах, которые могут определить, где появится солнечное пятно и насколько вероятно, что оно взорвется. Он мечает о наборе спутников, вращающихся вокруг Солнца — несколько на полюсах и несколько вокруг экватора, подобных тем, которые используются для предсказания земной погоды. Он утверждает, что цена такой системы раннего предупреждения будет скромной: восемь аппаратов примерно по 30 миллионов долларов каждый. Но будет ли кто-нибудь финансировать это? «Я думаю, что до тех пор, пока цикл 25 не натворит дел, — говорит он, — всем будет наплевать».
Когда очередная солнечная буря приближается к Земле и спутник исследования дальнего космоса подает предупреждение — может быть, за час или за 15 минут, если буря движется быстро, — на космических кораблях с экипажем звучит сигнал тревоги. Астронавты отправляются в тесные модули, обшитые материалами, богатыми водородом, такими как полиэтилен, которые предотвратят разрушение их ДНК протонами, содержащимися в плазме. Они могут находиться там часами или днями, в зависимости от того, как долго длится шторм.
Плазма начнет заливать ионосферу Земли, а бомбардировка электронами приведет к отключению вещательного радио. Сигналы GPS, которые передаются с помощью радиоволн, исчезнут вместе с ним. Зоны приема сотовой связи будут сокращаться; точка, указывающая ваше местоположение на Картах Google, расширится. По мере нагревания атмосферы она будет расширяться, и спутники будут отклоняться от курса с риском столкнуться друг с другом и с космическим мусором. Некоторые вообще упадут с орбиты. Большинство новых спутников приспособлены к тому, чтобы выдерживать некоторое количество солнечного излучения, но во время достаточно сильного шторма даже самая надежная печатная плата может сгореть. Когда системы навигации и связи выходят из строя, парк коммерческих авиакомпаний — около 10 000 самолетов, находящихся в небе в любой момент времени, — попытается одновременно приземлиться. Пилоты будут следить за планом полета, в то время как авиадиспетчеры используют световые сигналы, чтобы направлять самолеты. Те, кто живет рядом с военными объектами, могут видеть, как правительственный самолет пролетает над головой; когда радиолокационные системы блокируются, активируются протоколы ядерной защиты.
Из-за странного и неинтуитивного свойства электромагнетизма электричество, проходящее через атмосферу, начнет индуцировать токи на поверхности Земли. По мере того как они устремляются сквозь земную кору, они будут искать путь наименьшего сопротивления. В регионах с резистивной горной породой (в США, особенно на северо-западе Тихого океана, Великих озерах и восточном побережье) самый удобный маршрут — вверх, через электрическую сеть.
Самыми уязвимыми местами в сети являются ее связующие звенья — трансформаторные подстанции, которые получают на входе сравнительно низкое напряжение от электростанции, преобразуют его в более высокое напряжение для дешевой и эффективной передачи на расстояние и снова преобразуют его обратно, чтобы его можно было безопасно передать по проводам к вашим настенным розеткам. Крупнейшие трансформаторные подстанции, которых в США насчитывается около 2000, прочно установлены в земле, используя земную кору в качестве отвода избыточного напряжения. Но во время геомагнитной бури этот отвод становится источником. Большинство трансформаторов предназначены только для работы с переменным током, поэтому постоянный ток, вызванный грозой, может привести к их перегреву, расплавлению и даже возгоранию. Как и следовало ожидать, старые подстанции подвержены более высокому риску выхода из строя. Среднестатистической американской трансформаторной подстанции 40 лет, что превышает ее предполагаемый срок службы.
Моделирование того, как сеть выйдет из строя во время очередного шторма класса Кэррингтон, — непростая задача. Характеристики отдельных трансформаторных подстанций — возраст, конфигурация, местоположение — обычно считаются коммерческой тайной. Metatech, инжиниринговая фирма, часто заключающая контракты с правительством США, предлагает одну из самых мрачных оценок. Выяснилось, что сильный шторм, наравне с событиями 1859 или 1921 года, может разрушить 365 высоковольтных трансформаторных подстанций по всей стране — примерно пятую часть действующих подстанций. В штатах вдоль восточного побережья уровень отказов трансформаторных подстанций может варьироваться от 24% (Мэн) до 97% (Нью-Гэмпшир). Отказ сети такого масштаба оставит в темноте не менее 130 миллионов человек. Но точное количество сгоревших подстанций может иметь меньшее значение, чем их местонахождение. В 2014 году The Wall Street Journal сообщила о выводах из неопубликованного отчета Федеральной комиссии по регулированию энергетики о безопасности энергосистемы: если всего девять трансформаторных подстанций выйдут из строя там, где не нужно, страна может столкнуться с отключениями от побережья до побережья на несколько месяцев.
Затянувшийся сбой в работе национальной энергосистемы — это новая реальность для человечества. Документы различных правительственных агентств и частных организаций рисуют мрачную картину того, как это будет выглядеть в Соединенных Штатах. Дома и офисы потеряют отопление и охлаждение; давление воды в душевых и кранах упадет. Поезда метро будут останавливаться в пути; городской транспорт будет двигаться без помощи светофоров. Прекратится добыча нефти, а также ее отгрузка и транспортировка. Благо современной логистики, которая позволяет продуктовым магазинам запасаться товарами всего на несколько дней, станет проклятием. Склады истощатся за нескольких дней. Однако самым опасным убийцей будет вода. Пятнадцать процентов очистных сооружений в стране обслуживают 75 процентов населения, и они полагаются на энергоемкие насосные системы. Эти насосы не только распределяют чистую воду, но и удаляют загрязненный болезнетворными бактериями и химическими веществами осадок, постоянно просачивающийся в канализационные сооружения. Без электричества эти системы отходов могут переполниться, загрязняя оставшиеся поверхностные воды.
По мере продолжения отключений медицинские учреждения будут перегружены. Стерильные запасы закончатся, а количество обращений резко возрастет. Когда резервные батареи заканчиваются и генераторы выходят из строя, скоропортящиеся лекарства, такие как инсулин, приходят в негодность. Энергоемкое медицинское оборудование — диализные аппараты, аппараты визуализации, аппараты ИВЛ — перестанет функционировать, а больничные палаты будут напоминать полевые клиники. В связи с растущим числом погибших и отсутствием холодильников в моргах муниципалитеты будут вынуждены принимать серьезные решения о том, как безопасно обращаться с телами.
Это примерно тот момент в наихудшем сценарии, когда начинаются аварии на атомных электростанциях. Этим объектам требуются многие мегаватты электроэнергии для охлаждения активной зоны реактора и отработавших топливных стержней. Сегодня на большинстве американских заводов резервные системы работают на дизельном топливе. Коруш Ширван, эксперт по ядерной безопасности в Массачусетском технологическом институте, предупреждает, что многие реакторы могут столкнуться с проблемами, если простои продлятся дольше нескольких недель.
Если вы просмотрите достаточное количество правительственных отчетов о геомагнитных бурях, вы обнаружите, что почти каждый раз встречается одно имя: Джон Г. Каппенман. Он опубликовал 50 научных работ, выступил перед Конгрессом и НАТО и консультировал полдюжины федеральных агентств и комиссий. Этот ветеран сферы коммунальных услуг — человек, стоящий за катастрофическими прогнозами Metatech, и он либо провидец, либо паникер, в зависимости от того, кого вы спросите. Каппенман провел первые два десятилетия своей карьеры, поднимаясь по карьерной лестнице в Minnesota Power, изучая все тонкости коммунальной отрасли. В 1998 году он присоединился к компании Metatech, где консультировал правительства и энергетические компании по вопросам космической погоды и устойчивости энергосистем.
Его прогнозы относительно конца света впервые получили национальную поддержку в 2010 году, вызвав такую тревогу, что Министерство внутренней безопасности привлекло JASON, элитную научную консультативную группу, для проведения встречного исследования. «Мы не убеждены, что наихудший сценарий Каппенмана возможен», — заключили авторы в своем отчете за 2011 год. Примечательно, однако, что JASON не оспаривала работу Каппенмана по существу, и группа не предлагала конкурирующую модель. Скорее, ее возражения были основаны на том факте, что модели Metatech являются патентованными, а секретность коммунальных предприятий затрудняет моделирование национальных энергосетей. Тем не менее, авторы поддержали основной вывод Каппенмана: энергосистема США совершенно не готова к сильному шторму, и операторам следует принять немедленные меры по усилению защиты своих трансформаторных подстанций.
Хорошая новость заключается в том, что техническое решение уже существует. Смягчить эту угрозу можно просто, оснастив уязвимые трансформаторные подстанции конденсаторами, относительно недорогими устройствами, которые не пропускают постоянный ток. Во время шторма 1989 года в Квебеке сеть отключилась и перестала проводить электричество до того, как ток смог нанести значительный ущерб. Однако одного такого "звонка" было достаточно. В последующие годы Канада потратила более 1 миллиарда долларов на повышение надежности, устанавливая конденсаторы для наиболее уязвимых трансформаторных подстанций. «Чтобы охватить все США, вы, вероятно, должны потратить пордяка нескольких миллиардов долларов», — говорит Каппенман. «Если вы распределите эту стоимость, она будет равняться стомиости одной почтовой марки в год на одного клиента». Исследование, проведенное в 2020 году Foundation for Resilient Societies, показало аналогичную цифру для комплексной модерниазции сети: около 500 миллионов долларов в год в течение 10 лет.
Однако на сегодняшний день американские коммунальные компании не развернули широкое распространение устройств блокировки [постоянного] тока в действующей сети. «Они делали только такие вещи, как переход на все более и более высокие рабочие напряжения» — для более дешевой передачи энергии — «которые значительно увеличивают их уязвимость перед этими штормами», — говорит мне Каппенман.
Том Бергер, бывший директор Центра прогнозирования космической погоды при правительстве США, также выразил сомнения в отношении операторов энергосетей. «Когда я разговариваю с ними, они говорят мне, что понимают космическую погоду и готовы», — говорит он. Но уверенность Бергера пошатнулась после обрушения энергосистемы Техаса в феврале 2021 года, в результате которого погибли сотни людей, миллионы домов и предприятий остались без тепла, а ущерб составил около 200 миллиардов долларов. Этот кризис не был вызван ничем более экзотическим, чем резкое похолодание. «Мы слышали одно и то же, — говорит Бергер. "Мы понимаем, что это зима; нет проблем"».
Я связался с 12 крупнейшими коммунальными компаниями страны, запросив информацию о конкретных шагах, предпринятых для уменьшения ущерба от крупного геомагнитного явления. American Electric Power, крупнейшая в стране энергетическая сеть, была единственной компанией, которая поделилась конкретными мерами, которые, по ее словам, включают регулярное обновление оборудования, перенаправление тока во время шторма и быструю замену оборудования после чрезычайной ситуации. Две другие компании, Consolidated Edison и Exelon, утверждают, что оснастили свои системы датчиками геомагнитного мониторинга и инструктируют своих операторов по неразглашаемым «процедурам». Florida Power & Light отказалась от содержательных комментариев, сославшись на риски для безопасности. Остальные восемь не ответили на многочисленные запросы о комментариях.
В этот момент любопытные умы могут задаться вопросом, обязаны ли коммунальные компании вообще планировать подготовку к геомагнитным бурям. Ответ сложный, в уникальной американской манере. В 2005 году, когда Джордж Буш, бывший топ-менеджер нефтяной отрасли, занял Овальный кабинет, Конгресс принял Закон об энергетической политике, который включал в себя набор послаблений для нефтегазовой отрасли. Он отменил большую часть полномочий Федеральной комиссии по регулированию энергетики по регулированию коммунальной отрасли. В настоящее время стандарты надежности разрабатываются и применяются Североамериканской корпорацией по обеспечению надежности электроснабжения — торговой ассоциацией, представляющей интересы тех же компаний.
Некоторые считают стандарты надежности NERC смехотворными. (Двое опрошенных громко рассмеялись, когда их спросили о них.) Каппенман возражал против первого набора стандартов, предложенного в 2015 году, на том основании, что они были слишком мягкими — они не требовали, чтобы коммунальные службы готовились к шторму наравне с 1859 или 1921 годом. Бергер тоже возражал, но по другой причине: в стандартах не упоминалась продолжительность шторма. Наземные последствия Кэррингтонского события продолжались четыре или пять дней подряд; трансформатор, рассчитанный на 10 секунд [постоянного] тока, сильно отличается от трансформатора, рассчитанного на 120 часов.
Под давлением федерального правительства в 2019 году NERC ввела более строгие стандарты. В длинном письменном заявлении Рэйчел Шеррард, пресс-секретарь группы, подчеркнула, что теперь ожидается, что американские коммунальные предприятия столкнутся с событием, вдвое более мощными по силе, чем шторм в Квебеке 1989 года. (Сравнение со старым штормом, таким как Кэррингтон, отметила она, «затруднительно, потому что достоверные исторические данные измерений недоступны».) Хотя новые стандарты требуют, чтобы коммунальные службы устраняли уязвимости в своих системах, компании сами определяют правильный подход — и временную шкалу.
Если коммунальные предприятия останутся незаинтересованными, способность человечества противостоять сильной геомагнитной буре будет во многом зависеть от нашей способности заменять поврежденные трансформаторы. Расследование, проведенное Министерством торговли США в 2020 году, показало, что страна импортировала более 80 процентов мощных трансформаторов и их компонентов. При нормальных условиях спроса и предложения сроки изготовления этих конструкций могут достигать двух лет. «Люди за пределами отрасли не понимают, насколько сложно производить такие вещи, — говорит Каппенман. Инсайдеры знают, что нельзя покупать трансформатор, если завод, который его произвел, еще не проработал 10 лет. «Чтобы разобраться со всем этим, требуется так много времени», — говорит он. Каппенман отмечает, что во время солнечного кризиса иностранные правительства — даже геополитические союзники — могут ограничить экспорт жизненно важного электрического оборудования. За последнее десятилетие появилось несколько программ [поставки] запасных частей, которые позволяют участникам объединять ресурсы в различных сценариях стихийных бедствий. Однако размер и местонахождение этих запасных частей неизвестны федеральным властям, потому что промышленность не сообщает им об этом.
В один прекрасный день регулирующим органам удастся нанести на карту электрическую сеть, даже защитить ее от шторма (при условии, что он не уничтожит ее раньше). Инженеры могут запустить спутниковую группировку, благодаря которой у нас будет несколько дней, чтобы подготовиться. В крайнем случае правительства могут найти способ починить аварийные трансформаторные подстанции. И будет солнце — непостижимая, неугасимая печь в центре нашей Солнечной системы, которая разрушает так же без разбора, как и созидает. Жизнь на этой маленькой пылинке полностью зависит от милости космической ядерной силы с зудящим пальцем на спусковом крючке. Никакие человеческие достижения никогда на это не смогут повлиять. (Но нам все равно нужно купить конденсаторы. Поскорее, пожалуйста).
Иллюстрации: Mark Pernice
Источник: Wired
Компонент комментариев CComment