Событие1859 в Кэррингтоне дало нам представление о том, насколько катастрофическим может быть Солнце для человечества. Но все может стать еще хуже, чем мы предполагали.
Ключевые выводы
- Одной из величайших угроз для всей электронной и электрифицированной инфраструктуры человечества является солнечная буря, которая может вызвать многотриллионную катастрофу.
- В настоящее время у нас нет достаточных средств защиты для защиты от такого события, как великий шторм 1859 года, известный как событие Каррингтона.
- Но в 774-775 годах произошло еще более крупное космическое событие, поразившее Землю с невиданной прежде яростью. После 10-летнего расследования мы обнаружили, что Солнце еще более агрессивно и угрожающе, чем мы могли себе представить.
В то время как человечество сталкивается со многими проблемами здесь, на Земле - войнами, политическими беспорядками, продолжающейся пандемией, а также энергетическим, климатическим и водным кризисами - важно помнить, насколько безжалостной может быть Вселенная. Хотя землетрясения, торнадо, извержения вулканов, ураганы и другие стихийные бедствия еще не прекратились, существует надвигающаяся угроза, к которой мы совершенно не готовы: солнечная буря. Без каких-либо мер по смягчению последствий широкомасштабные электрические пожары и отказы электростанций могут привести к ущербу в триллионы долларов и затронуть жизни миллиардов людей.
Исторически крупнейшее зарегистрированное солнечное событие произошло еще в 1859 году: событие Кэррингтона. Но более чем за тысячу лет до этого на Землю обрушилось еще более сильное космическое событие. Мы знаем это, потому что еще в период с 774 по 775 год произошел огромный всплеск присутствия углерода-14 в атмосфере Земли, и доказательства этого можно найти в годичных кольцах деревьев по всему миру. После целого десятилетия изучения возможных причин этого всплеска мы пришли к научному выводу, что виновато Солнце. Солнечная буря более 1200 лет назад, возможно, была самой мощной из зарегистрированных в естественной истории. В результате Земля может оказаться в еще большей опасности от наихудшей солнечной бури, чем кто-либо считал возможным.
Солнечная вспышка на нашем Солнце, которая выбрасывает вещество из нашей родительской звезды в Солнечную систему, может вызвать такие события, как выброс корональной массы. Хотя частицам обычно требуется около 3 дней, наиболее энергичные события могут достичь Земли менее чем за 24 часа и могут нанести наибольший ущерб нашей электронике и электрической инфраструктуре.
Наука солнечной астрономии, в рамках которой мы непосредственно наблюдаем за Солнцем, относительно молода. Хотя солнечные пятна упоминались и регистрировались с 4 века до нашей эры, они были идентифицированы как присущие Солнцу только во времена Галилея в начале 1600-х годов. Наблюдения за тем, что эти пятна не только появлялись на Солнце, но и мигрировали по его поверхности при его вращении, были первыми, кто поставил под сомнение идею Аристотеля о том, что Солнце было совершенным: без изъяна или движения..
Связь солнечных пятен с солнечными вспышками не была установлена до 1859 года, когда солнечный астроном Ричард Кэррингтон, отслеживая большую область солнечных пятен неправильной формы, наблюдал то, что он назвал «вспышкой белого света», которая длилась в течение приблизительно пяти минут. 18 часов спустя на Земле произошла сильнейшая геомагнитная буря в новейшей истории, в результате которой:
- всемирные полярные сияния, в том числе на экваторе,
- горняки просыпаются посреди ночи, думая, что уже рассвет,
- сообщения о полярных сияниях, настолько ярких, что в их свете можно было читать газеты,
- и электрические системы, такие как телеграфы, начинали искрить и зажигать огонь, даже когда они были полностью отключены и отключены от любого источника питания.
Учитывая последующее колоссальное развитие электрической и электронной инфраструктуры человечества, легко понять, как подобное событие, если бы оно произошло сегодня, могло бы привести к беспрецедентной катастрофе.
Солнечная вспышка на нашем Солнце, которая выбрасывает материю из нашей родительской звезды в Солнечную систему, является относительно типичным событием. Однако мощная вспышка или выброс корональной массы могут нанести огромный ущерб нашей электрической и электронной инфраструктуре, обойдясь в триллионы долларов и потенциально убивая и перемещая миллионы людей.
Впоследствии были более мелкие солнечные бури, которые повлияли на человечество. Трехдневная геомагнитная буря 1921 года вызвала ряд пожаров по всему миру, в том числе возле Центрального вокзала Нью-Йорка. Солнечная авария 1960 года вызвала широкомасштабные сбои в радиосвязи, а затем солнечные бури 1972 года вызвали серьезные нарушения электроснабжения и связи, даже вызвав случайные подрывы многочисленных морских мин. Тем временем геомагнитная буря 1989 года вызвала массовые отключения электроэнергии и значительный ущерб электросети.
В июле 2012 года произошло крупнейшее солнечное извержение с 1859 года, по своим внутренним свойствам сравнимое с событием Кэррингтона. К счастью, выброс не попал в Землю, поскольку Солнце повернулось не в ту сторону; если бы вспышка произошла на 9 дней раньше, она, вероятно, вызвала бы самую дорогостоящую природную катастрофу в истории человечества.
Что менее ясно, так это то, как можно реконструировать то, что произошло более 1000 лет назад, когда солнечные бури не имели негативных последствий для человечества, а солнечная астрономия была практически несуществующей наукой. То, что когда-то было просто догадкой, вдруг стало научным детективом благодаря неожиданному свидетелю: древним кедрам.
Многим деревьям, найденным по всему миру, тысячи лет. Атомы углерода, обнаруженные внутри годичных колец деревьев, будут трех видов: углерод-12, углерод-13 и углерод-14. Измеряя содержание углерода-14 в различных кольцах и учитывая скромный период полураспада углерода-14, мы можем реконструировать содержание углерода-14 в атмосфере в то время, когда заканчивалось формирование каждого кольца деревьев.
Деревья, как известно, растут изнутри наружу, каждый год производя новый набор колец на своих стволах. В частности, последние 3000 лет были особенно хорошо задокументированы благодаря набору ориентировочных данных, синтезированному из данных годичных колец, охватывающих весь земной шар. Углерод является одним из наиболее важных элементов, присутствующих во всех органических веществах, получаемых либо из воздуха (для большинства растений), либо из веществ на основе углерода, потребляемых (большинством животных) в пищу. Углерод бывает трех видов:
- углерод-12 с 6 протонами и 6 нейтронами в ядре, что составляет большую часть встречающегося в природе углерода,
- углерод-13 с 6 протонами и 7 нейтронами в ядре, что составляет около 1,1% встречающегося в природе углерода,
- и углерод-14 с 6 протонами и 8 нейтронами в ядре, радиоактивный, с периодом полураспада около 5700 лет.
Если бы единственным источником углерода был материал, из которого первоначально сформировалась Земля примерно 4,5 миллиарда лет назад, углерода-14 вообще не было бы, так как он весь распался бы. Но на Земле есть углерод-14, так как примерно 1 из каждого триллиона атомов углерода имеет восемь нейтронов внутри своего ядра. Мы не понимали почему до 20 века: потому что Землю постоянно бомбардируют высокоэнергетическими частицами из космоса.
Космические лучи, представляющие собой частицы сверхвысоких энергий, происходящие со всей Вселенной, включая Солнце, поражают атомные ядра в верхних слоях атмосферы и производят потоки новых частиц. Хотя многие из этих «дочерних» частиц нестабильны, они также часто движутся очень быстро. Хотя время жизни мюонов составляет всего микросекунды, некоторые из них могут добраться до поверхности Земли, что было бы невозможно без теории относительности Эйнштейна.
Из всевозможных космических источников - звезд (включая Солнце), белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр и даже галактик за пределами Млечного Пути - испускаются высокоэнергетические частицы, и некоторые из них столкнуться с атмосферой Земли. Когда они это делают, они ударяют по присутствующим там атомам: в основном азоту и кислороду. Эти столкновения часто приводят к образованию каскада частиц, включая фотоны, электроны, позитроны (аналоги электронов из антивещества), нестабильные частицы, такие как мезоны и мюоны, наряду с обычными и знакомыми протонами и нейтронами.
Нейтрон, когда дело доходит до углерода-14, имеет первостепенное значение. Большая часть земной атмосферы (78%) состоит из газообразного азота: двухатомной молекулы, содержащей по два атома азота. Азот обычно содержит 7 протонов и 7 нейтронов в своем ядре, но когда нейтрон сталкивается с ним, существует конечная вероятность возникновения реакции замещения, когда этот нейтрон заменяет один из протонов. Всякий раз, когда это происходит, ядро превращается из атома азота (с 7 протонами и 7 нейтронами) в атом углерода (с 6 протонами и 8 нейтронами): в частности, атом углерода-14.
Все атомы углерода состоят из 6 протонов в атомном ядре, но в природе существуют три основных разновидности. Углерод-12 с 6 нейтронами составляет наиболее распространенную форму стабильного углерода; углерод-13 имеет 7 нейтронов и составляет оставшиеся 1,1% стабильного углерода; углерод-14 нестабилен, с периодом полураспада чуть более 5 700 лет, но постоянно образуется в атмосфере Земли из-за падающих космических лучей.
С момента образования и до распада каждый атом углерода-14 будет вести себя точно так же, как его стабильные родственники углерод-12 и углерод-13. Он легко образует углекислый газ в нашей атмосфере и смешивается с атмосферой и океанами. Он включается во все живые организмы точно так же, как любая другая форма углерода, пока не достигнет равновесной концентрации с окружающей средой.
Только когда организм умирает - или, в случае таких организмов, как деревья, его годовое/сезонное кольцо полностью сформировано - в него не может попасть новый углерод-14. В этот момент количество углерода-14 внутри него максимально, и с этого момента он распадается, как и следовало ожидать: экспоненциально и вероятностно, с общим периодом полураспада ~5700 лет.
Способ, которым мы датируем организмы по углероду, заключается в измерении текущего отношения углерода-14 к углероду-12. Поскольку соотношение этих двух видов друг к другу в любой момент времени чрезвычайно стабильно (оно остается примерно на уровне 1 триллионной части с течением времени с вариациями только на уровне 0.6% из года в год), измерение соотношения углерода-14/углерода-12 в любое время позволяет нам определить, сколько времени прошло с тех пор, как этот организм перестал поглощать новый углерод-14.
Если кто-то знает, как распадается углерод-14, и может измерить, сколько углерода-14 (по отношению к углероду-12) присутствует сегодня, легко узнать, сколько углерода-14 присутствовало, когда конкретное событие произошло в «окаменелых» реликвиях прошлого. В процессе углеродного датирования используется именно этот метод, когда оставшиеся атомы позволяют нам сделать вывод, каковы были условия в тот момент, когда углеродсодержащий организм перестал поглощать новый углерод.
Вот почему измерение годичных колец - и, в частности, измерение годичных колец у японских кедров, живших в 774-775 годах - вызвало у нас такой научный шок, когда мы их анализировали. За последние 3000 лет было только четыре коротких периода, когда содержание углерода-14 в деревьях увеличилось более чем на 3% за десятилетие.
Один из них был недавним: в 20-м веке, который был вызван взрывом первого в мире ядерного оружия под открытым небом.
Два из них были относительно небольшими по величине, поэтому их нецелесообразно анализировать.
Но один такой переход произошел резко и с невероятно большой амплитудой. С 774 до 775 содержание углерода-14 увеличилось на ошеломляющие 12%, причем сразу. Этот «всплеск» примерно в 20 раз больше, чем любые другие естественные вариации, которые наблюдались в масштабах времени из года в год, и было быстро подтверждено их существование в других местах по всему миру. Другие деревья со всего мира, в том числе в Германии, России, Новой Зеландии и даже в Северной Америке, также продемонстрировали такой же всплеск, что указывает на то, что всплеск углерода-14 был всемирным явлением.
Цветные точки с планками ошибок показывают данные C-14, измеренные на японских (M12) и немецких (дуб) деревьях, а также типичный профиль для мгновенного производства C-14 (черная кривая). Обратите внимание, насколько велик «всплеск» в 774/5 по сравнению с предыдущими годами и неопределенностями.
Тот факт, что уровень углерода-14 вырос, интересен, но сам по себе недостаточно убедителен, чтобы выявить солнечную бурю как основную причину. Конечно, солнечная активность является одной из возможных причин, но космические вспышки, гамма-всплески или даже прямое попадание струи черной дыры или коллимированного взрыва сверхновой также могут вызвать всплеск углерода-14. Однако у нас есть другие исторические и научные свидетельства, и если сложить их все вместе, единственным разумным выводом будет солнечное событие.
Исторически в англо-саксонских хрониках 774 года было записано «красное распятие в небе», что могло относиться либо к сверхновой (хотя ее остатки так и не были найдены), либо к полярному сиянию. Почти в то же время, в 775 году, китайские наблюдатели сообщили о том, что видели аномальную «грозу», которая, как многие подозревали, относится к экваториальному полярному сиянию, поскольку ни о какой другой такой «грозе» никогда не сообщалось как таковой.
Между тем, научные данные годичных колец можно объединить с данными ледяных кернов, извлеченными из Антарктиды. В то время как годичные кольца деревьев показывают всплеск углерода-14 с 774 до 775, данные ледяных кернов показывают соответствующий всплеск радиоактивных бериллия-10 и хлора-36, что предполагает связь с сильным, энергичным событием солнечных частиц.
Данные по углероду-14 (в центре) вместе с соответствующими выбросами в данных ледяного керна по бериллию-10 (вверху) и хлору-36 (внизу) согласуются с богатой протонами солнечной вспышкой событие происхождения избыточного сигнала видно с 774 по 775.
Два других всплеска, зарегистрированных за последние 3000 лет, также соответствуют событиям потенциальной солнечной активности: один с 993 по 994 год и один примерно с 660 г. до н.э. Все три этих события могут быть объединены общей причиной: быстрым выбросом протонов из Солнца. Гамма-всплески и сверхновые не производят достаточного количества протонов, поэтому эти объяснения не одобряются. Оптически невидимые события, такие как внегалактические космические вспышки или струи черной дыры, не привели бы к совпадающим историческим наблюдениям, поэтому они также не одобряются. Единственный вариант, который объясняет все наблюдения вместе взятые, - это солнечная буря.
Всплеск с 774 до 775, безусловно, самый большой из наблюдаемых. Из свойств годичных колец деревьев и данных ледяных кернов, которые мы взяли, мы можем даже сравнить вспышку, вызвавшую ее, с событием Кэррингтона 1859 года, и результаты действительно невероятны. В то время как событие Кэррингтона является самой мощной солнечной вспышкой, когда-либо зарегистрированной в наше время, полный анализ данных показывает, что это событие 774-775 годов, произошедшее более 1200 лет назад, могло быть в десять раз или даже более мощным.. Хотя данные намного хуже, в этом году были опубликованы новые данные, свидетельствующие о том, что солнечная буря примерно 9200 лет назад могла быть даже более мощной, чем событие 774-775 годов.
В феврале 2021 года около 4,4 миллиона жителей Техаса потеряли электроэнергию из-за зимнего шторма. В случае перегрузки сети космической погоды более миллиарда человек по всему миру могут остаться без электричества, глобальная серия пожаров и цепная реакция неконтролируемых столкновений спутников. Все это приводит к беспрецедентному в мировой истории стихийному бедствию.
Когда мы рассматриваем опасности, с которыми мы сталкиваемся из-за потенциально разрушительной солнечной бури, жизненно важно не преувеличивать и не преуменьшать угрозы, которые представляет наше собственное Солнце. В нормальных условиях Солнце излучает заряженные частицы, а магнитные события вызывают выброс случайных вспышек или даже менее распространенный выброс корональной массы. В редких случаях эти излучаемые потоки частиц обладают высокой энергией и быстро движутся, преодолевая расстояние между Солнцем и Землей менее чем за сутки. И если выравнивание будет совершенно неверным, когда частицы вспышки поразят Землю прямо, а магнитное поле поверхности Солнца будет совершенно не выровнено с самогенерируемым магнитным полем Земли, произойдет земная катастрофа.
До недавнего времени мы думали, что событие, подобное Кэррингтону, будет наихудшим сценарием. Но более свежие данные указывают на то, что солнечные бури бывают разных видов, которые могут быть в десять раз сильнее, чем событие Каррингтона 1859 года, с, соответственно, более тяжелыми последствиями для нашей инфраструктуры, как на земле, так и на орбите вокруг нашей планеты. От катастрофического каскада спутников на низкой околоземной орбите до широкомасштабных электрических пожаров и недельного отсутствия электричества воздействие на человечество будет ощущаться десятилетиями или даже дольше.
Если мы не подготовим нашу энергосистему, наши системы распределения энергии, нашу космическую инфраструктуру и граждан Земли к неизбежному дню, когда нас поразит такая вспышка, мы заплатим катастрофические издержки все вместе. Мы должны коллективно предпринять необходимые подготовительные действия, чтобы быть готовыми. В противном случае, когда это произойдет, нашим единственным выходом будет собрать осколки нашей цивилизации и, если мы сможем, попытаться восстановить ее.