Ако магнитният щит на Земята отново спадне до 5%: как повторение на магнитната аномалия Лашамп ще увеличи облъчването на екипажите на самолетите 75 пъти

На височина 10-12 км, където се движат съвременните пътнически самолети, плътността на атмосферата е много по-ниска, отколкото на морското равнище. Поради това самолетите и техните пътници са изложени на йонизиращо лъчение от космически произход. В съвременните условия магнитното поле на Земята е основният фактор, който ограничава радиационните потоци. То отклонява заредените частици, преди те да се сблъскат с газовите молекули в горните слоеве на атмосферата.

Геоложката история на планетата обаче показва, че структурата и силата на глобалното магнитно поле са променливи. Преди около 41 000 години е настъпило събитие, известно в геофизиката като явлението Лашамп. През този период магнитните полюси на Земята започват да се изместват и общата сила на магнитното поле спада до около 5% от сегашната си стойност.

Екип от изследователи от Института за космофизични изследвания към Университета в Нагоя (Япония) и Университета в Оулу (Финландия) проведоха моделиране, за да разберат как подобно критично отслабване на магнитното поле би се отразило на съвременната авиация. Резултатите им, базирани на точни изчисления на траекториите на частиците и палеомагнитни данни, показват, че промените в геомагнитната среда изискват пълно преосмисляне на принципите на радиационната безопасност.

Природата на космическите лъчи и механизмът на геомагнитното подрязване

Източниците на радиация, които застрашават околоземното пространство, са два: галактическите космически лъчи Galactic Cosmic Rays, GCRs) и слънчевите енергийни частици (Solar energetic particles, SEPs). Галактическите лъчи, съставени предимно от високоенергийни протони и тежки атомни ядра, идват от места извън Слънчевата система. Те образуват постоянен, стабилен радиационен фон. От друга страна, слънчевите частици се генерират по време на мощните слънчеви изригвания. Тяхната поява е спорадична, но плътността на потока в подобни моменти се увеличава неимоверно.

Когато тези заредени частици достигнат Земята, те взаимодействат с нейното магнитно поле. Във физиката този процес се описва със силата на Лоренц: магнитното поле кара движещия се заряд да промени траекторията си. За оценка на вероятността дадена частица да проникне в атмосферата се използва параметър, наречен „твърдост на геомагнитното изрязване“. Той се измерва в гигаволти (GV) и отразява минималния импулс, който трябва да притежава частицата, за да преодолее магнитното съпротивление в определена точка на планетата.

При сегашната конфигурация на магнитното поле на Земята (глобален дипол) най-силната твърдост на изрязване – около 17 GV – се регистрира близо до екватора, тъй като там магнитните силови линии вървят успоредно на земната повърхност. За частиците е изключително трудно да ги пресекат напречно. При магнитните полюси силовите линии се спускат вертикално надолу в повърхността на планетата. Следователно заредените частици могат да се движат по тези линии почти без съпротивление. Твърдостта на изрязването при полюсите е близка до нулата. Ето защо съвременните трансполярни полети винаги получават по-висока доза радиационен фон в сравнение с екваториалните маршрути.

Структурата на магнитното поле по време на събитието Лашамп

По време на екскурса Лашамп геомагнитната среда се променя драстично. За да реконструират условията по това време, изследователите използват палеомагнитния модел LSMOD.2. Този модел се основава на изучаването на вулканичните скали: когато лавата се охлажда, съдържащите се в нея железни минерали записват посоката и силата на магнитното поле от епохата на изригването.

Данните показват, че преди 41 000 години земното магнитно поле е загубило ясната си двуполюсна (диполна) структура. То става неправилно и многополюсно. Глобалният спад на напрежението е довел до това, че максималната твърдост на подрязването на планетата едва е достигнала 4 GW (вместо днешните 17 GW).

От гледна точка на проникването на космическите лъчи това означава, че площта на регионите с ниска твърдост на подрязване (по-малко от 1 ГВ) се е увеличила повече от три пъти. В световен мащаб Земята е станала много по-уязвима за заредените частици с ниска и средна енергия, които при нормални условия биха били отклонени в космоса.

Методология за изчисляване на дозите на облъчване

За да изчислят прецизно радиационното натоварване, изследователите използват софтуерния пакет OTSO, който изчислява траекториите на частиците, използвайки метода на обратното проследяване. Алгоритъмът изстрелва виртуална частица от височина 20 км над земната повърхност в обратна посока – в космоса. Ако траекторията излезе извън магнитосферата, се счита, че частицата е способна да достигне атмосферата. Ако траекторията се заплете в силовите линии и се върне към Земята, проникването се счита за невъзможно.

След като геомагнитното подрязване беше изчислено, данните бяха въведени в 3D модела CRAC:DOMO. Този модел симулира развитието на атмосферните каскади: как първичната космическа частица се сблъсква с молекулите на азота и кислорода, пораждайки вторични частици (неутрони, мюони, електрони), които в крайна сметка генерират радиационната доза за човек на борда на самолет.

Нелинейните последици за авиационните маршрути

Учените избират два реални търговски маршрута за симулиране на полет на височина 12,19 км (40 000 фута): трансполярен полет от Хелзинки до Ню Йорк (с продължителност около 8,5 часа) и меридионален полет от Хелзинки до Дубай (около 7 часа).

Анализът на резултатите разкри контраинтуитивната картина, според която радиацията би трябвало просто да се увеличава равномерно по цялата планета, когато полето отслабва.

Полетът Хелзинки-Дубай, който днес преминава през райони със силно магнитно поле и се счита за радиационно безопасен, при условията на екскурса Лашамп показа многократно увеличение на получената доза. Поради срива на напрегнатостта на екватора и средните географски ширини космическите лъчи са имали пряк достъп до атмосферата над тези региони.

Съвсем различен ефект бе наблюдаван при полета от Хелзинки до Ню Йорк. По време на дълбоката фаза на екскурса общата доза радиация по този традиционно високопланински маршрут е била по-ниска, отколкото днес. Причината се крие в хаотичната структура на слабото поле. Разпадането на глобалния дипол води до образуването на локални магнитни аномалии. Над Северния Атлантически океан се е образувала зона с по-висока интензивност на магнитното поле, отколкото съществува сега. В резултат на това исторически опасният полярен маршрут в периода на магнитните катаклизми става радиационно по-безопасен от полетите по-близо до екватора.

Радиационните рискове от екстремните слънчеви бури

Докато фоновата галактическа радиация в условия на слабо поле увеличава дозата постепенно, слънчевите изригвания представляват остра и непосредствена заплаха. В астрофизиката събитията, при които слънчевите частици достигат повърхността на Земята в статистически значими количества, се наричат усилвания на земното ниво (Ground Level Enhancements – GLE).

Изследователите моделират въздействието на екстремно слънчево събитие (ESPE) на фона на отслабеното магнитно поле на Лашамп. За еталон е взето събитието от 774 г. след Христа („събитието Мияке“). Това е една от най-мощните радиационни бури в познатата ни история, регистрирана чрез рязък скок в концентрацията на изотопа въглерод-14 в древните пръстени на дърветата. Потокът от частици по време на тази буря превишава съвременните силни изригвания 40-100 пъти.

Сценарият, при който събитието Мияке се наслагва върху дълбоката фаза на екскурса Лашамп, показва критични нива на радиация. Изчислената ефективна доза за пътник, намиращ се на крейсерска височина за четири часа от такава буря, би била 0,45 сиверта (Sv).

За обективното разбиране на тази стойност е необходимо да се направи справка с разпоредбите за радиационна безопасност. Действащият регламент на Европейската общност за атомна енергия (EURATOM) определя препоръчителната граница на професионално облъчване за екипажите на гражданската авиация на 6 милисиверта (0,006 Sv) годишно. Облъчване от 0,45 Sv на полет превишава тази годишна граница 75 пъти.

От медицинска гледна точка единична доза от 0,45 Sv се класифицира като сериозно облъчване. Тя не води до смърт от остра лъчева болест през първите седмици (тежките форми започват при доза от 1 Sv), но гарантирано причинява функционални нарушения. Човек изпитва промени в клетъчния състав на кръвта, краткотрайно гадене и слабост. Основната последица е статистически потвърденото, многократно увеличение на риска от злокачествени новообразувания в дългосрочен план. Всъщност полетът при такива условия се превръща в радиационна авария.

Заключение и приложимост на изследването

Цялата съвременна авиационна, сателитна и комуникационна инфраструктура е проектирана така, че да отчита магнитната топология на Земята, както е фиксирана през XX век. Инструменталните наблюдения обаче показват, че магнитното поле на планетата е динамично: силата на дипола е намаляла с почти 9% през последните два века, а Северният магнитен полюс активно се измества със скорост от около 50 км годишно.

Вече е налице южноатлантическа аномалия – регион, в който геомагнитното поле е много по-слабо от нормалното, което принуждава операторите на сателитите да изключват оборудването си, когато прелитат над този район, за да избегнат повреди в микроелектрониката.

Моделирането на ексурса Лашамп доказва, че ако влошаването на магнитното поле е значително, принципите на планиране на въздушните маршрути ще изискват радикална промяна. Логистиката на междуконтиненталните полети вече няма да може да разчита единствено на икономията на гориво и на най-кратките разстояния. Непрекъснатото наблюдение на динамичните геомагнитни аномалии ще се превърне в основен фактор за осигуряване на безопасността. По време на периоди на геомагнитни екскурзии радиационният модел на небето се променя до такава степен, че традиционно безопасните ниски географски ширини могат да станат неподходящи за полети, а навигацията ще трябва да се адаптира към променящата се топология на магнитосферата.

Бъдещите самолети може да изискват подобрена изолация, а планирането на маршрутите ще зависи не само от метеорологичното време, но и от „космическото време“. Събитието Лашамп ни напомня, че нашата сигурност зависи от един невидим, но крехък щит, който не е константна величина.