Ученые из Сколковского института науки и технологий, Института астрофизики имени Лейбница (Германия), Грацского университета Карла и Франца и Обсерватории Канцельхоэ (Австрия), Загребского университета и Загребской астрономической обсерватории (Хорватия) разработали метод прогнозирования геомагнитных бурь непосредственно по данным наблюдений за Солнцем. Полученные результаты позволяют увеличить заблаговременность прогноза с нескольких часов до нескольких суток и обеспечить тем самым своевременную защиту инженерных систем на Земле и в космосе от воздействий космической погоды.
Разработан метод раннего прогнозирования геомагнитных бурь / ©Getty images
Результаты исследования опубликованы в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Из Солнца постоянно истекает солнечный ветер — поток электронов, протонов и ядер гелия, который обдувает Землю и другие планеты солнечной системы. Высокоскоростной солнечный ветер «дует» из корональных дыр на Солнце — тёмных областей с разомкнутыми магнитными линиями, вдоль которых частицы плазмы могут свободно и быстро улетать в космос, оставляя «дыру» в солнечной короне.
Когда быстрый солнечный ветер догоняет и сталкивается с более плотным медленным солнечным ветром, который порождается «спокойной» частью солнечной короны, возникает гигантская структура — так называемая коротирующая область взаимодействия, которая вращается вместе с Солнцем. За несколько дней она может достигнуть орбиты Земли, и стать причиной геомагнитной бури, а также зажечь полярные сияния. А поскольку корональная дыра может через один оборот Солнца, 27 дней, вновь появиться перед нами, быстрый солнечный ветер, который из нее дует, может вызывать геомагнитные бури и полярные сияния, которые будут повторяться каждые 27 дней.
Солнечный ветер достигает Земли приблизительно за 1-5 дней, что обеспечивает некоторый запас по времени для составления заблаговременного прогноза. Однако определить магнитную структуру межпланетного возмущения и, в частности, структуру вызывающей бурю южной компоненты межпланетного магнитного поля (ММП) по солнечным наблюдениям пока не представляется возможным, поэтому предсказать магнитную бурю за несколько дней достаточно сложно. Современные методы прогнозирования геомагнитных бурь, как правило, позволяют составлять лишь краткосрочные прогнозы на несколько часов вперёд на основе измерений солнечного ветра и ММП в близкой к Земле точке Лагранжа L1.
Международная научная группа исследовала крайне актуальный для приложений космической погоды вопрос — возможность прогнозирования геомагнитных бурь, вызванных высокоскоростным солнечным ветром, непосредственно по наблюдениям за Солнцем, — и представила успешные результаты своей работы: ученые предложили прогнозировать геомагнитные бури, используя данные о корональных дырах на Солнце. Полученные результаты позволяют увеличить заблаговременность прогноза с нескольких часов до нескольких суток, что крайне важно для выдачи предупреждений о космической погоде в околоземном пространстве, а также для других приложений космической погоды.
«Мы установили наличие эмпирических связей между полученной по данным спутниковой съёмки площадью корональных дыр на Солнце и скоростью солнечного ветра в точке L1, между картами магнитного поля солнечной фотосферы, построенными по данным дистанционного зондирования, и измерениями in-situ в точке L1, а также связей между площадью корональных дыр, магнитным полем на Солнце и показателями геомагнитной активности. Мы показали, что магнитное поле, распространяющееся от корональной дыры на Солнце в сторону Земли, в более чем 80 процентов случаев сохраняется в неизменном виде, что позволяет вместо измерений магнитного поля в точке L1 использовать поле, полученное на основе наблюдений Солнца.
Кроме того, с целью уточнения прогноза мы включили в модель прогнозирования геомагнитной активности сезонные вариации южной компоненты ММП», — рассказывает ведущий автор исследования, выпускница магистратуры Сколтеха Симона Нитти, которая в настоящее время проходит обучение в аспирантуре Лестерского университета в Великобритании.
«Наше исследование — большой шаг вперёд в моделировании геомагнитной активности и интерпретации наблюдаемых колебаний показателей геомагнитной активности. Как известно, ММП южного направления является важным фактором геомагнитной активности. Южная составляющая магнитного поля Bs в соответствии с полярностью показывает определенную структуру в форме пары очков: когда ММП направлено к/от Солнца, поле усиливается весной/осенью и ослабевает осенью/весной, и мы включили это наблюдение в нашу модель прогноза. Поскольку мы использовали информацию о корональных дырах, каждая из которых имеет определенную полярность, нам было важно использовать соответствующую структуру Bs.
Таким образом, мы поступили вразрез с общепринятой практикой, когда наблюдаемые колебания показателей геомагнитной активности интерпретируют как эффект Рассела — Макферрона, и рассмотрели разделённые по полярности формы Вs, полученные по спутниковым данным. Для половины года полярность Bs в модели Рассела — Макферрона не определена: у ММП, направленного к Солнцу, Bs равна нулю осенью, а у ММП, направленного от Солнца — весной. Использование в качестве входных данных реальных форм полярности Bs позволило нам получить достаточно точную и надёжную модель прогноза», — отмечает соавтор исследования д-р Марио Бандич.
«Сила геомагнитной бури определяется свойствами солнечного ветра, а также «вмороженным» в него магнитным полем Солнца, которое ветер уносит в межпланетное пространство. Однако, как и любой ветер, солнечный ветер капризен и непостоянен, а значит, с трудом поддается прогнозированию.
Наш подход, основанный на использовании информации о солнечных корональных дырах, открывает новую страницу в прогнозировании геомагнитных бурь непосредственно по наблюдениям за Солнцем и позволяет увеличить прогнозный горизонт с нескольких часов до нескольких дней, что чрезвычайно актуально для защиты космической и наземной инфраструктуры и дальнейшего развития исследований космического пространства. И какие бы ни бушевали бури, мы желаем всем хорошей космической погоды», — говорит соавтор исследования, доцент Центра системного проектирования Сколтеха Татьяна Подладчикова.
