Ученые из Сколтеха, Грацского университета Карла и Франца и Обсерватории Канцельхоэ (Австрия), Обсерватории Хвара (Хорватия) и Мирового центра данныхSILSO при Королевской обсерватории Бельгии представили новый метод прогнозирования силы 11-летнего цикла солнечной активности.
Полученные результаты имеют большое значение для предсказания и минимизации последствий неблагоприятного воздействия космической погоды на здоровье космонавтов и пилотов воздушных судов, а также на работу современных технических систем в космосе и на Земле. Результаты исследования опубликованы в журналеAstronomy & Astrophysics.
Солнце −это не только источник энергии, света, тепла и комфортной жизни на Земле, но и источник мощных выбросов, оказывающих непосредственное влияние на космонавтов, космическую технику и наземную инфраструктуру. В начале XVII века Галилео Галилей дерзнул направить свой телескоп на Солнце и обнаружил там солнечные пятна, а в XIX веке стало понятно, что они появляются и исчезают с определенной периодичностью − в среднем каждые 11 лет. Сегодня наблюдения за пятнами на Солнце ведутся в более чем в 80 обсерваториях по всему миру. История непрерывных наблюдений за солнечными пятнами насчитывает уже более четырех столетий – других примеров столь же длительных научных экспериментов история не знает.
Пятна на Солнце – это визуальные маркеры мощного магнитного поля, поднявшегося из недр Солнца. Магнитная трубка вместе с солнечным веществом выходит из одного пятна и, образуя огромную арку, входит в другое. Поэтому в основном пятна наблюдаются парами, у которых, как у магнита, одна сторона положительная, а другая отрицательная. В этих арках накапливается свободная магнитная энергия, которая может внезапно высвободиться, например в виде вспышек или выброса плазмы.
HD-съемка солнечного пятна. Данные солнечного телескопа Gregor.
Солнечная вспышка всего лишь за несколько минут выделяет в сто тысяч раз больше энергии, чем производят все электростанции на Земле за целый год. Свет от вспышки достигает Земли всего за 8 минут, и если бы не атмосфера Земли, все мы оказались бы под воздействием мощного рентгеновского излучения. К счастью, плотные слои атмосферы Земли поглощают опасные рентгеновские лучи, но они, тем не менее, это не происходит бесследно, и из строя может выйти радиосвязь и GPS.
Во время одной из таких вспышек в ноябре 2015 года в Швеции с радаров авиадиспетчеров внезапно исчезли самолеты. Когда у Солнца «портится настроение» и надвигается магнитная буря, авиакомпании вынуждены отменять рейсы через полюса, где во время таких бурь полностью отказывает радиосвязь. Кроме того, нередко сразу после вспышки из солнечной короны в космос выбрасываются облака плазмы. Это так называемые корональные выбросы массы − гигантские пузыри магнитной плазмы массой в несколько миллиардов тонн, которые вытягиваются из Солнца на большой скорости и могут всего за несколько дней достигнуть Земли, если она случайно окажется на их пути. Так настроение Солнца передается нашей планете – на Земле начинает бушевать магнитная буря и вспыхивает полярное сияние.
«Сейчас мы находимся в фазе роста нового солнечного цикла (№ 25), и на Солнце появляется все больше и больше пятен. А чем больше солнечных пятен, тем больше солнечных бурь, вспышек и корональных выбросов массы. Недавно компания SpaceX запустила в космос 49 спутников (кубсатов) в рамках интернет-проекта Илона Маска Starlink, но, к сожалению, бόльшая часть спутников так и не достигла заданной орбиты. В результате финансовый ущерб компании превысил 50 млн долл. США, а всему виной оказалась солнечная буря. Поэтому, чтобы жить в гармонии с буйным нравом Солнца, чрезвычайно важно прогнозировать солнечную активность при планировании запусков и долгосрочных космических полетов, расчетах уровней радиации в процессе полета самолета и решении множества других задач, связанных с космической погодой», − рассказывает ведущий автор исследования, доцент Сколтеха Татьяна Подладчикова.
Взрывные события на Солнце 30 января 2022 года, ставшие причиной отказа космического корабля SpaceX Starlink. В верхнем ряду слева направо: обширный активный регион с большой группой солнечных пятен на поверхности Солнца (континуум SDO/HMI); карта магнитного поля с южным (черный цвет) и северным (белый цвет) полюсами (магнитограмма SDO/HMI); переходная область/солнечная корона в спокойном состоянии в крайнем УФ-диапазоне с огромными магнитными петлями с основаниями в солнечных пятнах в фотосфере Солнца (SDO/AIA 171Å, 600 000 K). В нижнем ряду слева направо: солнечная вспышка в слое солнечной короны с температурой более 1 млн градусов (SDO/AIA 193Å) и более 10 млн градусов (SDO/AIA 171Å); корональный выброс массы (SDO/AIA+SOHO/LASCO C2+C3).
Авторы исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics, разработали новый метод прогнозирования силы солнечного цикла и показали, что максимальная скорость роста солнечных пятен в фазе роста цикла служит надежным показателем его амплитуды. Ранее ученые представили новыйкаталог полушарных чисел Вольфа, а в данной работе с его помощью продемонстрировали, что учет динамики солнечной активности отдельно по каждому из полушарий Солнца позволяет более точно предсказывать амплитуду цикла.
«Магнитное поле Солнца – это драйвер 11-летнего цикла солнечной активности и взрывных солнечных событий. В результате исследования мы установили, что более точные прогнозы солнечной активности можно получить, используя данные о солнечных пятнах отдельно по каждому из полушарий Солнца, где наглядно видна асимметричность и расхождение по фазе в динамике солнечного магнитного поля между северным и южным полушариями», − отмечает соавтор исследования, профессор Грацского университета и директор обсерватории Канцельхоэ, Астрид Верониг.
Соавтор статьи, аспирант Сколтеха Шантану Джаин подчеркивает практическую значимость исследования: «Полученные результаты позволяют точно прогнозировать динамику солнечного цикла и заблаговременно готовиться к экстремальным явлениям космической погоды. С ростом зависимости человека от технологий в XXI веке космическая непогода может не только серьезно нарушать ход нашей повседневной жизни, но и наносить ущерб энергосетям, линиям связи и сети Интернет, а значит, приводить к значительным экономическим потерям. Однако, при наличии эффективных и точных методов прогнозирования космической погоды можно избежать серьезных последствий воздействия Солнца на человека и технику».
«Наша работа наглядно показала, насколько важно проводить исследования и регулярно собирать данные о независимо в разных полушариях Солнца. Следует также отметить, что наш метод можно использовать в режиме реального времени: он позволяет непрерывно прогнозировать амплитуду солнечного цикла на протяжении всей фазы роста цикла и обновлять прогноз каждый раз, когда очередное значение скорости роста солнечной активности оказывается больше предыдущего. По нашим прогнозам, основанным на имеющихся данных, амплитуда текущего солнечного цикла (№ 25) составит как минимум 110±26, что сравнимо с предыдущим 11-летним циклом (№ 24)», − рассказывает один из авторов работы, выпускница магистратуры Сколтеха Ольга Сутырина, которая в настоящее время работает в должности научного сотрудника в компании Schlumberger.
«Подобные среднесрочные прогнозы можно составлять только на основе наблюдений, охватывающих длительные периоды времени в прошлом и отражающих фактическую эволюцию солнечного цикла за несколько столетий. В нашей работе использовалось обновленное число солнечных пятен из последних данных SILSO, а также информация о полушариях Солнца из фотокаталога Гринвичской обсерватории. Эти данные в совокупности образовали еще более обширную статистическую базу данных для создания нового метода прогнозирования солнечной активности», − комментирует один из авторов статьи, руководитель Мирового центра данных SILSO Фредерик Клет.
«И какие бы ни бушевали бури, мы желаем вам хорошей космической погоды», − отмечает в заключение Татьяна Подладчикова.
*****
Сколтех — негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: искусственный интеллект и коммуникации, науки о жизни и здоровье, прорывная инженерия и передовые материалы, энергоэффективность и ESG, фотоника, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
