Ученые предложили новый способ предсказания космической погоды

Ученые из Сколтеха, Грацского университета имени Карла и Франца и Королевской обсерватории Бельгии разработали метод, который позволяет заблаговременно прогнозировать силу 11-летнего цикла солнечной активности. Полученные результаты могут помочь в понимании процессов генерации магнитных полей на Солнце, оказывающих прямое влияние на наше здоровье и работу различных приборов.

После изобретения телескопа астрономы Галилео Галилей, Томас Хэрриот, Кристоф Шейнер и Ян Фабрициус независимо обнаружили, что на диске Солнца появляются пятна. Однако потребовалось почти 250 лет, чтобы понять, что поведение светила подчиняется определенному расписанию с периодом в 11 лет. Одиннадцатилетнюю периодичность солнечной активности случайно открыл в XIX веке немецкий аптекарь Генрих Швабе. При помощи любительского телескопа он хотел найти гипотетическую малую планету внутри орбиты Меркурия. Планету он не нашел, зато благодаря систематическим наблюдениям открыл циклы солнечной активности. Сейчас наблюдения за солнечными пятнами проводятся два раза в день на протяжении всего года обсерваториями по всему миру. Прогнозирование 11-летнего солнечного цикла имеет первостепенное значение во многих областях человеческой деятельности в космосе и на Земле.

Выдающийся русский ученый Александр Чижевский в начале XX века предложил идею о космической погоде и заложил основу для возникновения новой отрасли науки, исследующей солнечно-земные взаимосвязи. Он говорил, что Земля постоянно находится в «объятиях Солнца». И настроение его передается Земле через эти объятия. Из солнечной короны, атмосферы Солнца, постоянно истекает солнечный ветер – поток заряженных частиц, который обдувает Землю и другие планеты Солнечной системы. Солнечный ветер несет в себе энергию Солнца, растягивает и уносит с собой солнечное магнитное поле в космическое пространство. В итоге вся Солнечная система заполняется солнечным ветром и солнечным магнитным полем. А поскольку Солнце вращается, то магнитное поле в межпланетном пространстве приобретает форму волнистых спиральных складок наподобие многослойной юбки балерины. А Земля и все планеты Солнечной системы обитают в этих «складках».

Изображение иллюстрирует солнечную активность за 11 лет: от минимума в 1996 году до максимума в 2001-м и до возвращения к минимуму в 2006-м

Прогнозы активных событий на Солнце так или иначе приходится учитывать в своих повседневных планах. Перевод спутника в безопасный режим во время этих событий может предотвратить нарушение работы солнечных батарей и ключевых систем спутников. Космическая погода является угрозой космонавтам, находящимся в открытом космосе, подверженным значительному облучению, превышающему порог лучевой болезни. Активные события на Солнце могут приводить к помехам в распространении радиосигналов. Космическая погода оказывает влияние на дозы радиации, которые получают пилоты и пассажиры, особенно при трансполярных перелетах. Своевременное прогнозирование космической погоды имеет большое значение для авиации и защиты целого ряда наземных технических систем, запусков научных и коммерческих спутников.

Солнечный цикл начинается с зарождения пятен на полюсах. С развитием цикла появляется все больше пятен, которые движутся с полюсов к экватору Солнца. В минимуме солнечной активности, когда пятна на Солнце практически отсутствуют, магнитное поле звезды выглядит как обычный магнит, с круговыми магнитными линиями и двумя полюсами. Поскольку экватор Солнца вращается быстрее, чем полюса, то во время его вращения магнитное поле как бы запутывается подобно клубку ниток. По мере приближения к максимуму солнечной активности привычное магнитное поле с двумя полюсами превращается во множество локальных магнитных полей на поверхности Солнца. В атмосфере его выдвигаются перепутанные петли, которые содержат в себе солнечное вещество. Они могут выброситься в виде вспышек и корональных выбросов масс и достичь Земли. Следовательно, в максимуме солнечной активности количество активных событий на светиле существенно увеличивается. С другой стороны, на пике своей активности магнитное поле Солнца настолько сильное, что «выметает» галактические космические лучи, представляющие большую опасность для технологических систем в космосе, из нашей Солнечной системы. Каждые 11 лет полюса Солнца меняются местами — южный оказывается на месте северного, и наоборот. Это сложный процесс, который до конца не изучен, и модель солнечного динамо является одной из наиболее сложных нелинейных задач математической физики.

Каждому солнечному циклу для удобства присваивается номер. Например, сейчас мы приближаемся к минимуму 24 цикла солнечной активности. Задача ученых – спрогнозировать силу следующего 25 цикла солнечной активности как можно раньше. Ученые из Сколтеха, Грацского университета имени Карла и Франца и Королевской обсерватории Бельгии разработали метод, который позволяет выполнить прогноз силы следующего 11-лентнего цикла очень рано, а именно на этапе максимума текущего солнечного цикла. Это означает, что текущий цикл на этапе своего пика, когда происходит переполюсовка магнитного поля Солнца, уже несет в себе знание о силе будущего 11-летнего цикла.

Анализ показал, что краткосрочные вариации солнечной активности в фазе падения цикла связаны с силой следующего цикла. Внезапные скачки активности в падающей фазе и замедление скорости падения относительного числа солнечных пятен свидетельствует о наличии активности, которая проявляется в большей амплитуде следующего цикла по сравнению с текущим. В данном исследовании предлагается новый и робастный метод для количественной оценки краткосрочных вариаций солнечной активности уже на этапе максимума текущего солнечного цикла, в начале фазы падения, и формируется значимый индикатор для прогнозирования силы следующего цикла.

Согласно прогнозу, будущая солнечная активность будет низкой и сила следующего 25-го цикла солнечной активности будет еще меньше, чем сила текущего цикла 24-го. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

«Космическая погода – это наука будущего, то, что нас всех объединяет, делает нашу жизнь лучше, позволяет заботиться о нашей планете. Это следующий шаг в освоении космоса. И какие бы бури ни бушевали, мы желаем вам хорошей космической погоды!» – говорит первый автор исследования, профессор Сколтеха Татьяна Подладчикова.