Физики проследили корреляцию мощных магнитных бурь с солнечными циклами

Физики проследили за связью между глобальной геомагнитной активностью и числом солнечных пятен за последние 150 лет. Оказалось, что частота наиболее мощных геомагнитных бурь коррелирует с амплитудой цикла (средним числом солнечных пятен), а сами бури группируются в ранней стадии для четных циклов и поздней — для нечетных. Результаты, опубликованные в журнале Solar Physics, позволят прогнозировать экстремальную космическую погоду по заданному периоду времени и предполагаемой амплитуде текущего (или предстоящего) солнечного цикла.

Как правило, причиной возмущений земной магнитосферы выступают процессы на Солнце (как, например, корональные выбросы массы). Потоки элементарных частиц и атомных ядер, которые прилетают от звезды, взаимодействуют с магнитным полем Земли — в результате могут возникать магнитные бури (продолжительные отклонения величины поля от средних значений), полярные сияния, перебои в работе электрооборудования и помехи в распространении радиоволн.

Для того, чтобы планировать работу приборов, которые подвержены влиянию космической погоды (в первую очередь, автоматических и пилотируемых космических аппаратов), важно правильно прогнозировать подобные явления. Уже несколько столетий ведется мониторинг числа солнечных пятен, которое отражает общий уровень солнечной активности, и полтора века — отслеживается геомагнитная активность, которая сигнализирует о конкретных событиях. По этим данным можно отслеживать циклы солнечной активности и их взаимосвязь с частотой геомагнитных бурь, и исходя из этого предсказывать будущие всплески.

Тем не менее, таким способом сложно предсказывать наиболее мощные бури, которые происходят слишком редко (реже, чем раз в 10 лет) — в наблюдениях таких событий оказывается слишком мало для надежного статистического анализа. В то же время, такие бури наиболее потенциально опасны для оборудования, и прогнозировать их вероятность важно, например, для долгосрочного планирования космических миссий.

Британские ученые под руководством Мэтью Оуэнса (Mathew Owens) из Редингского Университета совместно проанализировали архивные данные о солнечной и геомагнитной активности за 150 лет. Для оценки первой величины физики использовали архивные данные о среднемесячном числе солнечных пятен, собранные Королевской обсерваторией Бельгии с 1868 по 2018 год, принимая за нулевой уровень активности число солнечных пятен в минимуме 2020 года.

О состоянии геомагнитного поля исследователи судили по измерениям aa-индекса за тот же период. Этот индекс определяется как амплитуда отклонения индукции магнитного поля от нормы за каждые три часа, усредняемая по данным двух обсерваторий, которые находятся в практически диаметрально противоположных точках планеты — в Великобритании и Австралии (последние сорок лет — в Хартленде и Канберре, соответственно). При этом авторы использовали ранее определенные поправки к индексу геомагнитной активности, которые учитывали изменение расположения обсерваторий и смещение геомагнитных полюсов за время наблюдений.

Для магнитных бурь, которые по aa-индексу оказались мощнее от 90 до 99,99 процентов остальных событий, ученые искали и моделировали корреляции с солнечными циклами, сравнивая результаты с нулевой гипотезой (то есть абсолютно не зависящим от числа солнечных пятен появлением бурь во времени).

Оказалось, что сильные магнитные бури возникают в активной фазе солнечного цикла (в диапазоне 0,18–0,79 в долях его полной продолжительности) с вероятностью примерно в девять раз выше, чем в оставшемся промежутке — эта тенденция сохраняется вплоть до шести наиболее мощных событий. При этом гипотеза о независимости этих бурь от уровня солнечной активности была отвергнута с уровнем значимости 2?.

Исследователи обнаружили также положительную корреляцию (с коэффициентом корреляции 0.3–0.93, в зависимости от размера выборки) между частотой возникновения мощных бурь и средним числом солнечных пятен в течение цикла. Тем не менее, для самых интенсивных событий нулевая гипотеза согласуется с наблюдениями в пределах 2?, что делает результат не вполне надежным.

Кроме того, выяснилось, что шесть самых мощных магнитных бурь сгруппированы в первой половине четных солнечных циклов и второй половине нечетных — по словам физиков, несмотря на небольшой размер выборки, вероятность случайного наблюдения такой корреляции составляет всего 1,6 процента.

Авторы отмечают, что выявленные корреляции можно использовать для прогнозов вероятности экстремальных магнитных бурь, оценивая последние на основе ожидаемой амплитуды солнечного цикла, четности его порядкового номера и интересующего промежутка времени внутри цикла — это может оказаться полезным для безопасной работы космического и наземного оборудования.