Ученые предложили новый метод для предсказания космической погоды

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 Солнца подчиняется определенному расписанию с периодом в 11 лет. Одиннадцатилетнюю периодичность солнечной активности случайно открыл в XIX веке немецкий аптекарь Генрих Швабе. Он увлекался астрономией и с помощью любительского телескопа стремился обнаружить гипотетическую малую планету внутри орбиты Меркурия. Планету он так и не нашёл, но благодаря систематическим наблюдениям открыл циклы солнечной активности. Сейчас такие наблюдения за солнечными пятнами проводятся два раза в день на протяжении всего года обсерваториями по всему миру и 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 Солнца 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 переносит 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. Прогнозы активных событий на Солнце людям так или иначе приходиться учитывать в своих повседневных планах. Перевод спутника в безопасный режим во время активных событий на Солнце 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, для полета человека в космос, 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 Солнца выглядит как обычный магнит, с круговыми магнитными линиями и двумя полюсами. Поскольку экватор Солнца вращается быстрее, чем полюса, то во время вращения Солнца магнитное поле как бы запутывается, как клубок 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 Солнца выдвигаются перепутанные петли, которые содержат в себе солнечное вещество, и они могут выброситься в виде вспышек и корональных выбросов масс и достичь Земли. Следовательно, в максимуме солнечной активности количество активных событий на Солнце существенно увеличивается. С другой стороны, на пике своей активности магнитное поле Солнца настолько сильное, что выметает галактические космические лучи из нашей солнечной системы, которые представляют большую опасность для технологических систем в космосе. 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.

Прогноз солнечных циклов

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 солнечный цикл на этапе своего пика, когда происходит переполюсовка магнитного поля Солнца, уже несет в себе знание о силе будущего 11-летнего цикла. Данные открытия могут помочь в изучении механизма действия солнечного динамо. 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 циклом. 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 цикла солнечной активности. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

«Космическая погода — это наука будущего, то, что нас всех объединяет, делает нашу жизнь лучше, позволяет заботится о нашей планете. Это следующий шаг в освоении космоса. И какие бы не бушевали бури, мы желаем вам хорошей космической погоды!» — говорит первый автор исследования, профессор Сколтеха, Татьяна Подладчикова.
Материал предоставлен пресс-службой Сколковского института науки и технологий (Сколтех)