Поймать солнечный ветер: российские ученые нашли способ предсказывать магнитные бури точнее и раньше
Плазма, выброшенная с Солнца, устремляется в сторону Земли и вызывает возмущения её магнитного поля.
Фото: Shutterstock.
Российские ученые из Сколковского института науки и технологий вместе с коллегами из Грацского университета, обсерватории Канцельхоэ и Колумбийского университета приблизились к понимаю одной из главных загадок Солнца: как корональные дыры выбрасывают в космос потоки быстрого солнечного ветра, распространяющиеся на сверхзвуковых скоростях по всей гелиосфере (околосолнечному пространству).
Это уже в скором будущем позволит предсказывать магнитные бури не за часы, а за несколько дней. О деталях исследования KP.RU рассказала астрофизик Татьяна Подладчикова, кандидат технических наук, доцент, директор Центра системного проектирования Сколтеха.
ЧЕРНЫЕ КОРОНАЛЬНЫЕ ДЫРЫ
Сейчас — максимум солнечной активности. Мы часто слышим о вспышках на Солнце, но именно корональные выбросы массы или высокоскоростные потоки солнечного ветра от корональных дыр вызывают магнитные бури на Земле. По сути это взрыв на Солнце, который сопровождается выбросами плазмы.
Плазма, выброшенная с Солнца, устремляется в сторону Земли и вызывает возмущения её магнитного поля. Но есть интересная физическая тонкость. Плазма — это ионизированное вещество, а значит, она электрически заряжена. И все, кто хоть немного помнит школьный курс физики, знают: заряженные частицы не могут просто так покинуть область с сильным магнитным полем — они движутся вдоль его силовых линий и, казалось бы, должны быть "заперты" вблизи Солнца. Однако, тем не менее, плазма всё же утекает в межпланетное пространство. Как такое возможно?
Это происходит потому, что в некоторых областях солнечной короны силовые линии магнитного поля становятся открытыми — не замыкаются обратно на Солнце, а "раскрываются" наружу. Эти участки называются корональными дырами. В ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах они выглядят тёмными, поскольку в них плазма более разрежена. Именно через них солнечный ветер — поток заряженных частиц — уходит в гелиосферу. При этом плазма уносит с собой и магнитные линии Солнца, словно "вмороженные" в поток. Когда эти магнитные структуры сталкиваются с магнитным полем Земли — начинаются геомагнитные бури.
Все это — давно известные факты. Но коллективу ученых удалось установить нечто новое. Они занялись одним из ключевых вопросов гелиофизики: почему скорость солнечного ветра — потока плазмы — в разных участках космоса оказывается разной? Выяснилось, что скорость солнечного ветра, прибывающая в разные точки гелиосферы, зависит от сочетания многих факторов. Это совместная работа корональных дыр, пусть даже небольших. Это их расположение на Солнце. И, наконец, позиции спутников, которые измеряют солнечный ветер.
Как правило, скорость ветра будет больше от небольшой корональной дыры, расположенной как можно дальше от солнечного экватора. Спутник, который попадет прямо под струю плазмы, зафиксирует большую скорость, чем тот, кого заденет лишь по касательной.
КАК В САДОВОМ ШЛАНГЕ
Для исследования использовали многолетние измерения скорости солнечного ветра и изображения корональных дыр, полученные со спутников, работающих в разных точках гелиосферы, рассказала KP.RU Татьяна Подладчикова:
- Особую роль сыграли разработанные нами передовые методы сегментации корональных дыр, позволившие надежно выделять их площадь, широту и другие характеристики. Однако ключевым аспектом работы стало выявление глубинных закономерностей поведения солнечного ветра, -подчеркивает она, - Анализ потребовал не только обработки больших массивов данных, но и тонкого физического понимания процессов, а также исследовательской интуиции, позволяющей замечать то, что часто ускользает от стандартных алгоритмов. Работа объединила спутниковые измерения, математические методы и глубокий физический анализ, что позволило получить новые знания о природе солнечного ветра и его поведении в гелиосфере.
Главной неожиданностью стало то, что скорость солнечного ветра зависит не только от свойств корональной дыры, но и от того, какая часть потока достигает спутника — как поток воды из садового шланга: в центре — максимальное давление, по краям — лишь брызги.
- Чтобы зафиксировать максимальную скорость высокоскоростного потока солнечного ветра от корональной дыры, спутник должен попасть прямо «под струю». Потоки солнечного ветра сначала распространяются радиально от Солнца, но из-за его вращения изгибаются, формируя спираль. Поэтому реальный поток приходит к спутнику по изогнутой траектории, — говорит Татьяна Подладчикова.
От больших корональных дыр, рассказывает астрофизик, солнечный ветер распространяется шире, охватывая большую часть гелиосферы — словно мощный садовый шланг, который заливает водой всё вокруг. Тогда даже удалённые спутники могут зафиксировать сильный поток. Небольшие дыры такой роскоши позволить себе не могут, их потоки локализованы более четко. Тот спутник, который окажется ближе к центру дыры, зафиксирует максимальную скорость, а тот, кто будет в стороне, — лишь слабые брызги.
Возможно, это объясняет, почему маленькие корональные дыры могут порождать сильные потоки солнечного ветра и, как следствие, магнитные бури. Недооценка их воздействия может вызвать неожиданные последствия. Давайте разберемся в этом.
ТОЧНОСТЬ ПРОГНОЗОВ РАСТЕТ
Современные прогнозы геомагнитных бурь основаны на наблюдениях со спутников. Солнечные спутники летают не произвольно, а висят в определенных точках, где гравитация Солнца уравновешивается с земной. Такие точки называются точками Лагранжа, и их несколько (обозначаются буквой L с цифрой).
- Прогнозы строятся на данных со спутников, которые находятся в точке Лагранжа L1, в 1,5 миллионах километров от Земли на линии Солнце–Земля, - говорит Татьяна Подладчикова, - Когда быстрый солнечный ветер достигает этой точки, у нас остаётся всего несколько часов для относительно точного, но краткосрочного прогноза.
Отчасти этим объясняется, что о бурях мы узнаем более-менее достоверно практически впритык, а среднесрочные прогнозы страдают сильной неточностью. Планируются запуски спутников в точки L5 или L4, это улучшит прогноз, говорит Татьяна Подладчикова:
- Точка L5, находящаяся на 60° позади орбиты Земли, особенно перспективна: измеренный там солнечный ветер достигнет нашей планеты примерно через 4 дня, что открывает возможность для долгосрочного прогнозирования.
Но просто взять, и зафиксировать поток плазмы, этого мало. Как определить, что именно долетит до Земли — мощный поток плазмы, способный вызвать сильную геомагнитную бурю, или лишь его слабые следы? Именно тут поможет комбинация данных из разных точек Лагранжа.
- Это позволит удлинить время прогнозирования с нескольких часов до нескольких суток, что имеет огромное значение как для фундаментальной науки, так и для практических приложений, - говорит Татьяна Подладчикова.
МОЖНО НАЧИНАТЬ
Методика готова к практическому применению, говорит Татьяна Подладчикова, но пока не хватает спутников. Их хорошо бы «подвесить» в точках 4 и 5.
Возможно, скоро они там появятся: так, Европейское космическое агентство в рамках миссии Vigil планирует запустить солнечную обсерваторию в точку L5. А Корейское космическое агентство совместно с NASA нацелилось в точку L4. Однако, ждать новых запусков не обязательно, говорит Татьяна Подладчикова:
- Уже сегодня можно использовать альтернативные возможности. Например, данные с аппарата STEREO-A, который периодически оказываются на удалении около 60° от Земли, приближаясь к положению точки L5. Это позволяет проводить тестовые симуляции и отрабатывать методики прогнозирования солнечного ветра в условиях, близких к будущей системе мониторинга.
ЗАГАДОК ЕЩЕ МНОГО
Итак, прогнозы станут точнее. Но сможем ли мы предсказывать магнитные бури не за несколько дней, а за месяцы до того, как они случатся? Грубо говоря, узнаем ли мы когда-нибудь Солнце настолько хорошо, что будем не просто фиксировать факт прилета плазмы, а понимать – почему, и когда в следующий раз?
Здесь путь еще предстоит неблизкий. Космическую погоду формируют три основных фактора, это солнечные вспышки, корональные дыры и выбросы корональной массы. И у каждого процесса свой секрет.
Так, солнечные вспышки — это мощные выбросы электромагнитного излучения, преимущественно в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах.
- Солнечная вспышка — это как гигантский "магнитный взрыв" на Солнце. Представьте, что магнитные поля на Солнце — это резинки, которые скручиваются и растягиваются. Когда они внезапно "рвутся" и перестраиваются, высвобождается огромная энергия и излучается свет, и не только тот, который мы видим глазами. Это и рентгеновские лучи, и ультрафиолет, и радиоволны, которые достигают Земли всего за 8 минут, - говорит Татьяна Подладчикова.
Сами по себе вспышки не вызывают геомагнитные бури, но могут серьезно нарушить радиосвязь, в том числе спутниковую.
А вот высокоскоростные потоки солнечного ветра — электроны, протоны и ядра гелия, вылетающие из корональных дыр, достигают Земли в течение нескольких дней. И они уже бури непосредственно вызывают.
- Из корональных дыр истекает быстрый солнечный ветер со скоростью около 800 км/с. Когда быстрый солнечный ветер сталкивается с более плотным медленным, порожденным «спокойной» частью солнечной короны, возникают так называемые коротирующие области взаимодействия. Эта огромная структура вращается вместе с Солнцем, - говорит Татьяна Подладчикова.
Отчасти мы можем что-то тут прогнозировать: если активная область Солнца не «рассосется», она вновь окажется напротив Земли через 27 дней (таков период вращения Солнца вокруг оси).
Наконец, корональные выбросы массы — это очень энергичные события в Солнечной системе. Огромные облака плазмы, пронизанные магнитными линиями, выбрасываются из атмосферы Солнца, солнечной короны, со скоростями 100-3500 км/с. Когда магнитное облако плазмы подлетает к Земле, оно может разорвать магнитное поле нашей планеты. Что произведет полярное сияние, но не всегда, а только, если магнитные линии от Солнца и Земли будут направлены противоположно друг другу.
- Этот механизм можно сравнить с переключением стрелок на железнодорожных путях. Заряженные частицы с ночной стороны Земли сыплются в полярные регионы вдоль магнитных линий и возбуждают кислород и азот атмосферы, что раскрашивает небо разноцветными цветами и зажигает полярное сияние, - говорит Татьяна Подладчикова.
Как видим, все непросто: так, у магнитной бури как минимум две причины.
- Наша методика улучшает прогнозирование потоков из корональных дыр, но для полного понимания космической погоды необходимо продолжать глубокие фундаментальные и прикладные исследования для полного раскрытия механизмов влияния Солнца на Солнечную систему, - говорит Татьяна Подладчикова.
ВОПРОС-РЕБРОМ
А что, если Солнце светит не за счет термоядерных реакций?
Иногда в псевдонаучных источниках появляются теории, что Солнце может светить не за счет термоядерных реакций, а благодаря другим, менее понятным процессам — темной материи, черным нейтрино или даже черной дыре. Есть ли хоть какая-то реальная основа для подобных гипотез?
- Мы точно знаем, что Солнце светит благодаря термоядерным реакциям в его недрах, где водород превращается в гелий, высвобождая огромное количество энергии, - говорит Татьяна Подладчикова.
Хотя в псевдонаучной прессе порой обсуждают альтернативные гипотезы, таких теорий нет научных подтверждений. Более того, человечество стремится научиться контролировать реакции термоядерного синтеза, что может привести к созданию источников дешевой и чистой энергии на Земле.
На протяжении столетий мы изучали Солнце исключительно дистанционными методами
с Земли и околоземных орбит, но человечество смогло приблизиться к нему в буквальном смысле: в 2018 году зонд Parker Solar Probe начал регулярные пролёты через солнечную корону, фактически "прикоснувшись" к нашей звезде.
- Мы уже совершили качественный скачок к глубокому пониманию солнечных процессов. И что важно — нам не пришлось пересматривать фундаментальные основы физики Солнца. Мы просто научились гораздо точнее применять существующие теории. Управлять процессами в космосе мы не можем, но можем принимать меры предосторожности, чтобы смягчить последствия. Разумеется, остаются нерешённые вопросы, но это не ограничения, а перспективные направления будущих исследований — чтобы ещё лучше понимать, как работает наша звезда, и жить в гармонии с её бурным характером, - говорит Татьяна Подладчикова.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Магнитная звезда-зомби вторглась в нашу Галактику: способна ли она уничтожить Землю
Магнитные бури с 12 по 18 мая 2025 года: долгожданная передышка
СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ
Как лечить ссадины вафлями (подробнее)