Предложен новый метод для прогнозирования космической погоды

Специалисты Сколтеха, Грацского университета имени Карла и Франца и Королевской обсерватории Бельгии разработали метод, который позволяет заблаговременно прогнозировать силу 11-летнего цикла солнечной активности. Результаты работы могут помочь лучше понять процессы генерации магнитных полей на Солнце, влияющих на работу различных приборов, а возможно, и на здоровье людей. Об этом сообщает пресс-служба Сколтеха.

После изобретения телескопа астрономы Галилео Галилей, Томас Хэрриот, Кристоф Шейнер и Ян Фабрициус независимо обнаружили, что на диске Солнца появляются пятна. Но потребовалось почти 250 лет, чтобы понять, что поведение Солнца подчиняется определённому расписанию с периодом в 11 лет.

Одиннадцатилетнюю периодичность солнечной активности случайно открыл в XIX веке немецкий аптекарь Генрих Швабе, увлекавшийся астрономией. С помощью любительского телескопа он 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, а прогнозирование 11-летнего солнечного цикла имеет первостепенное значение во многих областях человеческой деятельности в космосе и на Земле.

Русский учёный Александр Чижевский в начале XX века предложил идею о космической погоде и заложил основу для возникновения новой отрасли науки, исследующей солнечно-земные связи. Он говорил, что Земля постоянно находится в "объятиях" Солнца, а "настроение" светила передаётся Земле через эти объятия.

Из солнечной короны (внешние слои атмосферы Солнца) постоянно истекает солнечный ветер, поток заряженных частиц, который обдувает Землю и другие планеты солнечной системы. К слову, астрономы обвиняют его в том, что тот сдул в космос почти всю атмосферу Марса.

Солнечный ветер переносит в себе часть энергии Солнца, растягивает и уносит с собой солнечное магнитное поле в космическое пространство. В итоге вся Солнечная система заполняется солнечным ветром и солнечным магнитным полем. И поскольку Солнце вращается, то магнитное поле в межпланетном пространстве приобретает форму волнистых спиральных складок наподобие многослойной юбки балерины. 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 перелётах. Проще говоря, своевременное прогнозирование космической погоды имеет большое значение для авиации и защиты целого ряда наземных технических систем, для полёта человека в космос, запусков научных и коммерческих спутников.

Солнечный цикл начинается с зарождения пятен на полюсах, с развитием цикла появляется всё 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 светила выдвигаются перепутанные петли, которые содержат в себе солнечное вещество. Разрушение и пересоединение этих петель может приводить к вспышкам и выбросам корональной массы, о которых мы подробно рассказали чуть ранее. Иногда эти выбросы достигают Земли.

Следовательно, в максимуме солнечной активности количество активных событий на Солнце существенно увеличивается. С другой стороны, на пике своей активности магнитное поле звезды настолько сильное, что выметает из нашей Солнечной системы галактические космические лучи , 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 (так называется механизм генерации магнитного поля) 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 учёных спрогнозировать интенсивность следующего 25 цикла солнечной активности как можно раньше.

И специалисты как раз разработали метод, позволяющий выполнить прогноз интенсивности следующего 11-лентнего цикла достаточно рано — на этапе максимума текущего солнечного цикла.

Это означает, что текущий солнечный цикл на этапе своего пика, когда происходит переполюсовка магнитного поля Солнца, уже несёт в себе информацию об интенсивности 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, проявляющейся в большей амплитуде следующего цикла по сравнению с текущим циклом.

В 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 ещё меньше, чем сила текущего цикла 24-го цикла солнечной активности.

Результаты исследования представлены в научном издании The Astrophysical Journal.