Солнечная активность + Солнце

Происходящие на Солнце процессы напрямую влияют на современные технологии, инфраструктуру, климат на Земле и самочувствие человека. Солнечные вспышки, коронарные выбросы и другие явления могут вызывать геомагнитные бури, нарушать работу космических спутников, телекоммуникаций и энергосетей. Необходимо отслеживать и прогнозировать солнечную активность, чтобы защитить критически важные объекты и улучшить понимание фундаментальных процессов, происходящих как на самом Солнце, так и в космосе в целом. Команда ученых Пермского Политеха и учеников Политехнической школы представили инновационную модель, которая, в отличие от текущих возможностей, способна предсказывать солнечную активность на 11 лет вперед. Этот прорыв имеет важное значение для стабильной работы космических технологий, энергосистем и проведения более точных климатических исследований.

Работа выполнена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Солнечные вспышки, пятна и выбросы корональной массы (выбросы плазмы и магнитного поля из короны Солнца) генерируют мощные потоки заряженных частиц, которые взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая геомагнитные бури. Эти явления могут нарушать работу спутников, телекоммуникаций, энергосистем, а также влиять на авиационные маршруты, проходящие через полярные регионы. Кроме того, солнечное излучение и ветер оказывают долгосрочное воздействие на атмосферу и магнитосферу планеты.

С помощью специальных моделей, которые учитывают динамические процессы внутри Солнца, специалисты составляют прогнозы о будущих всплесках солнечной активности. Зная о них заранее, можно планировать мероприятия по защите технологий, зависящих от космической погоды, корректировать траектории спутников и предупреждать авиакомпании о возможных рисках.

Существует много современных моделей, однако большинство из них способны давать прогнозы только на короткие сроки – на 6 часов вперед, 2-4 недели или 6 месяцев. Они не учитывают сложные физические процессы внутри Солнца, такие как сложное движение плазмы, конвекция и механизмы генерации магнитного поля, то есть все процессы, связанные с плазмой, появлением и преобразованием магнитных полей. Это приводит к неточностям в прогнозах, особенно на длительные периоды.

Ученые ПНИПУ представили собственную модель, основанную на теории солнечного динамо, которая учитывает эволюцию магнитных полей на Солнце. Это позволит увеличить срок прогнозирования, обеспечив более точные и надежные данные для планирования.

– Солнце – это не твердое тело, оно состоит из раскаленной плазмы, которая может двигаться относительно других слоев и областей. За счет этого движения формируются и поддерживаются магнитные поля. Они, в свою очередь, постоянно меняются, вращаясь и растягиваясь то вдоль экватора солнца, то поперек. Весь этот процесс называется солнечным динамо, который примерно каждые 11 лет обеспечивает циклическое образование, усиление и смену магнитного поля, а также воздействует на появление пятен и вспышек на Солнце. Наша модель построена на уравнениях, которые описывают эти процессы и тем самым позволяют воспроизвести этот 11-летний солнечный цикл, обеспечивая долгосрочный и точный прогноз, – объясняет Георгий Ташкинов, научный руководитель проекта, магистрант кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ, лаборант ИМСС УрО РАН.

Эффективность модели ученые доказали, сравнив полученные с ее помощью результаты с известными данными за последние несколько периодов прогнозирования (40-50 лет). Выявленная схожесть в построенных графиках достигает свыше 90% и позволяет утверждать о способности разработки создавать достоверные прогнозы на следующие 11 лет.

По словам разработчиков, новый продукт обеспечивает более точные и надежные данные для планирования, по сравнению с популярными зарубежными аналогами.

– Успешное применение нашей модели динамо, воспроизводящей тонкие свойства фазы основного солнечного цикла, – это важный шаг к построению надежного прогноза солнечной активности. Следующим этапом станет внедрение нейросетей нового поколения – Physics-Informed Neural Networks. В отличие от обычных нейросетей, которые учатся на данных, эти «нейросети-физики» будут основываться на фундаментальных уравнениях магнитной гидродинамики, описывающих процессы внутри Солнца. Это позволит создавать модели прогнозирования, которые не просто статистически точны, но и физически осмысленны. Мы ожидаем, что такой подход значительно повысит достоверность средне и долгосрочных прогнозов и даст нам более глубокое понимание физики солнечного динамо, – поделился Родион Степанов, профессор кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ, ведущий научный сотрудник ИМСС УрО РАН, доктор физико-математических наук.

Модель ученых Пермского Политеха полностью готова к использованию в научных и прикладных задачах и будет полезна для своевременного повышения безопасности и стабильности работы космических и наземных систем, зависящих от космической погоды.

2014 год был достаточно спокойным в плане солнечной активности. Со средним количеством пятен, например, ему было бы далеко до 2024-го и даже 2023-го. Так, в феврале 14-го было в среднем 146 пятен (согласно Королевской обсерватории Бельгии), а в том же августе 2024, как известно, 216. Но это не помешало именно 2014 стать очень примечательным, и причина тому — воистину гигантское солнечное пятно.

Откуда оно взялось

18 октября 2014 года на обращённой к Земле части Солнца появился регион пятен, которому учёные присвоили номер 2192. Оказалось, что ранее эта же область уже была на Солнце под номером 2172, то есть она сумела «прожить» целое вращение Солнца, и вот снова стала доступной для обзора. Это изначально сделало 2192 примечательной по факту долгожительства.

«Поприветствовала» область пятен всех неравнодушных зрителей средней вспышкой M1.6, сразу в день своего появления.

Активность группы пятен не осталась без внимания, и учёные взялись его изучать. С начала появления пятно уже было достаточно большим по описаниям: на 18 октября его размер был 780 млн квадратных километров (немного больше, чем одна Земля).

Кроме этого, вновь явившись «на радарах», группа пятен была нестабильной и сложной по структуре, с бета-гамма-дельта магнитудой. По классике, это сильно повышало шансы на большие вспышки Х-класса, что незамедлительно отразилось на прогнозах космической погоды.

19 октября

Угрожающий рост региона 2192 стартовал уже на следующий день — за 24 часа область увеличилась в пять раз, достигнув 3720 млн квадратных километров. Тогда же произошла первая серьёзная вспышка за этот период: Х1.0, и кроме неё ряд мелких «извержений».

Вспышка, которую за один день извергла область, впоследствии заняла 28-ю позицию по силе в солнечном цикле.

Всего на тот момент на стороне Солнца, обращённой к Земле, было четыре группы пятен. Все они были неопасны, и сильно меньше своего «коллеги».

Неделя без отдыха

Последующие дни пятно впахивало постоянно, увеличиваясь и в размерах, и в количестве солнечных вспышек.

22 октября 2014-го, приняв королевское положение, лицом к лицу с Землёй, регион 2192 вспыхнул дважды с большой интенсивностью. Вспышкам присвоили класс Х1.26 и Х2.39 (2.39 стала 19-ой по силе в прошлом солнечном цикле), при этом, обе они случились в один и тот же день. Тем временем размер пятна достиг почти рекордного: 7230 млн квадратных километров.

По размеру больше области за последние тридцать лет были лишь пятна в 2001-ом (регион 9393) и дурно известная в 2003-ем область пятен 0486.

Сравнение 2192 и 0486

Хотя 0486 начала нулевых в итоге оказалось размером слегка поменьше, чем описываемая область 14-го года, проблем она принесла в своё время гораздо больше. Например, 4 ноября 2003 по вине региона 0486 случилась легендарная вспышка «Х40+» (также её называют Х28+ и т. д., ведь точная мощность осталась неизвестна; см. видео ниже).

При этом, между этими регионами оказалось много общего:

• размер более 2000 миллионных доль полушария;

• наличие дельта-пятен;

• впечатляюще быстрый рост;

• временной период, когда пятно развивалось — середина-конец октября.

Для понимания:

0486 смогло за один день с момента появления увеличиться в восемь раз, в то время как 2192 — в пять.

Апогей и впечатляющий конец

Своего рекордного размера в 8250 млн квадратных километров область 2192 достигла 24 октября 2014 года, когда и сделала мощный всплеск X4.56. К счастью, он не был направлен в сторону Земли.

После этого события регион стал ослабевать и стабилизироваться, пока не вернулся к магнитуде «бета-гамма» и размеру в девять раз меньше своего максимального 1 ноября 2014 года.

В дальнейшем группа пятен вновь попала в необозримую зону, и о дальнейшей судьбе гиганта мы можем только гадать. Но, нетрудно предположить, что после всех своих выбросов массы, наконец, регион полностью исчез.

Интересно!

На максимуме размер группы был равен «размеру» шестнадцати планет Земля.

Кроме того, нам сильно повезло, что вспышка, подобная Х40, не произошла в те дни. А ведь для этого были все возможности.