Предела нет: солнечные бури могут быть намного опаснее, чем думали ранее

Группа ученых под руководством физика Нитина Сивадаса из Центра космических полетов имени Годдарда (НАСА) обнаружила, что у реакции земной атмосферы на солнечные бури нет ожидаемого верхнего предела. Это означает, что мощные выбросы Солнца могут влиять на спутники, связь и навигацию гораздо сильнее, чем считалось ранее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

На протяжении долгого времени в науке господствовало мнение, что сила электрических токов, которые возникают в верхних слоях атмосферы под действием солнечного ветра, растет только до определенного уровня, а затем перестает увеличиваться, даже если солнечная активность продолжает нарастать. Это явление называли пределом насыщения, и оно казалось естественным ограничением, защищающим нашу планету от самых разрушительных последствий космической погоды. Однако новое исследование меняет это представление.

Авторы работы обратили внимание на ключевую проблему: почти все данные о солнечном ветре собираются спутниками, которые находятся на расстоянии около полутора миллионов километров ближе к Солнцу, чем Земля. Это означает, что по дороге к нашей планете потоки частиц могут меняться, рассеиваться или ослабевать.

Ученые предположили, что из-за этого возникает статистическая иллюзия: когда наземные приборы фиксируют особенно сильный солнечный ветер, на самом деле к магнитосфере Земли часто приходит более слабый поток, чем тот, что был измерен у Солнца. В результате создавалось впечатление, что очень сильный ветер не вызывает пропорционально сильных токов, хотя на деле просто не было точного соответствия между замером и реальностью.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи проанализировали более миллиона замеров, сделанных аппаратами НАСА, которые работают гораздо ближе к Земле, например, миссиями MMS и THEMIS. Эти спутники измеряют солнечный ветер почти у самого входа в магнитное поле планеты, поэтому их данные гораздо точнее отражают то, что действительно воздействует на атмосферу. И здесь исследователей ждал сюрприз: при использовании таких «приземных» измерений зависимость между силой ветра и мощностью индуцированных токов оказалась прямой и линейной. Никакого насыщения не наблюдалось, даже при самых высоких значениях.

По сути, прежний «предел» оказался математическим артефактом, следствием так называемой регрессии к среднему. Это эффект, при котором случайные ошибки в измерениях крайних значений неизбежно смещают результат в сторону более скромных величин. Когда ученые скорректировали данные с учетом этой погрешности, картина полностью изменилась. Оказалось, что Земля отвечает на солнечные удары без всякого потолка: чем сильнее ветер, тем мощнее токи, и этот рост продолжается столько же, сколько длится буря.

Последствия этого открытия выходят далеко за рамки фундаментальной науки. Если предел действительно отсутствует, то во время особенно сильных геомагнитных возмущений спутники могут выходить из строя, радиосвязь прерываться, а системы GPS давать сбои с вероятностью, вдвое превышающей прежние оценки. Это значит, что при планировании космических миссий, эксплуатации энергосетей и разработке защитных алгоритмов для электроники необходимо закладывать гораздо более серьезные запасы прочности.

Полученные результаты бросают вызов устоявшимся теориям, которые десятилетиями пытались объяснить загадочное насыщение разными физическими механизмами. Теперь же оказывается, что самого явления, возможно, не существует, а все объяснение лежит в плоскости методов сбора и обработки данных. Ученые подчеркивают, что окончательный ответ смогут дать только новые наблюдения за действительно мощными солнечными бурями, но уже сейчас ясно, что наша планета может быть гораздо уязвимее к космической погоде, чем считалось ранее.

В итоге исследование показывает, что прежние представления о защитном «потолке» Земли были ошибочны из-за неточностей в замерах солнечного ветра. Исправив эти искажения, авторы доказали линейный характер реакции атмосферы, а значит, сила воздействия самых сильных бурь может быть вдвое выше, чем предполагали старые модели. Это меняет не только физику космической погоды, но и практические подходы к защите технологий, от спутников до энергосистем.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях