Как можно предсказать солнечную бурю?

Вы можете спросить о нескольких разных вещах здесь.

1 События на поверхности Солнца

События на самом Солнце могут или не могут развиваться в направлении Земли, но это первый шаг в системе прогнозирования. Я считаю, что есть два подхода:

а) посмотрите на то, что произошло около месяца назад, и предскажите, что это все еще будет там, когда эта часть Солнца вернется в поле зрения. Я думаю, что это было опробовано некоторое время, поскольку это концептуально просто.

б) попытаться спрогнозировать событие (например, вспышку или КВМ) по появлению других измеряемых особенностей на Солнце. Я считаю, что это довольно сложно в терминах моделирования и еще не достигло совершеннолетия (кто-нибудь знает лучше?)

2 События рядом с Землей

Геомагнитной бурей называют явления, которые можно измерить на Земле, но которые вызваны предшествующими событиями на Солнце. В то время как вспышка (например, рентгеновское излучение) может быстро добраться до Земли, сопутствующий выброс твердых частиц может занять порядка трех дней для прохождения.

а) Таким образом, наличие ясного обзора Солнца в нескольких диапазонах волн позволяет получить достаточно заблаговременное предупреждение, но не доказывает, что событие, наблюдаемое на Солнце, движется к Земле (подсказка к дополнительной работе по моделированию) или будет магнитно соединяться с полем Земли, когда да (необходимы локальные измерения).

б) Наличие приборов на уровне L1 для отбора проб локальной среды вполне может сказать гораздо больше о возмущениях в локальной области пространства, но, к сожалению, с не очень заблаговременным предупреждением (несколько часов).

Солнечные вспышки распространяются со скоростью около 2000 км/с. Радио распространяется со скоростью 300 000 км/с, поэтому космический корабль на L1 (1,5 миллиона км), такой как DISCOVR, дает примерно 12 минут предупреждения, когда солнечная вспышка достигает его.

Космические аппараты, такие как SOHO , наблюдают за солнцем, и эти наблюдения используются, например, NOAA , чтобы попытаться предсказать вспышки:

Существующие методы прогнозирования вспышек проблематичны, и нет определенных указаний на то, что активная область на Солнце вызовет вспышку. Однако многие свойства солнечных пятен и активных областей коррелируют с вспышками. Например, магнитно-сложные области (на основе магнитного поля на луче зрения), называемые дельта-пятнами, производят самые большие вспышки. Простая схема классификации солнечных пятен, созданная Макинтошем или связанная с фрактальной сложностью.[57] обычно используется в качестве отправной точки для прогнозирования вспышек.[58] Прогнозы обычно формулируются с точки зрения вероятности возникновения вспышек выше M или X класса GOES в течение 24 или 48 часов.

Такие спутники, как DSCOVR, используются для прогнозирования солнечных бурь.

Нет, они не. Космический аппарат не может предсказывать солнечные бури. Они могут сообщить пользователю, что что-то приближается к Земле, но не могут предсказать начало солнечных явлений. То есть космические аппараты способны предупреждать, но не могут ничего предсказать (отмечу, что пользователей, интерпретирующих данные, позже постигнет та же участь с солнечными явлениями).

Помните, что быстрее всего информация поступает на космический аппарат вблизи первой точки Лагранжа, L1 , со скоростью света . Таким образом, такие вещи, как солнечные вспышки , невозможно предсказать, поскольку они представляют собой просто локализованное усиление электромагнитного (ЭМ) излучения (обычно преобладающего в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах). То есть, когда мы «увидим» вспышку, будет уже слишком поздно.

Почему ты спрашиваешь? Ну, космический корабль производит измерение, затем электроника его обрабатывает. Даже если у нас есть поток телеметрии в реальном времени, между наблюдением и передачей все равно будет задержка в несколько микро- и миллисекунд. Передача движется с той же скоростью, что и выбросы солнечных вспышек, но теперь, по крайней мере, на несколько километров отстает от переднего края выбросов солнечных вспышек. Затем наземная станция получает пакеты телеметрии и декодирует их, затем перепаковывает их и отправляет пользователю. Пользователь получает упомянутые пакетированные файлы, а затем открывает файлы, калибрует данные и отображает результаты. Все эти шаги после того, как передача космического корабля достигает наземной станции, могут занять от нескольких секунд до нескольких минут и более.

Так что об электромагнитном излучении вспышки мы никогда не сможем предупредить пользователя.

Однако часто возникают такие явления, как частицы солнечной энергии (SEP) , возникающие в результате солнечных вспышек (и связанные с ними явления, такие как выбросы корональной массы (CME) ). Электронные СКЛ обычно появляются вскоре после ЭМ излучения вспышки. Кратко здесь зависит от энергии электронов и задержки времени высвобождения электронов (т. е. процессы, ускоряющие электроны, не обязательно происходят одновременно с теми, которые испускают ЭМ излучение). Но даже в этом случае электроны с наивысшей энергией должны добраться до Земли чуть более чем за восемь минут, т. е. чуть дольше, чем ЭМ излучение. Это спорный вопрос, поскольку у DSCOVR нет телескопов для электронов высоких энергий, но пока мы не будем на это обращать внимание. Как бы то ни было, мы видим, что электроны также не годятся для системы предупреждения.

А как насчет энергичных ионов? Ну, здесь мы можем быть лучше приспособлены, поскольку им может потребоваться значительно больше времени, чтобы достичь Земли, чем электронам или электромагнитному излучению (т.е. минуты). Самые энергичные из них (т. е. протоны ~1 ГэВ движутся со скоростью ~88% скорости света) доберутся до Земли очень быстро, но частицам с более низкой энергией потребуется гораздо больше времени. Таким образом, если мы увидим усиленное локализованное электромагнитное излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах в дополнение к энергичным электронам (т. е. от нескольких десятков кэВ до сотен кэВ), мы можем ожидать прибытия энергичных ионов вскоре после этого и, возможно, предупредить клиентов. Однако это также маловероятно из-за задержки между измерениями космического корабля и пользовательским построением, о которой я упоминал выше.

Так есть ли надежда? Возможно, самым выгодным и единственно возможным путем (по крайней мере, на данный момент) было бы использование космического корабля с коронографом , таким как SOHO , с высокой скоростью передачи потока телеметрии в реальном времени и автоматизированными наземными схемами передачи и построения графиков (т.е. насколько это возможно). Однако даже в этом есть неопределенность, связанная с незнанием того, направлен ли наблюдаемый CME к Земле или от нее. В 2D-проекции, создаваемой этими формирователями изображений, такой CME выглядит как расширяющееся кольцо, отсюда и название гало CME . Для сильных событий, направленных на Землю, изображения часто сопровождаются явлениями, называемыми снегом .. Это просто энергетические частицы, попадающие на ПЗС в камере, вызывающие появление пятен и полос на изображении. Обычно этого не происходит, когда КВМ гало направлен от Земли (но не всегда).

Так что же нам остается? Предположим, что метод коронографа работает, и предположим, что мы знаем, что КВМ направлен на Землю, что тогда? Предупреждаем ли мы наших клиентов о необходимости немедленно выключить космический корабль или перейти в безопасный режим для защиты внутренних систем? Самые быстрые КВМ движутся со скоростью более 2000 км/с, что означает, что они достигают Земли менее чем за 20 часов. Они могут распространяться от L1 до Земли примерно за 12 минут, поэтому мы не можем ждать, пока мониторы L1 не увидят их, если они быстрые. Откуда мы знаем, что это быстрый CME? Мы действительно не, без дополнительной информации. Двумерные проекции на изображениях коронографа трудно интерпретировать, и они могут давать неограниченные оценки без дополнительных наблюдений.

Так можем ли мы предсказать эти явления заранее? Нет, ни на каком уровне статистической достоверности. Лучшее, что мы можем сделать, это наблюдать за большим и сильным солнечным пятном и сказать что-то вроде: «Эта штука вот-вот взорвется...» Хорошо, мы можем сделать немного лучше, но это еще несколько страниц нюансов и предостережений. Но самые большие и сильные солнечные пятна не всегда вызывают самые сильные вспышки или КВМ. Иногда они генерируют множество меньших событий, но не больших событий (по крайней мере, ни одного на сторонах Солнца, которые мы можем наблюдать), в то время как другие генерируют несколько малых и средних событий с несколькими крупными. На самом деле невозможно точно предсказать, что будет делать солнечная активная область с какой-либо степенью уверенности.

Если вы знакомы с трудностями, связанными с прогнозированием погоды, вы можете оценить следующее. Итак, вы, вероятно, слышали о разрозненных грозах, которые являются проклятием существования синоптиков. Причина в том, что они действительно непредсказуемые звери. Они могут возникать или уничтожаться микро- и мезомасштабными флуктуациями. Даже имея тысячи и тысячи точек измерения одновременно на небольшом участке земли, мы все равно не можем предсказать эти вещи, кроме как сказать, хороши или плохи условия для их возникновения.

В космосе у нас менее дюжины космических аппаратов, предназначенных для непосредственного наблюдения за солнцем и солнечным ветром. Объем контролируемого пространства на порядки и порядки больше, чем в одном округе в штате США, верно, но у нас есть только три монитора в реальном времени (т. е. SOHO, ACE и DSCOVR) и еще несколько космических аппаратов на месте (например, , Ветер , СТЕРЕО, Parker Solar Probe , Solar Orbiter и т. д .).

Чтобы представить это в перспективе, прогнозы погоды в 1950-х годах были более точными, чем наши самые лучшие усилия с космической погодой сейчас, по двум основным причинам: нам нужно на 1000 больше точек наблюдения, чтобы даже конкурировать, и солнечная погода включает магнитные поля, добавляя как минимум еще три уравнения для решения. для лепки (обычно это шесть и более).

Так что нет, мы не можем предсказать явления космической погоды с сколько-нибудь надежной точностью.