Модель вже дала змогу досягти великого успіху — пояснити, як у полярних сяйвах утворюються таємничі явища, схожі на перлини.
Науковці створюють «надсучасну» цифрову модель космосу навколо Землі, щоб покращити прогнозування геомагнітних бур та їхнього впливу на інфраструктуру.
Космічна ера триває майже сім десятиліть, але розуміння вченими космічної погоди все ще дуже грубе. На відміну від погоди на Землі, яку зараз прогнозують за допомогою потужних суперкомп’ютерів з високою точністю та своєчасністю, прогнози космічної погоди є більш короткочасними.
У більшості випадків неточний прогноз космічної погоди просто означає, що чиїсь очікування щодо спостереження полярного сяйва не виправдалися. Але людство все більше залежить від технологій, які вразливі до примх космічної погоди. Космічна погода може зіпсувати наше повсякденне життя — від короткочасних відключень радіозв’язку до збоїв у роботі GPS і тривалих відключень електроенергії — можливо, не так часто, як проливні дощі та шторми, але з такою ж жорстокістю.
Нова модель, розроблена групою дослідників під керівництвом Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса (Applied Physics Laboratory, APL), є кроком до усунення розриву між прогнозами погоди в космосі та на Землі. Проте вчені визнають, що можуть знадобитися десятиліття, щоб прогнози космічної погоди стали такими ж точними, як і прогнози погоди на планеті.
«Ми не можемо передбачити космічну погоду, не зрозумівши попередньо глибоко її фізику», — сказав Space.com Слава Меркін (Slava Merkin), фахівець з фізики космосу в APL і директор Центру геокосмічних бур (Center for Geospace Storms, CGS). «Ми будуємо модель і за її допомогою виконуємо наукові дослідження, завдяки чому з’ясовуємо фізику геокосмічних бур».
Геопростір — це термін, який вчені використовують для опису регіону навколо нашої планети, який включає верхні шари атмосфери Землі та навколишній космос. За допомогою нової моделі під назвою «Багатовимірне довкілля атмосфери і навколоземного космосу» (Multiscale Atmosphere-Geospace Environment, MAGE) дослідники хочуть фіксувати процеси, що відбуваються в геопросторі на відстані до 2 мільйонів кілометрів від Землі. Це величезна область, що простягається вчетверо далі від планети, ніж Місяць. Але вплив Землі на космос поширюється ще далі. Зовнішній край магнітосфери Землі, її хвіст, можна простежити на відстані майже 6,5 мільйонів км від Землі в напрямку від Сонця.
Створена рухом розплавлених металів усередині земного ядра, магнітосфера взаємодіє з сонячним вітром — потоками заряджених частинок, які постійно виходять від Сонця. Ця взаємодія спричиняє явища космічної погоди, які ми відчуваємо на Землі. Процес надзвичайно складний. Він включає малозрозумілі фізичні взаємодії, які відбуваються в термосфері (другий за висотою шар атмосфери Землі) та іоносфері (область, що перекривається з термосферою й містить високі концентрації заряджених частинок, створених у взаємодії з ультрафіолетовим світлом від Сонця).
«Наше завдання номер один — цілісно розглядати цю систему», — сказав Меркін. «Але проблема полягає в тому, що характеристики кожної з цих ділянок визначає різна фізика. Вони містять різні популяції плазми, різні частинки газу, і всі вони вступають у дуже складні взаємодії, особливо під час геомагнітних бур».
Наукова група відсвяткувала проривний успіх у 2020 році, коли їхня нова модель забезпечила безпрецедентне уявлення про формування схожих на намистини структур у полярних сяйвах, які іноді з’являються над полярними районами Землі перед великими геомагнітними бурями. Модель MAGE показала, що ці перлини полярного світла виникають, коли магнітні лінії у віддаленому хвості магнітосфери простягаються далі від планети перед геомагнітними бурями, а потім посилають пузирі легкої плазми до Землі.
Але відкриття також влучно продемонструвало труднощі з прогнозуванням космічної погоди. Подібно до прославленого помаху крила метелика, фізичний процес у віддаленому районі геопростору може спричинити видимі й вимірювані ефекти поблизу поверхні Землі.
«Комп’ютерна модель, яку ми розробляємо, має давати можливість фіксувати процеси, які відбуваються як у дуже великих, так і в дуже малих масштабах», — сказав Меркін. «Водночас вона має охоплювати всі різні фізичні проблеми та пояснювати, як різні області — нижня і середня атмосфера, іоносфера та магнітосфера — впливають одна на одну».
На відміну від моделей прогнозування наземної погоди, які обробляють мільйони вимірювань, котрі щодня виконують по всьому світу сотні тисяч метеостанцій, авіалайнерів і висотних повітряних куль, MAGE доводиться задовольнятися набагато меншою кількістю точок даних.
«У будь-який конкретний момент часу ми насправді маємо досить мало космічних зондів у цьому величезному регіоні», — сказав Меркін. «Вимірювання в якійсь окремій точці простору можуть бути дуже точними, особливо за допомогою найновіших космічних апаратів, але ми не маємо достатнього покриття, щоб справді знати, що відбувається на рівні системи».
Меркін і його колеги мають доступ до даних, накопичених з початку космічної ери. І все ж значні прогалини існують. Наприклад, нижній шар термосфери, розташований на висоті від 100 до 200 км, який іноді називають «іґноросферою» («ignorosphere»), мало вивчений. Занадто високо для стратосферних куль, але занадто низько для супутників, щоб її досліджувати, іґноросфера є місцем, де виникають полярні сяйва. MAGE може заповнити деякі з цих прогалин завдяки потужному суперкомп’ютеру і докладним вимірюваннями, зробленими супутниками вище в атмосфері, а також інформацією з радарів та інших датчиків на поверхні Землі.
«У міру того, як ми просуваємося в наших дослідженнях, модель стає дедалі складнішою», — сказав Меркін. «Ми додаємо до неї все більше і більше фізики. Кінцевий продукт представлятиме геопростір у його найвищій складності».
Меркін визнає, що можуть пройти десятиліття, до того як дослідники досягнуть цього. Моделювання космічної погоди — надзвичайно складна справа. До співпраці в проєкті MAGE залучено десятки інженерів-програмістів, комп’ютерників, фізиків та інших експертів, які, окрім APL, працюють у різних дослідницьких лабораторіях США.
За інф. з сайту www.space.com
