Бурю заказывали?

12 Дек 2020

В прошедшую неделю Солнце проснулось от «спячки» солнечного минимума, и вся страна следила за приближением, как казалось, неизбежной магнитной бури. Сейчас можно подвести итоги этого события, наглядно иллюстрирующие возможности современной науки — гелиогеофизики.

Посвящается памяти Сергея Петровича Гайдаша,
руководителя центра прогнозов космической погоды ИЗМИРАН,
ушедшего от нас 7 декабря 2020 г.
За 22 года работы Центра были и пропущенные бури, но их было мало.
Возможно, Природа решила показать
оставшимся прогнозистам, кто есть кто…

На фоне затянувшегося периода слабой солнечной активности каждая солнечная вспышка становится событием. В конце 2020 года наконец на Солнце появились активная область, заслуживающая внимания. Первая достаточно сильная вспышка была зарегистрирована 29 ноября, на самом краю видимого солнечного диска. Такие вспышки именно на левой части диска неопасны, потому что выбросы плазмы после них практически никогда не достигают Земли. Вспышка и сама по себе влияет на атмосферу Земли, но именно эта была недостаточно сильной для существенного эффекта. Поэтому основной интерес к ней был связан с тем, что это был сигнал о формировании активной группы солнечных пятен, которая вот-вот должна была появиться на видимом диске (в ходе вращения Солнца) и, возможно, произвести на свет следующие вспышки, которые уже будут более опасны для нашей планеты.

Солнечные пятна 3 декабря 2020 г. Новое пятно отмечено стрелкой  
Солнечные пятна 3 декабря 2020 г. Новое пятно отмечено стрелкой

Проявившаяся на видимом диске через пару дней активная область (АО12790) оказалась довольно заурядной, и следующая мало-мальски значимая вспышка произошла только 7 декабря. Балл вспышки был всего лишь С7. Это условная шкала силы рентгеновского излучения от вспышек: С7 — в семь раз больше, чем С1, М1 — больше в десять раз, чем С1, Х1 в десять раз больше чем М1. Самые сильные вспышки — несколько больше, чем Х10.

Активные области на Солнце 3 декабря 2020 г. по данным космического аппарата SDO: изображение Солнца в крайнем ультрафиолете (c) Solar Dynamics Observatory, NASA   Активные области на Солнце 3 декабря 2020 г. по данным космического аппарата SDO. Магнитограмма Солнца (c) Solar Dynamics Observatory, NASA
Активные области на Солнце 3 декабря 2020 г. по данным космического аппарата SDO: изображение Солнца в крайнем ультрафиолете (левая панель), магнитограмма Солнца (правая панель). Интересующая нас активная область (АО12790) отмечена красной стрелкой (c) Solar Dynamics Observatory, NASA
Поток рентгеновского излучения и вспышка 7 декабря 2020 г. по данным аппарата GOES-16
Поток рентгеновского излучения и вспышка 7 декабря 2020 г. по данным аппарата GOES-16

В момент регистрации этой вспышки активная область была уже практически на центральном меридиане видимого солнечного диска — в так называемой «геоэффективной зоне». Кроме того, данная вспышка была не импульсная, а длительная: такие вспышки обычно сопровождаются выбросом солнечной плазмы в межпланетное пространство, а в данном случае — в сторону Земли.

В короне (атмосфере) Солнца выброс плазмы можно увидеть по его свечению в рассеянном им солнечном свете и оценить его скорость. Выброс преодолевает расстояние от Солнца до Земли (150 млн км) со скоростью от 300 до 2000 км/с, минимально за неполные сутки, максимально — более чем за пять дней.

Прямой пропорции между баллом вспышки, размером выброса солнечной плазмы и интенсивностью соответствующей магнитной бури на Земле нет, так как тут играют роль множество факторов. Тем не менее, предполагается, что чем больше и длительнее вспышка — тем эффективнее связанный с ней выброс. Вспышки балла менее М1 (а таковой и было событие 7 декабря) обычно не ассоциируют с заметными магнитными бурями.

Но в этот раз, вероятно, по причине удачного расположения места вспышки, ее длительности, а также визуальной оценки скорости и размера соответствующего выброса солнечной плазмы, всё мировое научное сообщество, которое занимается прогнозирование состояния космической погоды, сделало вывод, что 9-11 декабря будет наблюдаться возмущенная обстановка, вплоть до БОЛЬШОЙ геомагнитной бури категории G3 (максимальная — G5, минимальная — G1). Идея была мгновенно подхвачена СМИ, зарубежными и российскими.

Пример геомагнитного прогноза США, растиражированного во многих СМИ. Проиллюстрировано распространение выброса солнечной плазмы по направлению к Земле. Источник: https://www.swpc.noaa.gov
Пример геомагнитного прогноза США, растиражированного во многих СМИ. Проиллюстрировано распространение выброса солнечной плазмы по направлению к Земле. Источник: https://www.swpc.noaa.gov
   
Пример русскоязычных Интернет-публикаций

Однако реальная сила магнитной бури зависит от многих факторов: размеров и скорости распространения выброса, конфигурации магнитного поля внутри него, общего состояние солнечного ветра, других проявлений солнечной активности и т.д.

И в данном случае все эти факторы сработали против прогнозистов.

Во-первых, выброс существенно замедлился по пути к Земле и пришёл позже, чем ожидали. Во-вторых, основной выброс, вероятно, прошел мимо нас, поскольку четких признаков магнитного облака (так называют основной структурный элемент выброса) так и не удалось увидеть. За этим следит специальный спутник, «висящий» между Землей и Солнцем в полутора миллионах километров от Земли, в часе «полёта» спокойного солнечного ветра.

В-третьих, чтобы как следует «зарядить» магнитосферу Земли для магнитной бури, надо, чтобы магнитное поле в облаке было достаточно сильным и направленным противоположно земному магнитному полю. Критерий бури — величина вертикального магнитного поля в магнитном облаке должна быть не менее 10 нанотесла, направлена с севера на юг (в 5000 раз слабее геомагнитного поля на поверхности Земли!), и сохраняться в течение не менее чем трех часов. В этот раз поле имело «неправильное» направление, а длительность его скачка, чуть превысившего 10 нТл, составила всего лишь час с небольшим.

Поэтому магнитной бури не было вовсе, было лишь легкое сотрясение магнитосферы, вызванное скачком давления солнечного ветра и квалифицируемое как геомагнитное возмущение. Поэтому и каких-то особенных полярных сияний, на которые все рассчитывали, тоже не было. На этот раз все обошлось.

Информация о состоянии космической пого по данным космического аппарата DSCOVR; Kp и Dst индексы геомагнитной активности
Информация о состоянии космической погоды: напряженность межпланетного магнитного поля (1), скорость (2), плотность (3) и температура (4) солнечного ветра – по данным космического аппарата DSCOVR; Kp и Dst индексы геомагнитной активности (5). Красной стрелкой отмечен момент прихода возмущения

Однако пятна на видимой части Солнца остаются и они имеют все шансы «реабилитироваться». Солнечная активность на подъеме, и в ближайшие годы у прогнозистов будет больше работы, а у всех остальных — больше шансов увидеть полярные сияния, одно из самых ярких природных явлений, которое есть у нас только благодаря солнечной активности и магнитному полю Земли.

А чтобы прогнозисты состояния космической погоды меньше ошибались, нужно больше и детальнее наблюдать Солнце и околоземную космическую среду, совершенствовать математические модели и методы прогнозирования.

- Подготовлено совместно с сотрудниками Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова Российской академии наук

  Северное сияние. Фото Полярного геофизического института
Северное сияние. Фото Полярного геофизического института