Подход позволяет проводить моделирование солнечного ветра на основе принципов магнитной гидродинамики, при котором поток заряженных частиц в космосе представляется как единая сплошная среда, подобная жидкости. Разработка необходима для защиты спутников, наземных систем и безопасности космонавтов.
Исследование солнечного ветра объединяет фундаментальную физику Солнца и изучение его влияния на всю Солнечную систему: от загадки сильнейшего нагрева короны до возникновения солнечных пятен и мощных выбросов плазмы. В частности, особое внимание сегодня уделяется солнечному ветру – непрерывному потоку заряженных частиц, который зарождается в атмосфере Солнца и простирается далеко за пределы планетной системы, достигая гелиопаузы, где солнечная плазма встречается с межзвездной средой.
Воздействие солнечного ветра на околоземное пространство определяет критическую важность мониторинга космической погоды: магнитные бури нарушают работу спутниковой навигации и связи, вызывая ошибки позиционирования до десятков метров и сбои в прецизионном земледелии, морской навигации и авиации. Кроме того, во время штормов высокоэнергетические частицы представляют прямую радиационную угрозу, требуя предупреждения об укрытии экипажей внутри защищенных модулей Международной космической станции. Эта опасность в еще большей степени касается путешественников, направляющихся к Луне, – особенно сейчас, когда пилотируемые лунные миссии возобновились в рамках программы «Артемида».
Учитывая циклы солнечной активности и растущую зависимость инфраструктуры от космических технологий, точный прогноз космической погоды становится сегодня стратегической задачей.
«Мы разработали службу компьютерного моделирования солнечного ветра, основанную на принципах магнитной гидродинамики. Модель рассматривает поток заряженных частиц в космосе как единую сплошную среду – подобно воде. Частицы солнечного ветра, несмотря на большое расстояние друг от друга, ведут себя коллективно. На удалении около 15 млн км от Солнца хаотичное движение плазмы упорядочивается, и ее уже можно описывать уравнениями, похожими на те, что используются для обычных жидкостей. Ключевая особенность – учет электромагнитных эффектов: движущиеся заряженные частицы создают магнитное поле, которое влияет на их дальнейшее движение. МГД-модель учитывает эту взаимосвязь и позволяет прогнозировать распространение солнечного ветра и его воздействие на околоземное пространство. Это поможет заблаговременно оценивать риски для спутников, систем связи и навигации», – пояснил доцент кафедры алгоритмической математики (АМ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Алексеевич Павлов.
Прогноз солнечного ветра рассчитывается по классической методике гидродинамического моделирования: задав начальную скорость и плотность потока частиц и параметры магнитного поля вблизи Солнца, система рассчитывает, как эта «жидкость» будет распространяться в трехмерном пространстве, расширяясь во все стороны от звезды. На практике расчеты охватывают область от Солнца до орбиты Марса, позволяя с высокой точностью определять плотность и скорость частиц непосредственно у Земли.
Эти данные служат надежным показателем для прогнозирования геомагнитных бурь: если моделирование фиксирует приближение плотного и высокоскоростного потока, это указывает на его неизбежное взаимодействие с магнитосферой планеты, давая возможность заранее оценить риски и защитить спутниковую группировку, системы связи и космические экипажи.
На сегодняшний день в мире существует всего три службы, осуществляющие прогноз магнитных бурь на основе МГД-моделирования с расчетом скорости и плотности частиц вблизи Земли: две из них работают за рубежом, и третья теперь создана в России. Ключевая задача российской разработки – обеспечить полный технологический суверенитет в области прогнозирования космической погоды.
Однако в настоящее время служба использует данные международных обсерваторий. Основное ограничение российских наземных станций – зависимость от погодных условий и географического положения: в отличие от глобальной сети обсерваторий, где Солнце всегда видно хотя бы с одной точки, отечественная инфраструктура пока представлена единичными пунктами наблюдения, единственным регулярно действующим из которых является Кисловодская горная астрономическая станция (филиал Пулковской обсерватории Российской академии наук).
«Мы стремимся к тому, чтобы наша система стала стопроцентно независимой от зарубежных моделей и данных. Сейчас мы находимся на полпути к этой цели: для запуска расчетов нам по-прежнему необходимы начальные условия, основанные на магнитограммах Солнца, которые формируются сетью иностранных обсерваторий. Это аналогично обычному метеопрогнозу: чтобы предсказать погоду завтра, нужно точно знать распределение воздушных масс сегодня. Точно так же для прогноза солнечного ветра нам требуются параметры потока на небольшом удалении от Солнца», – рассказал аспирант, ассистент кафедры АМ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Кодуков.
В будущем исследователи планируют внедрить в службу модель для мониторинга корональных выбросов массы – наиболее мощных и геоэффективных потоков плазмы, которые не фиксируются на магнитограммах и в настоящее время отслеживаются преимущественно с помощью зарубежных космических аппаратов. Данные с этих миссий находятся в открытом доступе, однако стратегической целью является разработка продвинутых наземных методов регистрации выбросов в специальных спектральных диапазонах. Решение этой научной задачи позволит полностью отказаться от зависимости от иностранной космической инфраструктуры и гарантировать бесперебойную работу системы прогнозирования независимо от внешнеполитических условий.
Результаты исследований опубликованы в научном журнале Space Weather (Q2). Работа является инициативным проектом выпускников кафедры АМ Самвела Арутюняна, Александра Кодукова, Максима Субботина под руководством доцента кафедры АМ Дмитрия Алексеевича Павлова.
Информация предоставлена СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Источник фото: ru.123rf.com
