RW Space

Прогноз погоды — мощный инструмент. Например, во время сезона ураганов метеорологи создают компьютерные модели, чтобы предсказать, как формируются эти разрушительные штормы и куда они могут перемещаться, что помогает предотвратить ущерб прибрежным сообществам.

Когда вы пытаетесь прогнозировать космическую погоду, а не штормы на Земле, создание этих моделей становится немного сложнее.

Чтобы смоделировать космическую погоду, вам нужно будет поместить Солнце, планеты и огромное пустое пространство между ними в виртуальную среду. также известный как ящик для моделирования, в котором будут выполняться все расчеты.

По теме: Экстремальный солнечный шторм может нанести ущерб современному миру

Космическая погода сильно отличается от штормов, которые вы видите на Земле. Эти события происходят от Солнца, которое выбрасывает извержения заряженных частиц и магнитные поля со своей поверхности.

Самые мощные из этих событий называются межпланетными корональными выбросами массы, или КВМ, которые движутся со скоростью, приближающейся к 1800 милям в секунду (2897 километров в секунду).

Для сравнения: один КВМ может переместить массу материала эквивалентно всем Великим озерам от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса, за чуть менее двух секунд – почти быстрее, чем нужно, чтобы сказать «космическая погода».

Когда эти КВМ достигают Земли, они могут вызывать геомагнитные бури, которые проявляются в небе в виде красивых полярных сияний. Эти штормы также могут повредить ключевую технологическую инфраструктуру, например, нарушая поток электроэнергии в электросети и вызывая перегрев и выход из строя трансформаторов.

Чтобы лучше понять, как эти штормы могут нанести такой большой ущерб, наша исследовательская группа создала моделирование, показывающее, как штормы взаимодействуют с естественным магнитным щитом Земли и вызывают опасную геомагнитную активность, которая может привести к отключению электрических сетей.

В исследовании, опубликованном в октябре 2025 года в журнале В Астрофизическом журнале мы смоделировали один из источников этих геомагнитных бурь: небольшие, похожие на торнадо вихри, образовавшиеся в результате выброса Солнца. Эти вихри называются магнитными жгутами, и спутники ранее наблюдали небольшие магнитные жгуты, но наша работа помогла выяснить, как они генерируются.

Задача

Наша команда начала это исследование летом 2023 года, когда один из нас, эксперт по космической погоде, заметил несоответствия в наблюдениях за космической погодой. В ходе этой работы были обнаружены геомагнитные бури, возникающие в периоды, когда не прогнозировалось, что солнечные извержения поразит Землю.

Озадаченный эксперт по космической погоде захотел узнать, могут ли существовать явления космической погоды, которые были бы меньшими, чем выбросы корональной массы, и не были бы вызваны непосредственно солнечными извержениями. Он предсказал, что такие события могут формироваться в пространстве между Солнцем и Землей, а не в атмосфере Солнца.

Одним из примеров таких небольших явлений космической погоды является магнитный жгут – пучки магнитных полей, обернутые друг вокруг друга, как веревка. Его обнаружение при компьютерном моделировании солнечных извержений могло бы подсказать, где могут формироваться эти явления космической погоды.

В отличие от спутниковых наблюдений, в симуляциях можно повернуть время вспять или отследить события вверх по течению, чтобы увидеть, где они возникают.

Поэтому он обратился к другому автору, ведущему эксперту по моделированию. Оказалось, что найти более мелкие явления космической погоды не так просто, как смоделировать большое солнечное извержение и позволить компьютерной модели работать достаточно долго, чтобы извержение достигло Земли.

Современное компьютерное моделирование не предназначено для разрешения этих более мелких явлений. Вместо этого они предназначены для сосредоточения внимания на крупных солнечных извержениях, поскольку они оказывают наибольшее воздействие на инфраструктуру Земли.

Этот недостаток был весьма разочаровывающим. Это было похоже на попытку спрогнозировать ураган с помощью моделирования, которое показывает только глобальные погодные условия. Поскольку вы не можете увидеть ураган такого масштаба, вы его полностью пропустите.

Эти крупномасштабные симуляции известны как глобальные симуляции. Они изучают, как солнечные извержения формируются на поверхности Солнца и распространяются в космосе.

Эти модели рассматривают потоки заряженных частиц и магнитные поля, плавающие в космосе, как жидкости, чтобы снизить вычислительные затраты по сравнению с независимым моделированием каждой заряженной частицы. Это похоже на измерение общей температуры воды в бутылке вместо отслеживания каждой молекулы воды по отдельности.

Поскольку эти симуляции представляют собой вычислительные явления, происходящие в таком огромном пространстве, они не могут разрешить каждую деталь. Чтобы получить доступное изображение огромного пространства между Солнцем и планетами, исследователи делят его на большие кубы – аналогично двумерным пикселям в камере.

В моделировании каждый из этих кубов представляет собой область шириной, высотой и поперечником в 1 миллион миль (1,6 миллиона километров). Это расстояние эквивалентно примерно 1 проценту расстояния от Земли до Солнца.

Поиск начинается

Наш поиск начался с того, что было похоже на поиск иголки в стоге сена. Мы изучали старые глобальные модели в поисках крошечной временной капли, которая могла бы означать жгут, в области космоса, в сотни раз большей, чем само Солнце.

Наш первоначальный поиск ничего не дал.

Затем мы переключили свое внимание на моделирование солнечного извержения в мае 2024 года. На этот раз мы специально рассмотрели область, где солнечное извержение столкнулось с тихим потоком заряженных частиц и магнитных полей, называемым солнечным ветром, впереди него.

Вот оно: отчетливая система магнитных жгутов.

Однако наше волнение было недолгим. Мы не могли сказать, откуда взялись эти жгуты. Смоделированные жгуты потока также были слишком малы, чтобы выжить, и в конечном итоге выдыхались, потому что они стали слишком малы, чтобы их можно было разрешить с помощью нашей симуляционной сетки.

Но это был именно тот тип подсказки, который нам был нужен – наличие жгутов магнитного потока в месте, где солнечное извержение столкнулось с солнечным ветром.

Чтобы решить эту проблему, мы решили устранить этот пробел и создать компьютерную модель с более мелким размером сетки, чем те, которые использовались в предыдущих глобальных симуляциях. Поскольку увеличение разрешения во всем пространстве моделирования было бы непомерно дорогим, мы решили увеличить разрешение моделирования только вдоль траектории магнитных жгутов.

Новые модели теперь могут разрешать объекты, которые охватывают расстояния, которые охватывают расстояния, в шесть раз превышающие диаметр Земли (8 000 миль (или 128 000 километров)), вплоть до десятков тысяч миль – почти в 100 раз лучше, чем предыдущие модели.

Делаем открытие

После того, как мы разработали и протестировали сетку моделирования, пришло время смоделировать то самое солнечное извержение, которое привело к образованию этих жгутов в менее мелкозернистой модели. Мы хотели изучить формирование этих жгутов и то, как они росли, меняли форму и, возможно, заканчивались узким клином, охватывающим пространство между Солнцем и Землей.

Результаты были ошеломляющими.

Снимок с высоким разрешением показал, что жгуты сформировались, когда солнечное извержение столкнулось с более медленным солнечным ветром впереди него. Новые структуры обладали невероятной сложностью и прочностью, которые сохранялись гораздо дольше, чем мы ожидали.

В метеорологических терминах это было похоже на ураган, порождающий скопление торнадо.

Мы обнаружили, что магнитные поля в этих вихрях были достаточно сильными, чтобы вызвать значительную геомагнитную бурю и вызвать серьезные проблемы здесь, на Земле. Но самое главное, моделирование подтвердило, что действительно существуют явления космической погоды, которые формируются локально в пространстве между Солнцем и Землей.

Наш следующий шаг — смоделировать, как такие торнадоподобные особенности солнечного ветра могут повлиять на нашу планету и инфраструктуру.

Этот двухмерный разрез моделирующего окна показывает солнечное извержение, которое быстро движется к Земле. Извержение сталкивается с более медленным солнечным ветром впереди него, вызывая образование созвездия жгутов магнитного потока.

Жгуты магнитного потока отображаются в виде островов в окне моделирования. Сплошные линии представляют линии магнитного поля, а цветная полоса показывает количество заряженных частиц. Магнитные жгуты движутся к Земле после формирования в солнечном ветре.

На видео также показано, как космическая миссия Space Weather Investigation Frontier, или SWIFT, созвездие из четырех спутников, образующих конфигурацию тетраэдра, может исследовать формирование и рост этих структур в солнечном ветре.

Наблюдать за тем, как эти жгуты в моделировании формируются так быстро и движутся к Земле, было захватывающе, но тревожно. Это было волнующе, потому что это открытие может помочь нам лучше планировать будущие экстремальные погодные явления в космосе. В то же время это вызывало беспокойство, поскольку на современных мониторах космической погоды эти жгуты будут выглядеть лишь как небольшой всплеск.

Нам понадобится несколько спутников, чтобы напрямую увидеть эти жгуты более подробно, чтобы ученые могли более надежно предсказать, могут ли, когда и в какой ориентации они могут повлиять на нашу планету и каков может быть результат.

Хорошей новостью является то, что ученые и инженеры разрабатывают следующее поколение космические миссии, которые могли бы решить эту проблему.

Мойтаба Ахаван-Тафти, младший научный сотрудник Мичиганского университета и Уорд Б. (Чип) Манчестер, профессор-исследователь кафедры климатических и космических наук, Мичиганский университет

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. лицензия. Прочтите оригинал статьи.