Фото предоставлено: ПЕЙДЖЕР
Исследователи разработали улучшенную систему светофоров для прогнозирования геомагнитных бурь. Сейчас они проверяют, насколько хорошо эти алгоритмы могут подготовить нас к предстоящим космическим штормам, которые могут нанести ущерб, выведя из строя спутники в космосе и энергосистемы на Земле.
Юрий Шприц, учёный-космонавт из Немецкого исследовательского центра геонаук в Потсдаме, выполняет миссию по спасению нашей планеты.
Мы давно знаем, что большая часть нашего современного образа жизни находится под угрозой из-за капризов солнца. Если наша звезда внезапно войдет в более активную фазу, это может вызвать геомагнитные бури, которые выведут из строя спутники или вызовут перебои в подаче электроэнергии на Земле.
Но можем ли мы предсказать, когда разразятся эти штормы, как они повлияют на окружающую среду и инфраструктуру Земли, и убедиться, что мы готовы? Шприц работал над этим, начиная с проекта ЕС под названием PAGER, который осуществлялся с 2020 по 2023 год.
Прогноз космической погоды
Целью исследователей была разработка алгоритма, который мог бы объединять данные телескопов и спутников, наблюдающих за Солнцем, с данными спутников, находящихся на околоземной орбите. На основе этого они могли бы предсказать, когда к нам приближается опасная геомагнитная буря и какие последствия это будет иметь для инфраструктуры в космосе и на земле.
Для этого исследователи связали различные компьютерные модели солнечной среды и околоземного пространства.
В лучшем случае, сказал Шприц, нам может потребоваться «час или два, чтобы рассчитать, что прибудет на Землю и какое влияние это окажет на околоземную среду, но на самом деле для того, чтобы это возмущение произошло, потребовалось бы два дня». » приезжать.»
Поскольку для накопления вредного для спутников излучения может потребоваться еще несколько дней, это может дать некоторое время на подготовку.
Алгоритм, разработанный командой PAGER, сейчас тестируется, чтобы увидеть, насколько он может быть полезен.
«После десятилетий фундаментальных космических исследований, начавшихся с открытия первого американского спутника в 1958 году вредного космического излучения, мы, наконец, достигли момента, когда достигли возможностей прогнозирования», — сказал Шприц. «Мы очень взволнованы».
Грозовой фронт
Геомагнитная буря возникает, когда мощная вспышка Солнца взаимодействует с магнитным полем нашей планеты.
Когда солнечный ветер движется от Солнца к Земле, он может переносить заряженные частицы, которые взаимодействуют с защитным магнитным полем Земли. Они дополнительно нагреваются в магнитосфере, создавая частицы высокой энергии, которые могут быть вредны для спутников.
Столкновение этих частиц с частицами земной атмосферы может создать великолепные полярные сияния, видимые с Земли. Но они также представляют опасность, поскольку могут нарушить работу электронных систем спутников. Подобные геомагнитные бури недавно обрушились на наши космические объекты.
В феврале 2022 года американская компания SpaceX потеряла 38 своих интернет-спутников Starlink, когда сильная геомагнитная буря вернула их в атмосферу Земли после запуска.
Между тем, в апреле 2010 года американская компания Intelsat потеряла контроль над своим спутником Galaxy 15 из-за геомагнитной бури. «Он начал дрейфовать и угрожать другим космическим аппаратам из-за частотных помех», — сказал Шприц. «Это может быть очень дорого, потому что цена космического корабля может превышать миллиард евро».
Геомагнитные бури также вызывают проблемы на Земле. Генерируемые ими электрические токи могут перегружать электростанции и вызывать временные отключения электроэнергии. Это произошло в Квебеке, Канада, в 1989 году, когда геомагнитная буря вызвала обширное девятичасовое отключение электроэнергии.
Очень сильные штормы в октябре и ноябре 2003 г. вызвали сбои в работе спутниковых служб, аномалии на многих спутниках, а также сбои в работе связи, электросетей и GPS-навигации во многих регионах мира.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Радиационные пояса
Большинство околоземных спутников также работают в радиационных поясах Земли — области космоса на высоте почти 58 000 километров над нашей планетой, где многие заряженные частицы улавливаются магнитным полем Земли. Эти пояса могут резко усиливаться во время штормов.
«Спутники GPS работают в самом сердце этих поясов, где радиация наиболее разрушительна», — сказал Шприц. Хотя эти космические корабли хорошо защищены, самые энергичные частицы могут проникнуть через их защиту и все равно повредить их.
Чтобы защититься от солнечных явлений, в странах Европы и США есть центры прогнозирования космической погоды, которые могут предсказать, когда на Землю обрушатся сильные штормы. Однако до недавнего времени эти предсказания не были связаны с моделями, способными предсказать радиацию в космосе, то, как это излучение попадет в космический корабль или возможные последствия для Земли.
В проекте PAGER ученые из Европы и США объединили модели Солнца и солнечной среды с моделями окружающей среды Земли, чтобы разработать комплексную систему прогнозирования.
Шприц отметил, что «некоторые прогнозы космической погоды действительно сложны и запутаны, и иногда участвующие в них люди не имеют докторской степени в области космической физики. Они просто хотят знать, безопасно это или нет».
Космический светофор
Поэтому целью команды PAGER было создание простой системы светофоров, основанной на прогнозах. Он сообщает спутниковому оператору, будут ли условия в космосе безопасными.
Используя PAGER, оператор сразу узнает, является ли ситуация критической, и ему следует рассмотреть возможность временного перевода спутников в защитный режим или операторам электросетей необходимо принять превентивные меры. Желтый означает, что вам нужно быть осторожным с возможными последствиями, а зеленый сигнализирует о том, что все в порядке.
«Зеленый цвет означает: «Не волнуйтесь, ничего не произойдет», — сказал Шприц. «Иногда это на самом деле является для них самой большой выгодой, потому что, когда случаются штормы, им нужен четкий знак того, что они могут вернуться к нормальной работе».
Для этих расчетов PAGER постоянно работает на мощных машинах в центре обработки данных Немецкого исследовательского центра геонаук.
«Обычно самые сложные прогнозы делаются посреди ночи, чтобы компьютеры не были перегружены», — сказал Шприц.
Он сказал, что его команда перешла к прогнозированию вероятностей, объяснив, что практически невозможно сделать очень точные долгосрочные прогнозы о последствиях урагана.
«Если мы скажем, что с 80-процентной уверенностью в том, что в космосе будут очень суровые условия, это то же самое, что и с земной погодой, если нам скажут, что вероятность дождя составляет 80 %».
«Это наводит нас на мысль, что лучше взять с собой зонтик. То же самое касается спутников».
Уточнение моделей
В настоящее время Шприц ведет переговоры с Европейским космическим агентством (ЕКА) о новом проекте, который позволит ЕКА внедрить некоторые модели PAGER в свою деятельность.
Целью является дальнейшее совершенствование прогностического обслуживания и улучшение анализа предстоящих явлений космической погоды.
«Мы пытаемся использовать машинное обучение во многих местах и интегрировать его в эту инфраструктуру. Мы также стараемся использовать все доступные данные в реальном времени и связывать их с нашими прогнозами, чтобы измерения могли уточнить наши модели».
Еще одна вещь, которая могла бы помочь, — это дополнительные спутниковые данные. Шприц пояснил, что предстоящий проект ЕКА по мониторингу околоземной радиационной среды «обеспечит измерения жесткого излучения в магнитосфере в режиме реального времени, что будет действительно полезно для нас, пролетая через радиационные пояса и проводя измерения».
«Есть также предложения оснастить все коммерческие космические корабли детекторами радиации», — сказал он. «Это, безусловно, поможет нам получить гораздо лучшую и более полную картину того, что происходит в космосе. Сейчас мы разработали инструменты, позволяющие использовать все эти данные и улучшить наши прогнозы».
Информация от: Horizon: журнал ЕС по исследованиям и инновациям.
