Изследователи създадоха подобрена светофарна система за прогнозиране на геомагнитните бури. Сега тестват колко добре тези алгоритми могат да ни подготвят за предстоящи космически бури, които могат да предизвикат хаос, като извадят от строя спътници в Космоса и електроенергийни мрежи на Земята.

От Джонатан O’Калахан

Юри Шприц, учен в областта на космическите науки от германския Изследователски център по геонауки в Потстдам, е на мисия да спаси нашата планета. 

Отдавна знаем, че голяма част от съвременния ни начин на живот е застрашена от капризите на Слънцето. Ако нашата звезда внезапно навлезе в по-активен период, това може да предизвика геомагнитни бури, които да извадят от строя спътниците ни или да причинят прекъсвания в електрозахранването на Земята. 

Но можем ли да предскажем кога ще настъпят тези бури, как ще засегнат земната среда и инфраструктура, и да гарантираме, че сме подготвени? Върху това работи Шприц, започвайки с финансиран от ЕС проект, наречен PAGER, който се изпълнява от 2020 до 2023 г. 

Прогнозиране на космическото време

Целта на изследователите е да разработят алгоритъм, който може да извлича данни от телескопи и спътници, наблюдаващи Слънцето, както и от спътници в орбита около Земята. На тази основа те ще могат да прогнозират кога опасна геомагнитна буря се насочва към нас и какви ще са последиците за инфраструктурата в Космоса и на Земята. 

За тази цел изследователите свързват различни компютърни модели на слънчевата среда и околоземното пространство. 

В най-добрия случай, казва Шприц, може „да са ни необходими час или два да изчислим какво би достигнало Земята и какви ефекти ще има върху околоземното пространство, но самото смущение всъщност ще пристигне при нас след два дни.“ 

Тъй като може да минат още няколко дни, преди да се натрупа радиация, която може да навреди на спътниците, това би могло да ни даде известно време за подготовка. 

Разработеният от екипа на PAGER алгоритъм сега се подлага на тестове, за да се оцени неговата ефективност. 

„След десетилетия фундаментални космически изследвания, започнали с откритието на вредната космическа радиация от първия американски спътник през 1958 г., най-накрая достигнахме етап, в който разполагаме със способности за прогнозиране“, казва Шприц. „Много сме развълнувани.“

Фронтът на бурята

Геомагнитната буря възниква, когато мощно изригване от Слънцето взаимодейства с магнитното поле на нашата планета. 

По пътя си от Слънцето към Земята слънчевият вятър носи заредени частици, които взаимодействат със защитното магнитно поле на Земята. В магнитосферата те се нагряват допълнително, създавайки силно енергизирани частици, които могат да бъдат вредни за спътниците. 

Сблъсъкът на тези частици с частици в земната атмосфера може да породи великолепните полярни сияния, които наблюдаваме от Земята. Но те представляват и сериозна заплаха, тъй като могат да нарушат работата на електронните системи на спътниците. Съвсем наскоро такива геомагнитни бури засегнаха космическите ни инсталации.

През февруари 2022 г. американската компания SpaceX изгуби 38 от своите спътници за интернет Starlink, когато мощна геомагнитна буря ги отклони обратно в земната атмосфера след изстрелването им.

Поради геомагнитна буря американската фирма Intelsat загуби контрол над своя спътник Galaxy 15 през април 2010 г. „Започна да се отклонява от курса си, заплашвайки други космически апарати, заради честотни смущения", казва Шприц. „Това може да ни струва изключително скъпо, защото цената на един космически апарат може да надхвърля един милиард евро.“

Геомагнитните бури създават проблеми и на Земята. Електрическите токове, които генерират, могат да претоварят електроцентралите и да предизвикат временни прекъсвания на електрозахранването. Такъв случай е масовото деветчасово спиране на тока през 1989 г. в Квебек, Канада, предизвикано от геомагнитна буря. 

През октомври и ноември 2003 г. изключително силни бури доведоха до прекъсвания в спътниковите услуги, аномалии в голям брой спътници и проблеми с комуникациите, електропреносните мрежи и GPS навигацията в много региони по света.

Радиационните пояси

Повечето спътници в околоземното пространство се движат и в радиационните пояси на Земята — зона от Космоса, разположена на височина до 58 000 километра над повърхността на планетата, където множество заредени частици се задържат от магнитното поле на Земята. Интензивността на тези пояси може са се засили драстично по време на бури. 

„GPS спътниците работят в самото сърце на поясите, където радиацията е най-вредна“, казва Шприц. Макар че тези космически апарати са добре защитени, най-енергичните частици могат да проникнат през защитата им и въпреки всичко да ги повредят. 

За да се предпазят от слънчевите явления, държави в Европа и САЩ имат центрове за прогнозиране на космическото време, които могат да предвиждат кога опасни бури ще достигнат Земята. До неотдавна обаче техните прогнози не бяха свързани с модели, способни да предскажат радиацията в Космоса, как тази радиация ще проникне в космическите апарати или какви ще са възможните последици за Земята.  

В рамките на проекта PAGER учени от Европа и САЩ комбинират модели на слънчевата среда с модели на земната среда, за да разработят цялостна система за прогнозиране. 

Шприц подчертава, че „някои от прогнозите за космическото време са наистина сложни и объркващи, а потребителите невинаги са доктори по физика на космоса. Те искат само да знаят дали ще е безопасно, или не.“

Космически светофар

Целта на екипа на PAGER бе да създаде опростена система за светофарни сигнали, основана на прогнози. Тя информира операторите на спътници дали условията в космоса са безопасни, или не.

Ако ситуацията е означена с „червена светлина“, с помощта на PAGER операторите на спътници веднага ще знаят дали да обмислят временното им превключване в защитен режим, а операторите на електроенергийни мрежи — дали трябва да предприемат превантивни мерки. Жълтият сигнал означава, че трябва да внимават за потенциални последици, а зеленият сигнал сочи, че всичко е наред. 

„Зеленият цвят означава „не се притеснявайте, нищо не се случва“, казва Шприц. „Понякога това е най-полезното нещо за тях, защото при бури те се нуждаят от ясен знак, че могат да се върнат към нормална работа.“

За да прави тези изчисления, екипът на PAGER постоянно използва мощни машини в компютърен център в германския Изследователски център по геонауки. 

„Обикновено най-трудните прогнози се правят през нощта, за да не се претоварват компютрите“, казва Шприц.

Той обяснява, че екипът му се е насочил към прогнозиране на вероятностите, тъй като е практически невъзможно да се правят много точни дългосрочни прогнози за последиците от бурята. 

„Ако кажем, че вероятността условията в космоса да бъдат много тежки е 80%, това е същото като метеорологичното време на Земята, когато ни казват, че вероятността да вали е 80 %.“ 

„Това ни подсказва, че е по-добре да си носим чадър. Същото е и за спътниците.“

Усъвършенстване на моделите

В момента Шприц води разговори с Европейската космическа агенция (ESA) за нов проект, който би позволил на ESA да внедри някои от моделите на PAGER в своята работа.. 

Целта е да продължим да подобряваме услугите за прогнозиране и анализът на предстоящите космически метеорологични събития да става все по-прецизен.

„Опитваме се да използваме машинно обучение на много места и да го интегрираме в тази инфраструктура." Опитваме се също така да използваме всички данни в реално време, които са налице, и да ги комбинираме с прогнозите, за да можем с измерванията да подобряваме нашите модели.“

Още един фактор, който може да помогне, е повече спътникови данни. Шприц обяснява, че предстоящ проект на ESA за наблюдение на околоземната радиационната среда ще предоставя „измервания в реално време на интензивната радиация в магнитосферата, което може да бъде наистина полезно за нас.“ Това ще става чрез прелитане през радиационните пояси и извършване на измервания.

„Има и предложения да бъдат поставени радиационни детектори на всички търговски космически апарати“, казва той. „Това със сигурност ще ни помогне да получаваме много по-добра и мащабна картина на случващото се в Космоса. Вече разработихме инструменти, с които можем да използваме всички тези данни и да подобрим прогнозите си.“

Изследванията в тази статия са финансирани от програма „Хоризонт“ на ЕС. Възгледите на интервюираните лица не отразяват непременно позицията на Европейската комисия.

Повече информация:

​Тази статия е публикувана за пръв път в Horizon, списанието на ЕС за изследвания и иновации.