Мощные извержения на Солнце, взаимодействуя с магнитным полем Земли, порождают геомагнитные бури, которые представляют собой серьезную угрозу для современной технологической инфраструктуры. Солнечный ветер, несущий потоки заряженных частиц, достигает магнитосферы – защитного магнитного поля нашей планеты. Здесь солнечные частицы нагреваются, становятся высокоэнергичными и способны вызвать целый ряд разрушительных последствий.
Геомагнитные бури представляют опасность для множества критически важных систем. Спутники, находящиеся на орбите, особенно уязвимы: электронные системы могут давать сбои, оборудование может быть повреждено, и существует риск полной потери контроля над аппаратом. На Земле под ударом оказываются электрические сети, где перегрузки могут привести к массовым отключениям электроэнергии. Нарушается работа систем связи и глобального позиционирования (GPS), что затрагивает широкий спектр повседневных сервисов.
Примеры разрушительного воздействия геомагнитных бурь многочисленны. В феврале 2022 года компания SpaceX потеряла 38 интернет-спутников Starlink из-за разразившейся геомагнитной бури. Аппараты, только что запущенные на орбиту, были буквально стянуты обратно в атмосферу Земли. В апреле 2010 года Intelsat утратила контроль над своим спутником Galaxy 15, стоимость которого превышает один миллиард евро. Galaxy 15 начал неконтролируемый дрейф, создавая угрозу столкновения и частотных помех для других космических аппаратов.
В 1989 году мощная геомагнитная буря вызвала девятичасовое отключение электроэнергии в канадской провинции Квебек. Еще более сильные бури, обрушившиеся на Землю в октябре и ноябре 2003 года, привели к массовым сбоям в работе спутниковой связи, аномалиям на многочисленных спутниках, нарушениям связи, электроснабжения и навигации GPS во многих регионах мира.
Для защиты от угроз, исходящих от космической погоды, ученые разрабатывают новые системы прогнозирования. Одним из ключевых исследователей в этой области является Юрий Шприц, специалист по космической погоде из Немецкого научно-исследовательского центра геонаук в Потсдаме. Его миссия – защитить нашу планету от солнечных угроз, а главная цель – научиться точно прогнозировать геомагнитные бури и их последствия, чтобы обеспечить готовность к их приходу.
Под руководством Юрия Шприца был разработан проект PAGER – европейский проект, реализованный с 2020 по 2023 год. Целью PAGER стало создание алгоритма для прогнозирования геомагнитных бурь и их потенциальных последствий. Метод проекта заключается в объединении различных компьютерных моделей солнечной среды и околоземного космического пространства. Для сбора данных используются как наземные солнечные телескопы, так и специализированные спутники, наблюдающие за Солнцем и околоземным пространством.
Разработанный алгоритм позволяет рассчитать прогноз прибытия и последствий геомагнитной бури всего за один-два часа. При этом, как правило, с момента обнаружения опасного солнечного события до прибытия бури к Земле проходит около двух суток. Нарастание радиации, опасной для спутников, занимает еще несколько дней. Таким образом, в распоряжении операторов спутников и энергосетей появляется несколько дней для подготовки к удару космической стихии.
Результатом работы проекта PAGER стала система оповещения, получившая название «светофор». Эта простая и понятная система предназначена для операторов спутниковой связи и энергосистем. «Зеленый» сигнал означает «не беспокойтесь, ничего не происходит», и работа в штатном режиме безопасна. «Желтый» сигнал предупреждает о потенциальных проблемах и необходимости проявлять осторожность. «Красный» сигнал – это сигнал опасности, требующий от операторов перевода спутников в защищенный режим, а от энергетиков – принятия превентивных мер.
Инфраструктура PAGER постоянно работает на мощных компьютерах в вычислительном центре Немецкого научно-исследовательского центра геонаук. Сложные расчеты часто выполняются в ночное время, чтобы избежать перегрузки вычислительных мощностей. Важным шагом в развитии системы прогнозирования стал переход к вероятностным прогнозам, аналогичным прогнозам погоды на Земле. Теперь вместо однозначного «будет буря» система выдает, например, «вероятность бури 80%".
Особую опасность во время геомагнитных бурь представляют радиационные пояса Земли – области пространства, простирающиеся на высоту до 58 000 километров, где магнитное поле удерживает заряженные частицы. Во время бурь радиационные пояса становятся интенсивнее, что представляет прямую угрозу для GPS-спутников, работающих в этой зоне. Высокоэнергетичные частицы способны проникать сквозь защитные экраны спутников и вызывать повреждения.
В настоящее время существуют центры прогнозирования космической погоды в Европе и США, которые занимаются прогнозированием прибытия геомагнитных бурь к Земле. Однако ранее эти прогнозы не были связаны с моделями, предсказывающими уровень радиации в космосе и воздействие на космические аппараты. Новая разработка позволяет объединить эти аспекты и дать более полную картину угроз.
В перспективе планируется дальнейшее сотрудничество с Европейским космическим агентством (ESA) для внедрения моделей PAGER в операционную деятельность ESA. Будущие проекты направлены на улучшение качества прогнозов, углубленный анализ поступающих данных о космической погоде и использование машинного обучения для совершенствования прогностических моделей. Запланирован запуск нового проекта ESA по мониторингу радиационной обстановки в околоземном пространстве, который будет обеспечивать измерения радиации в магнитосфере в режиме реального времени с помощью спутников, проходящих через радиационные пояса. Также рассматривается предложение об установке детекторов радиации на все коммерческие космические аппараты для получения более полной картины космической среды и повышения точности прогнозов.
Изображение носит иллюстративный характер
Геомагнитные бури представляют опасность для множества критически важных систем. Спутники, находящиеся на орбите, особенно уязвимы: электронные системы могут давать сбои, оборудование может быть повреждено, и существует риск полной потери контроля над аппаратом. На Земле под ударом оказываются электрические сети, где перегрузки могут привести к массовым отключениям электроэнергии. Нарушается работа систем связи и глобального позиционирования (GPS), что затрагивает широкий спектр повседневных сервисов.
Примеры разрушительного воздействия геомагнитных бурь многочисленны. В феврале 2022 года компания SpaceX потеряла 38 интернет-спутников Starlink из-за разразившейся геомагнитной бури. Аппараты, только что запущенные на орбиту, были буквально стянуты обратно в атмосферу Земли. В апреле 2010 года Intelsat утратила контроль над своим спутником Galaxy 15, стоимость которого превышает один миллиард евро. Galaxy 15 начал неконтролируемый дрейф, создавая угрозу столкновения и частотных помех для других космических аппаратов.
В 1989 году мощная геомагнитная буря вызвала девятичасовое отключение электроэнергии в канадской провинции Квебек. Еще более сильные бури, обрушившиеся на Землю в октябре и ноябре 2003 года, привели к массовым сбоям в работе спутниковой связи, аномалиям на многочисленных спутниках, нарушениям связи, электроснабжения и навигации GPS во многих регионах мира.
Для защиты от угроз, исходящих от космической погоды, ученые разрабатывают новые системы прогнозирования. Одним из ключевых исследователей в этой области является Юрий Шприц, специалист по космической погоде из Немецкого научно-исследовательского центра геонаук в Потсдаме. Его миссия – защитить нашу планету от солнечных угроз, а главная цель – научиться точно прогнозировать геомагнитные бури и их последствия, чтобы обеспечить готовность к их приходу.
Под руководством Юрия Шприца был разработан проект PAGER – европейский проект, реализованный с 2020 по 2023 год. Целью PAGER стало создание алгоритма для прогнозирования геомагнитных бурь и их потенциальных последствий. Метод проекта заключается в объединении различных компьютерных моделей солнечной среды и околоземного космического пространства. Для сбора данных используются как наземные солнечные телескопы, так и специализированные спутники, наблюдающие за Солнцем и околоземным пространством.
Разработанный алгоритм позволяет рассчитать прогноз прибытия и последствий геомагнитной бури всего за один-два часа. При этом, как правило, с момента обнаружения опасного солнечного события до прибытия бури к Земле проходит около двух суток. Нарастание радиации, опасной для спутников, занимает еще несколько дней. Таким образом, в распоряжении операторов спутников и энергосетей появляется несколько дней для подготовки к удару космической стихии.
Результатом работы проекта PAGER стала система оповещения, получившая название «светофор». Эта простая и понятная система предназначена для операторов спутниковой связи и энергосистем. «Зеленый» сигнал означает «не беспокойтесь, ничего не происходит», и работа в штатном режиме безопасна. «Желтый» сигнал предупреждает о потенциальных проблемах и необходимости проявлять осторожность. «Красный» сигнал – это сигнал опасности, требующий от операторов перевода спутников в защищенный режим, а от энергетиков – принятия превентивных мер.
Инфраструктура PAGER постоянно работает на мощных компьютерах в вычислительном центре Немецкого научно-исследовательского центра геонаук. Сложные расчеты часто выполняются в ночное время, чтобы избежать перегрузки вычислительных мощностей. Важным шагом в развитии системы прогнозирования стал переход к вероятностным прогнозам, аналогичным прогнозам погоды на Земле. Теперь вместо однозначного «будет буря» система выдает, например, «вероятность бури 80%".
Особую опасность во время геомагнитных бурь представляют радиационные пояса Земли – области пространства, простирающиеся на высоту до 58 000 километров, где магнитное поле удерживает заряженные частицы. Во время бурь радиационные пояса становятся интенсивнее, что представляет прямую угрозу для GPS-спутников, работающих в этой зоне. Высокоэнергетичные частицы способны проникать сквозь защитные экраны спутников и вызывать повреждения.
В настоящее время существуют центры прогнозирования космической погоды в Европе и США, которые занимаются прогнозированием прибытия геомагнитных бурь к Земле. Однако ранее эти прогнозы не были связаны с моделями, предсказывающими уровень радиации в космосе и воздействие на космические аппараты. Новая разработка позволяет объединить эти аспекты и дать более полную картину угроз.
В перспективе планируется дальнейшее сотрудничество с Европейским космическим агентством (ESA) для внедрения моделей PAGER в операционную деятельность ESA. Будущие проекты направлены на улучшение качества прогнозов, углубленный анализ поступающих данных о космической погоде и использование машинного обучения для совершенствования прогностических моделей. Запланирован запуск нового проекта ESA по мониторингу радиационной обстановки в околоземном пространстве, который будет обеспечивать измерения радиации в магнитосфере в режиме реального времени с помощью спутников, проходящих через радиационные пояса. Также рассматривается предложение об установке детекторов радиации на все коммерческие космические аппараты для получения более полной картины космической среды и повышения точности прогнозов.
