Проблемы прогнозирования космической погоды

Практическая потребность в прогнозе магнитной активности возникла в первой половине двадцатого века в связи с развитием радиосвязи. Магнитные возмущения существенно влияли на радиосвязь, вплоть до полного прекращения прохождения радиосигналов (блэкаута). Особенно остро стоял вопрос прогноза связи на полярных радиотрассах, где с одной стороны, наблюдалось наиболее сильное влияние суббуревой активности, и с другой стороны не было альтернативных средств связи.

В наше время потребности в прогнозе процессов солнечно-земной физики увеличились, что определяется и расширением границ области жизнедеятельности человечества, в первую очередь с выходом в космос, и развитием наших знаний о воздействии космических факторов на биосферу и техносферу. Все разделы солнечно-земной физики, относящиеся к физическим, техническим и общественно-политическим вопросам этого воздействия вынесены в особый раздел, получивший название «Космическая погода».

Физические основы прогнозирования солнечной и магнитосферной активности обсуждаются в специальной литературе; факторы и последствия воздействия рассмотрены в статьях, посвященных космической погоде. Мы здесь не будем затрагивать эти вопросы, переходя непосредственно к проблеме практического обеспечения прогноза.
Все прогнозы общего и специального назначения (например, прогноз радиосвязи или устойчивости работы узлов космического аппарата) основываются на прогнозах солнечной и магнитной активности. Прогноз солнечной активности необходим для предсказания магнитной активности и вероятности появления потоков солнечных космических лучей и их интенсивности и энергетического спектра. Прогноз магнитной активности можно разделить на прогноз глобальной активности (магнитных бурь) и высокоширотной активности.

Текущее состояние космической погоды (мониторинг) осуществляется наземной сетью магнитных станций, станций космических лучей, наземной и космической службой солнечной активности, спутниковыми измерениями параметров солнечного ветра, энергичных частиц и электромагнитных излучений. Результаты некоторых из этих наблюдений доступны через Интернет в реальном времени и могут использоваться для диагностики и прогноза космической погоды.
В итоге состояние космической погоды оценивается численно определенным небольшим набором параметров или индексов, и задача прогноза собственно и состоит в предсказании величины или диапазона шкалы индексов.

Магнитная активность в субавроральных и авроральных широтах определяется 3х часовым или суточным индексом Кр, минутными индексами Ае, глобальная – часовым индексом кольцевого тока Dst. Индексом интенсивности СКЛ служит обычно поток частиц с энергией выше 10 МэВ (или другой пороговой энергии), наклон спектра и предельная энергия частиц (протонов) ускоренных на Солнце в данной вспышке. Знания этих параметров и величины Dst обычно достаточно для вычисления дозы или оценки степени радиационной опасности на орбите конкретной категории.

Поскольку не существует определенной функциональной зависимости между разнесенными по шкале времени индексами космической погоды, единственным методом прогноза является метод экспертных оценок. Оценка производится либо одним, либо группой экспертов, работающих автономно или совместно. Оценки экспертов опираются на ряд известных закономерностей.
Первой такой закономерностью является 27-дневная повторяемость магнитных возмущений. Инструментом прогноза с довоенных времен служили так называемые коврики Бартельса, пример которого приведен на рис.1.

Обновляя каждый день такой коврик, эксперт может предсказать обстановку, в данном примере на 2 мая как возмущенную, а на 9 июня как спокойную.
Аналогичную 27- дневную картину давали т.н. музыкальные диаграммы, долгое время регулярно рассылавшиеся потребителям службой магнитной активности из Геттингена. Пример музыкальной диаграммы приведен на рис.2.

Коврики Бартельса использовались службами радиопрогноза и научными коллективами при проведении различных экспериментов. На практике глобальные индексы магнитной активности доступны с задержкой, поэтому для вычисления или оценки К-индекса используются магнитограммы отдельных станций.

Вместе с тем, известно, что наиболее сильные магнитные бури и вспышки СКЛ часто возникают вследствие появления новых активных областей на Солнце, которые нельзя обнаружить из 27-дневной рекурентности. В этом случае на помощь приходит прогноз солнечной активности, тоже методом экспертных оценок, основанных на известных закономерностях связи возмущений с размером, мощностью активных областей и положения на диске Солнца. Пример такого прогноза, в котором экспертом выступает научный сотрудник ИЗМИРАН В. Ишков, приведен в ( ).
Радиационную обстановку за пределами магнитосферы создают потоки галактических и солнечных космических лучей. Знание потоков ГКЛ и СКЛ позволяет провести расчет доз в любой сложной геометрии космического аппарата. Прогнозирование радиационной обстановки зависит от качества экспертной оценки солнечной активности - вероятности появления и мощности вспышки СКЛ. Потребителю кратковременного прогноза как правило не требуется точное предсказание радиационной дозы, достаточно оценки вероятности опасной ситуации.

Внутри магнитосферы ситуация осложняется – добавляется необходимость экспертного прогноза магнитной активности и учет закономерностей проникновения СКЛ в магнитосферу Земли. Впрочем, повышенная сложность пояаляется только на орбитах, проходящих через авроральную зону, например, на геостационарах, где добавляет опасности авроральная радиация и большие потоки горячей плазмы во время суббурь. На глубоких орбитах, например на МКС вероятность радиационного воздействия повышается только во время сильных магнитных бурь сопровождаемых большим потоком СКЛ, т.е. весьма редко. Все остальное время можно смело прогнозировать отсутствие радиационной опасности.
Если только что произошла мощная вспышка, зарегистрирован большой поток СКЛ. На следующие сутки можно ожидать опасного повышения радиационного фона на всех орбитах. Лишь в этом случае можно было бы попытаться дать количественные оценки уровня радиации, да и то с большой погрешностью. На практике расчеты радиационной обстановки – это результат научной работы, выполняемой после возмущения, по известным исходным данным. Пример таких расчетов приведен на рис 3.

Также смотри родственные разделы справочника: