Данный метод обеспечивает возможность моделирования солнечного ветра, опираясь на принципы магнитогидродинамики, где поток заряженных частиц в космическом пространстве рассматривается как непрерывная среда, аналогичная жидкости. Для обеспечения безопасности спутников, наземных систем и защиты космонавтов требуется соответствующая разработка.
Изучение солнечного ветра позволяет объединить исследования фундаментальной физики Солнца и его воздействия на всю Солнечную систему: от объяснения причины экстремального нагрева короны до формирования солнечных пятен и генерации мощных выбросов плазмы. В настоящее время значительное внимание уделяется солнечному ветру – постоянному потоку заряженных частиц, который возникает в атмосфере звезды и распространяется за пределы планетной системы, достигая границы, где солнечная плазма взаимодействует с межзвездной средой.
Влияние солнечного ветра на пространство вокруг Земли делает мониторинг космической погоды крайне необходимым: магнитные бури приводят к сбоям в работе спутниковой навигации и связи, вызывая отклонения в определении местоположения до десятков метров и нарушая работу систем точного земледелия, морской навигации и авиации. Помимо этого, во время магнитных штормов высокоэнергетические частицы создают непосредственную радиационную опасность, что требует оповещения об укрытии экипажей внутри защищенных отсеков Международной космической станции. Эта опасность в еще большей степени касается путешественников, направляющихся к Луне, – особенно актуально в настоящее время, поскольку пилотируемые полёты к Луне были перезапущены в рамках программы «Артемида».
В связи с колебаниями солнечной активности и увеличением зависимости инфраструктуры от космических технологий, точное предсказание космической погоды является важной стратегической задачей в наши дни.
«Мы разработали службу компьютерного моделирования солнечного ветра, основанную на принципах магнитной гидродинамики. Модель рассматривает поток заряженных частиц в космосе как единую сплошную среду – подобно воде. Частицы солнечного ветра, несмотря на большое расстояние друг от друга, ведут себя коллективно. На удалении около 15 млн км от Солнца хаотичное движение плазмы упорядочивается, и ее уже можно описывать уравнениями, похожими на те, что используются для обычных жидкостей. Ключевая особенность – учет электромагнитных эффектов: движущиеся заряженные частицы создают магнитное поле, которое влияет на их дальнейшее движение. МГД-модель учитывает эту взаимосвязь и позволяет прогнозировать распространение солнечного ветра и его воздействие на околоземное пространство. Это поможет заблаговременно оценивать риски для спутников, систем связи и навигации», – пояснил доцент кафедры алгоритмической математики (АМ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Алексеевич Павлов.
Для определения прогноза солнечного ветра используется традиционный метод гидродинамического моделирования. Он предполагает указание начальной скорости и плотности потока частиц, а также параметров магнитного поля вблизи Солнца, после чего система рассчитывает распространение этой «жидкости» в трехмерном пространстве, расширяясь во все направления от звезды. На практике, эти вычисления обычно проводят от Солнца до орбиты Марса, что позволяет с высокой точностью определять плотность и скорость частиц вблизи Земли.
Полученные сведения являются достоверным индикатором для предсказания геомагнитных бурь: фиксация приближающимся моделированием плотного потока, движущегося с высокой скоростью, свидетельствует о его скором воздействии на магнитосферу планеты, что позволяет заблаговременно оценивать потенциальные опасности и принимать меры по защите спутников, систем связи и космонавтов.
В настоящее время в мире функционируют лишь три службы, которые занимаются прогнозированием магнитных бурь с использованием МГД-моделирования, включая расчет скорости и плотности частиц в околоземном пространстве. Две из них расположены за рубежом, а третья недавно разработана в России. Главная цель российской разработки – достижение независимости в технологическом плане в сфере прогнозирования космической погоды.
В настоящий момент служба использует данные, предоставляемые международными обсерваториями. Главным ограничением для российских наземных станций является их подверженность влиянию погодных условий и географического расположения. В отличие от глобальной сети обсерваторий, где Солнце постоянно наблюдается хотя бы в одной из точек, отечественная инфраструктура пока состоит из небольшого числа пунктов наблюдения, из которых регулярно функционирует только Кисловодская горная астрономическая станция (филиал Пулковской обсерватории Российской академии наук).
«Наша задача – создать систему, полностью не зависящую от зарубежных моделей и данных. В настоящее время мы продвинулись на этом пути на половину: для проведения расчетов по-прежнему нужны исходные данные, основанные на магнитограммах Солнца, получаемые сетью зарубежных обсерваторий. Это похоже на обычный прогноз погоды: для предсказания погоды на завтра необходимо знать текущее распределение воздушных масс. Аналогично, для прогнозирования солнечного ветра нам требуются параметры потока на относительно небольшом расстоянии от Солнца», – рассказал аспирант, ассистент кафедры АМ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Кодуков.
В перспективе исследователи намереваются интегрировать в службу систему для наблюдения за корональными выбросами массы – самыми мощными и оказывающими значительное влияние на геофизическую обстановку потоками плазмы. Эти явления не всегда регистрируются на магнитограммах и в настоящее время в основном отслеживаются при помощи зарубежных космических аппаратов. Информация, получаемая с этих миссий, доступна для всех желающих, однако приоритетной задачей является создание усовершенствованных наземных способов регистрации выбросов в определенных спектральных диапазонах. Реализация этой научной задачи позволит исключить зависимость от иностранной космической инфраструктуры и обеспечить стабильную работу системы прогнозирования, невзирая на изменения во внешней политической обстановке.
Научные исследования привели к результатам, которые были обнародованы в специализированном издании Space Weather (Данная работа представляет собой инициативный проект, разработанный выпускниками кафедры автоматизации и моделирования Самвела Арутюняна, Александра Кодукова, Максима Субботина под руководством доцента кафедры АМ Дмитрия Алексеевича Павлова.
Информация предоставлена СПбГЭТУ «ЛЭТИ»