Перейти к содержимому Невидимая угроза: как в космической «пустоте» рождаются магнитные бури
Прогнозирование погоды — мощный инструмент. Во время сезона ураганов метеорологи создают компьютерные модели, чтобы предсказать, как формируются эти разрушительные штормы и куда они могут направиться, что помогает защитить прибрежные населённые пункты. Однако когда дело доходит до прогнозирования космической погоды, а не земных бурь, создание таких моделей становится намного сложнее. Для моделирования космической погоды необходимо поместить Солнце, планеты и обширное пустое пространство между ними в виртуальную среду, так называемую «расчётную область», где будут производиться все вычисления.
Космическая погода радикально отличается от земных бурь. Её источник — Солнце, которое выбрасывает с своей поверхности облака заряженных частиц и магнитные поля. Самые мощные из этих событий — межпланетные выбросы корональной массы (coronal mass ejections, CME), которые могут достигать скорости, приближающейся к 1800 миль в секунду (около 2900 км/с).
Для наглядности: один такой выброс мог бы переместить массу материала, эквивалентную всем Великим озёрам, из Нью-Йорка в Лос-Анджелес менее чем за две секунды — быстрее, чем вы произнесёте слово «космическая погода».
Когда эти выбросы достигают Земли, они могут вызывать геомагнитные бури, которые проявляются в небе как красивые полярные сияния. Однако эти же бури способны повреждать ключевую технологическую инфраструктуру: нарушать подачу электроэнергии в сетях, вызывая перегрев и выход из строя трансформаторов.
Чтобы лучше понять, как эти бури причиняют такой ущерб, наша исследовательская группа создала симуляции, показывающие, как солнечные штормы взаимодействуют с естественным магнитным щитом Земли и запускают опасную геомагнитную активность, способную отключить энергосистемы.
В исследовании, опубликованном в октябре 2025 года в The Astrophysical Journal, мы смоделировали один из источников этих геомагнитных бурь: небольшие, похожие на торнадо вихри, которые образуются при солнечном выбросе. Эти вихри, известные как «магнитные жгуты» (flux ropes), ранее наблюдались спутниками, но наша работа помогла раскрыть механизм их образования.
Вызов: необъяснимые бури
Наша команда начала это исследование летом 2023 года, когда один из нас, эксперт по космической погоде, обнаружил несоответствия в наблюдениях. Были зафиксированы геомагнитные бури в периоды, когда никакие солнечные eruptions не должны были достичь Земли.
Озадаченный эксперт задался вопросом: могут ли существовать события космической погоды, которые меньше выбросов корональной массы и не originate напрямую от солнечных eruptions? Он предположил, что такие события могут формироваться в пространстве между Солнцем и Землёй, а не в атмосфере Солнца.
Один из примеров — магнитный жгут, своего рода «верёвка», сплетённая из силовых линий магнитного поля. Обнаружение таких структур в компьютерных симуляциях солнечных выбросов могло бы подсказать, где именно формируются эти события. В отличие от спутниковых наблюдений, в симуляциях можно «повернуть время вспять» или проследить событие в обратном направлении, чтобы найти его исток.
Однако поиск меньших событий оказался не так прост. Современные компьютерные модели не предназначены для их обнаружения. Они сфокусированы на крупных солнечных выбросах, поскольку те оказывают наибольшее влияние на земную инфраструктуру.
Этот недостаток был весьма разочаровывающим. Это похоже на попытку спрогнозировать ураган с помощью модели, которая показывает только глобальные погодные patterns. На таком масштабе вы просто не увидите ураган и полностью его упустите.
Эти крупномасштабные симуляции, известные как глобальные, изучают, как солнечные выбросы формируются на поверхности Солнца и путешествуют через space. Чтобы снизить вычислительные затраты, они рассматривают потоки заряженных частиц и магнитные поля как жидкости, вместо того чтобы моделировать каждую частицу независимо. Это как измерить общую температуру воды в бутылке, вместо того чтобы отслеживать каждую молекулу.
Поскольку эти симуляции охватывают огромное пространство, они не могут отобразить каждую деталь. Пространство между Солнцем и планетами делится на крупные кубы — аналогично двумерным пикселям в камере. В нашей модели каждый такой куб представлял область размером в 1.6 миллиона километров в ширину, высоту и глубину — это около 1% расстояния от Земли до Солнца.
Поиск, открытие и тревожные перспективы
Наш поиск начался с кропотливого изучения архивных глобальных симуляций — словно мы искали иголку в стоге сена. Мы искали крошечные, временные сгустки, которые обозначили бы flux rope, в области space в сотни раз шире самого Солнца. Первоначальные поиски ничего не дали.
Мы сместили фокус на моделирование солнечного выброса в мае 2024 года. На этот раз мы пристально изучали регион, где солнечный выброс сталкивался с более медленным потоком заряженных частиц и магнитных полей — солнечным ветром.
И вот он, успех: мы обнаружили отчётливую систему магнитных жгутов.
Однако наша радость была недолгой. Мы не могли понять, откуда взялись эти жгуты. Смоделированные структуры также были слишком малы, чтобы «выжить» в симуляции — они быстро исчезали, становясь меньше размера ячейки нашей сетки.
Но это была именно та зацепка, которая нам была нужна — сам факт наличия flux ropes в месте столкновения солнечного выброса с солнечным ветром.
Чтобы докопаться до сути, мы решили создать модель с более мелкой сеткой, чем в предыдущих глобальных симуляциях. Поскольку увеличение разрешения для всего объёма было бы неподъёмно дорогим, мы повысили детализацию только вдоль траектории движения жгутов.
Новая симуляция могла теперь разрешать структуры размером от шести диаметров Земли (около 128 000 км) до десятков тысяч километров — почти в 100 раз лучше, чем предыдущие модели.
Ошеломляющий результат
Как только мы разработали и протестировали новую сетку, пришло время смоделировать тот же солнечный выброс. Мы хотели изучить, как формируются эти жгуты, как растут, меняют форму и, возможно, разрушаются. Результаты были ошеломляющими.
Высокое разрешение показало, что магнитные жгуты формируются, когда солнечный выброс врезается в более медленный солнечный ветер перед ним. Новые структуры обладали невероятной сложностью и силой, которые сохранялись гораздо дольше, чем мы ожидали. В метеорологических терминах это было похоже на наблюдение за тем, как ураган порождает кластер торнадо.
Мы обнаружили, что магнитные поля в этих вихрях были достаточно сильны, чтобы вызвать значительную геомагнитную бурю и причинить реальные проблемы на Земле. Но самое главное — симуляции подтвердили, что существуют события космической погоды, которые формируются локально, в пространстве между Солнцем и Землёй. Наш следующий шаг — смоделировать, как такие торнадо-подобные структуры в солнечном ветре могут воздействовать на нашу планету и инфраструктуру.
Наблюдать за тем, как эти жгуты в симуляции так быстро формируются и движутся к Земле, было одновременно захватывающе и тревожно. Захватывающе — потому что это открытие может помочь нам лучше подготовиться к будущим экстремальным событиям космической погоды. Тревожно — потому что эти flux ropes в современных мониторах космической погоды выглядят всего лишь как слабые всплески.
Для того чтобы учёные могли надёжнее предсказывать, будут ли они воздействовать на нашу планету, когда и с какими последствиями, необходимы целые группировки спутников, способных детально их рассмотреть. Хорошая новость заключается в том, что учёные и инженеры уже разрабатывают космические миссии следующего поколения, которые смогут решить эту задачу. Это открывает путь к созданию более точной и заблаговременной системы предупреждения о космической погоде, которая в будущем сможет защитить наши технологии от невидимых угроз из глубин космоса.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
