Космическая погода, расширение границ за пределы Земли

Космическая погода описывает ряд изменяющихся условий в естественной космической среде нашей Солнечной системы. Явления космической погоды вызываются процессами, происходящими на Солнце и в межпланетном пространстве, которые в конечном итоге влияют на естественную земную среду. Хотя космическая погода не представляет прямой опасности для жизни людей на Земле, она влияет на ряд современных критически важных технологий и, следовательно, на глобальную экономику. Негативное воздействие на энергетическую инфраструктуру, транспорт, радиосвязь, спутники наблюдения, навигации и связи и т. д. приводит к снижению надёжности критически важных систем с потенциальным влиянием на безопасность людей.

Обслуживание, касающееся прогнозирования и мониторинга космической погоды, регулярно используется коммерческими авиакомпаниями, спутниковой индустрией, при проведении буровых и топографо-геодезических работ, электросетевыми организациями, при проектировании трубопроводов, а также пользователями спутниковых навигационных систем. Агентства по чрезвычайным ситуациям разрабатывают процедуры управления рисками опасных явлений, связанных с космической погодой, в рамках общего подхода к управлению рисками. С ноября 2019 года три (скоро будет четыре) Глобальных центра космической погоды предоставляют обслуживание, связанное с космической погодой, Международной организации гражданской авиации (ИКАО).

ВМО признаёт, что спрос на обслуживание, связанное с космической погодой, растёт, поскольку общество становится всё более зависимым от технологий, подверженных негативному воздействию явлений космической погоды. В ряде стран разрабатываются процедуры управления рисками опасных явлений, связанных с космической погодой, в рамках подхода к уменьшению опасности бедствий, учитывающего многие опасные явления. Ожидается, что спрос на информацию о космической погоде будет расширяться по мере повышения осведомлённости о воздействии явлений космической погоды, роста незащищённости общества и эволюции продукции и обслуживания, связанных с космической погодой. 

Четырёхлетний план координации деятельности ВМО по космической погоде на 2020–2023 годы (ЧЛП на 2020–2023 годы) был утверждён Восемнадцатым Всемирным метеорологическим конгрессом (Кг-18) в 2019 году. Осуществление ЧЛП на 2020–2023 годы обеспечит значительные преимущества для Членов ВМО в виде более точных наблюдений и улучшенного обслуживания.

ВМО также включила наблюдения за космической погодой в новую Единую политику ВМО в отношении данных. Новая политика станет основой для определения базовых наблюдений, необходимых для обслуживания в области космической погоды, которые будут подробно описаны в Техническом регламенте ВМО.

В данной статье будет представлена эта относительно новая область работы ВМО, в частности связанные с ней последствия для общества, а также потребности в наблюдениях и данных. Далее будет подробно описано обслуживание в области космической погоды и международное сотрудничество.
 

Космическая погода: новая опасность технологической эры

Космическая погода по большей части не может наблюдаться или ощущаться непосредственно человеком, за исключением эпизодических впечатляющих проявлений северного полярного сияния (рис. 1) или южного полярного сияния, вызванных возмущениями естественных электромагнитных полей и ионизированных частиц в верхнем слое атмосферы (ионосфере). Напротив, многие технологии взаимодействуют с естественной электромагнитной средой Земли, и поэтому регулярно испытывают негативное воздействие космической погоды.
 

Рисунок 1. Северное сияние над Кильписъярви, Финляндия (Источник: Лионел Пейро)

Это воздействие наблюдалось в течение длительного времени. Точности показаний магнитных стрелок компаса (изобретённого более 2000 лет назад и с тех пор используемого для навигации/ ориентации) мешает космическая погода. Благодаря телеграфу, изобретению восемнадцатого века, влияние космической погоды на технологии стало абсолютно очевидным. Телеграфные провода, по сути, являются длинными линейными проводниками на поверхности Земли, поэтому они чувствительны к естественным колебаниям электромагнитного поля Земли. По совпадению, телеграф развивался в глобальном масштабе в период высокой солнечной активности. Сильные геомагнитные бури с 28 августа по 2 сентября 1859 года (известные как «событие Кэррингтона» — крупнейший эпизод проявления космической погоды в современной истории) вызвали повсеместное нарушение работы телеграфных систем в Европе и Северной Америке.

Как представлено в исторической книге Прескотта (1866 г.)¹, господин О.С. Вуд, суперинтендант канадских телеграфных линий, сообщил: «Я никогда, за время своего пятнадцатилетнего опыта... не наблюдал ничего подобного необыкновенному эффекту северного сияния ... прошлой ночью. Линия была в идеальном состоянии, и квалифицированные операторы непрерывно работали с восьми часов вечера до часу ночи...; но в последний час провода оказались под таким сильным влиянием северного сияния, что связь между телеграфными станциями стала совершенно невозможной, и линия была закрыта на ночь».

Беспроводная связь появляется в начале двадцатого века с изобретением радио. Однако отсутствие длинных проводников не устранило воздействие космической погоды. Радиосвязь зависит от взаимодействия радиоволн с ионосферой, электропроводящим слоем атмосферы, который испытывает серьёзные возмущения во время явлений космической погоды, вызывающие помехи в распространении радиосигнала. Согласно (L. Lanzerotti, 2001)², Маркони в 1928 году прокомментировал это явление так: «...время сильного затухания [радиосигналов] практически всегда совпадает с появлением больших солнечных пятен и интенсивного северного сияния, которое обычно сопровождается магнитными бурями...».

Высокочастотная (ВЧ) радиосвязь в районах Арктики/ Антарктики подвергается более сильному воздействию, чем в других местах, из-за более высокой интенсивности возмущений вблизи магнитных полюсов.

Влияние космической погоды на электросети, по словам Дэвидсона, наблюдалось ещё в 1940 году³. Самый тяжёлый случай был зафиксирован в 1989 году, когда 13–14 марта 1989 года из-за геомагнитной бури энергосистема Hydro-Québec потерпела крах. Геомагнитная буря разворачивалась в течение всего нескольких минут, но оставила сотни тысяч людей и предприятий без электричества на девять часов⁴.

Одно из самых сильных явлений космической погоды наблюдалось в октябре 2003 года. Оно имело широкомасштабные последствия для уязвимой инфраструктуры и существенно повлияло на отношение общественности к космической погоде. Выдержки из отчёта, опубликованного Национальным советом по научным исследованиям США в 2008 году:

«30 октября 2003 года Подкомитет по окружающей среде, технологиям и стандартам Комитета Палаты представителей по науке провёл слушания о космической погоде и роли и ответственности различных учреждений, участвующих в сборе, распространении и использовании данных о космической погоде. … Обсуждались следующие вопросы: Каков надлежащий уровень финансирования учреждений, занимающихся прогнозированием космической среды? Какова важность таких прогнозов для промышленности и торговли? По совпадению и весьма примечательно, что именно в это время на Солнце наблюдалась самая сильная вспышечная активность за последние три десятилетия. Огромные вспышки энергии на Солнце в конце октября и начале ноября 2003 года вызвали интенсивные выбросы солнечных энергетических частиц и спровоцировали сильные геомагнитные бури... Из-за разнообразия и интенсивности этой вспышки солнечной активности большинство отраслей, уязвимых к космической погоде, испытали определённое воздействие на свою деятельность... Эти события напомнили и учёным, и политикам, насколько сильно космическая среда может повлиять на человеческое общество и его различные космические и наземные технологии».

В этом же отчёте представлены некоторые оценки социально-экономического воздействия явления космической погоды в октябре 2003 года на уязвимые технологии: «Энергетическая компания Sydkraft в Швеции сообщила, что сильные геомагнитные индуктированные токи (ГИТ) над Северной Европой вызвали проблемы с трансформаторами и даже отказ системы, и последующее отключение электричества. Уровень радиации в момент бури был достаточно высок, что заставило чиновников НАСА [Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства] отдать распоряжение астронавтам МКС [Международной космической станции] принять меры предосторожности. Авиакомпании предприняли беспрецедентные действия на своих маршрутах в высоких широтах, чтобы избежать высоких уровней радиации и зон отключения связи. Перенаправление рейсов обходится авиакомпаниям в размере от 10000 до 100000 долларов США за рейс. Многочисленные аномалии были зарегистрированы экспедициями по исследованию дальнего космоса и спутниками на всех орбитах. Группа ГЦКП [Годдарский центр космических полётов] по обеспечению космических научных экспедиций сообщила, что под их воздействие попало приблизительно 59% экспедиций по изучению Земли и космоса. Предполагается, что бури стали причиной потери космического аппарата ADEOS-2 (усовершенствованный спутник для наблюдений за Землёй) стоимостью 640 млн долларов США⁵. На борту ADEOS-2 находился прибор НАСА SeaWinds стоимостью 150 млн долларов США».

Сегодня тысячи спутников в околоземном пространстве обеспечивают прогноз погоды, связь, навигацию, телевизионное вещание и многое другое. Опасные условия космической погоды непосредственно влияют на спутниковые системы и мешают их работе по предоставлению обслуживания. Один из наиболее широко используемых видов спутникового обслуживания предоставляется Глобальной навигационной спутниковой системой (ГНСС); она имеет широкий спектр применения — от навигации до хронометража, а её пользователями являются представители самых разных секторов экономики — от авиации до банковского дела. Этo обслуживание также уязвимо к воздействию суровой космической погоды. Например, явления, имевшие место в октября 2003 года, оказывали значительное влияние на работу Широкозонной усиливающей системы (ШЗУС), функционирующей на базе ГСОМ [Глобальной системы определения местоположения] в течение примерно 30 часов⁶.

Следует отметить, что событие Кэррингтона 1859 года было в несколько раз масштабнее, чем любое событие, произошедшее за последние 50 лет. Аналогичное событие сегодня привело бы к гораздо более глубоким и масштабным социально-экономическим нарушениям, чем любой из приведённых выше примеров. Растущая глобальная уязвимость к воздействию космической погоды является проблемой, вызывающей всё большую озабоченность. В период с 2008 по 2021 год было проведено множество исследований для оценки экономических и общественных последствий суровых явлений космической погоды и необходимого уровня обслуживания^7-10.
 

Источники явлений космической погоды и основные наблюдения за космической погодой

Для того чтобы предоставлять необходимое обслуживание, наблюдения за космической погодой необходимо проводить на всём пути от Солнца до Земли с высокой точностью, а обмен данными должен осуществляться своевременно. Это непростая задача, учитывая пространственную протяжённость области космической погоды и ограниченные возможности наблюдений для охвата пространства между Солнцем и Землёй, а также самой земной поверхности. Широкое разнообразие физических процессов, определяющих космическую погоду, требует разработки приборов с новыми возможностями. Численно сложные модели распространения возмущений космической погоды играют существенную роль в обеспечении прогнозов таких явлений.

Наблюдения за космической погодой опираются на наземные и космические приборы для оперативной деятельности и исследований, которые следят за состоянием (начиная с самых удалённых) Солнца, солнечного ветра и гелиосферы, магнитосферы, ионосферы, термосферы и наземного геомагнитного поля.

Существует несколько типов солнечных возмущений, которые приводят к различным явлениям в околоземном пространстве и на земле и оказывают различное воздействие на технологии (рис. 2). Два солнечных явления являются источниками самых быстрых воздействий космической погоды: солнечные вспышки, воздействие которых на Землю видно через несколько минут, и солнечные частицы высокой энергии (или СЧВЭ), достигающие Земли за несколько часов. Оба эти быстроразвивающиеся явления мешают работе спутников и возмущают ионосферу, оказывая влияние на сигналы радиосвязи и ГНСС. Кроме того, они могут повышать уровень радиации в околоземном пространстве и даже на больших высотах.

Более медленными, чем первые два явления, являются корональные выбросы массы (КВМ), представляющие собой выбросы плазмы, которые достигают Земли в течение одного-нескольких дней после возникновения на Солнце. Они являются причиной самых мощных геомагнитных и ионосферных бурь, воздействуя на многочисленные системы, работающие в космосе и на земле, такие как спутники на различных орбитах, средства связи, средства навигации и электросети.
 

Рисунок 2. Явления космической погоды и объекты, испытывающие воздействие этих явлений в космосе и на Земле (©ESA/Science Office, CC BY-SA 3.0 IGO)

Кроме того, существуют регулярно повторяющиеся явления, соответствующие периоду вращения Солнца (~ 27 дней), которые оказывают менее сильное воздействие на технологии. Более длительная периодичность солнечной активности часто характеризуется числом солнечных пятен (и солнечным потоком радиоизлучения на длине волны 10,7 см). Они повторяются примерно каждые 11 лет и служат показателем солнечной «климатологии» на протяжении многих веков. Самые ранние данные наблюдений относятся примерно к 200 году до н.э11.

Некоторые наблюдения за Солнцем обеспечиваются наземными обсерваториями — как оптическими, так и радиочастотными. Эти наблюдения необходимы для многих применений данных о космической погоде, включая мониторинг долгосрочной и краткосрочной солнечной активности, а также в качестве входных данных для моделей численного прогнозирования космической погоды (рис. 3). По данным Международного астрономического союза, в настоящее время функционирует более 80 наземных солнечных обсерваторий.
 

Рисунок 3. Радиообсерватория в Пентиктоне, Канада (слева) и её многолетние наблюдения за солнечным радиосигналом на длине волны 10,7 см (справа), показывающие 11-летние солнечные циклы (K. Tapping, 2013)12

Космические наблюдения за Солнцем добавляют важные измерения Солнца без помех со стороны земной атмосферы и позволяют отслеживать in situ распространение возмущений плазмы солнечного ветра и солнечных энергетических частиц (рис. 4).
 

Рисунок 4. Спутниковые наблюдения за событием космической погоды 14 июля 2000 года в различных диапазонах длин волн, выполненные Обсерваторией для наблюдения за Солнцем и проведения гелиосферических исследований (SOHO). Слева: вспышка на Солнце в 10:24 по всемирному времени; в середине — полное гало выброса корональной массы в 10:54 по всемирному времени (скрыта самая яркая центральная часть Солнца); справа — «снег» из-за последующего воздействия солнечных частиц высокой энергии на спутниковое устройство получения изображений в 11:30 по всемирному времени (любезно предоставлено НАСА/EКA)

Космические экспедиции обеспечивают наблюдения in situ за критически важными параметрами солнечных возмущений, таких как магнитное поле и характеристики заряженных частиц, прежде чем они достигнут Земли (рис. 5). Однако наземные измерения не менее важны, поскольку они обеспечивают критически важную ситуационную осведомлённость и во многих случаях служат в качестве важнейших входных данных для моделей прогнозирования.
 

Рисунок 5. Слева — компоненты спутника ACE с многочисленными детекторами частиц в центре и магнитометрами, прикреплёнными к солнечным панелям (любезно предоставлено NASA); справа — художественная иллюстрация спутников, наблюдающих за космической погодой на разных орбитах

Рисунок 6. Слева: Магнитометр (из работы Hrvoic and Newitt)13; cправа — фото геомагнитной обсерватории в Икалуите, Канада (любезно предоставлено Марком Ламотом)

Мониторинг наземных геомагнитных колебаний, которые влияют на наземную инфраструктуру, осуществляют геомагнитные обсерватории (рис. 6). Существует более 100 таких обсерваторий в рамках консорциума Intermagnet и ещё больше за рамками Intermagnet, управляемых, например, университетами. За приземным усилением нейтронов, вызванных взаимодействием высокоэнергетических частиц с атмосферой, наблюдают нейтронные мониторы (~35 станций) и эти наблюдения используются в моделях радиации на разных высотах.

Мониторинг ионосферной «погоды» с земли осуществляется как активными, так и пассивными методами с помощью примерно 80 ионозондов, около 40 риометров и многочисленных ГНСС-приёмников по всему миру (около 500). Ионосферные «гибридные» измерения обеспечиваются наземными приёмниками сигналов спутников ГНСС (рис. 7).
 

Рисунок 7. Слева — карта общего содержания электронов в ионосфере над Канадой, полученная с помощью данных ГНСС; справа — карта станций слежения ГНСС

Следует подчеркнуть, что отсутствие достаточного мониторинга in situ (т. е. из космоса) за возникновением и распространением солнечных возмущений является проблемой, которая не будет полностью решена в ближайшем будущем. Однако прогресс может быть достигнут благодаря скоординированному подходу к выявлению пробелов в наблюдениях и определению приоритетов скоординированных космических экспедиций.

Аналогичным образом, наземные сети наблюдений, находящиеся в ведении различных организаций — от правительств до университетских исследовательских групп — обеспечивают ограниченный географический охват. У них разные приоритеты и возможности, и в настоящее время их усилия не координируются в рамках единой системы космической погоды для своевременного предоставления надёжных оперативных данных высокого качества. Для успешного смягчения вредных воздействий космической погоды необходимо приложить усилия для обеспечения достаточных возможностей для наблюдений на Земле и в космосе, а также возможностей для численного моделирования как самих явлений, так и их технологических воздействий. Масштаб этих усилий выходит за рамки возможностей какой-либо отдельной страны. Поэтому этот вопрос решается путём скоординированных усилий под руководством ВМО (рис. 8).
 

Рисунок 8. Потребности в наблюдениях за космической погодой, представленные в рамках Инструмента OСКАР ВМО

Как и в случае наблюдений за системой Земля, таким как наблюдения за погодой, климатом и составом атмосферы, космические и наземные системы наблюдения за космической погодой лучше всего координировать, используя принципы Интегрированной глобальной системы наблюдений ВМО (ИГСНВ). Единообразная, гарантирующая качество продукция наблюдений за космической погодой должна быть свободно и открыто доступна для Членов и более широкой аудитории через Информационную систему ВМО (ИСВ) в соответствии со стандартами ВМО.
 

Обслуживание в области космической погоды и ВМО: последовательный прогресс на пути создания Службы космической погоды

Первое предсказание явления космической погоды (т.е. полярного сияния) было сделано в середине 1700-х годов, как представлено в работе Кейда¹⁴. Первый прогноз влияния космической погоды на технологии, согласно презентации Г. Мейджора в 2016 году¹⁵, был связан с телеграфом. Он был опубликован в 1879 году (когда число солнечных пятен начало расти) в журнале Общества телеграфных инженеров и электриков, чтобы предупредить телеграфное сообщество о возможном повышении геомагнитной активности и связанных с этим проблемах в работе телеграфа.

Начало регулярному прогнозированию условий космической погоды было положено Международным радиотехническим союзом (URSI). Он признал, что изменения в космической среде будут влиять на радиосигналы, и предложил передавать ежедневные радиокосмические бюллетени (URSIgrams). Первая передача информации об условиях распространения радиосигнала состоялась в 1928 году с Эйфелевой башни.

В настоящее время обслуживание, связанное с космической погодой, предоставляют 20 центров космической погоды, расположенных в разных странах. С 1962 года Международная служба космической среды (ISES) служит как основная «зонтичная» организация по вопросам обслуживания, связанного с космической погодой, выступая в качестве форума для обмена данными, обмена и сравнения прогнозов, обсуждения потребностей пользователей и определения самых высоких приоритетов для улучшения обслуживания. 

Учитывая планетарный масштаб явлений космической погоды, необходима глобальная координация, которая будет играть ключевую роль в повышении устойчивости стран к воздействию космической погоды. ВМО — одна из немногих организаций, которая способствует оперативному глобальному сотрудничеству. По существу, Организация имеет возможность организовать предоставление соответствующей информации о космической погоде всем Членам ВМО в рамках наращивания потенциала.

Исполнительный совет ВМО (ИС-60) отметил значительное воздействие космической погоды на критически важную инфраструктуру и важные области деятельности человека и признал потенциальные преимущества совместных действий по обслуживанию в области метеорологии и космической погоды для оперативных пользователей. Шестнадцатый Всемирный метеорологический конгресс (Кг-16) признал необходимость скоординированных усилий Членов ВМО по защите общества от глобальных опасностей космической погоды. В мае 2010 года ВМО учредила Межпрограммную координационную группу по космической погоде (МКГКП), которая в свою очередь разработала первый четырёхлетний план координации деятельности ВМО в области космической погоды (ЧЛП на 2016–2019 годы).

В мае 2015 года Семнадцатый Всемирный метеорологический конгресс (Кг-17) согласился с тем, что ВМО следует координировать международный оперативный мониторинг и прогнозирование космической погоды для защиты жизни людей, имущества и важных объектов инфраструктуры, а также для смягчения воздействий на экономическую деятельность. В 2016 году Шестьдесят восьмая сессия Исполнительного совета (ИС-68) утвердила Четырёхлетний план на 2016–2019 годы и создание Межпрограммной группы по информации, системам и обслуживанию в области космической погоды (МПГ-ИСОКП). Обновлённый ЧЛП на 2020–2023 годы был утверждён Кг-18 в 2019 году.

В связи с растущей потребностью в улучшении обслуживания, связанного с космической погодой и, следовательно, в наблюдениях за космической погодой, ВМО также рассматривает потребность в наблюдениях за космической погодой в новой Единой политике ВМО в отношении данных. Новая политика станет основой для определения базовых наблюдений, необходимых для обслуживания в области космической погоды и будет подробно описана в Техническом регламенте ВМО.

В настоящее время ведётся работа по интеграции космической погоды в основную деятельность ВМО с целью создания Глобальной службы космической погоды. Для этого космические и наземные системы наблюдения за космической погодой должны быть скоординированы с использованием принципов ИГСНВ и единообразной, качественной продукции в области космической погоды, доступной для Членов через ИСВ.

Литература

[1] Prescott, G.B., History Theory and Practice of the Electric Telegraph, Ticknor and Fields, Boston, 1866

[2] Lanzerotti L.J. (2001) Space Weather Effects on Communications. In: Daglis I. (eds) Space Storms and Space Weather Hazards. NATO Science Series, vol 38. https://doi.org/10.1007/978-94-010-0983-6_12

[3] Davidson, W. 1940. “The Magnetic Storm of March 24, 1940 – Effects in the Power System.” Edison Electric Institute Bulletin 8: 365–366

[4] Guillon et al., 2016. A colorful blackout: The havoc caused by auroral electrojet generated magnetic field variations in 1989. IEEE Power and Energy Magazine, 14(6), 59-61

[5] Severe Space Weather Events: Understanding Societal and Economic Impacts: A Workshop Report. Washington, DC: The National Academies Press, 2008.

[6] Komjathy et al.The ionospheric impact of the October 2003 storm event on Wide Area Augmentation System. GPS Solutions 9, 41–50 (2005). https://doi.org/10.1007/s10291-004-0126-2

[7] National Research Council report, 2008 on Severe Space Weather Events: Understanding Societal and Economic Impacts (https://doi.org/10.17226/12507);

[8] UK Royal Academy of Engineering report, 2013 (www.raeng.org.uk/spaceweather);

[9] National Space Weather Strategy and Action Plan, 2019 (https://www.whitehouse.gov/ostp/);

[10] National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine report, 2021, Planning the Future Space Weather Operations and Research Infrastructure, (https://doi.org/10.17226/26128

[11] Kevin D. Pang and Kevin K. Yau, Eos, Vol. 83, No. 43,22 October 2002

[12] Tapping, K. F. (2013), The 10.7 cm solar radio flux (F10.7), Space Weather, 11, 394–406,doi:10.1002/swe.20064

[13] Hrvoic I., Newitt L.R. (2011) Instruments and Methodologies for Measurement of the Earth’s Magnetic Field. In: Mandea M., Korte M. (eds) Geomagnetic Observations and Models. IAGA Special Sopron Book Series, vol 5. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-90-481-9858-0_5

[14] Cade, W. B., III, “The First Space Weather Prediction”, Space Weather, 11, 330–332, http://doi:10.1002/swe.20062.

[15] G. Major, The Early History of Space Weather: Observations that Connected Solar Activity and its Influence on the Earth, https://ams.confex.com/ams/96Annual/webprogram/Session39849.html