Импортозамещение на солнечном ветру

Ученые и студенты Петербургского электротехнического университета ЛЭТИ разработали математическую модель распространения солнечного ветра на основе уравнений магнитной гидродинамики. Этот аспект прогноза космической погоды прежде не был исследован российскими учеными. Результатом стала программа, дающая прогноз магнитных возмущений с точностью от часа до полусуток, и это соответствует результатам больших зарубежных научных коллективов, которые ведут такие работы десятилетиями.

Теперь инициативный проект прикладных математиков нужно совершенствовать с участием разработчиков космических аппаратов и коронографов — приборов, которые будут на этих аппаратах установлены. За Солнцем лучше всего наблюдать сбоку; с Земли изучать распространение корональных выбросов массы намного сложнее.

Прогнозы распространения солнечного ветра и их высокая точность важны для стабильного функционирования околоземных спутниковых группировок и для реализации лунных программ.

Солнечный супершторм

Заняться солнечным ветром ученых заставило шоковое событие, получившее название «событие Кэррингтона» (по фамилии британского астронома Ричарда Кэррингтона) или «солнечный супершторм». Произошло оно 1‒2 сентября 1859 года и представляло собой крупнейшую за всю историю наблюдений геомагнитную бурю.

Первого сентября Кэррингтон наблюдал сильнейшую вспышку на Солнце, которая вызвала мощный выброс корональной массы. Когда заряженные частицы достигли Земли, телеграфные линии по всей Европе и Северной Америке перестали передавать сообщения. «Это был первый шок для общества, который показал, что Солнце может нарушить работу аппаратуры, — рассказал в беседе со “Стимулом” доцент кафедры алгоритмической математики СПбГЭТУ ЛЭТИ, кандидат физико-математических наук Дмитрий Павлов. — C этой даты начались регулярные исследования и наблюдения солнечного ветра и солнечной короны, а также разработка моделей влияния высокоскоростных заряженных частиц на Землю».

При всей важности прогнозов космической погоды, пока они далеки от необходимой точности — и наши, и зарубежные. «Солнечный шторм может случиться раньше или позже на полсуток, и это значительная разница, — говорит Дмитрий Павлов. — Бывает, что, согласно прогнозу, поток солнечных частиц пролетит мимо Земли и не создаст возмущений в ее магнитосфере, не приведет к каким-либо проблемам, но тем не менее возмущения происходят. Виной тому малое количество наблюдений солнечной короны, что снижает точность прогнозов. Например, в начале февраля 2022 года случился солнечный шторм, который предсказан не был. Корпорация SpaceX запускала в это время некоторое количество спутников Starlink на орбиту, и бо́льшая часть спутников была потеряна. Под воздействием солнечного ветра атмосфера Земли немножко “распухла”, то есть увеличилась в объеме из-за возбуждения заряженными частицами, и затормозила вышедшие на орбиту спутники. Они сошли с орбиты и сгорели, что принесло убытки на сотни миллионов долларов». Точный прогноз, по словам нашего собеседника, позволил бы перенести запуск на пару дней и избежать потерь. Дмитрий Павлов отметил, что это событие стимулировало ученых к разработке более математически точных моделей прогнозов космической погоды.

Дмитрий Павлов, доцент кафедры алгоритмической математики СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кандидат физико-математических наук

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Инициативная разработка

Тогда же, в 2022 году, в Петербургском электротехническом университете ЛЭТИ развернули инициативные исследования солнечного ветра, продиктованные исключительно научным интересом. «Это был учебный проект, в группу исследователей вошли преподаватель и три студента кафедры алгоритмической математики факультета компьютерных технологий и информатики СПбГЭТУ ЛЭТИ — Самвел Арутюнян, Максим Субботин, Александр Кодуков. У нас не было грантовой поддержки, — рассказал Дмитрий Павлов, возглавивший исследование. — Мы хотели сделать что-то полезное для общемирового и российского процесса прогнозирования космической погоды. И нашли пустующую нишу — магнитогидродинамическое моделирование солнечной плазмы, которое мы начали делать в 2022 году, а в 2023-м получили предварительные результаты. Затем развили наши методы, накопили экспериментальную базу и в конце 2025 года довели проект до научной публикации в зарубежном рейтинговом журнале».

Термин «космическая погода» достаточно общий и относится к разным явлениям — это и возмущение магнитосферы Земли из-за высокоскоростных потоков заряженных частиц, и гамма-вспышки на Солнце, и возникновение солнечных пятен («Стимул» писал об этом в статье «Прогноз космической погоды»).

Группа во главе с Дмитрием Павловым разработала математическую модель распространения высокоскоростных заряженных частиц от околосолнечного пространства до околоземного. В основе модели лежат наблюдения корональных выбросов массы — самых плотных, самых быстрых потоков частиц, которые и приводят к солнечным штормам, возмущениям магнитосферы, сбоям в связи и навигации. Группа опиралась на наблюдательные данные американского центра предсказания космической погоды (Space Weather Prediction Center, SWPC). «В будущем мы планируем использовать в основном российские данные, в частности данные Кисловодской горной астрономической станции, которая является подразделением Пулковской обсерватории», — говорит Дмитрий Павлов. Сейчас, по его словам, на станции нет технологии, позволяющей засечь корональный выброс массы и оценить его скорость, направление и плотность (а это критически важная вещь для прогноза космической погоды), но работа над созданием таких технологий идет. Необходимый инструмент для моделирования спокойного солнечного ветра — солнечный магнитограф, который снимает магнитограммы Солнца, то есть карты магнитного поля на поверхности солнечного диска, из которых можно вывести параметры скорости и плотности частиц. Для изучения корональных выбросов нужны коронографы, размещенные в космическом пространстве. Наилучшее положение для таких аппаратов — точки Лагранжа.

В настоящее время моделирование корональных выбросов массы происходит на основе наблюдений, проводимых космическими аппаратами SOHO и STEREO. На обоих стоят коронографы, инструменты наблюдений солнечной короны. Аппарат SOHO смотрит на Солнце со стороны Земли, что снижает качество измерений. «Чтобы засечь поток частиц, летящих к Земле, гораздо более выгодно смотреть на Солнце сбоку, так, чтобы мы видели, что этот поток летит к Земле. Потому что, когда мы смотрим со стороны Земли, этот поток выглядит как окольцовывающий Солнце и просто идущий прямо на нас, и из-за этого сложно определить его скорость», — комментирует Дмитрий Павлов.

Аппарат STEREO смотрит на Солнце сбоку, но из-за особенностей своей орбиты периодически тоже подходит близко к Земле, что не очень удачно для прогнозов космической погоды. Поэтому, считает эксперт, необходимо запустить в космос как минимум еще один коронограф, который будет смотреть на Солнце не стороны Земли, а с какой-то другой точки.

Скорость выбрасываемых солнечной короной частиц, объединенных в грозные плотные скоростные сгустки, которые приносят наибольшие неприятности, достигает 1000 и более километров в секунду, самые быстрые из них могут достичь Земли за полтора суток, в исключительных случаях меньше чем за сутки.

На прогноз также влияет точность определения направления движения частиц.

Для создания собственной модели группа во главе с Дмитрием Павловым использовала многоядерный процессор и программы для моделирования магнитогидродинамических процессов. «Своими руками мы дописали те компоненты, которых в этих программах не было, — специфичные для Солнца и солнечного ветра. Мы написали программный код, который вычисляет и подставляет в уравнение скорость, плотность, напряженность магнитного поля и температуру частиц, которые находятся на расстоянии примерно 15 миллионов километров от Солнца. Мы также выполнили настройку параметров математического движка, для того чтобы эти уравнения в применении к Солнцу решались быстро и точно, выполнили валидацию данных, то есть сравнили с данными зарубежных центров, получили хорошие совпадения», — рассказал Дмитрий Павлов. Результаты исследователи сверили со статистикой солнечных штормов в 2024 и 2025 годах.

Финальный продукт — это программный код, сайт, который представляет собой автоматизированную службу и регулярно выдает прогнозы в автоматическом режиме. Своего помещения и постоянных сотрудников у службы пока нет. Обслуживанием по мере необходимости занимается команда исследователей.

Самые удачные прогнозы позволяют определить начало солнечного шторма с точностью до часа. Менее удачные — плюс-минус 10–12 часов. «Наш прогноз по точности выходит на уровень мировых аналогов — европейских и американских, — уточнил Дмитрий Павлов. — Конечно, возможность того, что три студента и преподаватель превзойдут за три года то, что сделано сотнями людей за тридцать лет до этого, есть, но в нашем случае этого не произошло, мы достигли паритета с западными аналогами. И, что самое важное, мы достроили фрагмент, отсутствующий в отечественной картине, относящейся к обработке солнечных данных и к прогнозу космической погоды. Наш вклад заметен». А вот чтобы перегнать по качеству прогноза конкурирующие иностранные научные группы, возможностей прикладных математиков не хватает. Это задача разработчиков космических аппаратов и приборов, которые на этих аппаратах будут собирать астрономические данные о солнечной короне.

Визуализация прогноза космической погоды на 5 суток вперед от 11 мая 2026 года

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Одной кисловодской станции недостаточно

«Мы работаем над тем, чтобы видеть корональные выбросы массы с помощью наблюдений в особом спектре с Кисловодской горной астрономической станции. Это наш с ними совместный проект. Это первое направление. А второе направление — мы идем к тому, чтобы самостоятельно оценивать не просто солнечный ветер, а саму космическую погоду, то есть по специальным моделям оценивать уровень возмущений магнитосферы, которые эти самые заряженные частицы создают. Таким образом, у нас будет более комплексное решение, и мы надеемся, что оно даст качество и позволит не только быть заменой зарубежных служб, но и получать результаты лучше, чем они», — рассказал Дмитрий Павлов.

По его мнению, для создания российской суверенной службы Солнца нужны будут и собственные спутники в космосе, больше солнечных обсерваторий, одной кисловодской станции совершенно недостаточно, ведь там высокая прозрачность атмосферы бывает не каждый день.

Положительным фактором наш собеседник считает сильную научную составляющую, которая есть в России. «С разработкой моделей, с методикой анализа данных у нас все очень хорошо: очень сильная школа, множество организаций этим занимается. Но когда дело доходит до поддержания регулярной работы какого-либо проекта — это слабое место нашего российского научного общества, потому что регулярно работающих астрономических инструментов у нас в стране, мне кажется, очень немного, а солнечных, конечно, еще меньше», — говорит наш собеседник.

Между тем значимость точных прогнозов солнечного ветра критически важна для поддержания в работоспособном состоянии космических группировок ГЛОНАСС, «Рассвет», спутников дистанционного зондирования Земли. «Их нужно выключать во время крупных солнечных штормов, чтобы уберечь аппаратуру, потому что если аппаратура работает и получает плотный поток космических частиц, то она может сломаться», — пояснил Дмитрий Павлов. Он очень надеется, что в нашей стране и во все мире будет возрастать интерес к прогнозу космической погоды и к Солнцу как объекту изучения, поэтому существующего уровня технологий уже не хватает в условиях постоянного использования глобальных навигационных систем, глобальных систем связи и широкополосного интернета и исследования дальнего космоса. Возможно, прогноз космической погоды будет для таких полетов столь же необходимой и обыденной вещью, как прогноз погоды для судов, выходящих в море.

«Для полетов на Луну прогноз космической погоды важен. Американские астронавты, посещавшие Луну полвека назад, однажды чудом избежали попадания в солнечный шторм. Они могли попасть в существенный поток радиации — разминулись буквально на день с солнечным штормом. Об опасностях космоса тогда все знали, но инструмента для предсказания солнечных штормов еще не было», — отметил Дмитрий Павлов. Он подчеркнул, что во время нынешней миссии «Артемида» впервые был применен прогноз космической погоды, подготовленный NASA: «Известно, что прогноз был сделан, он использовался и риск попадания в солнечный шторм был исключен».