Прогноз геомагнитной обстановки стал неотъемлемой частью нашей повседневной жизни и все чаще используется во многих, в том числе очень далеких от космоса, областях человеческой деятельности: газеты регулярно печатают прогнозы магнитных бурь.
С ними нередко связывают предсказания «неблагоприятных дней», которые якобы наступят через месяц-полтора. Можно ли им доверять? Электродинамические связи между Солнцем и Землей, через которые солнечные процессы существенно влияют как на космическую и земную технику, так и на людей, называют сейчас «космической погодой» (см. «Наука и жизнь» №№ 7, 10, 2001 г.). Однако глубина наших знаний об этих связях все еще не позволяет добиться желаемой точности в подобных предсказаниях. Тем интереснее посмотреть — как же делаются прогнозы космической погоды и, в частности, магнитных бурь и как, несмотря на некоторую традиционную загадочность космической науки, научиться понимать содержание прогноза, руководствуясь в основном здравым смыслом и опытом восприятия прогноза обычной — атмосферной — погоды.
Наша планета надежно защищена от космических воздействий атмосферой и геомагнитным полем, и большинство земных объектов и живых существ чувствует лишь настоящие космические ненастья — солнечные вспышки и магнитные бури. Хотя для обычного, немного мнительного человека одного лишь сообщения о грядущей буре бывает достаточно, чтобы он забеспокоился о своем здоровье, техническим потребителям необходимо получить сведения о множестве других параметров: радиационном фоне, величине магнитного поля в конкретных точках земной поверхности, состоянии ионосферы.
Тем не менее в своем рассказе мы остановимся сейчас только на одном, наиболее интересном проявлении космической погоды — на геомагнитной активности. Так обычно называют быстрые и резкие изменения (вариации) геомагнитного поля, которые всегда сопровождают магнитные бури — настоящие катастрофы, развивающиеся в околоземном космическом пространстве. Амплитуду вариаций геомагнитного поля часто используют как наиболее общую характеристику силы магнитных бурь. Для этого применяют специальный индекс геомагнитной активности Кр, который рассчитывают каждые три часа по измерениям магнитного поля на нескольких станциях, расположенных в различных частях земного шара. Он имеет уровни от 0 до 9, подобно шкале силы землетрясений; каждому следующему уровню шкалы соответствуют вариации в 1,6-2 раза большие предыдущего.
Сильным геомагнитным вариациям — магнитным бурям — соответствуют уровни Кр больше 4. Так называемые супербури (superstorms — по английской терминологии) с Кр, равным 9, случаются очень редко — в среднем один раз за цикл солнечной активности, примерно 11 лет. Наряду с Кр используют также индекс Ар, равный средней амплитуде вариаций геомагнитного поля по земному шару. Он измеряется в нанотеслах (земное поле равно примерно 50 000 нТл). Уровню Кр = 4 приблизительно соответствует Ар, равное 30, а уровню Кр = 9 отвечает Ар больше 400. Ожидаемые значения таких индексов и составляют основное содержание геомагнитного прогноза. В русскоязычных прогнозах часто встречаются также качественные описания уровня активности, например «слабовозмущенное» (Кр = 4) или «сильновозмущенное» (Кр > 5) состояние магнитного поля.
Прежде чем углубиться в детали космического прогноза, полезно провести аналогию с прогнозом обычной — атмосферной — погоды. Обращаясь к сообщениям Гидрометцентра, мы хотим узнать, холодной ли будет зима, будет ли ясно в следующие выходные и брать ли зонтик завтра. Чем ближе интересующий период, тем конкретнее и точнее должны быть предсказания. Перед выходом на улицу достаточно просто посмотреть в окно, чтобы получить достоверную информацию о том, сияет ли Солнце или небо затянули тучи. Прогноз на ближайшие дни предупреждает о возможном приходе атмосферного фронта с осадками. Сводка же погоды на месяц вперед никогда не содержит предупреждений о конкретном дождике в «следующий четверг». Тем не менее квалифицированный «дальний» прогноз температуры и осадков по-своему необходим для сельского хозяйства, коммунальных служб, речников и энергетиков.
Такие же простые соображения применимы и для понимания космической погоды: предупреждения о начинающейся магнитной буре должны иметь стопроцентную достоверность, а месячные сводки содержат скорее сведения о среднем состоянии магнитосферы, чем о конкретных магнитных возмущениях. Более того, геомагнитный прогноз даже в чем-то проще обычного прогноза погоды. Прежде всего, потому, что, в отличие от сложной динамики взаимосвязанных процессов в земной атмосфере, механизм электромагнитного влияния Солнца на Землю, составляющий основу космической погоды, можно описать как единую цепь следующих друг за другом событий.
Первопричиной всех космических ненастий служат различные проявления солнечной активности, в частности солнечные вспышки. Виновники земных магнитных бурь — магнитные облака, которые вылетают из атмосферы Солнца при вспышках. Их со скоростью 300-1500 км/с уносит солнечный ветер, поэтому они достигают Земли только спустя несколько дней после своего рождения. А солнечный свет проводит в пути всего лишь 8 минут. Эта разница во времени создает определенные удобства для прогноза магнитной бури, но все-таки не позволяет уверенно предсказать ее возникновение. Кроме того, геомагнитные вариации во время магнитных бурь имеют глобальный характер: их проявления в умеренных широтах практически одинаковы по всему земному шару. Отдельно в прогнозах отмечают только ночную авроральную зону — пояс между 60-м и 80-м градусами магнитной широты на противоположной от Солнца стороне Земли, где геомагнитная активность значительно более высока. Посмотрим теперь, как составляются прогнозы, наиболее часто упоминаемые в печати. Широкую и в некотором смысле незаслуженную известность получили сводки геомагнитной активности на 27 и 45 дней вперед. Прежде всего, ясно, что геомагнитный прогноз на такой срок может быть только прогнозом солнечной активности. Более того, так как Солнце вращается с периодом 27 дней, элемент солнечной поверхности, который будет обращен к Земле через 2 — 3 недели, в данный момент не виден: он находится на обратной стороне Солнца! На чем же могут основываться такие заблаговременные предсказания? Оказывается, активные области — группы солнечных пятен — на поверхности Солнца часто существуют дольше, чем длится один оборот, и на основании наблюдений за предыдущие дни можно составить примерную карту пятен на один-два следующих оборота.
