Суперкомпьютер предсказал, как выбросы CO₂ изменят воздействие магнитных бурь

Рост концентрации углекислого газа в верхних слоях атмосферы изменит влияние магнитных бурь на спутники — таковы результаты моделирования, который проводили ученые из Национального центра атмосферных исследований США (NSF NCAR) совместно с коллегами из Университета Кюсю.

По мере технологического развития человечества геомагнитные бури представляют все большую угрозу. Она затрагивает прежде всего космические аппараты в околоземном пространстве, поскольку мощные выбросы заряженных частиц с поверхности Солнца временно увеличивают плотность верхних слоев атмосферы.

Новое исследование с использованием продвинутой компьютерной модели оценило, как изменится этот неблагоприятный эффект в будущем из-за изменения состава атмосферы. Результаты опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Они неоднозначны. С одной стороны, базовая плотность атмосферы уменьшится, и будущие бури не смогут повысить ее до текущих уровней. С другой — расширится диапазон колебаний плотности между обычным уровнем и пиком во время многодневных возмущений.

«То, как энергия Солнца влияет на атмосферу, изменится, потому что фоновая плотность атмосферы станет другой, и это даст иную реакцию. Для спутниковой индустрии это особенно важный вопрос, поскольку спутники необходимо проектировать с учетом конкретных атмосферных условий»,— объяснил ведущий автор исследования Николас Педателла из NSF NCAR.

Верхние слои атмосферы Земли приобретают все большее значение в последние десятилетия из-за зависимости общества от современных навигационных систем, передачи данных, национальной безопасности и других технологий, использующих спутники.

В отличие от нижних слоев, которые нагреваются из-за выбросов углекислого газа, верхние слои атмосферы становятся холоднее. Это связано с разным воздействием CO₂: если у поверхности Земли углекислый газ поглощает и переизлучает тепло соседним молекулам в плотном воздухе, то на больших высотах, где атмосфера разрежена, он излучает тепло в космос.

Уже проводились исследования на предмет изменений плотности нейтральных молекул в результате выбросов. Предметом же нового анализа стала концентрация ионизированных частиц из-за мощных геомагнитных бурь.

За основу взяли супершторм 10–11 мая 2024 года и рассчитали, как атмосфера отреагировала бы на такую же бурю в 2016 году и в трех будущих годах, приходящихся на минимум 11-летнего солнечного цикла (2040, 2061 и 2084). Для анализа использовалась модель Whole Atmosphere Community Climate Model with thermosphere-ionosphere eXtension, которую запускали на суперкомпьютере Derecho в вычислительном центре NSF NCAR в Вайоминге.

Результаты показали, что к концу века плотность верхних слоев атмосферы во время бури, аналогичной прошлогодней, будет на 20–50% ниже (при условии значительного роста уровня CO₂). Однако относительное изменение плотности по сравнению с фоновым уровнем окажется больше — что потенциально грозит более интенсивными помехами GPS и радиосвязи. Если сейчас буря более чем удваивает плотность на пике, то в будущем она может утроить ее, поскольку разреженная атмосфера будет сильнее реагировать на возмущения.

По словам Педателлы, необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять изменения космической погоды, включая изучение разных типов геомагнитных бурь и их влияние на разных фазах солнечного цикла.

«Теперь у нас есть модели, позволяющие изучать сложные взаимосвязи между нижними и верхними слоями атмосферы. Это критически важно, поскольку такие изменения могут иметь серьезные последствия», — заключил исследователь.