Экстремальные солнечные бури могут быть опаснее, чем считалось

Фото из открытых источников

Экстремальные геомагнитные бури случаются редко. Когда такая буря начинается, она может вывести из строя электросети и нарушить работу спутников, на которые мы полагаемся каждый день. Однако на протяжении десятилетий, казалось, существовал некий утешительный потолок. Если всё сильнее и сильнее усиливать солнечный ветер, реакция Земли на некоторое время возрастала, а затем стабилизировалась.

В новых исследованиях утверждается, что потолок солнечного ветра никогда не существовал. Это был статистический мираж, возникший из-за особенностей измерения солнечного ветра. Исследование возглавили Нитин Сивадас из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и Мария Валах из Ланкастерского университета. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Космическая погода начинается на Солнце. Непрерывный поток горячего газа, солнечный ветер, дует наружу и сталкивается с магнитным щитом Земли. Когда во время солнечного извержения этот ветер усиливается, он приводит к возникновению электрических токов высоко в нашей атмосфере. Именно эти токи нарушают связь и представляют угрозу для космических аппаратов.

«Магнитное поле нашей планеты отлично защищает нас от многих явлений космической погоды, поэтому они часто проявляются лишь в виде сбоев или красивых полярных сияний», — сказала Валах. «Однако бывают крайние случаи, когда спутники неожиданно возвращаются на Землю, или мы теряем связь и сигналы GPS».

В течение многих лет эти цифры рассказывали странную историю. По мере усиления солнечного ветра токи синхронно возрастали, а затем, казалось, останавливались на каком-то верхнем пределе. Эта ситуация породила 10 конкурирующих теорий. Каждая из них пыталась описать физический тормоз, скрытый где-то внутри магнитосферы. Теперь эти объяснения, по-видимому, основаны на ошибочном предположении. Они были призваны объяснить закономерность, которая, возможно, вовсе не имеет физического характера.

Проблема кроется в одной детали метода измерения солнечного ветра. Большинство показаний поступает от космического аппарата, находящегося в первой точке Лагранжа, примерно на миллион миль ближе к Солнцу, чем мы. Такая точка зрения кажется полезной. Но она также является корнем всей проблемы.

Измеренный там ветер не совсем соответствует ветру, достигающему Земли. Он меняется и становится слабее по пути, поэтому значение, зафиксированное выше по течению, является лишь приблизительной оценкой того, что в конечном итоге достигнет Земли. Точное время добавляет еще один слой неопределенности. Никто не может точно сказать, когда порыв ветра, наблюдаемый выше по течению, достигнет нас, поэтому и сила, и время прибытия оказываются размытыми.

Здесь вступает в игру знакомый статистический эффект: регрессия к среднему значению. Когда измерение находится на экстремальном значении, истинное значение часто ближе к среднему. Вероятно, космический аппарат, зафиксировавший необычайно сильный порыв ветра, преувеличивает его силу. Ветер, обрушившийся на Землю несколько мгновений спустя, скорее всего, будет слабее. Чем экстремальнее показания, тем больше этот разрыв. Если усреднить данные по нескольким штормам, то сильные ветры будут казаться более слабыми, чем они есть на самом деле.

Это несоответствие в точности соответствует тому, что выглядит как потолок. Реакция на самом деле никогда не замирала. Наши приборы постоянно выходили за пределы допустимых значений в верхнем диапазоне.

«Обычно мы предполагаем, что истина может быть связана с её измерением. Но теория вероятности говорит, что она склоняется в одну сторону», — сказал Сивадас. «Поэтому риски, связанные с космической погодой, по-видимому, недооцениваются».

Чтобы проверить эту идею, команда обратилась к космическим аппаратам, летающим гораздо ближе к Земле. Они получили более миллиона измерений солнечного ветра непосредственно перед его столкновением с магнитосферой. На основе этих данных, полученных вблизи Земли, они построили модель самой погрешности измерений. Затем они использовали её для устранения систематической ошибки в более старых данных, полученных на больших расстояниях. Кривая насыщения внезапно выпрямилась. После корректировки реакция Земли поднялась по прямой линии, без каких-либо признаков верхнего предела.

Затем они провели ту же поправку на совершенно другом показателе активности штормов — полярных сияниях, которые окрашивают ночное небо. И это измерение тоже выровнялось. Два независимых критерия, указывающие в одном направлении, значительно затрудняют опровержение этого вывода. Команда никогда не указывала математическим расчетам на прямую линию. Линейность в скорректированных данных исчезла сама собой.

Исправленная картина свидетельствует о том, что опасность была сильно недооценена. При самых сильных ветрах за всю историю наблюдений истинная реакция Земли выглядит примерно вдвое больше, чем предполагалось ранее. Таким образом, следующий экстремальный шторм может распространиться дальше, чем это позволяют прогнозы любой из существующих моделей.

«Если нет верхнего предела реакции нашей планеты на солнечный ветер, то моделирование экстремальных случаев должно учитывать это, и мы должны быть бдительны в отношении воздействия космической погоды», — сказала Валах. «К счастью, такие крайне экстремальные случаи редки, но это также означает, что у нас ограниченный объем данных, и только время покажет, что произойдет в случае крайне экстремального события, происходящего раз в тысячу лет».

Этот урок выходит далеко за рамки космической погоды. Любая область, где измеряются редкие, экстремальные явления с помощью несовершенных приборов, может быть обманута таким же образом. Климатические модели могут занижать масштабы самых сильных аномальных температур. Оценки сильных землетрясений или реальной пользы от лечения хронической боли могут содержать ту же скрытую погрешность. 

Авторы также обращают внимание на один важный момент для машинного обучения. Модели, обученные на зашумленных измерениях, могут усвоить это искажение и незаметно передать его в свои прогнозы.