Магнитосфера Земли все же может не защитить планету от суперштормов

Фото из открытых источников

Наука кажется простым делом. Выдвигается гипотеза, собираются данные для её подтверждения или опровержения, а затем эти данные анализируются, чтобы проверить правильность гипотезы. Но любой, кто действительно занимается наукой, неоднократно скажет вам, что это не так просто. И одна из самых распространённых сложностей заключается в анализе данных. В новой статье предполагается, что одна из таких сложностей, известная как регрессия к среднему значению, может приводить к тому, что мы значительно недооцениваем реальную силу солнечных бурь.

Взаимодействие солнечного ветра и магнитосферы Земли можно рассматривать как гигантский динамо-эффект. Сочетание солнечного ветра и магнитного поля приводит к образованию высокоскоростных плазменных и электрических токов в верхних слоях атмосферы, особенно вокруг полярных шапок (отсюда и появление полярных сияний). Ученые обычно отслеживают этот динамо-эффект с помощью индекса полярных шапок (PCI).

Уже несколько десятилетий ясно одно: при умеренной солнечной активности существует очень четкая линейная зависимость между электрическими полями солнечного ветра и электрическим откликом, измеренным на Земле. Однако при более сильных штормах эта зависимость нарушается, поскольку отклик Земли, по-видимому, «насыщается» — то есть достигает предела на определенном уровне, ниже ожидаемого. Но мы так и не поняли, почему.

Согласно новой статье Нитина Сивадаса и его соавторов из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, опубликованной в журнале Nature, это насыщение может быть всего лишь иллюзией из-за особенностей измерения интенсивности солнечных бурь. Они отметили, что большинство измерений солнечного ветра поступает со спутников, таких как WIND, ACE или DSCOVR, которые расположены в точке Лагранжа L1 (Земля-Солнце), то есть на расстоянии 1,5 миллиона километров ближе к Солнцу, чем Земля.

Такое расстояние вносит огромную неопределенность. Время распространения ветра меняется, что затрудняет точное измерение. Сам ветер может измениться на расстоянии 1,5 миллиона километров, а ударные фронты могут вносить «гетероскедастический шум» — то есть случайные ошибки, которые увеличиваются при экстремальных событиях. Все эти ошибки приводят к ситуации, когда мы измеряем крайне неопределенное значение далеко вверх по течению, что заставляет вступить в действие фундаментальное правило статистики — регрессию к среднему значению.

По сути, учёные сопоставили экстремальные измерения на спутниках L1 с меньшими, более средними геомагнитными откликами, которые они вызывали в магнитосфере, поскольку «истинный» солнечный ветер, воздействующий на магнитосферу Земли, с гораздо большей вероятностью будет менее экстремальным и ближе к среднему значению, измеренному там. Это математическое несоответствие — экстремального события на L1 и более умеренного на Земле — вызывает «нелинейную регрессионную ошибку» в кривой данных, искусственно искажая её и создавая впечатление «насыщенности» отклика Земли.

Чтобы доказать свою точку зрения, авторы применили «регрессионную калибровку» для компенсации части систематической ошибки. После этого линейная зависимость между интенсивностью солнечных бурь и магнитным откликом Земли сохранилась линейно, без явного эффекта насыщения. Проще говоря, теперь вероятность того, что солнечная буря, происходящая раз в 1000 лет, вызовет масштабные разрушения, гораздо выше, чем мы предполагали изначально.

Однако это открытие актуально не только для космической погоды. Авторы отмечают, что всё, от сейсмологии до медицинских исследований, может стать жертвой того, что среднее значение маскируется под пороговое. Машинное обучение усугубляет проблему, поскольку модели, обученные на неопределенных входных данных, просто усвоят статистическую иллюзию и будут считать её физической реальностью.

Однако главный вывод очевиден: операторам земных энергосетей и спутниковых группировок необходимо учитывать возможность гораздо более мощного электрического скачка в случае очень сильной солнечной бури. Естественная защита, которую мы считали обеспеченной насыщением магнитосферы, к сожалению, оказывается всего лишь статистической иллюзией.