Космическая погода — совокупность физических процессов и явлений, происходящих в ближнем космосе, которые обусловлены взаимодействием Солнца с магнитосферой, ионосферой и верхними слоями атмосферы Земли. Эти процессы определяются вариациями солнечного ветра, магнитных бурь, вспышек на Солнце, корональных выбросов массы (КВМ) и высокоэнергичных частиц, оказывающих прямое воздействие на геофизическую среду и техносферу.
Солнечный ветер — это поток заряженных частиц (в основном протонов и электронов), испускаемый верхними слоями солнечной короны. Его параметры, такие как скорость, плотность и температура, изменяются в зависимости от солнечной активности и положения Земли по орбите.
Существует два основных типа солнечного ветра:
Корональные выбросы массы представляют собой гигантские выбросы плазмы и магнитного поля из короны Солнца в межпланетное пространство. При попадании КВМ в околоземное пространство могут возникать сильнейшие геомагнитные бури. Скорость КВМ может превышать 2000 км/с, а магнитное поле в их структуре часто несёт южную направленность, что особенно эффективно взаимодействует с магнитосферой Земли.
Солнечные вспышки — это резкие увеличения яркости в области активных солнечных пятен, сопровождающиеся выбросом электромагнитного излучения, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Вспышки классифицируются по интенсивности рентгеновского излучения в диапазоне 0.1–0.8 нм:
Их воздействие на атмосферу может проявляться в виде ионизации ионосферы, радиопомех и нарушений связи.
Это потоки протонов и электронов, ускоренных во время вспышек и КВМ. Они представляют угрозу как для космических аппаратов, так и для биологических объектов вне магнитосферной защиты Земли. Проникая в полярные области, такие частицы вызывают радиационные штормы и усиление ионизации в D-слое ионосферы.
Основным механизмом передачи энергии от солнечного ветра к магнитосфере Земли является реконнекция магнитных линий, происходящая на дневной стороне магнитопаузы при взаимодействии межпланетного магнитного поля (IMF) и магнитного поля Земли. При южной направленности IMF возникает эффективный перенос плазмы, энергии и импульса в магнитосферу.
Солнечный ветер индуцирует в магнитосфере токи: кольцевой ток, хвостовой ток, токи Бёркеланда. Эти токи способствуют изменению геомагнитного поля Земли и наблюдаются в виде возмущений магнитного поля (магнитные бури). Напряженность поля может изменяться на десятки и сотни нанотесла в течение короткого времени.
Геомагнитная буря — глобальное возмущение магнитного поля Земли, вызванное взаимодействием магнитосферы с КВМ или высокоскоростным солнечным ветром. Основные фазы бури:
Критерии бурь устанавливаются по индексу Dst (Disturbance Storm Time Index), измеряющему вариации магнитного поля на экваториальных станциях.
Космическая погода влияет на ионосферу за счёт увеличения плотности ионизации, перемещения ионосферных слоёв, изменения их структуры и динамики. Основные эффекты:
При усилении ионизации, особенно в D-слое, происходит поглощение коротковолнового радиоизлучения, что приводит к радиозатмениям. Устойчивость GPS и ГЛОНАСС-сигналов снижается из-за ионосферной рефракции и флуктуаций плотности электронов.
Полярные сияния являются визуальными проявлениями космической погоды, возникающими вследствие столкновений заряженных частиц с атомами и молекулами атмосферы в высоких широтах. Их спектральный состав зависит от состава и энергии частиц:
Космическая погода представляет значительную угрозу для орбитальной техники:
Магнитные бури индуцируют электрические токи в протяжённых металлических конструкциях — линиях электропередачи, трубопроводах, железнодорожных рельсах. Эти геоиндуцированные токи могут:
Для прогнозирования и анализа космической погоды измеряются:
Модели космической погоды включают численные симуляции солнечного ветра (ENLIL), модели магнитосферы (SWMF, OpenGGCM), ионосферы (IRI, SAMI3), а также системы искусственного интеллекта, обученные на данных наблюдений. Прогнозирование космической погоды критически важно для своевременного реагирования операторов спутников, энергосетей и авиации.