Проблема прогнозов

Поскольку солнечные и магнитные бури влияют на многие стороны жизни на Земле, в том числе на здоровье человека, то очень важно знать, когда их следует ждать, знать прогноз солнечных и магнитных бурь. Чтобы предсказывать то или иное явление в природе, надо понимать причины, которые его вызывают. Тогда, зная, что действующие причины в какой-то момент вступят в действие, мы можем ожидать явление, которое обычно вызывается этими причинами. Естественно, так же обстоит дело и с прогнозом солнечных и магнитных бурь. Для уверенного прогнозирования их надо знать те физические причины, которые их вызывают.

Начало всего процесса находится на Солнце, а точнее, внутри его. Именно там зарождается то, что npиведет к выбросу из Солнца плазмы, которая, дойдя до Земли, вызывает в околоземном пространстве и на поверхности Земли магнитные бури и другие связанные с ними явления. Главное звено во всей этой причинно-следственной цепи явлений — начало этой цепи, зарождение всего процесса внутри Солнца. Но это звено не только самое главное, но, к сожалению, и самое плохо изученное звено. Одним из источников информации о космосе и космических телах является электромагнитное излучение с разными длинами волн, в том числе видимый свет, рентгеновские лучи и излучение с другими длинами волн, которое регистрируется приборами, но не видимое невооруженным глазом человека. Очень ценную информацию о космосе и космических телах получают с Земли с помощью регистрации электромагнитного излучения в радиодиапазонах. Появилась и бурно развивается целая наука — радиоастрономия. Но когда речь идет о внутренних областях Солнца, то и этот мощный источник информации — электромагнитное излучение, в данном случае молчит. Оно в своем первоначальном, исконном виде не может пробиться из глубин Солнца. Энергия этого излучения, пробиваясь из недр Солнца, многократно превращается из одного вида в другой, и то излучение, которое вырывается наружу, уже имеет другие свойства, прежде всего другую длину волны. Поэтому, к сожалению, процессы в глубине Солнца, которые являются причиной, точнее, первопричиной солнечных и затем магнитных бурь, находятся «за семью печатями». Конечно, это не значит, что ученые не пытаются построить возможные гипотезы и предположения, но ими нельзя заменить достоверные знания (истинную теорию), которые бы могли стать основой прогнозов.

В такой ситуации прогноз надо строить на фактах. Принцип состоит в том, что на основании опыта можно связать одни события с другими, если даже мы и не понимаем до конца, как осуществляются связи между этими событиями. Собственно, этим методом и пользуется в настоящее время метеорология при составлении прогнозов погоды.

Какими же фактами можно пользоваться при составлении прогноза солнечной активности? Этими фактами служат все основные данные, полученные в течение последних столетий при наблюдении за Солнцем. Здесь особенно важны непрерывные наблюдения, которые позволили выявить повторяемость, цикличность в изменении активности Солнца. Установленная повторяемость и может быть положена в основу прогноза.

Рассмотрим подробнее, что из известного нам о Солнце может быть использовано для составления прогнозов солнечной активности.

Наблюдениями за поверхностью Солнца было установлено, что число солнечных пятен изменяется с периодом продолжительностью 11 лет. Об этом в настоящее время знают почти все, ведется широкая пропаганда опасности излучения Солнца в год активного Солнца. Этим феноменом уже был назван даже художественный фильм («Год активного Солнца»), так же как и название истекающей из Солнца плазмы (солнечный ветер) было использовано как заголовок другого художественного фильма.

В 1843 г. немецкий врач, астроном Швабе на основании материалов своих почти двадцатилетних наблюдений за Солнцем установил, что число солнечных пятен изменяется со средним периодом продолжительностью около 10 лет. Во имя торжества истины надо сказать, что это открытие впервые было сделано еще в семидесятых годах XVIII в. датским астрономом Горребовым, который вел непрерывные наблюдения Солнца с 1761 по 1769 г. и установил, что число солнечных пятен изменяется во времени. Отношение тогдашних астрономов к этому открытию было скептическим, и, кроме того, материалы наблюдений погибли при артиллерийском обстреле Копенгагена. Вскоре они и вовсе были забыты.

Астроном Р. Вольф организовал регулярные наблюдения Солнца и ввел индекс относительных чисел солнечных пятен. Им было установлено, что средняя продолжительность цикла солнечной активности составляет 11,1 года. Но важно не только то, сколько на видимой части Солнца имеется всего пятен. Важно и то, где эти пятна располагаются. Мы уже говорили о том, что пятна возникают на Солнце в течение цикла солнечной активности не где попало, не на любых солнечных широтах, но на строго определенных широтах, которые изменяются в течение цикла так: большинство пятен появляется на широтах от ±45° до ±5°. Ширина зоны солнечных пятен равна в среднем примерно 20°. Ученые Шпёрер в 1881 г. и Маундер в 1917 г. показали, что зона, занятая солнечными пятнами, в течение цикла смещается от более высоких широт (отсчитываемых от солнечного экватора) к более низким. Первые группы пятен данного солнечного цикла появляются на широтах около 30° и затем постепенно спускаются к экватору до расстояния 8°. В эпоху максимума солнечной активности средняя широта зоны, занятой пятнами, составляет примерно 15°.

Картина выглядит так, что в эпоху минимума солнечной активности наблюдаются пятна как на низких широтах (ближе всего к солнечному экватору), так и уже возникшие солнечные пятна нового солнечного цикла на удалении от экватора на ±45°. Если судить по расположению пятен, то создается впечатление, что новый солнечный цикл начался, не дожидаясь окончания старого цикла. Если их раздвинуть так, чтобы один цикл следовал за предыдущим, не наплывая на него, то длина цикла получится несколько больше, чем если длину солнечного цикла измерять как время между двумя минимумами солнечной активности.

Отделить пятна старого и нового циклов чисто по внешним признакам непросто. Но положение спасает то, что магнитные поля солнечных пятен одного цикла и солнечных пятен последующего цикла направлены противоположно. Поэтому, измеряя магнитные поля солнечных пятен, можно с уверенностью определить, к какому солнечному циклу относится данное пятно. Советский ученый М. Н. Гневышев в 1944 г. показал, что если раздвинуть солнечные циклы так, чтобы они не накладывались концами друг на друга, то области расположения солнечных пятен (кривые Шпёрера) точно совпадают друг с другом. Разброс (дисперсия) точек кривых для разных циклов относительно средней кривой составляет из более 1°. Более точно мы не можем определить положение солнечного пятна. Этот важный вывод о повторяемости модифицированных, по Гневышеву, «кривых Шпёрера» может быть использован для составления краткосрочного прогноза. Было установлено, что чем больше активность Солнца в максимуме 11-летнего цикла, тем больше средняя скорость сползания зоны пятнообразования по широте. При этом чем активнее 11-летний цикл, тем более высоких широт достигает зона пятнообразования вблизи максимума солнечной активности.

Имеются различные числа солнечной активности (например, основанные на измерении площади протуберанцев или площади кальциевых флоккулов), но исследования показали, что они изменяются почти так же, как и числа Вольфа. Конечно, различия имеются, и они представляют интерес для исследователей Солнца. Но для целей прогнозирования солнечной активности и рассматриваемой здесь проблемы это отличие не является принципиально важным. Полное число хромосферных вспышек так же изменяется в течение цикла, как и число Вольфа.

Таким образом, мы можем сделать первый вывод о возможности прогноза солнечной активности на основании того, что относительные числа солнечных пятен (числа Вольфа) изменяются с периодом 11 лет. Так же изменяются и многие другие характеристики активности Солнца.

Кроме 11-летнего цикла солнечной активности, имеется 22-летний цикл. На существование этого цикла указывал еще Вольф, но достоверность его существования была показана после открытия того факта, что магнитные поля солнечных пятен меняются с периодом в 22 года. Напомним, что при переходе от одного 11-летнего солнечного цикла к последующему направление магнитного поля (положения северного и южного полюсов магнитного поля) меняется на противоположное. Поэтому 22-летний солнечный цикл называют магнитным. Было показано, что 22-летний солнечный цикл обычно начинается четным 11-летним циклом. Нумерация солнечных циклов начинается с 1755 г. Поэтому каждый солнечный цикл начиная с 1755 г. является четным или нечетным. Исследуя данные о среднегодичных числах Вольфа за 1700 — 1944 гг., М. Н. Гневышев и А. И. Оль показали, что связь между суммами чисел Вольфа четных и нечетных 11-летних циклов очень тесная, а связь между этими же индексами нечетных и четных циклов слабая. Максимальное среднегодовое число Вольфа нечетного 11-летнего цикла определяется величиной среднегодового числа Вольфа для четного цикла. Было также показано, что чем мощнее 22-летний цикл, тем короче его продолжительность.

Следует особо подчеркнуть, что 22-летний цикл является циклом качественных, а не количественных характеристик солнечной активности. Важнее в смысле цикличности изменения солнечной активности 80 — 90-летний цикл,

Этот цикл также был обнаружен еще Вольфом, хотя еще до последнего времени велись споры даже о самом факте его существования. Для обоснования существования 80 — 90-летнего цикла были проанализированы данные о полярных сияниях и исторические сведения о наблюдениях солнечных пятен за 2 тысячи лет. Этот анализ подтвердил, что 90-летний цикл имеется. Правда, до сих пор остается некоторая неуверенность в определении точной продолжительности этого цикла.

11-летний цикл, как мы видели, проявляется в числе групп солнечных пятен. Если нарисовать изменение этого числа в течение двух столетий (и больше), то будет видно, что величина активности, т. е. величина максимумов на этой кривой, изменяется с периодом в 80 — 90 лет. Можно сказать, что 80 — 90-летний цикл проявляется не в частоте групп солнечных пятен, а в средней их мощности. Этот цикл чаще всего называют вековым. Было показано, что первый год после эпохи максимума 11-летнего цикла является определяющим для векового цикла.

Вековой цикл солнечной активности проявляется в том, что солнечные пятна образуются по-разному в Северном и Южном полушариях Солнца. Это различие (асимметрия) состоит в том, что формы кривых 11-летних циклов в обоих полушариях различаются, суммарная площадь и число групп пятен в одном из полушарий больше, чем в другом. Времена максимумов и минимумов 11-летних циклов в разных полушариях также различаются.

Имеются также и более продолжительные циклы солнечной активности, но для нас они не представляют интереса, так как нам важна возможность составления прогноза солнечной активности на обозримое будущее. Укажем только, что был установлен двойной вековой цикл солнечной активности, равный 169 годам, а также 600-летний цикл. Что касается последнего цикла, то использование его в прогностической практике оказалось вполне успешным. Интересно, что когда было подсчитано число пятен, открытых невооруженным глазом, то оказалось, что оно изменяется с периодом 600 и 900 лет. Период в 600 лет в циклическом изменении активности Солнца был обнаружен и при анализе изменения колец древесины за длительные интервалы времени.

Мы не будем здесь останавливаться на физических гипотезах, пытающихся объяснить изменение солнечной активности, поскольку они не могут быть положены в основу ее прогнозирования. Рассмотрим, какие прогнозы солнечной активности в настоящее время составляются и на чем они основаны.

Имеются два типа прогнозов солнечной активности. Первый — это предсказание определенных индексов солнечной активности, а второй — прогнозирование отдельных событий, связанных с солнечной активностью, например солнечных хромосферных вспышек.

Прогнозы индексов солнечной активности основаны на продолжительных наблюдениях Солнца и статистической обработке данных наблюдений. Составляются краткосрочные, долгосрочные и сверхдолгосрочные прогнозы. Ясно, что краткосрочные прогнозы самым тесным образом связаны с прогнозированием отдельных индивидуальных событий на Солнце. Краткосрочные прогнозы имеют своей целью предсказать изменение индексов солнечной активности за несколько дней вперед. Конечно, такая задача является наиболее сложной, поскольку этот период меньше периода одного оборота Солнца вокруг своей оси. Раньше мы уже говорили о том, что многие активные области на Солнце функционируют в течение нескольких оборотов Солнца. Значит, зарегистрировав такую активную область на Солнце, можно ждать ее повторного появления в следующем обороте и, возможно, в нескольких оборотах подряд. При краткосрочном прогнозировании активности Солнца мы не можем использовать эту информацию. Этот вид прогнозов является наиболее важным для рассматриваемой нами проблемы, но, к сожалению, он наименее разработан.

Прогнозы долгосрочные предусматривают вычисление индексов солнечной активности, усредненных за месяц или за один оборот Солнца, за квартал или за год. Они бывают средней и длительной срочности. Средняя срочность — это прогнозы среднемесячные и среднеквартальные. Ясно, что наибольшей оправдываемостью отличаются прогнозы солнечной активности с заблаговременностью на год и на несколько лет. Сверхдолгосрочные прогнозы предсказывают солнечную активность на следующий солнечный цикл или на несколько циклов вперед. Конечно, составление таких прогнозов — дело очень непростое, если помнить, что в настоящее время нет физической теории явления. Оправдываемость этих прогнозов меньше, чем прогнозов внутри текущего цикла,

Прогнозы отдельных явлений на Солнце также бывают двух типов в зависимости от их заблаговременноти: краткосрочные и долгосрочные. Краткосрочные прогнозы предсказывают данное явление (скажем, хромосферную вспышку) с заблаговременностью от нескольких часов до нескольких дней в пределах одного оборота Солнца. Методика этих прогнозов разрабатывалась особенно тщательно применительно к сильным хромосферным вспышкам. Долгосрочные прогнозы явлений предсказывают их возникновение за несколько месяцев или лет. Этот тип прогнозов пока что плохо разработан.

Рассмотрим, как методически составляются прогнозы. Прогнозы индексов солнечной активности составляются путем продолжения (экстраполяции) данных наблюдений на некоторое время вперед (на дни, месяцы или годы в зависимости от того, какой заблаговременности прогноз составляется). Наиболее просто применять линейные формы экстраполяции, что вполне оправдано при прогнозировании относительных чисел солнечных пятен. Обычно при экстраполяции отталкиваются от моментов максимума или минимума солнечной активности или от других критических точек в цикле солнечной активности. Обычно рассчитывают либо сами величины данного солнечного индекса, либо их отклонения от среднего их значения.

При прогнозировании отдельных явлений на Солнце применяют метод, при котором используются синоптические карты магнитных полей, групп солнечных пятен и хромосферных образований для отдельных областей на Солнце. Затем свойства этих областей сравнивают между собой. Конечно, здесь применяется чисто качественный подход одновременно с некоторыми количественными оценками. При этом важны на картах главные элементы. Такие синоптические карты поверхности Солнца составляются на моменты времени через несколько часов или через сутки в зависимости от характера того процесса, который рассматривается. Построить такие карты по данным одной обсерватории не всегда возможно из-за облачности и вообще вследствие погодных условий, поэтому используются данные наблюдений нескольких обсерваторий. При этом методики определения данных и их представления должны быть идентичными. Эти функции и выполняет служба Солнца, в которую входит целая сеть обсерваторий, ведущих непрерывное наблюдение за Солнцем, и объединенная система оперативной связи. Осуществляется оперативный обмен солнечными данными между обсерваториями различных стран.

При составлении прогноза отдельных явлений солнечной активности одновременно с синоптическими картами используются карты фотосферы, хромосферы и короны за полный оборот Солнца. Они дают информацию о развитии долгоживущих активных образований на Солнце. Кроме карт, используются также табличные материалы.

При составлении долгосрочных прогнозов солнечной активности используются также карты, на которых нанесены солнечные индексы, усредненные за несколько лет или за 11-летний цикл. Обычно на этих картах нанесены линии, соединяющие области с одинаковым значением данного индекса.

Рассмотрим более подробно методику составления долгосрочных прогнозов солнечной активности, т. е. прогнозов с заблаговременностью на год и на несколько лет в пределах 11-летнего цикла. Детальное рассмотрение методик солнечных прогнозов не входит в нашу задачу. Нам важно дать представление о возможностях методов, об оправдываемости прогнозов.

Метод Вальдмайера успешно применялся в течение нескольких циклов солнечной активности (начиная с 17-го цикла). Он показал исключительную для того времени оправдываемость. Величины чисел Вольфа, рассчитанные в эпоху максимума цикла и полученные из наблюдений, отличались очень незначительно. Например, для 17-го цикла эти величины равны 124 и 119 соответственно, для 18-го—139 и 152, для 19-го цикла — 170 и 201, для 20-го цикла — 110 и 111 соответственно. Год наступления максимальной солнечной активности в солнечном цикле был предсказан также весьма точно: 1937,3 (1937,4), 1947,6 (1947,5), 1957,5 (1957,9), 1968,5 (1968,9). В скобках приведено время, когда максимум солнечной активности имел место. Как видно, и этот параметр был предсказан достаточно точно. Вальдмайером было показано, что значение W = 50 отстоит от эпохи максимума солнечного цикла на 1,9 года. Это значит, что если в настоящий момент число Вольфа W = 50, то дальше мы можем рассчитать всю кривую чисел Вольфа данного солнечного цикла, если воспользуемся имеющимися таблицами со сглаженными среднемесячными числами Вольфа через каждые полгода. Кроме этого метода, были предложены и многие другие. Все эти методы основаны на экспериментальных данных о солнечной активности за предыдущее время.

Не рассматривая эти методы более подробно, отменим только, что в настоящее время вопросы методики прогноза солнечной активности в пределах 11-летнего цикла достаточно успешно решаются, несмотря на отсутствие физической теории солнечной активности.

Мы рассмотрели прогнозирование индексов солнечной активности, главным образом, чисел Вольфа. Теперь рассмотрим прогнозы солнечных вспышек. Такие прогнозы составляются с заблаговременностью в несколько дней (краткосрочные) и долгосрочные. При составлении краткосрочных прогнозов используются синоптические карты Солнца, по которым анализируются появившиеся центры активности. Конечно, за это время могут появиться и новые центры активности, но прогнозировать их появление мы пока что не умеем. Составляются также прогнозы вспышечной эффективности активных центров.

Основной физический фактор, который используется при прогнозировании сильных солнечных вспышек с заблаговременностью на несколько дней — особенность конфигурации магнитного поля в центрах активности. Дело в том, что почти все сильные вспышки возникают около точек или линий, где магнитное поле отсутствует (так называемых нейтральных точек или нейтральных линий). Такие точки и линии возникают в окрестности нескольких солнечных пятен различной полярности. В этих областях имеются большие перепады (градиенты) магнитного поля. Было показано, что сильные вспышки возникают как раз в областях с высокими градиентами магнитного поля. Кроме того, сильные вспышки возникают там, где направление вектора магнитного поля сильно изменяется. На основании этих фактов академиком Северным с сотрудниками был предложен метод прогнозирования сильных хромосферных вспышек. Кроме характера магнитного поля, при составлении прогноза вспышек используются данные о новых пятнах в группе и усилении уже существующих пятен, движении пятен, яркости флоккулов, а также радиоизлучении активной области. Метод Северного позволяет предсказывать появление солнечных вспышек с оправдываемостью примерно 80%. В настоящее время этот метод существенно модифицирован. Имеется также метод прогнозирования солнечных вспышек советского ученого Кривицкого. Этим методом были успешно предсказаны протонные вспышки в 1966 и 1967 гг.

Кроме указанных двух методов, используются и статистические методы прогноза солнечных вспышек, которые позволяют прогнозировать их за 2 — 35 суток. Для того чтобы успешно предсказывать солнечные вспышки, важно располагать информацией о развитии активных центров. Способность к образованию вспышки (эруптивность) существенным образом зависит от структуры магнитного поля активного центра. Когда магнитная структура активной области усложняется, то вероятность возникновения в этой области сильных вспышек увеличивается. На линии изменения полярности магнитного поля указывают волокна факельных площадок. По ним можно определить те места, где возможно появление сильных вспышек. Напомним, что вспышки чаще всего появляются по обе стороны от линии обращения магнитного поля. Было установлено, что сильные вспышки чаще всего возникают в группах солнечных пятен с противоположной полярностью в одной полутени.

Полезную информацию об активности Солнца несет с собой радиоизлучение активных областей на Солнце. Усиление этого излучения на длинах волн 10,7 и 3 см связано с увеличением доли тени пятна, которая покрыта вспышкой. Как показатель благоприятных условий возникновения вспышек считается отношение плотностей потоков радиоизлучения на длинах волн 3,2 и 7,5 см. Оно превышает 1 при возникновении протонных вспышек. Долгосрочные прогнозы солнечных вспышек для нас представляют меньший интерес, тем более что методы этих прогнозов разработаны намного хуже, чем краткосрочные прогнозы.

Выше мы говорили исключительно о прогнозах солнечной активности, т. е. о предсказании солнечных бурь. Солнечные бури вызывают магнитные бури, которые, в свою очередь, влияют на биосферу, и сказываются на здоровье человека. Поэтому важно уметь предсказывать не только солнечные, но и магнитные бури. Ясно, что эти два процесса связаны между собой. На основании этой связи был предложен метод прогнозирования солнечной активности по наблюдаемой магнитной активности (метод А. И. Оля). Им было установлено, что максимальные среднегодичные числа Вольфа W в данном цикле связаны с наименьшим среднегодичным значением индекса геомагнитной возмущенности. Было предложено на основании магнитной активности за истекший 11-летний цикл прогнозировать максимальные среднегодичные числа Вольфа в последующем цикле. Здесь, правда, используется, если можно так сказать, связь «наоборот», так как первопричиной является солнечная активность, а ее следствием — геомагнитная активность.

Проблема прогнозов геомагнитной активности решается на основе прогнозов солнечной активности. Эти методики хорошо разработаны, поскольку они служат основой прогноза ионосферных возмущений. Дело в том, что ионосфера играет исключительно важную роль в распространении радиоволн, особенно коротковолнового диапазона. От нее зависят осуществление радиосвязи и работа многих технических средств, связанных с распространением радиоволн. Это обстоятельство заставило весьма тщательно разработать прогнозы магнитной возмущенности. Для этой цели собирается информация из мировой сети магнитно-вариационных станций, вычисляются различные индексы геомагнитной активности (местные и планетарные) и составляются прогнозы магнитной активности как краткосрочные, так и долгосрочные. Нужды практики распространения радиоволн заставили организовать сеть оперативной связи прогностических центров с многочисленными магнитными и ионосферными станциями, что позволяет получать информацию о текущем состоянии магнитного поля Земли и ионосферы.

Существует сеть магнитных и ионосферных станций, а также система оперативного сбора данных наблюдений, которые стекаются в прогностические центры и вместе с солнечными прогнозами используются для составления прогнозов магнитных бурь. По уже существующей системе оповещения эти прогнозы сообщаются потребителям.

Прогнозы солнечных и магнитных бурь, которые составляются в прогностических центрах и передаются потребителям, используются при составлении медицинского прогноза геомагнитной обстановки или, другими словами, космической погоды на Земле.

(Мизун Ю. Г., Мизун П. Г. Космос и здоровье)