Растущая концентрация углекислого газа в верхних слоях атмосферы изменит то, как геомагнитные бури воздействуют на Землю. Это может иметь серьёзные последствия для тысяч спутников на орбите, согласно новому исследованию, проведённому под руководством учёных из Национального центра атмосферных исследований США (NCAR), финансируемого Национальным научным фондом (NSF).
Геомагнитные бури
Геомагнитные бури возникают из-за мощных выбросов заряженных частиц с поверхности Солнца, которые воздействуют на атмосферу Земли. Эти бури временно увеличивают плотность верхних слоёв атмосферы и, следовательно, сопротивление спутников, что влияет на их скорость, высоту и продолжительность работы.
Новое исследование
В новом исследовании использовалась продвинутая компьютерная модель для определения того, что плотность верхних слоёв атмосферы будет ниже во время будущей геомагнитной бури по сравнению со штормом той же интенсивности в настоящее время. Это связано с тем, что базовая плотность будет ниже, и будущие бури не увеличат её до таких высоких уровней, как это происходит сейчас.
Однако относительная величина увеличения плотности — подъём от базовой до пиковой во время многодневной бури — будет больше в будущих бурях.
«Способ, которым энергия от Солнца влияет на атмосферу, изменится в будущем, потому что фоновая плотность атмосферы будет другой, и это создаст другую реакцию», — сказал учёный NSF NCAR Николас Педаталла, ведущий автор исследования. «Для спутниковой промышленности это особенно важный вопрос из-за необходимости проектирования спутников для конкретных атмосферных условий».
Результаты исследования
Исследование, проведённое совместно с Университетом Кюсю в Японии, было опубликовано в журнале «Geophysical Research Letters».
В верхних слоях атмосферы Земли в последние десятилетия возросло значение из-за зависимости общества от передовых навигационных систем, онлайн-передачи данных, приложений национальной безопасности и других технологий, которые полагаются на работу спутников.
В отличие от нижних слоёв атмосферы, которые нагреваются из-за выбросов углекислого газа, верхние слои атмосферы становятся холоднее. Это связано с различным воздействием углекислого газа: вместо поглощения и переизлучения тепла близлежащим молекулам в относительно плотном воздухе у поверхности Земли, углекислый газ переизлучает тепло в космос на больших высотах, где воздух намного тоньше.
Предыдущие исследования оценивали степень, в которой повышение уровня углекислого газа и других парниковых газов приведёт к снижению нейтральной плотности верхних слоёв атмосферы, то есть концентрации неионизированных частиц, таких как кислород и азот. Но Педаталла и его коллеги поставили несколько иной вопрос: как изменится плотность атмосферы в будущем во время мощных геомагнитных бурь?
Моделирование
Исследователи сосредоточились на геомагнитной супербуре 10–11 мая 2024 года, когда серия мощных солнечных возмущений, известных как выбросы корональной массы, воздействовала на атмосферу Земли. Они проанализировали, как атмосфера отреагировала бы на тот же шторм в 2016 году и в три будущих года, которые произойдут вокруг минимума 11-летнего солнечного цикла (2040, 2061 и 2084 годы).
Для выполнения анализа они обратились к системе моделирования, основанной на NSF NCAR, — Community Earth System Model Whole Atmosphere Community Climate Model with thermosphere-ionosphere eXtension, которая моделирует всю атмосферу от поверхности Земли до верхней термосферы, на высоте 500–700 километров (около 310–435 миль) над поверхностью. Это позволяет учёным определять, как изменения в нижних слоях атмосферы, такие как повышение концентрации парниковых газов, могут повлиять на удалённые регионы атмосферы высоко в небе.
Исследователи запускали симуляции на суперкомпьютере Derecho в Центре суперкомпьютеров NSF NCAR-Wyoming.
Выводы
Исследователи обнаружили, что в конце этого века различные регионы верхних слоёв атмосферы будут на 20–50% менее плотными на пике бури, сравнимой с той, что произошла в прошлом году, при условии значительно более высокого уровня углекислого газа. Однако по сравнению с плотностью атмосферы непосредственно до и после бури относительное изменение плотности будет больше.
Педаталла сказал, что необходимы дополнительные исследования, чтобы лучше понять, как изменится космическая погода, включая изучение различных типов геомагнитных бурь и того, будут ли их последствия различаться в разное время 11-летнего солнечного цикла, когда плотность атмосферы меняется.
«Теперь у нас есть возможность с помощью наших моделей исследовать очень сложные взаимосвязи между нижними и верхними слоями атмосферы», — сказал он. «Крайне важно знать, как будут происходить эти изменения, потому что они имеют серьёзные последствия для нашей атмосферы».