Місія NASA EZIE: Як супутники виміряють електрострумені для прогнозу погоди

Ми вступаємо в сезон сонячних штормів, адже 2025 рік знаменує пік 11-річного циклу активності нашого Сонця. Потоки електрично заряджених частинок, відомі як сонячний вітер, вириваються з нашої найближчої зірки та спрямовуються до Землі, взаємодіючи з магнітосферою — потужним магнітним полем, що оточує нашу планету. Ця взаємодія може мати різноманітні наслідки: від захоплюючих полярних сяйв (аврор) до потенційно руйнівних електричних замикань у супутниках на орбіті та лініях електропередач на Землі. Розуміння механізмів передачі цієї потужної сонячної енергії в земну атмосферу є ключовим для прогнозування та пом'якшення її впливу.

Щоб заповнити прогалини в наших знаннях, NASA готує до запуску нову серію супутників під назвою EZIE (Electrojet Zeeman Imaging Explorer — Дослідник авроральних електроструменів методом візуалізації ефекту Зеемана). Місія EZIE складатиметься з трьох невеликих супутників формату CubeSat, розміром приблизно з тостер кожен. Протягом щонайменше 18 місяців вони обертатимуться навколо нашої планети, спостерігаючи за тим, як «космічна погода» функціонує поблизу Землі та як її прояви можуть впливати на нашу критично важливу інфраструктуру.

«Супутники, лінії електропередач та подібні об'єкти можуть зазнавати впливу сонячних бур», — пояснює головний дослідник місії Сем Йі, космічний науковець з Лабораторії прикладної фізики Університету Джонса Гопкінса в Меріленді. Він додає, що потік енергії від сонячного вітру, проходячи крізь нашу атмосферу, створює електричні струми, іонізує газ, перетворюючи його на плазму, та генерує тепло через опір. «Ми називаємо це подією космічної погоди, коли сила струму різко зростає».

Потужні геомагнітно індуковані струми вже спричиняли серйозні збої в минулому. У березні 1989 року сильна сонячна буря призвела до масштабного відключення електроенергії, залишивши шість мільйонів людей у канадській провінції Квебек без світла на багато годин. Ще раніше, у 1859 році, надзвичайно потужна буря, відома як «Подія Керрінгтона», викликала настільки сильні струми, що вони підпалювали паперові стрічки в телеграфних апаратах і дозволяли операторам надсилати повідомлення навіть після відключення живлення. Вчені попереджають, що якби подія, подібна до Керрінгтонівської, сталася сьогодні, наша цивілізація була б набагато вразливішою, враховуючи тотальну залежність сучасного життя від електричних мереж та електронних систем.

Місія EZIE зосередиться на вивченні авроральних електроструменів — потужних електричних струмів, що течуть в іоносфері Землі поблизу магнітних полюсів, на висоті приблизно 100 кілометрів над поверхнею планети. Ці струми, що виникають на межі космосу, можуть переносити електрику силою до мільйона ампер. Саме ці електрострумені є ключовою ланкою в передачі енергії від сонячного вітру до верхніх шарів атмосфери.

«Часто на нічному боці Землі можна спостерігати великий сплеск активності», — каже Ян Манн, фізик з Університету Альберти, який не бере участі в місії. «Ця активність проявляється у вигляді грандіозних танцюючих спалахів Північного сяйва та великих електричних струмів, і це може відбуватися дуже швидко. А якщо це відбувається швидко, це означає, що магнітні поля змінюються швидко». Саме ці швидкі зміни магнітного поля індукують шкідливі струми в провідниках на поверхні Землі.

Ключовим науковим методом місії EZIE буде використання ефекту Зеемана. Цей квантово-механічний ефект полягає в тому, що емісійні лінії атомів і молекул (лінії в спектрі світла, яке вони випромінюють) можуть розщеплюватися на кілька компонентів у присутності зовнішнього магнітного поля. Це розщеплення спричинене взаємодією внутрішніх магнітних моментів атомів чи молекул із зовнішнім полем. Вимірюючи характеристики цього розщеплення, можна визначити силу та напрямок магнітного поля.

EZIE використовуватиме своє тріо супутників для дистанційного вимірювання ефекту Зеемана на лінії випромінювання молекулярного кисню у верхній атмосфері. Це дозволить виміряти магнітні поля, індуковані електричними струмами (електроструменями), у різних місцях, особливо під час подій космічної погоди. Іншими словами, EZIE генеруватиме «карту струмів» — детальну карту структури електроструменя в полі зору супутників, пояснює Йі. Що ще важливіше: «Якщо ми запустимо кілька космічних апаратів, що пролітатимуть над цим регіоном одночасно, ми зможемо побачити цю структуру, [і] як ця структура змінюється з часом». Саме ця можливість спостерігати за динамікою електроструменів є унікальною перевагою місії.

Хоча ми можемо робити висновки про наявність та загальну силу електроструменів за допомогою наземних магнітометрів, велика відстань до іоносфери (де течуть струми) ускладнює детальне картування їхньої структури. Наприклад, Університет Альберти керує мережею магнітометрів CARISMA (Канадська мережа для досліджень магнітної активності в реальному часі). Ця величезна мережа датчиків охоплює тисячі кілометрів території Канади. Однак, незважаючи на таке покриття, «діагностувати детальну тонку структуру — це кошмар», — каже Манн. Це пов'язано з тим, що магнітні ефекти від дрібномасштабних структур струму можуть взаємно компенсуватися на поверхні Землі, стаючи невидимими для наземних приладів.

Такі особливості структури струмів можуть виявитися нижчими за роздільну здатність наземної мережі, «розмиваючись» у даних. А спостереження з космосу досі були обмежені: «зазвичай у вас є лише випадковий супутник, який пролітає крізь [електрострумінь]», надаючи лише моментальний знімок. Манн зазначає, що ідеалом було б «мати величезну мережу супутників, що летять одночасно», яка могла б локально картувати магнітні поля і розкривати динаміку розвитку космічних бур.

Окрім поодиноких наукових супутників, певну інформацію вдалося отримати завдяки експерименту AMPERE, що використовує магнітометри на борту комерційних супутників мережі Iridium. Однак роздільна здатність AMPERE значно нижча, ніж очікується від EZIE. «Роздільна здатність у просторі та часі все ще визначається часом прольоту космічного апарату», — пояснює Манн. «Супутники в сузір'ї AMPERE знаходяться приблизно за 10 хвилин один від одного вздовж своїх орбіт, а за 10 хвилин може статися багато чого».

Під час прольотів над електроструменями три супутники EZIE одночасно оцінюватимуть просторовий та часовий розвиток магнітних полів, які є безпосереднім підписом самих електроструменів. Дані EZIE, таким чином, допоможуть вченим краще зрозуміти, як розвиваються космічні бурі та як вони можуть негативно впливати на технологічну інфраструктуру на Землі та в космосі. Це знання є необхідним для вдосконалення моделей прогнозування космічної погоди.

Сонячні бурі створюють неймовірно красиві видовища, коли генерують полярні сяйва, але ставки значно вищі, коли вони впливають на електромережі чи супутники. Місія EZIE має на меті допомогти нам краще зрозуміти потоки енергії та струмів у навколоземному просторі, щоб захистити нашу інфраструктуру. Таким чином, ми зможемо одночасно насолоджуватися красою північного сяйва — і бути впевненими, що світло в наших домівках горітиме й надалі.