Hvordan videnskabsmænd tackler den vanskelige opgave med forudsigelse af solcyklus | Quanta Magasinet

Solen ser uforanderlig ud, en kedelig himmelsk pære, der altid er tændt. Men denne fusionsdrevne kugle af plasma er i konstant flux. Hvert 11. år eller deromkring, svinger det mellem slumring og aktiv, uregerlig epoke præget af solpletter og soludbrud, såsom blus og plasmaudbrud.

Solen nærmer sig nu sit maksimale aktivitetsniveau i den aktuelle cyklus, og den opfører sig ikke helt efter planen. Forskere havde forudsagt, at denne cyklus ville være svag, ligesom den forrige, men solen udviser et aktivitetsniveau, som ikke er set i mere end 20 år. I juni og juli i år var gennemsnittet ifølge data fra National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) omkring 160 solpletter dagligt, mere end dobbelt så mange som forudsagt. Soludbrud er også stigende.

Uoverensstemmelsen mellem forudsigelse og observation var tydelig allerede i juli 2022, da Nicola Fox — dengang direktøren for NASAs heliofysikafdeling — skrev på NASAs hjemmeside at "Solen har været meget mere aktiv i denne cyklus end forventet."

En pålidelig solcyklus forudsigelse er nu vigtigere end nogensinde på grund af vores stigende afhængighed af sårbar teknologi. Jordens atmosfære puster op med solaktivitet og øger luftmodstanden på de (rigtig mange) satellitter, der skal manøvrere i kredsløb. Soludbrud kan stege elektronisk udstyr, blokere radiosignaler, forvirre GPS-systemer og forstyrre strømnettet.

Som med de fleste prognoser er udfordringerne ved at forudsige solcyklussen talrige. Det følger ikke et klart mønster fra den ene cyklus til den næste - nogle er kortere end andre - og solfysik er stadig en relativt ung disciplin. "Vi kan godt lide at sige, at vi er omkring 60 år bagud med vejrudsigterne," sagde Robert Leamon, en solfysiker ved University of Maryland.

Historisk set ledte forskere efter statistiske sammenhænge mellem solaktivitet og antallet af solpletter, deres samlede overfladeareal og tidspunktet for deres fremkomst. Men den videnskabelige konsensus er, at disse teknikker - selv mens de er moderniserede - ikke afslører meget om solens fremtidige adfærd. Nu, drevet af mere sofistikerede solobservationer, evaluerer og finjusterer forskere metoder, der i stedet bruger solens indre virke som en guide.

Mens fremskridtet er langsomt - 11 år er lang tid - lad os se nærmere på den nuværende tilstand af forudsigelse af solsystemet. 

Jagter solpletter

Forskere begyndte utilsigtet at spore solcyklussen for mere end 400 år siden, da Galileo første gang observerede solpletter, der plettede solens ansigt. Nu er det klart, at disse mørke pletter er rigelige under sol-maksimum og for det meste fraværende ved sol-minimum. I dag, mens videnskabsmænd fortsætter med at forbedre deres forståelse af fysikken, der driver denne svingning, tjener solpletter stadig som en proxy for solens aktivitet.

I 1989 begyndte NASA og NOAA at bede paneler til forudsigelse af solcyklus om at forudsige styrken og timingen af ​​den næste solcyklus. For at gøre det evaluerer paneleksperter forudsigelser lavet af andre forskere på området. Disse forudsigelser bruger typisk en værdi kaldet R — 13-månedersgennemsnittet af antallet af solpletter (udjævnet eller vægtet over den aktuelle måned plus seks måneder på begge sider) — som en indikator for solens aktivitet.

Negle R for det næste maksimum betragtes som toppen af ​​solcyklusforudsigelse.

Panelerne har dog ikke en god track record. I 2006, cyklus 24 forudsigelsespanelet begyndte sine overvejelser; i sidste ende holdet ikke kunne nå til enighed og forudsagde, uden hjælp, at cyklus 24 ville være enten meget svag eller meget stærk. (Det viste sig at være svagt.) "De var meget delt i to," sagde Lisa Upton, medformand for det nuværende Cycle 25-forudsigelsespanel og en solfysiker ved Southwest Research Institute. "Der var nogle ophedede udvekslinger."

Forudsigelse af cyklus 25 - som startede i december 2019 - så ud til at være meget enklere. I marts 2019 forudsagde Upton og hendes kolleger, at det ville toppe i juli 2025 med et gennemsnit på 115 solpletter. De havde gennemset 61 forudsigelser med R værdier fra 50 til 229, men de favoriserede en klasse af forudsigelser baseret på solfysik, der stort set var i overensstemmelse med hinanden.

"Vi havde det ret nemt," sagde Upton. "Vi var alle enige om, at der ville være en ret svag cyklus."

Solen havde andre planer.

Tegn på forandring

Moderne fysikbaserede metoder kommer i to varianter. Man leder efter observerbare fysiske parametre - kaldet forstadier - der varsler styrken af ​​den kommende cyklus. Den anden bruger computermodellering til at genskabe solens fysik og dreje den fremad.

Blandt forstadier er den hidtil mest succesrige forudsigelse styrken af ​​magnetfeltet ved solens poler under solminimum - som Cycle 25-forudsigelsespanelet baserede sin nuværende prognose på. Når solen er i dvale, er dens magnetfelt en dipol, som en stangmagnet med positive og negative ender. Dipolens styrke styrer en proces, der til sidst vender polariteten af ​​det magnetiske felt, hvilket forårsager solcyklussen. Forskere har gennem årene fundet ud af, at styrken af ​​det polære felt som minimum er stærkt korreleret til styrken af ​​den kommende cyklus.

Et problem med denne forudsigelse er, at polarfeltet kun er blevet målt direkte for de sidste fire cyklusser siden 1976. Men der er indirekte måder at måle dets styrke på, som f.eks. aa-indeks, som bruger forstyrrelser i Jordens magnetfelt som en proxy for polarfeltstyrken; disse er blevet målt i over 150 år - og tilbyder endnu en klynge af datapunkter.

"Med fire point kan sammenhængen være en tilfældighed, men når du først får 13 point, ligner det mindre en tilfældighed," sagde Robert Cameron, en solfysiker ved Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland, som var en del af det sidste forudsigelsespanel.

Et nyt håb

For nylig er en undersøgelse ledet af Leamon og Scott McIntosh fra National Center for Atmospheric Research identificeret en anden lovende forløber kaldet en terminator-begivenhed. Det er det øjeblik, hvor magnetisk aktivitet fra den forrige cyklus forsvinder og erstattes af magnetisk aktivitet fra den nye.

Leamon og McIntosh fandt spor i historiske data, der tyder på, at timingen af ​​terminatoren svarer til styrken af ​​den nye cyklus: En tidlig terminator udmønter sig i flere solpletter og dermed en stærkere cyklus. Baseret på den sidste terminator, som fandt sted i december 2021, forudsagde parret, at cyklus 25 ville maxe ved 185 solpletter og toppe i juli 2024, næsten et helt år tidligere end den officielle forudsigelse.

"Jeg vil ikke glæde mig," sagde Leamon. "Men [solen] er bestemt meget mere aktiv end panelets konsensus."

En begrænsning af de fleste forløbermetoder er dog, at de er baseret på solminimum - forskere kan ikke lave en ny forudsigelse, før cyklussen er ved at begynde. Det er derfor, de nogle gange leder efter hjælp fra fysikbaserede metoder, der ligner komplekse klimaforudsigelsesmodeller. Disse computersimuleringer bruger væskedynamik og elektromagnetisme til at genskabe solfysik; videnskabsmænd indlæser derefter observationsdata for at forudse, hvordan polarfeltet og andre forstadier kunne se ud om et par år.

En begravet Logik

Men fysikbaserede forudsigelser er kun halvdelen af ​​de prognoser, som Cycle 25-panelet analyserede. Resten, selvom det måske er mindre vellykket nu, kan vise sig nyttigt i fremtiden.

Disse er en blanding af strategier, hvoraf de fleste bruger tidligere solcyklusser til at forudsige det nuværende antal solpletter. Sådanne metoder finder nogle gange stærke sammenhænge mellem solpletter og ting, der i starten ser ud til at være ret tilfældige, sagde Víctor Sánchez Carrasco, en solfysiker ved University of Extremadura i Spanien. Disse sammenhænge kan bare være tilfældigheder, sagde han, men der er også en chance for, at de benytter sig af "noget underliggende fysik, som vi stadig ikke forstår."

Og fysikere fortsætter med at prøve nye tilgange, såsom at bruge kunstig intelligens eller neurale netværk til at søge efter sammenhænge mellem århundreders solpletdata. "Der er en mystik forbundet med så lange tidsserier," sagde astrofysikeren Eurico Covas, en samarbejdspartner med Institut for Astrofysik og Rumvidenskab i Portugal.

For nu mener Upton stadig, at panelets forudsigelse ikke er død endnu. "Det ser ud til, at cyklussen [styrken] kan være en lille smule større, end vi forudsagde, men ikke væsentligt større," sagde hun. Hun bemærker, at den udjævnede kurve, når alle data er i, sandsynligvis ikke vil afvige så dramatisk som de månedlige gennemsnit, som NOAA plotter. Og baseret på den nuværende cyklus udviklingCarrasco er enig i, at cyklus 25 sandsynligvis vil være stærkere end panelets forudsigelse, men stadig svagere end gennemsnittet. "De næste seks måneder er nøglen til at se, hvor Solar Cycle 25 er på vej hen," sagde han.

På trods af disse usikkerheder er Leamon overbevist om, at fysikere er tæt på at kunne give nøjagtige forudsigelser. Inden 2030, når det næste panel mødes, "vil vi have et meget bedre greb om det," sagde han. "Dette bliver den sidste cyklus, vi ikke helt forstår."