Kuidas teadlased päikesetsükli ennustamise keerulise ülesandega toime tulevad | Quanta ajakiri

Päike näib muutumatu, igav taevalik lambipirn, mis on alati sisse lülitatud. Kuid see termotuumasünteesi jõul töötav plasmapall on pidevas voolus. Umbes iga 11 aasta järel kõigub see uinumise ja aktiivse tegevuse vahel, rahutu epohh, mida iseloomustavad päikeselaigud ja päikesepursked, nagu rakud ja plasmapursked.

Päike läheneb praeguse tsükli maksimaalsele aktiivsuse tasemele ja see ei käitu täpselt plaanipäraselt. Teadlased olid ennustanud, et see tsükkel on nagu eelminegi nõrk, kuid päikese aktiivsus on seninägematu enam kui 20 aasta jooksul. Selle aasta juunis ja juulis oli see riikliku ookeani- ja atmosfääriameti (NOAA) andmetel keskmine umbes 160 päikeselaiku päevas, üle kahe korra rohkem kui ennustati. Samuti sagenevad päikesepursked.

Prognoosi ja vaatluse vaheline lahknevus ilmnes juba 2022. aasta juulis, mil Nicola Fox — siis NASA heliofüüsika osakonna direktor — kirjutas NASA veebisaidil et "Päike on selles tsüklis olnud oodatust palju aktiivsem."

Usaldusväärne päikesetsükli ennustus on nüüd olulisem kui kunagi varem, kuna meie sõltuvus haavatavast tehnoloogiast kasvab. Maa atmosfäär paisub päikese aktiivsusega ja suurendab (väga paljude) satelliitide takistust, mis peavad orbiidil manööverdama. Päikesepuhangud võivad elektroonikaseadmeid praadida, raadiosignaale segada, GPS-süsteeme segadusse ajada ja elektrivõrke häirida.

Nagu enamiku prognooside puhul, on päikesetsükli ennustamisel palju väljakutseid. See ei järgi selget mustrit ühest tsüklist teise - mõned on lühemad kui teised - ja päikesefüüsika on veel suhteliselt noor teadusharu. "Meile meeldib öelda, et oleme ilmaennustajatest umbes 60 aastat maas," ütles Robert Leamon, päikesefüüsik Marylandi ülikoolist.

Ajalooliselt otsisid teadlased statistilisi seoseid päikese aktiivsuse ja päikeselaikude arvu, nende kogupindala ja nende ilmumise aja vahel. Kuid teaduslik konsensus on see, et need tehnikad - isegi kui need on moderniseeritud - ei paljasta palju päikese tulevase käitumise kohta. Nüüd, tänu keerukamatele päikesevaatlustele, hindavad ja täiustavad teadlased meetodeid, mis kasutavad juhisena hoopis päikese sisemist tööd.

Kuigi areng on aeglane – 11 aastat on pikk aeg –, vaatame lähemalt päikesesüsteemi prognoosimise hetkeseisu. 

Päikeselaikude tagaajamine

Teadlased hakkasid tahtmatult päikesetsüklit jälgima rohkem kui 400 aastat tagasi, kui Galileo esimest korda täheldas päikeselaigud päikese näol. Nüüd on selge, et neid tumedaid laike on päikese maksimumi ajal palju ja päikese miinimumi korral enamasti puuduvad. Tänapäeval, kui teadlased jätkavad oma arusaamist võnkumist põhjustavast füüsikast, on päikeselaigud endiselt päikese aktiivsuse asendusnäitajad.

1989. aastal hakkasid NASA ja NOAA paluma päikesetsükli ennustuspaneelidel prognoosida järgmise päikesetsükli tugevust ja ajastust. Selleks hindavad paneelieksperdid teiste valdkonna teadlaste tehtud ennustusi. Need ennustused kasutavad tavaliselt väärtust nimega R — päikeselaikude arvu 13 kuu keskmine (jooksva kuu silutud või kaalutud pluss kuus kuud mõlemal küljel) — päikese aktiivsuse näitajana.

Naelutamine R järgmist maksimumi peetakse päikesetsükli ennustamise tipuks.

Paneelidel pole aga suuri tulemusi. in 2006, alustas tsükli 24 ennustuspaneel oma arutelusid; lõpuks meeskond ei suutnud üksmeelele jõuda ja ennustas, et tsükkel 24 on kas väga nõrk või väga tugev. (See osutus nõrgaks.) "Nad jagunesid väga pooleks," ütles Lisa Upton, praeguse tsükli 25 ennustuspaneeli kaasesimees ja Southwest Research Institute'i päikesefüüsik. "Seal oli tuline vahetus."

Ennustamistsükkel 25 – mis sai alguse 2019. aasta detsembris – näis olevat palju lihtsam. 2019. aasta märtsis ennustasid Upton ja tema kolleegid, et see saavutab haripunkti 2025. aasta juulis, keskmiselt 115 päikeselaiku. Nad olid läbi sõelunud 61 ennustust R väärtused vahemikus 50 kuni 229, kuid need eelistasid päikesefüüsikal põhinevat ennustuste klassi, mis olid suures osas üksteisega kooskõlas.

"Meil oli üsna lihtne," ütles Upton. "Me kõik nõustusime, et tuleb üsna nõrk tsükkel."

Päikesel olid teised plaanid.

Muutuse märgid

Kaasaegsetel füüsikal põhinevatel meetoditel on kaks maitset. Otsitakse jälgitavaid füüsilisi parameetreid, mida nimetatakse eelkäijateks, mis ennustavad eelseisva tsükli tugevust. Teine kasutab arvutimodelleerimist päikese füüsika taasloomiseks ja selle edasikeeramiseks.

Eelkäijatest on seni kõige edukam ennustaja päikesepooluste magnetvälja tugevus päikese miinimumi ajal – millele Cycle 25 ennustuspaneel oma praeguse prognoosi aluseks võttis. Kui päike on uinunud, on selle magnetväli dipool, nagu positiivsete ja negatiivsete otstega varrasmagnet. Dipooli tugevus reguleerib protsessi, mis lõpuks muudab magnetvälja polaarsuse, mis põhjustab päikesetsükli. Teadlased on aastate jooksul leidnud, et polaarvälja minimaalne tugevus on tugevas korrelatsioonis eelseisva tsükli tugevusega.

Selle ennustaja üks puudus on see, et polaarvälja on otseselt mõõdetud ainult viimase nelja tsükli jooksul, alates 1976. aastast. Kuid selle tugevuse mõõtmiseks on kaudseid viise, näiteks aa-indeks, mis kasutab polaarvälja tugevuse proksina Maa magnetvälja häireid; neid on mõõdetud üle 150 aasta – see pakub veel ühte andmepunktide klastrit.

"Nelja punkti puhul võib korrelatsioon olla kokkusattumus, kuid kui saate 13 punkti, siis tundub see vähem kokkusattumusena," ütles ta. Robert Cameron, Saksamaal Göttingenis asuva Max Plancki Päikesesüsteemi Uurimise Instituudi päikesefüüsik, kes oli osa viimasest ennustuspaneelist.

New Hope

Hiljuti viidi läbi Leamoni ja Scott McIntosh Riiklik Atmosfääriuuringute Keskus tuvastas veel ühe paljulubava eelkäija, mida nimetatakse terminaatorisündmuseks. See on hetk, mil eelmise tsükli magnetiline aktiivsus kaob ja asendub uue magnetilise aktiivsusega.

Leamon ja McIntosh leidsid ajaloolistest andmetest vihjeid, mis viitavad sellele, et terminaatori ajastus vastab uue tsükli tugevusele: varajane terminaator tähendab rohkem päikeselaike ja seega tugevamat tsüklit. 2021. aasta detsembris toimunud viimase terminaatori põhjal ennustas paar, et tsükkel 25 saavutab maksimaalselt 185 päikeselaiku ja saavutab haripunkti 2024. aasta juulis, peaaegu terve aasta varem kui ametlik ennustus.

"Ma ei hakka hiilgama," ütles Leamon. "Kuid [päike] on kindlasti palju aktiivsem kui paneeli konsensus."

Enamiku lähtemeetodite üheks piiranguks on aga see, et need põhinevad päikeseenergia miinimumil – teadlased ei saa teha uut ennustust enne, kui tsükkel on algamas. Seetõttu otsivad nad mõnikord abi füüsikapõhistest meetoditest, mis on sarnased keerukate kliimaennustusmudelitega. Need arvutisimulatsioonid kasutavad päikesefüüsika taasloomiseks vedeliku dünaamikat ja elektromagnetismi; Seejärel söödavad teadlased vaatlusandmeid, et ennustada, milline võib polaarväli ja muud lähteained mõne aasta pärast välja näha.

Maetud loogika

Kuid füüsikapõhised ennustused on vaid pooled tsükli 25 paneeli analüüsitud prognoosidest. Ülejäänud, kuigi praegu võib-olla vähem edukad, võivad tulevikus kasulikuks osutuda.

Need on strateegiate segu, millest enamik kasutab päikeselaikude praeguse arvu ennustamiseks eelnevaid päikesetsükleid. Sellised meetodid leiavad mõnikord tugeva seose päikeselaikude ja asjade vahel, mis esialgu tunduvad üsna juhuslikud, ütles Víctor Sánchez Carrasco, päikesefüüsik Hispaanias Extremadura ülikoolis. Ta ütles, et need korrelatsioonid võivad olla lihtsalt kokkusattumus, kuid on ka võimalus, et nad puutuvad kokku "mõninga aluseks oleva füüsikaga, mida me ikka veel ei mõista".

Ja füüsikud jätkavad uute lähenemisviiside katsetamist, näiteks tehisintellekti või närvivõrkude kasutamist, et otsida seoseid sajanditepikkuste päikeselaikude andmete vahel. "Nii pikkade aegridadega on seotud müstika," ütles astrofüüsik Eurico Covas, Portugali astrofüüsika ja kosmoseteaduste instituudi kaastöötaja.

Praegu arvab Upton endiselt, et paneeli ennustus pole veel surnud. "Paistab, et tsükkel [tugevus] võib olla veidi suurem, kui me ennustasime, kuid mitte oluliselt suurem," ütles ta. Ta märgib, et silutud kõver, kui kõik andmed on sisestatud, tõenäoliselt ei toimi sama dramaatiliselt kõrvale kalduda kuu keskmistena, mille NOAA joonistab. Ja põhineb praeguse tsükli arengulCarrasco nõustub, et tsükkel 25 on tõenäoliselt tugevam kui paneeli ennustus, kuid siiski keskmisest nõrgem. "Järgmised kuus kuud on võtmetähtsusega, et näha, kuhu päikesetsükkel 25 läheb," ütles ta.

Vaatamata nendele ebakindlustele on Leamon kindel, et füüsikud on peaaegu võimelised tegema täpseid ennustusi. Aastaks 2030, kui koguneb järgmine paneel, "saame sellega palju paremini hakkama," ütles ta. "See on viimane tsükkel, millest me täielikult aru ei saa."