科学者たちは太陽周期予測という難しい課題にどのように取り組んでいるのか | クアンタマガジン

太陽は不変のように見え、常に点灯している退屈な天上の電球です。 しかし、この核融合によって動かされたプラズマの球は常に流動しています。 約 11 年ごとに、眠りと活動の間を揺れ動きます。, フレアやプラズマバーストなどの黒点や太陽爆発を特徴とする手に負えない時代。

太陽は現在、現在のサイクルでの活動の最大レベルに近づいていますが、正確には計画どおりに動作していません。 科学者たちは、今回の周期も前回と同様に弱いものになると予測していましたが、太陽は20年以上見られなかったレベルの活動を示しています。 米国海洋大気庁（NOAA）のデータによると、今年のXNUMX月とXNUMX月には平均して 黒点は約160個 毎日、予測のXNUMX倍以上の数です。 太陽フレアも増加しています。

予測と観察の間の食い違いは、2022 年 XNUMX 月にはすでに明らかでした。 ニコラ・フォックス — 当時 NASA 太陽物理学部門のディレクター — NASAのウェブサイトに書いてあった 「太陽は今周期、予想よりもはるかに活発だった」ということです。

脆弱なテクノロジーへの依存が高まっているため、信頼性の高い太陽周期予測がこれまで以上に重要になっています。 地球の大気は太陽活動によって膨張し、軌道上で操縦する必要がある（非常に多くの）衛星にかかる抵抗が増加します。 太陽の爆発は、電子機器を故障させ、無線信号を妨害し、GPS システムを混乱させ、電力網を混乱させる可能性があります。

ほとんどの予報と同様、太陽周期の予測には多くの課題があります。 あるサイクルから次のサイクルまで明確なパターンに従っているわけではなく、あるサイクルは他のサイクルよりも短いものであり、太陽物理学はまだ比較的若い学問です。 「私たちは気象予報士より約60年遅れていると言いたいのです」と述べた。 ロバート・リーモン、メリーランド大学の太陽物理学者。

歴史的に、研究者は太陽活動と黒点の数、黒点の総表面積、出現のタイミングとの間の統計的相関関係を探していました。 しかし、科学的なコンセンサスは、これらの技術は、たとえ近代化されたとしても、太陽の将来の挙動についてはあまり明らかにしないということだ。 現在、科学者たちは、より洗練された太陽観測に刺激されて、代わりに太陽の内部の仕組みをガイドとして使用する方法を評価し、改良しています。

進歩は遅いですが、11 年は長いです。太陽系予測の現状を詳しく見てみましょう。 

黒点を追いかけて

科学者たちは 400 年以上前、ガリレオが太陽の顔にまだらになる黒点を初めて観察したとき、うっかり太陽周期を追跡し始めました。 現在、これらの黒い斑点は太陽活動極大期には多く存在し、太陽極小期にはほとんど存在しないことが明らかです。 今日、科学者はその振動を引き起こす物理学についての理解を深め続けていますが、黒点は依然として太陽活動の代理として機能しています。

1989 年、NASA と NOAA は太陽周期予測パネルに次の太陽周期の強さとタイミングを予測するよう依頼し始めました。 そのために、パネルの専門家は、その分野の他の研究者が行った予測を評価します。 これらの予測では通常、と呼ばれる値が使用されます。 R — 太陽の活動の指標としての黒点数の 13 か月平均 (当月に両側の XNUMX か月を加えて平滑化または重み付けしたもの) — です。

釘付け R 次の最大値は太陽周期予測の頂点と考えられています。

ただし、パネルには大きな実績はありません。 １９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。、サイクル24予測委員会が審議を開始した。 最終的にはチームが 合意に達することができなかった そして、役に立たないことに、サイクル 24 は非常に弱いか非常に強いかのどちらかになるだろうと予測しました。 （結果的には弱かった。）「かなり真っ二つになってしまった」と彼は言った。 リサ・アプトン、現在のサイクル25予測パネルの共同議長であり、サウスウェスト研究所の太陽物理学者。 「白熱したやりとりもありました。」

25 年 2019 月に始まったサイクル 2019 の予測は、はるかに簡単に見えました。 2025年115月、アプトンらは61年XNUMX月に黒点の平均がXNUMX個になり、ピークに達すると予測した。 彼らは XNUMX 件の予測を精査しました。 R 値の範囲は 50 から 229 でしたが、彼らは互いにほぼ一致する太陽物理学に基づく予測クラスを支持しました。

「とても簡単にできました」とアプトン氏は語った。 「かなり弱いサイクルになるだろうということで全員が同意した。」

太陽には別の計画がありました。

変化の兆し

現代の物理学に基づく手法には XNUMX つの種類があります。 次のサイクルの強さを予見する、前兆と呼ばれる観察可能な物理的パラメーターを探します。 もう XNUMX つは、コンピューター モデリングを使用して太陽の物理学を再作成し、太陽を前方に回転させます。

前駆体の中で、これまでのところ最も成功した予測因子は、太陽極小期における太陽の極の磁場の強さであり、サイクル 25 予測委員会はこれに基づいて現在の予測を行っています。 太陽が休止状態にあるとき、その磁場は正と負の端を持つ棒磁石のような双極子になります。 双極子の強さは、最終的に磁場の極性を反転させるプロセスを支配し、それが太陽周期を引き起こします。 科学者たちは長年にわたり、極地の最小の強さが、次のサイクルの強さと強い相関があることを発見しました。

この予測器に問題があるのは、1976 年以来、極磁場が直接測定されたのは過去 XNUMX 周期のみであることです。しかし、その強さを測定する間接的な方法があります。 aa-インデックス、地球の磁場の乱れを極地の磁場の強さの代用として使用します。 それらは 150 年以上にわたって測定されており、別のデータ ポイントのクラスターを提供します。

「13 ポイントの場合、相関関係は偶然かもしれませんが、XNUMX ポイントを獲得すると、偶然とは思えなくなります。」 ロバートキャメロン、ドイツのゲッティンゲンにあるマックス・プランク太陽系研究所の太陽物理学者で、最後の予測パネルの一員でした。

新たなる希望

最近、Leamon と スコット・マッキントッシュ 国立大気研究センターの研究者らは、ターミネーター現象と呼ばれる別の有望な前兆現象を特定しました。 これは、前のサイクルからの磁気活動が消滅し、新しいサイクルからの磁気活動に置き換わる瞬間です。

リーモンとマッキントッシュは、ターミネーターのタイミングが新しいサイクルの強さに対応していることを示唆する手がかりを過去のデータから発見しました。早期のターミネーターはより多くの黒点に変換され、したがってより強いサイクルになります。 2021年25月に発生した最後のターミネーターに基づいて、両氏はサイクル185が黒点2024個で最大となり、公式予測よりほぼXNUMX年早いXNUMX年XNUMX月にピークに達すると予測した。

「ほくそ笑むつもりはないよ」とリーモンは言った。 「しかし、[太陽]は確かにパネルのコンセンサスよりもはるかに活動的です。」

ただし、ほとんどの前兆手法には太陽極小期に基づいているという制限があり、科学者はサイクルが始まろうとしているまで新たな予測を行うことができません。 そのため、彼らは複雑な気候予測モデルに似た物理ベースの手法による支援を求めることがあります。 これらのコンピューター シミュレーションでは、流体力学と電磁気学を使用して太陽物理学を再現します。 次に科学者は観測データを入力して、数年後の極域やその他の前兆がどのようになるかを予測します。

埋もれたロジック

しかし、物理学に基づく予測は、サイクル 25 委員会が分析した予測の半分にすぎません。 残りの部分は、現時点ではおそらくそれほど成功していませんが、将来的には役立つことが判明する可能性があります。

これらはさまざまな戦略を組み合わせたもので、そのほとんどは過去の太陽周期を使用して現在の黒点の数を予測します。 このような方法では、黒点と、最初はかなりランダムに見えるものとの間に強い相関関係が見つかることがあるという。 ビクトル・サンチェス・カラスコ、スペインのエストレマドゥーラ大学の太陽物理学者。 こうした相関関係は単なる偶然かもしれないが、「まだ理解していない基礎的な物理学」を利用している可能性もある、と同氏は語った。

そして物理学者たちは、人工知能やニューラルネットワークを使用して何世紀にもわたる黒点データ間の相関関係を探すなど、新しいアプローチを試み続けています。 「これほど長い時系列には神秘性がある」と天体物理学者は語った エウリコ・コバス、ポルトガルの天体物理学宇宙科学研究所との共同研究者。

今のところアプトン氏は、委員会の予測はまだ終わっていないと考えている。 「サイクル（強さ）は我々の予想よりも少し大きくなるかもしれないが、大幅に大きくなるわけではないようだ」と彼女は述べた。 彼女は、すべてのデータを入力すると、滑らかな曲線はおそらく役に立たないと指摘しています。 劇的に逸脱する NOAA がプロットする月平均として。 そして 現在のサイクルの進化に基づいて, カラスコ氏は、サイクル25は委員会の予測よりも強力になる可能性が高いが、それでも平均よりは弱いことに同意する。 「太陽周期25がどこへ向かうのかを見るには、今後XNUMXか月が鍵となる」と同氏は述べた。

こうした不確実性にもかかわらず、リーモン氏は物理学者が正確な予測を立てることができる段階に近づいていると確信している。 次回の委員会が招集される2030年までには、「我々はこの問題をもっとうまく扱えるようになるだろう」と彼は語った。 「これは、私たちが完全に理解していない最後のサイクルになるだろう。」