과학자들이 태양 주기 예측이라는 까다로운 작업을 어떻게 처리하고 있나요 | 콴타 매거진

태양은 불변해 보입니다. 항상 켜져 있는 지루한 천체 전구입니다. 하지만 이 핵융합으로 구동되는 플라즈마 공은 끊임없이 유동하고 있습니다. 약 11년마다 수면과 활동 사이를 오갑니다., 태양 흑점과 플레어 및 플라즈마 폭발과 같은 태양 폭발로 표시되는 다루기 힘든 시대입니다.

태양은 이제 현재 주기의 최대 활동 수준에 접근하고 있으며 계획대로 정확히 행동하지 않습니다. 과학자들은 이 주기가 이전 주기처럼 약할 것이라고 예측했지만, 태양은 지난 20년 넘게 볼 수 없었던 수준의 활동을 보이고 있습니다. 미국 국립해양대기청(NOAA) 자료에 따르면 올해 XNUMX월과 XNUMX월 평균 흑점 약 160개 매일 예상보다 두 배 이상 증가했습니다. 태양 플레어도 증가하고 있습니다.

예측과 관찰 사이의 불일치는 2022년 XNUMX월 초에 명백해졌습니다. 니콜라 폭스 — 당시 NASA의 태양물리학 부문 책임자 — NASA 웹사이트에 쓴 글 "태양은 이번 주기에 예상했던 것보다 훨씬 더 활동적이었습니다."

취약한 기술에 대한 의존도가 높아짐에 따라 신뢰할 수 있는 태양 주기 예측이 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 지구의 대기는 태양 활동으로 인해 부풀어 오르고 궤도에서 이동하는 데 필요한 (매우 많은) 위성의 항력을 증가시킵니다. 태양 폭발은 전자 장비를 태우고, 무선 신호를 방해하고, GPS 시스템을 혼란스럽게 하고, 전력망을 혼란시킬 수 있습니다.

대부분의 예측과 마찬가지로 태양 주기를 예측하는 데에는 어려움이 많습니다. 한 주기에서 다음 주기까지 명확한 패턴을 따르지 않으며 일부는 다른 주기보다 짧으며 태양 물리학은 여전히 ​​상대적으로 젊은 학문입니다. “우리는 일기예보보다 약 60년 정도 뒤쳐져 있다고 말하고 싶습니다.” 로버트 리몬, 메릴랜드 대학의 태양 물리학자.

역사적으로 연구자들은 태양 활동과 흑점 수, 전체 표면적, 출현 시기 사이의 통계적 상관관계를 조사했습니다. 그러나 과학적 합의는 이러한 기술이 현대화되더라도 태양의 미래 행동에 대해 많은 것을 밝혀주지 못한다는 것입니다. 이제 보다 정교한 태양 관측에 힘입어 과학자들은 태양의 내부 작용을 지침으로 사용하는 방법을 평가하고 개선하고 있습니다.

진행 속도는 느리지만(11년은 긴 시간입니다) 태양계 예측의 현재 상태를 자세히 살펴보겠습니다. 

흑점 추적

과학자들은 400여년 전 갈릴레오가 처음으로 태양 표면에 얼룩진 흑점을 관찰했을 때 의도치 않게 태양 주기를 추적하기 시작했습니다. 이제 이러한 검은 얼룩은 태양 극대기에 풍부하고 태양 극소기에는 대부분 나타나지 않는다는 것이 분명해졌습니다. 오늘날 과학자들은 진동을 주도하는 물리학에 대한 이해를 계속해서 향상시키고 있지만 흑점은 여전히 ​​태양 활동의 대리 역할을 합니다.

1989년에 NASA와 NOAA는 태양 주기 예측 패널에 다음 태양 주기의 강도와 시기를 예측하도록 요청하기 시작했습니다. 이를 위해 패널 전문가는 해당 분야의 다른 연구자가 내린 예측을 평가합니다. 이러한 예측은 일반적으로 다음과 같은 값을 사용합니다. R — 태양 흑점 수의 13개월 평균(현재 달에 대해 평활화 또는 가중치 부여, 양쪽의 XNUMX개월 더하기) — 태양 활동의 지표.

못 박는 R 다음 최대값은 태양주기 예측의 정점으로 간주됩니다.

그러나 패널은 좋은 실적을 가지고 있지 않습니다. 2006에서, Cycle 24 예측 패널이 심의를 시작했습니다. 결국 팀은 합의에 이르지 못했다 그리고 24주기가 매우 약하거나 매우 강할 것이라고 예측했지만 도움이 되지 않았습니다. (약한 것으로 밝혀졌습니다.) “그들은 매우 반으로 갈라졌습니다.”라고 말했습니다. 리사 업튼, 현재 Cycle 25 예측 패널의 공동 의장이자 Southwest Research Institute의 태양 물리학 자입니다. "몇몇 열띤 교류가 있었습니다."

25년 2019월에 시작된 2019주기 예측은 훨씬 더 간단해 보였습니다. 2025년 115월 업튼과 그녀의 동료들은 61년 XNUMX월에 평균 XNUMX개의 흑점으로 정점에 달할 것이라고 예측했습니다. 그들은 XNUMX개의 예측을 선별했습니다. R 값 범위는 50에서 229까지이지만 그들은 대체로 서로 일치하는 태양 물리학을 기반으로 한 예측 클래스를 선호했습니다.

Upton은 “우리는 꽤 쉬웠습니다.”라고 말했습니다. "우리 모두는 상당히 약한 사이클이 있을 것이라는 데 동의했습니다."

태양은 다른 계획을 가지고있었습니다.

변화의 징후

현대 물리학 기반 방법은 두 가지 형태로 제공됩니다. 다가오는 주기의 강도를 예고하는 전구체라고 불리는 관찰 가능한 물리적 매개변수를 찾습니다. 다른 하나는 컴퓨터 모델링을 사용하여 태양의 물리학을 재현하고 앞으로 회전시킵니다.

전구체 중에서 지금까지 가장 성공적인 예측 변수는 태양 극소기 동안 태양 극의 자기장의 강도입니다. 사이클 25 예측 패널은 현재 예측을 기반으로 했습니다. 태양이 휴면 상태일 때 태양의 자기장은 양극과 음극이 있는 막대 자석처럼 쌍극자입니다. 쌍극자의 강도는 결국 자기장의 극성을 뒤집어 태양 주기를 일으키는 과정을 지배합니다. 과학자들은 수년에 걸쳐 최소한의 극장의 강도가 다가오는 주기의 강도와 강한 상관관계가 있다는 사실을 발견했습니다.

이 예측 변수의 한 가지 문제점은 극장이 1976년 이후 마지막 XNUMX주기 동안만 직접 측정되었다는 것입니다. 그러나 강도를 측정하는 간접적인 방법이 있습니다. aa-인덱스, 이는 지구 자기장의 교란을 극장 강도의 대리자로 사용합니다. 이는 150년 넘게 측정되어 또 다른 데이터 포인트 클러스터를 제공합니다.

"13개의 포인트가 있으면 상관관계는 우연일 수 있지만 XNUMX개의 포인트를 얻으면 우연의 일치처럼 보이지 않습니다."라고 말했습니다. 로버트 카메론, 독일 괴팅겐에 있는 막스 플랑크 태양계 연구 연구소의 태양 물리학자이자 마지막 예측 패널의 일원이었습니다.

새로운 희망

최근 Leamon이 주도한 연구에 따르면 스콧 매킨토시 국립 대기 연구 센터(National Center for Atmospheric Research)는 터미네이터 사건(terminator event)이라는 또 다른 유망한 전조를 확인했습니다. 이전 주기의 자기 활동이 사라지고 새로운 주기의 자기 활동으로 대체되는 순간입니다.

Leamon과 McIntosh는 역사적 데이터에서 터미네이터의 시점이 새로운 주기의 강도와 일치한다는 것을 암시하는 단서를 찾았습니다. 즉, 초기 터미네이터는 더 많은 흑점으로 변환되어 더 강한 주기로 변환됩니다. 2021년 25월에 발생한 마지막 터미네이터를 기반으로 두 사람은 사이클 185가 2024개의 흑점에서 최대치에 도달하고 공식 예측보다 거의 XNUMX년 빠른 XNUMX년 XNUMX월에 정점에 이를 것이라고 예측했습니다.

"나는 기뻐하지 않을 것입니다"라고 Leamon이 말했습니다. "그러나 [태양]은 확실히 패널 합의보다 훨씬 더 활동적입니다."

그러나 대부분의 전구체 방법의 한 가지 한계는 태양 극소기에 기반을 두고 있다는 것입니다. 즉, 과학자들은 주기가 시작될 때까지 새로운 예측을 할 수 없습니다. 이것이 그들이 때때로 복잡한 기후 예측 모델과 유사한 물리학 기반 방법의 도움을 찾는 이유입니다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션은 유체 역학과 전자기학을 사용하여 태양 물리학을 재현합니다. 그런 다음 과학자들은 관측 데이터를 입력하여 몇 년 후에 극장과 기타 전구체가 어떤 모습일지 예측합니다.

묻혀있는 논리

그러나 물리학 기반 예측은 Cycle 25 패널이 분석한 예측의 절반에 불과합니다. 나머지는 지금은 성공률이 떨어지더라도 미래에는 유용할 수 있습니다.

이들은 혼합된 전략이며, 대부분은 이전 태양 주기를 사용하여 현재 흑점 수를 예측합니다. 이러한 방법은 때때로 흑점과 처음에는 꽤 무작위로 보이는 것들 사이의 강한 상관관계를 찾아낸다고 말했습니다. 빅토르 산체스 카라스코, 스페인 엑스트레마두라 대학의 태양 물리학자. 이러한 상관관계는 단지 우연의 일치일 수도 있지만 "우리가 아직 이해하지 못하는 일부 기본 물리학"을 활용할 가능성도 있다고 그는 말했습니다.

그리고 물리학자들은 인공 지능이나 신경망을 사용하여 수세기에 걸친 흑점 데이터 간의 상관 관계를 검색하는 등 새로운 접근 방식을 계속 시도하고 있습니다. “이렇게 긴 시계열에는 신비로움이 있습니다.”라고 천체물리학자는 말했습니다. 유리코 코바스, 포르투갈 천체 물리학 및 우주 과학 연구소의 공동 작업자입니다.

현재로서는 Upton은 패널의 예측이 아직 끝나지 않았다고 생각합니다. “주기[강도]는 우리가 예상한 것보다 약간 클 수 있지만 크게 크지는 않은 것 같습니다.”라고 그녀는 말했습니다. 그녀는 일단 모든 데이터가 입력되면 평활화된 곡선이 아마도 그렇지 않을 것이라고 지적합니다. 극적으로 벗어나다 NOAA가 표시하는 월간 평균입니다. 그리고 현재 사이클의 진화를 기반으로, Carrasco는 Cycle 25가 패널의 예측보다 강할 가능성이 높지만 여전히 평균보다 약할 것이라는 데 동의합니다. “향후 25개월은 태양주기 XNUMX가 어디로 가는지 확인하는 데 중요합니다.”라고 그는 말했습니다.

이러한 불확실성에도 불구하고 Leamon은 물리학자들이 정확한 예측을 거의 할 수 있다고 확신합니다. 2030년까지 다음 패널이 소집되면 "우리는 이 문제를 훨씬 더 잘 처리할 수 있을 것"이라고 그는 말했습니다. "이것은 우리가 완전히 이해하지 못하는 마지막 주기가 될 것입니다."