Hoe wetenschappers de lastige taak van het voorspellen van de zonnecyclus aanpakken | Quanta-tijdschrift

De zon ziet er onveranderlijk uit, een saaie hemelse gloeilamp die altijd aanstaat. Maar deze door fusie aangedreven plasmabal is voortdurend in beweging. Elke elf jaar schommelt het tussen sluimeren en actief zijn, een onhandelbaar tijdperk gekenmerkt door zonnevlekken en zonne-uitbarstingen, zoals zonnevlammen en plasma-uitbarstingen.

De zon nadert nu haar maximale activiteitsniveau in de huidige cyclus, en gedraagt ​​zich niet bepaald volgens plan. Wetenschappers hadden voorspeld dat deze cyclus zwak zou zijn, net als de vorige, maar de zon vertoont een niveau van activiteit dat in meer dan twintig jaar niet meer is gezien. Volgens gegevens van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) was het in juni en juli van dit jaar gemiddeld ongeveer 160 zonnevlekken dagelijks meer dan twee keer zoveel als voorspeld. Ook de zonnevlammen nemen toe.

De discrepantie tussen voorspelling en observatie werd al in juli 2022 duidelijk Nikola Vos – destijds directeur van de heliofysica-divisie van NASA – schreef op de website van NASA dat “de zon deze cyclus veel actiever is geweest dan verwacht.”

Een betrouwbare voorspelling van de zonnecyclus is nu belangrijker dan ooit vanwege onze toenemende afhankelijkheid van kwetsbare technologie. De atmosfeer van de aarde wordt opgeblazen door zonneactiviteit en vergroot de weerstand voor de (heel veel) satellieten die in een baan om de aarde moeten manoeuvreren. Zonne-uitbarstingen kunnen elektronische apparatuur kapot maken, radiosignalen verstoren, GPS-systemen in de war brengen en elektriciteitsnetwerken ontwrichten.

Zoals bij de meeste voorspellingen zijn de uitdagingen bij het voorspellen van de zonnecyclus talrijk. Het volgt geen duidelijk patroon van de ene cyclus naar de volgende – sommige zijn korter dan andere – en de zonnefysica is nog steeds een relatief jonge discipline. "We zeggen graag dat we zo'n 60 jaar achterlopen op de weersvoorspellers", zei hij Robert Leamón, een zonnefysicus aan de Universiteit van Maryland.

Historisch gezien zochten onderzoekers naar statistische correlaties tussen zonneactiviteit en het aantal zonnevlekken, hun totale oppervlak en de timing van hun verschijning. Maar de wetenschappelijke consensus is dat deze technieken – zelfs als ze gemoderniseerd zijn – niet veel onthullen over het toekomstige gedrag van de zon. Nu, gevoed door meer geavanceerde zonnewaarnemingen, evalueren en verfijnen wetenschappers methoden die in plaats daarvan de innerlijke werking van de zon als leidraad gebruiken.

Hoewel de vooruitgang traag is (11 jaar is lang), laten we de huidige stand van de voorspellingen van het zonnestelsel eens nader bekijken. 

Op jacht naar zonnevlekken

Wetenschappers begonnen onbedoeld de zonnecyclus meer dan 400 jaar geleden te volgen, toen Galileo voor het eerst zonnevlekken waarnam die het gezicht van de zon bevlekten. Nu is het duidelijk dat deze donkere vlekken overvloedig aanwezig zijn tijdens het zonnemaximum en grotendeels afwezig zijn tijdens het zonneminimum. Terwijl wetenschappers hun begrip van de fysica die deze oscillatie aandrijft blijven verbeteren, dienen zonnevlekken nog steeds als maatstaf voor de activiteit van de zon.

In 1989 begonnen NASA en NOAA zonnecyclusvoorspellingspanelen te vragen om de sterkte en timing van de volgende zonnecyclus te voorspellen. Om dat te doen, evalueren panelexperts voorspellingen van andere onderzoekers in het veld. Deze voorspellingen gebruiken doorgaans een waarde genaamd R – het dertienmaands gemiddelde van het aantal zonnevlekken (afgevlakt of gewogen over de huidige maand plus zes maanden aan elke kant) – als indicator voor de activiteit van de zon.

Spijkeren R want het volgende maximum wordt beschouwd als het hoogtepunt van de voorspelling van de zonnecyclus.

De panelen hebben echter geen geweldig trackrecord. in 2006begon het voorspellingspaneel van Cyclus 24 zijn beraadslagingen; uiteindelijk de ploeg kon geen consensus bereiken en voorspelde, nutteloos, dat cyclus 24 óf heel zwak óf heel sterk zou zijn. (Het bleek zwak te zijn.) “Ze waren grotendeels in tweeën gedeeld”, zei hij Lisa Upton, medevoorzitter van het huidige Cycle 25-voorspellingspaneel en zonnefysicus bij het Southwest Research Institute. “Er waren enkele verhitte discussies.”

Het voorspellen van cyclus 25 – die in december 2019 van start ging – leek veel eenvoudiger. In maart 2019 voorspelden Upton en haar collega's dat de piek in juli 2025 zou pieken met gemiddeld 115 zonnevlekken. Ze hadden 61 voorspellingen doorgenomen R waarden variërend van 50 tot 229, maar ze gaven de voorkeur aan een klasse van voorspellingen gebaseerd op de zonnefysica die grotendeels met elkaar in overeenstemming waren.

“We hadden het vrij gemakkelijk”, zei Upton. “We waren het er allemaal over eens dat er een vrij zwakke cyclus zou komen.”

De zon had andere plannen.

Tekenen van verandering

Moderne op natuurkunde gebaseerde methoden zijn er in twee smaken. Men zoekt naar waarneembare fysieke parameters – voorlopers genoemd – die de kracht van de komende cyclus voorspellen. De andere maakt gebruik van computermodellen om de fysica van de zon opnieuw te creëren en deze vooruit te laten draaien.

Onder de voorlopers is de meest succesvolle voorspeller tot nu toe de sterkte van het magnetische veld aan de polen van de zon tijdens het zonneminimum – waarop het Cycle 25-voorspellingspaneel zijn huidige voorspelling baseerde. Wanneer de zon in rust is, is het magnetische veld een dipool, zoals een staafmagneet met positieve en negatieve uiteinden. De sterkte van de dipool bepaalt een proces dat uiteindelijk de polariteit van het magnetische veld omdraait, wat de zonnecyclus veroorzaakt. Wetenschappers hebben door de jaren heen ontdekt dat de sterkte van het poolveld op zijn minst sterk gecorreleerd is met de sterkte van de komende cyclus.

Eén probleem met deze voorspeller is dat het poolveld pas de laatste vier cycli, sinds 1976, rechtstreeks is gemeten. Maar er zijn indirecte manieren om de sterkte ervan te meten, zoals de aa-inhoudsopgave, dat verstoringen in het magnetische veld van de aarde gebruikt als maatstaf voor de poolveldsterkte; die worden al meer dan 150 jaar gemeten en bieden een nieuw cluster van datapunten.

“Met vier punten is de correlatie misschien toeval, maar als je eenmaal dertien punten hebt, lijkt het minder op toeval,” zei Robert Cameron, een zonnefysicus aan het Max Planck Instituut voor Onderzoek van het Zonnestelsel in Göttingen, Duitsland, die deel uitmaakte van het laatste voorspellingspaneel.

Een nieuwe hoop

Onlangs bleek uit een onderzoek onder leiding van Leamon en Scott McIntosh van het National Center for Atmospheric Research identificeerde een andere veelbelovende voorloper, een terminatorgebeurtenis. Het is het moment waarop de magnetische activiteit uit de vorige cyclus verdwijnt en wordt vervangen door magnetische activiteit uit de nieuwe.

Leamon en McIntosh vonden aanwijzingen in historische gegevens die suggereren dat de timing van de terminator overeenkomt met de kracht van de nieuwe cyclus: een vroege terminator vertaalt zich in meer zonnevlekken, en dus een sterkere cyclus. Op basis van de laatste terminator, die plaatsvond in december 2021, voorspelde het paar dat cyclus 25 maximaal 185 zonnevlekken zou bereiken en in juli 2024 zou pieken, bijna een heel jaar eerder dan de officiële voorspelling.

'Ik ga niet glunderen,' zei Leamon. “Maar [de zon] is zeker veel actiever dan de consensus van het panel.”

Eén beperking van de meeste precursormethoden is echter dat ze gebaseerd zijn op het zonneminimum; wetenschappers kunnen pas een nieuwe voorspelling doen als de cyclus op het punt staat te beginnen. Daarom zoeken ze soms hulp bij op fysica gebaseerde methoden die vergelijkbaar zijn met complexe klimaatvoorspellingsmodellen. Deze computersimulaties maken gebruik van vloeistofdynamica en elektromagnetisme om de zonnefysica opnieuw te creëren; wetenschappers voeren vervolgens observatiegegevens in om te anticiperen op hoe het poolveld en andere voorlopers er over een paar jaar uit zouden kunnen zien.

Een begraven logica

Maar op natuurkunde gebaseerde voorspellingen vormen slechts de helft van de voorspellingen die het Cycle 25-panel analyseerde. De rest, hoewel nu misschien minder succesvol, zou in de toekomst nuttig kunnen zijn.

Dit is een mix van strategieën, waarvan de meeste eerdere zonnecycli gebruiken om het huidige aantal zonnevlekken te voorspellen. Dergelijke methoden vinden soms sterke correlaties tussen zonnevlekken en dingen die op het eerste gezicht vrij willekeurig lijken Victor Sánchez Carrasco, een zonnefysicus aan de Universiteit van Extremadura in Spanje. Die correlaties kunnen louter toeval zijn, zei hij, maar er is ook een kans dat ze gebruik maken van “een onderliggende natuurkunde die we nog steeds niet begrijpen.”

En natuurkundigen blijven nieuwe benaderingen uitproberen, zoals het gebruik van kunstmatige intelligentie of neurale netwerken om te zoeken naar correlaties tussen de eeuwen aan zonnevlekkengegevens. “Er kleeft een mystiek aan zulke lange tijdreeksen,” zei de astrofysicus Eurico Covas, een medewerker van het Instituut voor Astrofysica en Ruimtewetenschappen in Portugal.

Voorlopig denkt Upton nog steeds dat de voorspelling van het panel nog niet dood is. "Het lijkt erop dat de cyclus [sterkte] misschien iets groter is dan we hadden voorspeld, maar niet significant groter", zei ze. Ze merkt op dat de afgevlakte curve, zodra alle gegevens binnen zijn, dat waarschijnlijk niet meer zal doen even dramatisch afwijken als de maandelijkse gemiddelden die NOAA in kaart brengt. En gebaseerd op de evolutie van de huidige cyclusCarrasco is het ermee eens dat cyclus 25 waarschijnlijk sterker zal zijn dan de voorspelling van het panel, maar nog steeds zwakker dan gemiddeld. “De komende zes maanden zijn van cruciaal belang om te zien waar Zonnecyclus 25 naartoe gaat”, zei hij.

Ondanks deze onzekerheden heeft Leamon er vertrouwen in dat natuurkundigen bijna in staat zijn nauwkeurige voorspellingen te doen. Tegen 2030, wanneer het volgende panel bijeenkomt, “zullen we er veel beter grip op hebben”, zei hij. “Dit wordt de laatste cyclus die we nog niet helemaal begrijpen.”