Hvordan vitenskapsmenn takler den vanskelige oppgaven med solsyklusprediksjon | Quanta Magazine

Solen ser uforanderlig ut, en kjedelig himmelsk lyspære som alltid er slått på. Men denne fusjonsdrevne plasmakulen er i konstant fluks. Hvert 11. år eller så, svinger det mellom dvale og en aktiv, uregjerlig epoke preget av solflekker og solutbrudd, som bluss og plasmautbrudd.

Solen nærmer seg nå sitt maksimale aktivitetsnivå i den nåværende syklusen, og den oppfører seg ikke akkurat etter planen. Forskere hadde spådd at denne syklusen ville være svak, som den forrige, men solen viser et aktivitetsnivå som ikke er sett på mer enn 20 år. I juni og juli i år, ifølge data fra National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), var det gjennomsnittlig omtrent 160 solflekker daglig, mer enn dobbelt så mange som spådd. Solutbrudd øker også.

Avviket mellom prediksjon og observasjon var tydelig allerede i juli 2022, da Nicola Fox — da direktøren for NASAs heliofysikkavdeling — skrev på NASAs hjemmeside at "Sola har vært mye mer aktiv denne syklusen enn forventet."

En pålitelig solsyklusprediksjon er nå viktigere enn noen gang på grunn av vår økende avhengighet av sårbar teknologi. Jordens atmosfære blåser opp med solaktivitet og øker luftmotstanden på (svært mange) satellitter som må manøvrere i bane. Solutbrudd kan steke elektronisk utstyr, blokkere radiosignaler, forvirre GPS-systemer og forstyrre strømnettet.

Som med de fleste prognoser, er utfordringene med å forutsi solsyklusen mange. Det følger ikke et klart mønster fra en syklus til den neste - noen er kortere enn andre - og solfysikk er fortsatt en relativt ung disiplin. "Vi liker å si at vi er omtrent 60 år bak værvarslene," sa Robert Leamon, en solfysiker ved University of Maryland.

Historisk sett så forskerne etter statistiske korrelasjoner mellom solaktivitet og antall solflekker, deres totale overflateareal og tidspunktet for deres utseende. Men den vitenskapelige konsensus er at disse teknikkene - selv om de er modernisert - ikke avslører mye om solens fremtidige oppførsel. Nå, drevet av mer sofistikerte solobservasjoner, evaluerer og finesser forskere metoder som i stedet bruker solens indre virkemåte som en guide.

Mens fremgangen går sakte - 11 år er lang tid - la oss se nærmere på den nåværende tilstanden til solsystemprediksjonen. 

Jager solflekker

Forskere begynte utilsiktet å spore solsyklusen for mer enn 400 år siden, da Galileo for første gang observerte solflekker som flettet på solens ansikt. Nå er det klart at disse mørke flekkene er rikelig under solmaksimum og for det meste fraværende ved solminimum. I dag, mens forskere fortsetter å forbedre sin forståelse av fysikken som driver denne svingningen, fungerer solflekker fortsatt som en proxy for solens aktivitet.

I 1989 begynte NASA og NOAA å be prediksjonspaneler for solsyklusen om å forutsi styrken og tidspunktet for neste solsyklus. For å gjøre det, evaluerer paneleksperter spådommer gjort av andre forskere på feltet. Disse spådommene bruker vanligvis en verdi kalt R — 13-månedersgjennomsnittet av antall solflekker (utjevnet, eller vektet, over inneværende måned pluss seks måneder på hver side) — som en indikator på solens aktivitet.

Spiker R for neste maksimum regnes som toppen av solsyklusprediksjon.

Panelene har imidlertid ikke en god merittliste. i 2006, begynte syklus 24-prediksjonspanelet sine overveielser; til syvende og sist laget kunne ikke komme til enighet og spådde, uten hjelp, at syklus 24 kom til å bli enten veldig svak eller veldig sterk. (Det viste seg å være svakt.) "De var veldig delt i to," sa Lisa Upton, medformann for det nåværende Cycle 25 prediksjonspanelet og en solfysiker ved Southwest Research Institute. "Det var noen opphetede utvekslinger."

Å forutsi syklus 25 – som startet i desember 2019 – så ut til å være mye enklere. I mars 2019 spådde Upton og hennes kolleger at det ville toppe seg i juli 2025 med et gjennomsnitt på 115 solflekker. De hadde silt gjennom 61 spådommer med R verdier fra 50 til 229, men de favoriserte en klasse med spådommer basert på solfysikk som stort sett var i samsvar med hverandre.

"Vi hadde det ganske enkelt," sa Upton. "Vi var alle enige om at det kom til å bli en ganske svak syklus."

Solen hadde andre planer.

Tegn på endring

Moderne fysikkbaserte metoder kommer i to varianter. Man ser etter observerbare fysiske parametere - kalt forløpere - som varsler styrken til den kommende syklusen. Den andre bruker datamodellering for å gjenskape solens fysikk og snurre den fremover.

Blant forløpere er den mest vellykkede prediktoren så langt styrken til magnetfeltet ved solens poler under solminimum - som Cycle 25-prediksjonspanelet baserte sin nåværende prognose på. Når solen er i dvale, er magnetfeltet en dipol, som en stangmagnet med positive og negative ender. Styrken til dipolen styrer en prosess som til slutt snur polariteten til magnetfeltet, som forårsaker solsyklusen. Forskere har funnet, i løpet av årene, at styrken til polarfeltet i det minste er sterkt korrelert med styrken til den kommende syklusen.

Et problem med denne prediktoren er at polarfeltet kun har blitt målt direkte for de siste fire syklusene, siden 1976. Men det er indirekte måter å måle dets styrke på, som f.eks. aa-indeks, som bruker forstyrrelser i jordens magnetfelt som en proxy for polarfeltstyrken; de har blitt målt i over 150 år - og tilbyr en annen klynge av datapunkter.

"Med fire poeng kan korrelasjonen være en tilfeldighet, men når du først får 13 poeng, ser det mindre ut som en tilfeldighet," sa Robert Cameron, en solfysiker ved Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland, som var en del av det siste prediksjonspanelet.

A New Hope

Nylig har en studie ledet av Leamon og Scott McIntosh fra National Center for Atmospheric Research identifiserte en annen lovende forløper kalt en terminator-hendelse. Det er øyeblikket da magnetisk aktivitet fra forrige syklus forsvinner og erstattes av magnetisk aktivitet fra den nye.

Leamon og McIntosh fant ledetråder i historiske data som tyder på at tidspunktet for terminatoren tilsvarer styrken til den nye syklusen: En tidlig terminator oversetter seg til flere solflekker, og dermed en sterkere syklus. Basert på den siste terminatoren, som fant sted i desember 2021, spådde paret at syklus 25 ville maksimalt oppnå 185 solflekker og nå toppen i juli 2024, nesten et helt år tidligere enn den offisielle spådommen.

"Jeg kommer ikke til å glede meg," sa Leamon. "Men [solen] er absolutt mye mer aktiv enn panelkonsensus."

En begrensning for de fleste forløpermetoder er imidlertid at de er basert på solminimum - forskere kan ikke lage en ny prediksjon før syklusen er i ferd med å begynne. Det er derfor de noen ganger ser etter hjelp fra fysikkbaserte metoder som ligner på komplekse klimaprediksjonsmodeller. Disse datasimuleringene bruker væskedynamikk og elektromagnetisme for å gjenskape solfysikk; forskere mater deretter inn observasjonsdata for å forutse hvordan polarfeltet og andre forløpere kan se ut om noen år.

En begravd logikk

Men fysikkbaserte spådommer er bare halvparten av prognosene Cycle 25-panelet analyserte. Resten, selv om kanskje mindre vellykket nå, kan vise seg nyttig i fremtiden.

Dette er en blanding av strategier, hvorav de fleste bruker tidligere solsykluser for å forutsi det nåværende antallet solflekker. Slike metoder finner noen ganger sterke korrelasjoner mellom solflekker og ting som i utgangspunktet ser ut til å være ganske tilfeldige, sa Víctor Sánchez Carrasco, en solfysiker ved Universitetet i Extremadura i Spania. Disse korrelasjonene kan bare være tilfeldigheter, sa han, men det er også en sjanse for at de benytter seg av "noen underliggende fysikk som vi fortsatt ikke forstår."

Og fysikere fortsetter å prøve nye tilnærminger, som å bruke kunstig intelligens eller nevrale nettverk for å søke etter sammenhenger mellom århundrene med solflekkdata. "Det er en mystikk forbundet med slike lange tidsserier," sa astrofysikeren Eurico Covas, en samarbeidspartner med Institute of Astrophysics and Space Sciences i Portugal.

Foreløpig tror Upton fortsatt at panelets spådom ikke er død ennå. "Det ser ut som om syklusen [styrken] kan være litt større enn vi spådde, men ikke vesentlig større," sa hun. Hun bemerker at den glattede kurven, når alle dataene er inne, sannsynligvis ikke vil gjøre det avvike like dramatisk som månedlige gjennomsnitt som NOAA plotter. Og basert på den nåværende syklusens utviklingCarrasco er enig i at syklus 25 sannsynligvis vil være sterkere enn panelets spådom, men fortsatt svakere enn gjennomsnittet. "De neste seks månedene er nøkkelen til å se hvor Solar Cycle 25 går," sa han.

Til tross for disse usikkerhetene, er Leamon sikker på at fysikere er nær ved å kunne gi nøyaktige spådommer. Innen 2030, når det neste panelet samles, "kommer vi til å ha et mye bedre grep om det," sa han. "Dette kommer til å bli den siste syklusen vi ikke helt forstår."