Jak naukowcy radzą sobie z trudnym zadaniem przewidywania cyklu słonecznego | Magazyn Quanta

Słońce wygląda na niezmienne, nudną niebiańską żarówkę, która jest zawsze włączona. Ale ta napędzana syntezą termojądrową kula plazmy podlega ciągłym zmianom. Mniej więcej co 11 lat przechodzi ze stanu uśpienia do stanu aktywnego, niesforna epoka naznaczona plamami słonecznymi i erupcjami słonecznymi, takimi jak rozbłyski i wybuchy plazmy.

Słońce zbliża się obecnie do maksymalnego poziomu aktywności w bieżącym cyklu i nie zachowuje się dokładnie zgodnie z planem. Naukowcy przewidywali, że ten cykl będzie słaby, podobnie jak poprzedni, ale Słońce wykazuje poziom aktywności niewidziany od ponad 20 lat. Według danych Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA) w czerwcu i lipcu tego roku średnio około 160 plam słonecznych dziennie, ponad dwukrotnie więcej niż przewidywano. Wzrasta także liczba rozbłysków słonecznych.

Rozbieżność między przewidywaniami a obserwacjami była widoczna już w lipcu 2022 r., kiedy to Nikola Fox — ówczesny dyrektor działu heliofizyki NASA — – napisano na stronie NASA że „Słońce było w tym cyklu znacznie bardziej aktywne, niż przewidywano”.

Wiarygodne przewidywanie cyklu słonecznego jest obecnie ważniejsze niż kiedykolwiek ze względu na naszą rosnącą zależność od wrażliwych technologii. Atmosfera ziemska nadmuchuje się pod wpływem aktywności słonecznej i zwiększa opór wywierany na (bardzo wiele) satelitów, które muszą manewrować na orbicie. Wybłyski słoneczne mogą spalić sprzęt elektroniczny, zakłócić sygnały radiowe, zmylić systemy GPS i zakłócić działanie sieci energetycznych.

Podobnie jak w przypadku większości prognoz, przewidywanie cyklu słonecznego wiąże się z wieloma wyzwaniami. Nie przebiega według jasnego schematu z jednego cyklu na drugi – niektóre są krótsze niż inne – a fizyka Słońca jest wciąż stosunkowo młodą dyscypliną. „Lubimy mówić, że jesteśmy około 60 lat za prognostami pogody” – stwierdził Roberta Leamona, fizyk zajmujący się energią słoneczną na Uniwersytecie Maryland.

Historycznie rzecz biorąc, badacze szukali statystycznych korelacji między aktywnością Słońca a liczbą plam słonecznych, ich całkowitą powierzchnią i czasem ich pojawienia się. Jednak naukowy konsensus jest taki, że techniki te – nawet zmodernizowane – nie ujawniają zbyt wiele na temat przyszłego zachowania Słońca. Teraz, napędzani bardziej wyrafinowanymi obserwacjami Słońca, naukowcy oceniają i udoskonalają metody, które zamiast tego wykorzystują wewnętrzne działanie Słońca jako wskazówkę.

Chociaż postęp jest powolny – 11 lat to dużo czasu – przyjrzyjmy się bliżej obecnemu stanowi prognoz Układu Słonecznego. 

W pogoni za plamami słonecznymi

Naukowcy niechcący zaczęli śledzić cykl słoneczny ponad 400 lat temu, kiedy Galileusz po raz pierwszy zaobserwował plamy słoneczne na twarzy słońca. Teraz jest jasne, że tych ciemnych plam jest mnóstwo podczas maksimum słonecznego i przeważnie nie ma ich podczas minimum słonecznego. Obecnie, choć naukowcy w dalszym ciągu pogłębiają swoją wiedzę na temat fizyki odpowiedzialnej za te oscylacje, plamy słoneczne w dalszym ciągu służą jako wskaźnik aktywności słonecznej.

W 1989 roku NASA i NOAA zaczęły zwracać się do paneli prognozujących cykl słoneczny o prognozę siły i czasu następnego cyklu słonecznego. W tym celu eksperci panelowi oceniają przewidywania innych badaczy w tej dziedzinie. W tych przewidywaniach zazwyczaj używana jest wartość o nazwie R — 13-miesięczna średnia liczby plam słonecznych (wygładzona lub ważona w bieżącym miesiącu plus sześć miesięcy po obu stronach) — jako wskaźnik aktywności słońca.

Byczy R dla następnego maksimum jest uważane za szczyt przewidywania cyklu słonecznego.

Panele nie mają jednak zbyt dobrych osiągnięć. W 2006, panel predykcyjny Cyklu 24 rozpoczął obrady; ostatecznie zespół nie udało się osiągnąć konsensusu i przewidział, bezużytecznie, że Cykl 24 będzie albo bardzo słaby, albo bardzo silny. (Okazało się słabe.) „Byli bardzo podzieleni na pół” – powiedział Lisę Upton, współprzewodniczący obecnego panelu prognostycznego Cycle 25 i fizyk słoneczny w Southwest Research Institute. „Doszło do gorącej wymiany zdań”.

Przewidywanie cyklu 25 – który rozpoczął się w grudniu 2019 r. – wydawało się znacznie prostsze. W marcu 2019 r. Upton i jej współpracownicy przewidywali, że szczyt osiągnie w lipcu 2025 r., przy średniej liczbie 115 plam słonecznych. Przeszukali 61 prognoz R wartości wahały się od 50 do 229, ale faworyzowały klasę przewidywań opartych na fizyce Słońca, które w dużej mierze były ze sobą zgodne.

„Poszliśmy całkiem łatwo” – powiedział Upton. „Wszyscy zgodziliśmy się, że będzie to dość słaby cykl”.

Słońce miało inne plany.

Oznaki zmian

Nowoczesne metody oparte na fizyce występują w dwóch wersjach. Poszukuje się obserwowalnych parametrów fizycznych – zwanych prekursorami – które zapowiadają siłę nadchodzącego cyklu. Drugi wykorzystuje modelowanie komputerowe do odtworzenia fizyki słońca i obrócenia go do przodu.

Spośród prekursorów najskuteczniejszym jak dotąd predyktorem jest siła pola magnetycznego na biegunach Słońca podczas minimum słonecznego – na której panel prognostyczny Cycle 25 oparł swoją obecną prognozę. Kiedy słońce jest uśpione, jego pole magnetyczne jest dipolem, podobnie jak magnes sztabkowy z dodatnimi i ujemnymi końcami. Siła dipola reguluje proces, który ostatecznie odwraca polaryzację pola magnetycznego, co powoduje cykl słoneczny. Na przestrzeni lat naukowcy odkryli, że minimalna siła pola polarnego jest silnie skorelowana z siłą nadchodzącego cyklu.

Problem z tym predyktorem polega na tym, że pole polarne mierzono bezpośrednio tylko w ciągu ostatnich czterech cykli, od 1976 r. Istnieją jednak pośrednie sposoby pomiaru jego siły, np. aa-indeks, który wykorzystuje zakłócenia w ziemskim polu magnetycznym jako wskaźnik zastępczy natężenia pola polarnego; mierzono je od ponad 150 lat, co stanowi kolejny zbiór punktów danych.

„W przypadku czterech punktów korelacja może być zbiegiem okoliczności, ale gdy zdobędziesz 13 punktów, nie będzie to już wyglądać na zbieg okoliczności” – powiedział Roberta Camerona, fizyk zajmujący się energią słoneczną w Instytucie Badań Układu Słonecznego Maxa Plancka w Getyndze w Niemczech, który brał udział w ostatnim panelu prognostycznym.

New Hope

Niedawno badanie prowadzone przez Leamona i Scotta McIntosha z Narodowego Centrum Badań Atmosfery zidentyfikowało innego obiecującego prekursora zwanego zdarzeniem terminatora. Jest to moment, w którym zanika aktywność magnetyczna z poprzedniego cyklu i zostaje zastąpiona aktywnością magnetyczną z nowego.

Leamon i McIntosh znaleźli wskazówki w danych historycznych sugerujące, że moment pojawienia się terminatora odpowiada sile nowego cyklu: wczesny terminator oznacza więcej plam słonecznych, a tym samym silniejszy cykl. Na podstawie ostatniego terminatora, który miał miejsce w grudniu 2021 r., para przewidziała, że ​​cykl 25 osiągnie maksimum przy 185 plamach słonecznych i osiągnie szczyt w lipcu 2024 r., prawie cały rok wcześniej niż oficjalna prognoza.

„Nie będę się przechwalać” – powiedział Leamon. „Ale [słońce] jest z pewnością znacznie bardziej aktywne niż konsensus panelu”.

Jednak jednym z ograniczeń większości metod prekursorowych jest to, że opierają się one na minimum słonecznym — naukowcy nie mogą dokonać nowych prognoz przed rozpoczęciem cyklu. Dlatego czasami szukają pomocy w postaci metod opartych na fizyce, podobnych do złożonych modeli przewidywania klimatu. Te symulacje komputerowe wykorzystują dynamikę płynów i elektromagnetyzm do odtworzenia fizyki Słońca; następnie naukowcy wykorzystują dane obserwacyjne, aby przewidzieć, jak pole polarne i inne prekursory mogą wyglądać za kilka lat.

Pogrzebana logika

Jednak przewidywania oparte na fizyce to tylko połowa prognoz przeanalizowanych przez panel Cycle 25. Reszta, choć obecnie być może mniej udana, może okazać się przydatna w przyszłości.

Są to różne strategie, z których większość wykorzystuje poprzednie cykle słoneczne do przewidywania aktualnej liczby plam słonecznych. Takie metody czasami pozwalają znaleźć silne korelacje między plamami słonecznymi a obiektami, które początkowo wydają się dość przypadkowe, mówi Victora Sáncheza Carrasco, fizyk zajmujący się energią słoneczną na Uniwersytecie w Estremadurze w Hiszpanii. Powiedział, że te korelacje mogą być po prostu zbiegiem okoliczności, ale istnieje również szansa, że ​​odnoszą się do „jakiejś podstawowej fizyki, której wciąż nie rozumiemy”.

Fizycy nadal wypróbowują nowe podejścia, takie jak wykorzystanie sztucznej inteligencji lub sieci neuronowych do poszukiwania korelacji między danymi dotyczącymi plam słonecznych na przestrzeni wieków. „Tak długie szeregi czasowe mają w sobie jakąś tajemnicę” – powiedział astrofizyk Eurico Covasa, współpracownik Instytutu Astrofizyki i Nauk o Kosmosie w Portugalii.

Na razie Upton nadal uważa, że ​​przewidywania panelu jeszcze się nie sprawdziły. „Wygląda na to, że cykl [siła] może być nieco większa, niż przewidywaliśmy, ale nie znacząco większa” – stwierdziła. Zauważa, że ​​po wprowadzeniu wszystkich danych wygładzona krzywa prawdopodobnie nie będzie taka różnią się równie drastycznie jako średnie miesięczne, które wykreśla NOAA. I w oparciu o ewolucję bieżącego cykluCarrasco zgadza się, że cykl 25 będzie prawdopodobnie silniejszy niż przewidywał panel, ale nadal słabszy od średniej. „Następne sześć miesięcy będzie kluczowe, aby zobaczyć, dokąd zmierza cykl słoneczny 25” – powiedział.

Pomimo tych niepewności Leamon jest przekonany, że fizycy są bliscy sformułowania dokładnych przewidywań. Do 2030 r., kiedy zbierze się kolejny panel, „będziemy sobie z tym znacznie lepiej radzić” – powiedział. „To będzie ostatni cykl, którego nie do końca rozumiemy”.