Cum abordează oamenii de știință sarcina dificilă a predicției ciclului solar | Revista Quanta

Soarele pare imuabil, un bec ceresc plictisitor care este mereu aprins. Dar această minge de plasmă alimentată de fuziune este în flux constant. La fiecare 11 ani sau cam asa ceva, se balansează între somn și activ, epocă nestăpânită marcată de pete solare și erupții solare, cum ar fi erupții și izbucniri de plasmă.

Soarele se apropie acum de nivelul maxim de activitate în ciclul actual și nu se comportă tocmai conform planului. Oamenii de știință au prezis că acest ciclu va fi slab, ca și cel precedent, dar soarele prezintă un nivel de activitate nevăzut în mai bine de 20 de ani. În lunile iunie și iulie ale acestui an, conform datelor de la Administrația Națională pentru Oceane și Atmosfere (NOAA), a avut o medie aproximativ 160 de pete solare zilnic, de peste două ori mai multe decât s-a prezis. Crește și erupțiile solare.

Discrepanța dintre predicție și observație a fost evidentă încă din iulie 2022, când Nicola Fox — apoi directorul diviziei de heliofizică a NASA — a scris pe site-ul NASA că „Soarele a fost mult mai activ în acest ciclu decât se anticipa”.

O predicție fiabilă a ciclului solar este acum mai importantă ca niciodată din cauza dependenței tot mai mari de tehnologia vulnerabilă. Atmosfera Pământului se umflă de activitate solară și crește rezistența asupra (foarte mulți) sateliți care trebuie să manevreze pe orbită. Exploziile solare pot prăji echipamentele electronice, pot bloca semnalele radio, pot deruta sistemele GPS și pot perturba rețelele electrice.

Ca și în cazul majorității prognozelor, provocările de a prezice ciclul solar sunt numeroase. Nu urmează un model clar de la un ciclu la altul – unele sunt mai scurte decât altele – iar fizica solară este încă o disciplină relativ tânără. „Ne place să spunem că suntem cu aproximativ 60 de ani în urmă față de meteorologii”, a spus Robert Leamon, un fizician solar la Universitatea din Maryland.

Din punct de vedere istoric, cercetătorii au căutat corelații statistice între activitatea solară și numărul de pete solare, suprafața lor totală și momentul apariției lor. Dar consensul științific este că aceste tehnici – chiar dacă sunt modernizate – nu dezvăluie prea multe despre comportamentul viitor al soarelui. Acum, alimentați de observații solare mai sofisticate, oamenii de știință evaluează și perfecționează metode care folosesc în schimb funcționarea interioară a soarelui ca ghid.

În timp ce progresul este lent - 11 ani este mult timp - să aruncăm o privire mai atentă asupra stării actuale a predicției sistemului solar. 

Urmărind petele solare

Oamenii de știință au început din neatenție să urmărească ciclul solar cu mai bine de 400 de ani în urmă, când Galileo a observat pentru prima dată pete solare pe fața soarelui. Acum este clar că aceste pete întunecate sunt abundente în timpul maximului solar și în cea mai mare parte absent la minim solar. Astăzi, în timp ce oamenii de știință continuă să-și îmbunătățească înțelegerea asupra fizicii care conduc acea oscilație, petele solare încă servesc ca un indicator pentru activitatea soarelui.

În 1989, NASA și NOAA au început să solicite panourilor de predicție a ciclului solar să prezică puterea și momentul următorului ciclu solar. Pentru a face acest lucru, experții panel evaluează predicțiile făcute de alți cercetători din domeniu. Aceste predicții folosesc de obicei o valoare numită R — media pe 13 luni a numărului de pete solare (netezite sau ponderate, pe parcursul lunii curente plus șase luni pe fiecare parte) — ca indicator al activității soarelui.

Cuie R pentru următorul maxim este considerat punctul culminant al predicției ciclului solar.

Panourile nu au un palmares grozav, totuși. în 2006, grupul de predicții Ciclul 24 și-a început deliberările; în cele din urmă, echipa nu a putut ajunge la un consens și a prezis, fără ajutor, că Ciclul 24 va fi fie foarte slab, fie foarte puternic. (S-a dovedit a fi slab.) „Au fost foarte mult împărțiți în jumătate”, a spus Lisa Upton, co-președinte al actualului panou de predicție pentru Ciclul 25 și un fizician solar la Institutul de Cercetare de Sud-Vest. „Au fost niște schimburi aprinse.”

Ciclul de prognoză 25 – care a început în decembrie 2019 – părea a fi mult mai simplu. În martie 2019, Upton și colegii ei au prezis că va atinge vârful în iulie 2025, cu o medie de 115 pete solare. Au verificat 61 de predicții cu R valori variind de la 50 la 229, dar au favorizat o clasă de predicții bazate pe fizica solară care erau în mare măsură în acord între ele.

„Ne-am descurcat destul de ușor”, a spus Upton. „Am fost cu toții de acord că va exista un ciclu destul de slab.”

Soarele avea planuri diferite.

Semne de schimbare

Metodele moderne bazate pe fizică vin în două variante. Se caută parametri fizici observabili – numiți precursori – care prefigurează puterea ciclului viitor. Celălalt folosește modelarea computerizată pentru a recrea fizica soarelui și pentru a-l roti înainte.

Printre precursori, cel mai de succes predictor de până acum este puterea câmpului magnetic la polii soarelui în timpul minimului solar - pe care panoul de predicție pentru Ciclul 25 și-a bazat prognoza actuală. Când soarele este latent, câmpul său magnetic este un dipol, ca un magnet bar cu capete pozitive și negative. Puterea dipolului guvernează un proces care în cele din urmă inversează polaritatea câmpului magnetic, ceea ce determină ciclul solar. Oamenii de știință au descoperit, de-a lungul anilor, că puterea câmpului polar la minimum este strâns corelată cu puterea ciclului viitor.

O problemă cu acest predictor este că câmpul polar a fost măsurat direct doar în ultimele patru cicluri, începând cu 1976. Dar există modalități indirecte de a-și măsura puterea, cum ar fi aa-index, care folosește perturbațiile din câmpul magnetic al Pământului ca proxy pentru intensitatea câmpului polar; acestea au fost măsurate de peste 150 de ani - oferind un alt grup de puncte de date.

„Cu patru puncte, corelația ar putea fi o coincidență, dar odată ce obții 13 puncte, pare mai puțin o coincidență”, a spus Robert Cameron, un fizician solar la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Sistemului Solar din Göttingen, Germania, care a făcut parte din ultimul panou de predicții.

A New Hope

Recent, un studiu condus de Leamon și Scott McIntosh de la Centrul Național de Cercetare Atmosferică a identificat un alt precursor promițător numit eveniment terminator. Este momentul în care activitatea magnetică din ciclul anterior dispare și este înlocuită cu activitatea magnetică din ciclul nou.

Leamon și McIntosh au găsit indicii în datele istorice care sugerează că sincronizarea terminatorului corespunde puterii noului ciclu: un terminator timpuriu se traduce prin mai multe pete solare și, prin urmare, un ciclu mai puternic. Pe baza ultimului terminator, care a avut loc în decembrie 2021, perechea a prezis că ciclul 25 va atinge maxim 185 de pete solare și va atinge vârful în iulie 2024, cu aproape un an întreg mai devreme decât predicția oficială.

„Nu am de gând să mă laud”, a spus Leamon. „Dar [soarele] este cu siguranță mult mai activ decât consensul panelului.”

O limitare a majorității metodelor precursoare, totuși, este că se bazează pe minim solar - oamenii de știință nu pot face o nouă predicție până când ciclul este pe cale să înceapă. De aceea, ei caută uneori un ajutor de la metode bazate pe fizică care sunt similare cu modelele complexe de predicție a climei. Aceste simulări pe computer folosesc dinamica fluidelor și electromagnetismul pentru a recrea fizica solară; oamenii de știință furnizează apoi date observaționale pentru a anticipa cum ar putea arăta câmpul polar și alți precursori la câțiva ani.

O logică îngropată

Dar predicțiile bazate pe fizică sunt doar jumătate din previziunile analizate de grupul Cycle 25. Restul, deși poate mai puțin reușit acum, s-ar putea dovedi utile în viitor.

Acestea sunt un amestec de strategii, dintre care majoritatea folosesc ciclurile solare anterioare pentru a prezice numărul actual de pete solare. Astfel de metode găsesc uneori corelații puternice între petele solare și lucruri care inițial par a fi destul de aleatorii, a spus. Víctor Sánchez Carrasco, fizician solar la Universitatea din Extremadura din Spania. Aceste corelații ar putea fi doar o coincidență, a spus el, dar există, de asemenea, șansa ca acestea să atingă „unele fizice subiacente pe care încă nu le înțelegem”.

Iar fizicienii continuă să încerce noi abordări, cum ar fi utilizarea inteligenței artificiale sau a rețelelor neuronale pentru a căuta corelații între secolele de date de pete solare. „Există o mistică asociată cu serii de timp atât de lungi”, a spus astrofizicianul Eurico Covas, colaborator cu Institutul de Astrofizică și Științe Spațiale din Portugalia.

Deocamdată, Upton încă crede că predicția panelului nu a murit încă. „Se pare că ciclul [forța] ar putea fi puțin mai mare decât am prezis, dar nu semnificativ mai mare”, a spus ea. Ea observă că curba netezită, odată ce toate datele sunt introduse, probabil că nu o va face deviază la fel de dramatic ca mediile lunare pe care NOAA le trasează. Și pe baza evoluţiei ciclului curent, Carrasco este de acord că Ciclul 25 va fi probabil mai puternic decât predicția panelului, dar totuși mai slab decât media. „Următoarele șase luni sunt esențiale pentru a vedea unde merge Ciclul Solar 25”, a spus el.

În ciuda acestor incertitudini, Leamon este încrezător că fizicienii sunt aproape de a putea face predicții precise. Până în 2030, când se va întruni următorul panel, „vom avea o abordare mult mai bună”, a spus el. „Acesta va fi ultimul ciclu pe care nu îl înțelegem pe deplin.”