Как ученые решают сложную задачу прогнозирования солнечного цикла | Журнал Кванта

Солнце выглядит неизменным, скучной небесной лампочкой, которая всегда включена. Но этот плазменный шар, работающий на термоядерном синтезе, находится в постоянном движении. Каждые 11 лет или около того он колеблется между сном и активным отдыхом., неуправляемая эпоха, отмеченная солнечными пятнами и солнечными извержениями, такими как вспышки и вспышки плазмы.

Солнце сейчас приближается к максимальному уровню активности в текущем цикле, и оно ведет себя не совсем по плану. Ученые предсказывали, что этот цикл будет слабым, как и предыдущий, но Солнце демонстрирует уровень активности, невиданный более чем 20 лет. В июне и июле этого года, по данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), оно в среднем составляло около 160 солнечных пятен ежедневно, что более чем в два раза больше, чем прогнозировалось. Солнечные вспышки также увеличиваются.

Расхождение между прогнозом и наблюдением стало очевидным еще в июле 2022 года, когда Никола Фокс — тогдашний директор отдела гелиофизики НАСА — написал на сайте НАСА что «Солнце в этом цикле было гораздо более активным, чем ожидалось».

Надежное предсказание солнечного цикла сейчас важнее, чем когда-либо, из-за нашей растущей зависимости от уязвимых технологий. Атмосфера Земли раздувается от солнечной активности и увеличивает сопротивление (очень многих) спутников, которым необходимо маневрировать на орбите. Солнечные вспышки могут вывести из строя электронное оборудование, заглушить радиосигналы, вывести из строя системы GPS и нарушить работу электросетей.

Как и в случае с большинством прогнозов, проблемы прогнозирования солнечного цикла многочисленны. Она не следует четкой схеме от одного цикла к другому — некоторые короче других, — а физика Солнца все еще является относительно молодой дисциплиной. «Нам нравится говорить, что мы отстаем от синоптиков примерно на 60 лет», — сказал Роберт Лимон, физик Солнца из Университета Мэриленда.

Исторически исследователи искали статистические корреляции между солнечной активностью и количеством солнечных пятен, их общей площадью поверхности и временем их появления. Но научный консенсус заключается в том, что эти методы — даже будучи модернизированными — мало что говорят о будущем поведении Солнца. Теперь, подпитываемые более сложными солнечными наблюдениями, ученые оценивают и совершенствуют методы, которые вместо этого используют внутреннюю работу Солнца в качестве ориентира.

Хотя прогресс идет медленно (11 лет — это большой срок), давайте внимательнее посмотрим на текущее состояние прогнозов Солнечной системы. 

В погоне за солнечными пятнами

Ученые случайно начали отслеживать солнечный цикл более 400 лет назад, когда Галилей впервые заметил солнечные пятна, покрывающие поверхность Солнца. Теперь ясно, что этих темных пятен много во время солнечного максимума и практически нет в солнечный минимум. Сегодня, хотя ученые продолжают улучшать свое понимание физики, вызывающей эти колебания, солнечные пятна по-прежнему служат индикатором солнечной активности.

В 1989 году НАСА и НОАА начали просить группы по прогнозированию солнечного цикла спрогнозировать силу и время следующего солнечного цикла. Для этого эксперты группы оценивают прогнозы, сделанные другими исследователями в этой области. В этих прогнозах обычно используется значение, называемое R — среднее количество солнечных пятен за 13 месяцев (сглаженное или взвешенное за текущий месяц плюс шесть месяцев с каждой стороны) — как индикатор солнечной активности.

Гвоздь R следующий максимум считается вершиной предсказания солнечного цикла.

Однако панели не имеют большого послужного списка. В 2006 , группа по прогнозированию 24-го цикла начала свои обсуждения; в конечном итоге команда не смог прийти к единому мнению и безуспешно предсказал, что 24-й цикл будет либо очень слабым, либо очень сильным. (Оно оказалось слабым.) «Они очень сильно раскололись пополам», — сказал Лиза Аптон, сопредседатель нынешней группы по прогнозированию 25-го цикла и физик Солнца в Юго-Западном исследовательском институте. «Было несколько жарких споров».

Прогнозирование 25-го цикла, который начался в декабре 2019 года, выглядело намного проще. В марте 2019 года Аптон и ее коллеги предсказали, что пик активности будет достигнут в июле 2025 года, когда в среднем будет 115 солнечных пятен. Они просмотрели 61 предсказание с помощью R значения варьировались от 50 до 229, но они отдавали предпочтение классу предсказаний, основанных на физике Солнца, которые в основном согласовывались друг с другом.

«Нам было довольно легко», сказал Аптон. «Мы все согласились, что цикл будет довольно слабым».

У Солнца были другие планы.

Признаки перемен

Современные методы, основанные на физике, бывают двух видов. Человек ищет наблюдаемые физические параметры, называемые предшественниками, которые предвещают силу предстоящего цикла. Другой использует компьютерное моделирование, чтобы воссоздать физику Солнца и раскрутить его вперед.

Среди предвестников наиболее успешным предсказателем на данный момент является сила магнитного поля на полюсах Солнца во время солнечного минимума, на которой группа прогнозов 25-го цикла основывала свой текущий прогноз. Когда Солнце находится в состоянии покоя, его магнитное поле представляет собой диполь, похожий на стержневой магнит с положительными и отрицательными концами. Сила диполя управляет процессом, который в конечном итоге меняет полярность магнитного поля, что вызывает солнечный цикл. За прошедшие годы ученые обнаружили, что минимальная сила полярного поля сильно коррелирует с силой предстоящего цикла.

Одна из проблем с этим предсказателем заключается в том, что полярное поле напрямую измерялось только в течение последних четырех циклов, начиная с 1976 года. Но существуют косвенные способы измерения его силы, такие как aa-индекс, который использует возмущения магнитного поля Земли в качестве показателя напряженности полярного поля; они измерялись уже более 150 лет, что дает еще один кластер точек данных.

«При четырех баллах корреляция может быть совпадением, но как только вы получите 13 баллов, это уже не будет похоже на совпадение», — сказал он. Роберт Кэмерон, физик Солнца из Института исследований Солнечной системы Макса Планка в Геттингене, Германия, который входил в состав последней комиссии по прогнозированию.

Новая надежда

Недавно исследование, проведенное Лимоном и Скотт Макинтош Национального центра атмосферных исследований выявил еще один многообещающий предвестник, названный событием-терминатором. Это момент, когда магнитная активность предыдущего цикла исчезает и заменяется магнитной активностью нового цикла.

Лимон и Макинтош нашли в исторических данных подсказки, предполагающие, что время терминатора соответствует силе нового цикла: ранний терминатор приводит к большему количеству солнечных пятен и, следовательно, к более сильному циклу. Основываясь на последнем терминаторе, который произошел в декабре 2021 года, пара предсказала, что 25-й цикл достигнет максимума в 185 солнечных пятен и достигнет пика в июле 2024 года, почти на целый год раньше, чем официальное предсказание.

«Я не собираюсь злорадствовать», — сказал Лимон. «Но [солнце], безусловно, гораздо более активно, чем консенсус группы».

Однако одним из ограничений большинства методов-предвестников является то, что они основаны на солнечном минимуме: ученые не могут сделать новый прогноз до тех пор, пока цикл не начнется. Вот почему они иногда обращаются за помощью к физическим методам, похожим на сложные модели прогнозирования климата. Эти компьютерные симуляции используют гидродинамику и электромагнетизм для воссоздания физики Солнца; Затем ученые вводят данные наблюдений, чтобы предсказать, как может выглядеть полярное поле и другие предшественники через несколько лет.

Скрытая логика

Но предсказания, основанные на физике, — это лишь половина прогнозов, которые проанализировала группа 25-го цикла. Остальные, хотя, возможно, и менее успешные сейчас, могут оказаться полезными в будущем.

Это сочетание стратегий, большинство из которых используют предыдущие солнечные циклы для прогнозирования текущего количества солнечных пятен. По словам ученых, такие методы иногда обнаруживают сильную корреляцию между солнечными пятнами и вещами, которые изначально кажутся довольно случайными. Виктор Санчес Карраско, физик Солнца из Университета Эстремадуры в Испании. По его словам, эти корреляции могут быть просто совпадением, но есть также шанс, что они задействуют «некую основную физику, которую мы до сих пор не понимаем».

И физики продолжают пробовать новые подходы, такие как использование искусственного интеллекта или нейронных сетей для поиска корреляций между многовековыми данными о солнечных пятнах. «С такими длинными временными рядами связана мистика», — сказал астрофизик. Эурико Ковас, сотрудник Института астрофизики и космических наук в Португалии.

На данный момент Аптон все еще считает, что прогноз комиссии еще не умер. «Похоже, что [сила] цикла может быть немного больше, чем мы прогнозировали, но не значительно больше», — сказала она. Она отмечает, что сглаженная кривая, как только будут введены все данные, вероятно, не будет отклоняться столь же резко как среднемесячные значения, которые строит NOAA. И на основе эволюции текущего циклаКарраско согласен, что 25-й цикл, скорее всего, будет сильнее, чем прогнозирует комиссия, но все же слабее среднего. «Следующие шесть месяцев являются ключевыми для того, чтобы увидеть, куда движется 25-й солнечный цикл», — сказал он.

Несмотря на эти неопределенности, Лимон уверен, что физики близки к тому, чтобы делать точные предсказания. К 2030 году, когда соберется следующая комиссия, «мы будем гораздо лучше справляться с этим», сказал он. «Это будет последний цикл, который мы не до конца понимаем».