Hur forskare tar itu med den svåra uppgiften att förutsäga solcykeln | Quanta Magazine

Solen ser oföränderlig ut, en tråkig himmelsk glödlampa som alltid är tänd. Men denna fusionsdrivna plasmaklot är i konstant flöde. Vart 11:e år eller så pendlar det mellan slummer och aktiv, oregerlig epok präglad av solfläckar och solutbrott, som flammor och plasmautbrott.

Solen närmar sig nu sin maximala aktivitetsnivå i den aktuella cykeln, och den beter sig inte riktigt enligt plan. Forskare hade förutspått att denna cykel skulle vara svag, som den föregående, men solen uppvisar en aktivitetsnivå som inte har setts på mer än 20 år. I juni och juli i år, enligt data från National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), var det i genomsnitt ungefär 160 solfläckar dagligen, mer än dubbelt så många som förutspått. Solinflammationer ökar också.

Diskrepansen mellan förutsägelse och observation var uppenbar redan i juli 2022, då Nicola Fox — då direktören för NASA:s heliofysikavdelning — skrev på NASA:s hemsida att "solen har varit mycket mer aktiv denna cykel än väntat."

En pålitlig solcykelförutsägelse är nu viktigare än någonsin på grund av vårt ökande beroende av sårbar teknik. Jordens atmosfär blåser upp med solaktivitet och ökar motståndet på (väldigt många) satelliter som behöver manövrera i omloppsbana. Solutbrott kan steka elektronisk utrustning, störa radiosignaler, förvirra GPS-system och störa elnäten.

Som med de flesta prognoser är utmaningarna med att förutsäga solcykeln många. Det följer inte ett tydligt mönster från en cykel till nästa - vissa är kortare än andra - och solfysik är fortfarande en relativt ung disciplin. "Vi gillar att säga att vi är cirka 60 år efter väderprognosmakarna," sa Robert Leamon, en solfysiker vid University of Maryland.

Historiskt har forskare letat efter statistiska samband mellan solaktivitet och antalet solfläckar, deras totala yta och tidpunkten för deras uppkomst. Men den vetenskapliga konsensus är att dessa tekniker - även om de är moderniserade - inte avslöjar mycket om solens framtida beteende. Nu, underblåst av mer sofistikerade solobservationer, utvärderar og finslipar forskare metoder som istället använder solens inre funktioner som vägledning.

Även om framstegen går långsamt - 11 år är en lång tid - låt oss titta närmare på det nuvarande tillståndet för förutsägelser av solsystemet. 

Jagar solfläckar

Forskare började oavsiktligt spåra solcykeln för mer än 400 år sedan, när Galileo först observerade solfläckar som fläckade solens ansikte. Nu är det klart att dessa mörka fläckar är rikliga under solmaximum och mestadels frånvarande vid solminimum. Idag, medan forskare fortsätter att förbättra sin förståelse av fysiken som driver den svängningen, fungerar solfläckar fortfarande som en proxy för solens aktivitet.

1989 började NASA och NOAA be paneler för förutsägelse av solcykeln att förutsäga styrkan och tidpunkten för nästa solcykel. För att göra det utvärderar panelexperter förutsägelser som gjorts av andra forskare inom området. Dessa förutsägelser använder vanligtvis ett värde som kallas R — 13-månadersgenomsnittet av antalet solfläckar (utjämnade eller viktade, under innevarande månad plus sex månader på båda sidor) — som en indikator på solens aktivitet.

Spikar R för nästa maximum anses vara toppen av solcykelförutsägelse.

Panelerna har dock ingen bra meritlista. i 2006, förutsägelsepanelen för cykel 24 började sina överväganden; i slutändan laget kunde inte nå konsensus och förutspådde, utan hjälp, att cykel 24 skulle vara antingen mycket svag eller mycket stark. (Det visade sig vara svagt.) "De var väldigt delade på mitten," sa Lisa Upton, co-ordförande för den aktuella cykel 25 förutsägelsepanelen och en solfysiker vid Southwest Research Institute. "Det var några heta utbyten."

Att förutsäga cykel 25 – som startade i december 2019 – såg ut att vara mycket enklare. I mars 2019 förutspådde Upton och hennes kollegor att den skulle nå sin topp i juli 2025 med ett genomsnitt på 115 solfläckar. De hade sållat igenom 61 förutsägelser med R värden varierade från 50 till 229, men de gynnade en klass av förutsägelser baserade på solfysik som i stort sett överensstämde med varandra.

"Vi hade det ganska lätt," sa Upton. "Vi var alla överens om att det skulle bli en ganska svag cykel."

Solen hade andra planer.

Tecken på förändring

Moderna fysikbaserade metoder finns i två smaker. Man letar efter observerbara fysiska parametrar - kallade prekursorer - som förebådar styrkan i den kommande cykeln. Den andra använder datormodellering för att återskapa solens fysik och snurra den framåt.

Bland prekursorer är den mest framgångsrika prediktorn hittills styrkan på magnetfältet vid solens poler under solminimum - vilket Cycle 25-prediktionspanelen baserade sin nuvarande prognos på. När solen är vilande är dess magnetfält en dipol, som en stångmagnet med positiva och negativa ändar. Dipolens styrka styr en process som så småningom vänder polariteten hos magnetfältet, vilket orsakar solcykeln. Forskare har under åren funnit att styrkan hos polarfältet åtminstone är starkt korrelerad till styrkan i den kommande cykeln.

Ett problem med denna prediktor är att polarfältet bara har mätts direkt under de senaste fyra cyklerna, sedan 1976. Men det finns indirekta sätt att mäta dess styrka, som t.ex. aa-index, som använder störningar i jordens magnetfält som en proxy för den polära fältstyrkan; de har mätts i över 150 år – och erbjuder ytterligare ett kluster av datapunkter.

"Med fyra poäng kan korrelationen vara en slump, men när du får 13 poäng ser det mindre ut som en slump," sa Robert Cameron, en solfysiker vid Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland, som var en del av den sista förutsägelsepanelen.

Ett nytt hopp

Nyligen har en studie ledd av Leamon och Scott McIntosh från National Center for Atmospheric Research identifierade en annan lovande föregångare som kallas en terminator-händelse. Det är ögonblicket då magnetisk aktivitet från den föregående cykeln försvinner och ersätts av magnetisk aktivitet från den nya.

Leamon och McIntosh hittade ledtrådar i historiska data som tyder på att tidpunkten för terminatorn motsvarar styrkan i den nya cykeln: En tidig terminator översätts till fler solfläckar, och därmed en starkare cykel. Baserat på den sista terminatorn, som inträffade i december 2021, förutspådde paret att cykel 25 skulle maxa vid 185 solfläckar och nå sin topp i juli 2024, nästan ett helt år tidigare än den officiella förutsägelsen.

"Jag tänker inte glädjas," sa Leamon. "Men [solen] är verkligen mycket mer aktiv än panelens konsensus."

En begränsning av de flesta prekursormetoder är dock att de är baserade på solminimum - forskare kan inte göra en ny förutsägelse förrän cykeln är på väg att börja. Det är därför de ibland letar efter hjälp från fysikbaserade metoder som liknar komplexa klimatförutsägelsemodeller. Dessa datorsimuleringar använder vätskedynamik och elektromagnetism för att återskapa solfysik; forskare matar sedan in observationsdata för att förutse hur polarfältet och andra prekursorer kan se ut om några år.

En begravd logik

Men fysikbaserade förutsägelser är bara hälften av de prognoser som Cykel 25-panelen analyserade. Resten, även om det kanske är mindre framgångsrikt nu, kan visa sig vara användbart i framtiden.

Dessa är en blandning av strategier, varav de flesta använder tidigare solcykler för att förutsäga det nuvarande antalet solfläckar. Sådana metoder hittar ibland starka samband mellan solfläckar och saker som från början verkar vara ganska slumpmässiga, sa Víctor Sánchez Carrasco, en solfysiker vid universitetet i Extremadura i Spanien. Dessa samband kan bara vara slumpen, sa han, men det finns också en chans att de utnyttjar "någon underliggande fysik som vi fortfarande inte förstår."

Och fysiker fortsätter att prova nya tillvägagångssätt, som att använda artificiell intelligens eller neurala nätverk för att söka efter korrelationer mellan århundraden av solfläcksdata. "Det finns en mystik förknippad med så långa tidsserier," sa astrofysikern Eurico Covas, en samarbetspartner med Institutet för astrofysik och rymdvetenskap i Portugal.

För närvarande tror Upton fortfarande att panelens förutsägelse inte är död än. "Det ser ut som att cykeln [styrkan] kan vara lite större än vi förutspått, men inte nämnvärt större," sa hon. Hon noterar att den utjämnade kurvan, när all data väl är inne, förmodligen inte kommer att göra det avvika lika dramatiskt som månadsmedelvärden som NOAA plottar. Och baserat på den nuvarande cykelns utveckling, Carrasco håller med om att cykel 25 sannolikt kommer att vara starkare än panelens förutsägelse men fortfarande svagare än genomsnittet. "De kommande sex månaderna är nyckeln för att se vart Solar Cycle 25 är på väg," sa han.

Trots dessa osäkerheter är Leamon övertygad om att fysiker är nära att kunna göra korrekta förutsägelser. År 2030, när nästa panel sammanträder, "kommer vi att ha ett mycket bättre grepp om det", sa han. "Det här kommer att bli den sista cykeln vi inte helt förstår."