Як вчені вирішують складне завдання прогнозування сонячного циклу | Журнал Quanta

Сонце виглядає незмінним, нудна небесна лампочка, яка завжди ввімкнена. Але ця плазмова куля, що працює на термоядерному синтезі, постійно змінюється. Приблизно кожні 11 років він переходить між сном і активністю, неконтрольована епоха, відзначена сонячними плямами та сонячними виверженнями, такими як спалахи та спалахи плазми.

Сонце зараз наближається до свого максимального рівня активності в поточному циклі, і воно поводиться не зовсім за планом. Вчені передбачали, що цей цикл буде слабким, як і попередній, але Сонце демонструє рівень активності, якого не бачили більше 20 років. У червні та липні цього року, згідно з даними Національного управління океанічних і атмосферних досліджень (NOAA), в середньому приблизно 160 сонячних плям щодня, більш ніж удвічі більше, ніж прогнозувалося. Також почастішали спалахи на Сонці.

Розбіжність між прогнозом і спостереженням стала очевидною ще в липні 2022 року, коли Нікола Фокс — тоді директор відділу геліофізики NASA — написали на сайті NASA що «Сонце було набагато активніше цього циклу, ніж очікувалося».

Надійне передбачення сонячного циклу зараз важливіше, ніж будь-коли, через нашу все більшу залежність від вразливих технологій. Атмосфера Землі надихається сонячною активністю та збільшує опір (дуже багатьох) супутників, яким потрібно маневрувати на орбіті. Сонячні спалахи можуть пошкодити електронне обладнання, заглушити радіосигнали, вивести з ладу системи GPS і порушити електромережі.

Як і у випадку з більшістю прогнозів, прогнозування сонячного циклу є численним. Він не слідує чіткій схемі від одного циклу до наступного — деякі коротші за інші — і фізика Сонця все ще є відносно молодою дисципліною. «Ми любимо казати, що ми відстаємо від синоптиків приблизно на 60 років», – сказав він Роберт Лімон, сонячний фізик в Університеті Меріленда.

Історично дослідники шукали статистичні кореляції між сонячною активністю та кількістю сонячних плям, їх загальною площею поверхні та часом їх появи. Але науковий консенсус полягає в тому, що ці методи — навіть модернізовані — не розкривають багато про майбутню поведінку Сонця. Зараз, завдяки більш складним спостереженням за Сонцем, вчені оцінюють і вдосконалюють методи, які натомість використовують внутрішню роботу Сонця як орієнтир.

Хоча прогрес йде повільно — 11 років — це довгий період, — давайте уважніше подивимося на поточний стан прогнозів Сонячної системи. 

Погоня за сонячними плямами

Вчені ненавмисно почали відстежувати сонячний цикл понад 400 років тому, коли Галілей вперше спостерігав сонячні плями на сонячному обличчі. Тепер зрозуміло, що ці темні плями рясні під час сонячного максимуму і переважно відсутні під час сонячного мінімуму. Сьогодні, хоча вчені продовжують вдосконалювати своє розуміння фізики, що спричиняє це коливання, сонячні плями все ще служать проксі для активності Сонця.

У 1989 році NASA і NOAA почали звертатися до панелей прогнозування сонячного циклу з проханням спрогнозувати силу та час наступного сонячного циклу. Для цього експерти групи оцінюють прогнози інших дослідників у цій галузі. Ці прогнози зазвичай використовують значення, що називається R — 13-місячне середнє число сонячних плям (згладжене або зважене за поточний місяць плюс шість місяців з обох боків) — як індикатор активності Сонця.

Прибивання цвяхів R для наступного максимуму вважається вершиною прогнозування сонячного циклу.

Однак панелі не мають великого досвіду. У 2006, панель прогнозів циклу 24 почала свої обговорення; зрештою, команда не змогли дійти консенсусу і передбачив, без користі, що Цикл 24 буде або дуже слабким, або дуже сильним. (Воно виявилося слабким.) «Вони були дуже розколоті навпіл», - сказав Ліза Аптон, співголова поточної групи прогнозів циклу 25 і фізик із сонячної енергії в Південно-Західному науково-дослідному інституті. «Були гарячі переговори».

Передбачити 25-й цикл, який стартував у грудні 2019 року, здавалося набагато простішим. У березні 2019 року Аптон та її колеги передбачили, що його пік досягне в липні 2025 року із середньою кількістю 115 сонячних плям. Вони відсіяли 61 передбачення R значення в діапазоні від 50 до 229, але вони віддавали перевагу класу прогнозів, заснованих на фізиці Сонця, які в основному узгоджувалися один з одним.

"Нам було досить легко", - сказав Аптон. «Ми всі погодилися, що буде досить слабкий цикл».

У сонечка були інші плани.

Ознаки змін

Сучасні методи, засновані на фізиці, мають два види. Потрібно шукати спостережувані фізичні параметри — так звані попередники — які передвіщають силу майбутнього циклу. Інший використовує комп’ютерне моделювання, щоб відтворити фізику сонця та обертати його вперед.

Серед попередників найуспішнішим провісником наразі є сила магнітного поля на полюсах Сонця під час сонячного мінімуму, на якому панель прогнозів Cycle 25 базувала свій поточний прогноз. Коли сонце спляче, його магнітне поле є диполем, подібним до стрижневого магніту з позитивним і негативним кінцями. Сила диполя керує процесом, який зрештою змінює полярність магнітного поля, що викликає сонячний цикл. Протягом багатьох років вчені виявили, що мінімальна сила полярного поля сильно корелює з силою майбутнього циклу.

Одна проблема з цим провісником полягає в тому, що полярне поле вимірювалося лише протягом останніх чотирьох циклів, починаючи з 1976 року. Але є непрямі способи оцінити його силу, наприклад aa-індекс, який використовує збурення в магнітному полі Землі як проксі для напруженості полярного поля; їх вимірювали протягом понад 150 років, пропонуючи ще один кластер точок даних.

«З чотирма балами кореляція може бути випадковим, але як тільки ви отримаєте 13 балів, це виглядає менше як збіг», — сказав Роберт Кемерон, сонячний фізик з Інституту дослідження сонячної системи Макса Планка в Геттінгені, Німеччина, який був частиною останньої групи прогнозів.

Нова надія

Нещодавно дослідження під керівництвом Лімона і Скотт Макінтош Національного центру атмосферних досліджень ідентифікував ще одного багатообіцяючого попередника, який називається термінатором. Це момент, коли магнітна активність попереднього циклу зникає і замінюється магнітною активністю нового циклу.

Лімон і Макінтош знайшли підказки в історичних даних, які свідчать про те, що час термінатора відповідає силі нового циклу: ранній термінатор перетворюється на більше сонячних плям і, отже, на сильніший цикл. Грунтуючись на останньому термінаторі, який відбувся в грудні 2021 року, пара передбачила, що 25-й цикл досягне максимуму в 185 сонячних плям і досягне піку в липні 2024 року, майже на рік раніше, ніж офіційний прогноз.

«Я не збираюся зловживати», — сказав Лімон. «Але [сонце], звичайно, набагато активніше, ніж консенсус групи».

Одне з обмежень більшості методів попередників полягає в тому, що вони засновані на сонячному мінімумі — вчені не можуть зробити новий прогноз, поки цикл не почнеться. Ось чому вони іноді шукають допомоги в методах, заснованих на фізиці, подібних до складних моделей прогнозування клімату. Ці комп’ютерні симуляції використовують динаміку рідини та електромагнетизм для відтворення фізики Сонця; потім вчені подають дані спостережень, щоб передбачити, як полярне поле та інші попередники можуть виглядати через кілька років.

Прихована логіка

Але прогнози, засновані на фізиці, становлять лише половину прогнозів, які проаналізувала панель Cycle 25. Решта, хоча, можливо, менш успішні зараз, можуть виявитися корисними в майбутньому.

Це суміш стратегій, більшість із яких використовує попередні сонячні цикли для прогнозування поточної кількості сонячних плям. Такі методи іноді виявляють сильні кореляції між сонячними плямами та речами, які спочатку здаються досить випадковими, сказав Віктор Санчес Карраско, сонячний фізик в Університеті Естремадури в Іспанії. Ці кореляції можуть бути просто збігом, сказав він, але також є ймовірність, що вони зачіпають «якусь фундаментальну фізику, яку ми досі не розуміємо».

І фізики продовжують випробовувати нові підходи, такі як використання штучного інтелекту або нейронних мереж для пошуку кореляцій між даними про сонячні плями за століття. «З такими довгими часовими рядами пов’язана якась загадка», — сказав астрофізик Еуріко Ковас, співавтор Інституту астрофізики та космічних наук у Португалії.

На даний момент Аптон все ще вважає, що прогноз панелі ще не вмер. «Схоже, що цикл [сила] може бути трохи більшим, ніж ми передбачали, але не значно більшим», — сказала вона. Вона зазначає, що згладжена крива, коли всі дані будуть введені, ймовірно, не буде відхилятися настільки ж різко як середні місячні значення, які визначає NOAA. І на основі еволюції поточного циклу, Карраско погоджується, що Цикл 25, ймовірно, буде сильнішим, ніж прогноз групи, але все одно слабшим, ніж середній. «Наступні шість місяців є ключовими для того, щоб побачити, куди рухається сонячний цикл 25», — сказав він.

Незважаючи на ці невизначеності, Лімон упевнений, що фізики близькі до того, щоб зробити точні прогнози. До 2030 року, коли збереться наступна комісія, «ми будемо набагато краще впоратися з цим», — сказав він. «Це буде останній цикл, який ми не повністю розуміємо».