科学家如何解决太阳周期预测的棘手任务广达杂志

太阳看起来一成不变，就像一个永远亮着的无聊的天体灯泡。 但这个由聚变驱动的等离子体球处于不断变化的状态。 每隔 11 年左右，它就会在睡眠和活跃之间摇摆, 以太阳黑子和太阳爆发为标志的不规则时代，例如耀斑和等离子体爆发。

太阳现在正在接近当前周期中的最高活动水平，并且它的行为并不完全按照计划进行。 科学家们曾预测，这一周期会像上一周期一样很弱，但太阳正表现出 20 多年来从未见过的活动水平。 根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的数据，今年XNUMX月和XNUMX月，平均 大约160个太阳黑子 每天，数量是预计的两倍多。 太阳耀斑也在增加。

预测与观察之间的差异早在 2022 年 XNUMX 月就已显现出来，当时 尼古拉·福克斯 ——时任美国宇航局太阳物理部门主任—— NASA 网站上写道 “这个周期太阳比预期的要活跃得多。”

由于我们越来越依赖脆弱的技术，可靠的太阳周期预测现在比以往任何时候都更加重要。 地球大气层因太阳活动而膨胀，并增加了（很多）需要在轨道上机动的卫星的阻力。 太阳能爆发会烧毁电子设备、干扰无线电信号、扰乱 GPS 系统并扰乱电网。

与大多数预测一样，预测太阳周期面临许多挑战。 从一个周期到下一个周期，它并不遵循清晰的模式——有些周期比其他周期短——而且太阳物理学仍然是一门相对年轻的学科。 “我们想说我们比天气预报落后了大约 60 年，”说 罗伯特·利蒙是马里兰大学的太阳物理学家。

历史上，研究人员寻找太阳活动与太阳黑子数量、总表面积以及出现时间之间的统计相关性。 但科学界的共识是，这些技术——即使是现代化的——并不能揭示太多有关太阳未来行为的信息。 现在，在更复杂的太阳观测的推动下，科学家们正在评估和改进以太阳内部运作为指导的方法。

虽然进展缓慢——11 年是一段很长的时间——但让我们仔细看看太阳系预测的现状。 

追逐太阳黑子

400 多年前，伽利略首次观察到太阳表面斑驳的太阳黑子时，科学家们无意中开始追踪太阳周期。 现在很明显，这些暗斑在太阳活动极大期时大量存在，而在太阳活动极小期则大多不存在。 如今，虽然科学家们不断提高对驱动这种振荡的物理原理的理解，但太阳黑子仍然可以作为太阳活动的代表。

1989 年，NASA 和 NOAA 开始要求太阳周期预测面板预测下一个太阳周期的强度和时间。 为此，小组专家评估该领域其他研究人员的预测。 这些预测通常使用称为 R — 太阳黑子数量的 13 个月平均值（当月加上两侧各六个月的平滑或加权） — 作为太阳活动的指标。

钉子 R 下一个最大值被认为是太阳周期预测的顶峰。

不过，这些小组并没有良好的记录。 2006年，Cycle 24预测小组开始审议； 最终，团队 无法达成共识 并毫无帮助地预测第 24 轮要么非常弱，要么非常强。 （结果很弱。）“它们被分成两半，”说 丽莎厄普顿现任Cycle 25预测小组联合主席、西南研究院太阳物理学家。 “双方进行了一些激烈的交流。”

预测第 25 周期（于 2019 年 2019 月开始）看起来要简单得多。 2025 年 115 月，厄普顿和她的同事预测，太阳黑子数量将在 61 年 XNUMX 月达到顶峰，平均有 XNUMX 个。 他们筛选了 XNUMX 个预测 R 值范围从 50 到 229，但他们倾向于基于太阳物理学的一类预测，这些预测彼此基本一致。

“我们过得很轻松，”厄普顿说。 “我们都同意这将是一个相当疲弱的周期。”

太阳有不同的计划。

变化的迹象

现代基于物理学的方法有两种类型。 人们寻找可观察到的物理参数（称为前兆），这些参数预示着即将到来的周期的强度。 另一个使用计算机建模来重新创建太阳的物理原理并使其向前旋转。

在前兆中，迄今为止最成功的预测是太阳极小期期间太阳两极的磁场强度，这是第 25 周期预测小组当前预测的基础。 当太阳处于休眠状态时，它的磁场是偶极子，就像一个有正负两端的条形磁铁。 偶极子的强度控制着最终翻转磁场极性的过程，从而导致太阳周期。 多年来，科学家们发现，极地场的强度至少与即将到来的周期的强度密切相关。

该预测器的一个问题是，自 1976 年以来，仅在最后四个周期中直接测量了极地场。但是，有一些间接方法可以测量其强度，例如 aa-指数，它使用地球磁场的扰动作为极场强度的代理； 这些数据已经被测量了 150 多年——提供了另一组数据点。

“如果有 13 个点，这种相关性可能是巧合，但一旦你得到 XNUMX 个点，它看起来就不那么像巧合了，”说 罗伯特·卡梅伦是德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的太阳物理学家，也是最后一个预测小组的成员。

新希望

最近，由 Leamon 和 斯科特麦金托什 美国国家大气研究中心的科学家发现了另一个有希望的前兆，称为终结者事件。 这是上一周期的磁活动消失并被新周期的磁活动取代的时刻。

利蒙和麦金托什在历史数据中发现的线索表明，终结者的出现时间与新周期的强度相对应：早期的终结者会转化为更多的太阳黑子，从而形成更强的周期。 根据 2021 年 25 月发生的最后一次终结者，两人预测第 185 周期将达到 2024 个太阳黑子，并在 XNUMX 年 XNUMX 月达到峰值，比官方预测早了近一年。

“我不会幸灾乐祸，”利蒙说。 “但是（太阳）肯定比小组共识活跃得多。”

然而，大多数先驱方法的一个局限性是它们基于太阳极小期——科学家们在周期即将开始之前无法做出新的预测。 这就是为什么他们有时会寻求类似于复杂气候预测模型的基于物理的方法的帮助。 这些计算机模拟使用流体动力学和电磁学来重建太阳物理学； 然后，科学家们输入观测数据来预测几年后极地场和其他前兆的情况。

隐藏的逻辑

但基于物理的预测仅占 Cycle 25 小组分析预测的一半。 其余的，虽然现在可能不太成功，但在未来可能会被证明是有用的。

这些是多种策略的组合，其中大多数使用以前的太阳周期来预测当前的太阳黑子数量。 此类方法有时会发现太阳黑子与最初看起来相当随机的事物之间存在很强的相关性，说 维克托·桑切斯·卡拉斯科西班牙埃斯特雷马杜拉大学的太阳物理学家。 他说，这些相关性可能只是巧合，但他们也有可能利用“一些我们仍然不了解的潜在物理学”。

物理学家继续尝试新方法，例如使用人工智能或神经网络来搜索几个世纪以来的太阳黑子数据之间的相关性。 “如此长的时间序列有一种神秘感，”天体物理学家说 尤里科·科瓦斯，葡萄牙天体物理和空间科学研究所的合作者。

目前，厄普顿仍然认为该小组的预测尚未结束。 “看起来周期[强度]可能比我们预测的要大一点，但不会大很多，”她说。 她指出，一旦所有数据都输入后，平滑曲线可能不会 急剧偏离 作为 NOAA 绘制的月平均值。 和 基于当前周期的演变卡拉斯科同意第 25 周期可能会强于专家组的预测，但仍弱于平均水平。 “接下来的六个月是了解第 25 号太阳周期走向的关键，”他说。

尽管存在这些不确定性，利蒙仍然相信物理学家即将能够做出准确的预测。 到 2030 年，当下一次专家组召开时，“我们将更好地处理这个问题，”他说。 “这将是我们不完全理解的最后一个周期。”