Hvilken vej blæser solvinden?

Solens overflade buldrer af energi og udstøder ofte masser af højmagnetiseret plasma mod Jorden. Nogle gange er disse udstødninger stærke nok til at styrte gennem magnetosfæren - det naturlige magnetiske skjold, der beskytter Jorden - og ødelægger satellitter eller elektriske net. Sådanne rumvejrhændelser kan være katastrofale.

Astronomer har studeret solens aktivitet i århundreder med større og større forståelse. I dag, computere er centrale i søgen efter at forstå solens adfærd og dens rolle i rumvejrbegivenheder.

Den todelte PROSWIFT-lov (Promoting Research and Observations of Space Weather to Improving the Forecasting of Tomorrow), vedtaget i lov i oktober 2020, formaliserer behovet for at udvikle bedre værktøjer til vejrudsigt i rummet.

"Rumvejr kræver et produkt i realtid, så vi kan forudsige påvirkninger før en begivenhed, ikke kun bagefter, " forklarede Nikolai Pogorelov, fremtrædende professor i rumvidenskab ved University of Alabama i Huntsville, som har brugt computere til at studere rumvejr i årtier. "Dette emne - relateret til nationale rumprogrammer, miljø, og andre problemer - blev for nylig eskaleret til et højere niveau."

For mange, rumvejr kan virke som en fjern bekymring, men som en pandemi – noget vi vidste var muligt og katastrofalt – indser vi måske ikke dens farer, før det er for sent.

"Vi tænker ikke over det, men elektrisk kommunikation, GPS, og dagligdags gadgets kan påvirkes af ekstreme rumvejreffekter, " sagde Pogorelov.

Desuden, USA planlægger missioner til andre planeter og månen. Alle vil kræve meget præcise forudsigelser af rumvejr - til design af rumfartøjer og for at advare astronauter om ekstreme begivenheder.

Med finansiering fra National Science Foundation (NSF) og NASA, Pogorelov leder et team, der arbejder på at forbedre det avancerede inden for vejrudsigt i rummet.

"Denne forskning, blander indviklet videnskab, avanceret databehandling og spændende observationer, vil fremme vores forståelse af, hvordan Solen driver rumvejr og dets virkninger på Jorden, " sagde Mangala Sharma, Programdirektør for rumvejr i afdelingen for atmosfærisk og georumvidenskab på NSF. "Arbejdet vil hjælpe videnskabsmænd med at forudsige rumvejrhændelser og opbygge vores nations modstandskraft mod disse potentielle naturlige farer."

Den multiinstitutionelle indsats involverer Goddard og Marshall Space Flight Centrene, Lawrence Berkeley National Laboratory, og to private virksomheder, Predictive Science Inc. og Space Systems Research Corporation.

Pogorelov bruger Frontera-supercomputeren ved Texas Advanced Computing Center (TACC) – den niendehurtigste i verden – samt højtydende systemer hos NASA og San Diego Supercomputing Center, at forbedre modellerne og metoderne i hjertet af rumvejrsprognoser.

Turbulens spiller en nøglerolle i dynamikken i solvinden og koronale masseudslip. Dette komplekse fænomen har mange facetter, herunder rollen af ​​stød-turbulens interaktion og ionacceleration.

"Solplasma er ikke i termisk ligevægt. Dette skaber interessante funktioner, " sagde Pogorelov.

Skriver ind Astrofysisk tidsskrift i april 2021, Pogorelov, sammen med Michael Gedalin (Ben Gurion University of the Negev, Israel), og Vadim Roytershteyn (Space Science Institute) beskrev rollen som backstreaming pickup-ioner i accelerationen af ​​ladede partikler i universet. Backstreaming ioner, enten af ​​interstellar eller lokal oprindelse, opfanges af det magnetiserede solvindplasma og bevæger sig radialt udad fra Solen.

"Nogle ikke-termiske partikler kan accelereres yderligere for at skabe solenergipartikler, der er særligt vigtige for rumvejrforholdene på Jorden og for mennesker i rummet, " han sagde.

Pogorelov udførte simuleringer på Frontera for bedre at forstå dette fænomen og sammenligne det med observationer fra Voyager 1 og 2, rumfartøjet, der udforskede heliosfærens yderområder og nu leverer unikke data fra det lokale interstellare medium.

Et af hovedfokuserne for forudsigelse af rumvejr er korrekt forudsigelse af ankomsten af ​​koronale masseudslyngninger - frigivelsen af ​​plasma og medfølgende magnetfelt fra solkoronaen - og at bestemme retningen af ​​det magnetiske felt, den bærer med sig. Pogorelovs teams undersøgelse af backstreaming-ioner hjælper med at gøre det, ligesom værker udgivet i Astrofysisk tidsskrift i 2020, der brugte en fluxreb-baseret magnetohydrodynamisk model til at forudsige ankomsttiden til Jorden og magnetfeltkonfigurationen af ​​12. juli, 2012 koronal masseudslyngning. (Magnetohydrodynamik refererer til de magnetiske egenskaber og opførsel af elektrisk ledende væsker som plasma, som spiller en nøglerolle i dynamikken i rumvejr).

"For femten år siden, vi vidste ikke så meget om det interstellare medium eller solvindens egenskaber, " sagde Pogorelov. "Vi har så mange observationer tilgængelige i dag, som giver os mulighed for at validere vores koder og gøre dem meget mere pålidelige."

Pogorelov er medforsker på en indbygget komponent af Parker Solar Probe kaldet SWEAP (Solar Wind Electrons, protoner, og Alphas-instrument). Med hver bane, sonden nærmer sig solen, give ny information om solvindens egenskaber.

"Snart vil den trænge ud over den kritiske sfære, hvor solvinden bliver superhurtig magnetosonisk, og vi vil have information om solvindens acceleration og transport, som vi aldrig har haft før, " han sagde.

Efterhånden som sonden og andre nye observationsværktøjer bliver tilgængelige, Pogorelov forventer et væld af nye data, der kan informere og drive udviklingen af ​​nye modeller, der er relevante for rumvejrsprognoser. Af den grund, sideløbende med sin grundforskning, Pogorelov udvikler en softwareramme, der er fleksibel, kan bruges af forskellige forskningsgrupper rundt om i verden, og kan integrere nye observationsdata.

"Ingen tvivl, i de kommende år, kvaliteten af ​​data fra fotosfæren og solkoronaen vil blive dramatisk forbedret, både på grund af nye tilgængelige og nye data, mere sofistikerede måder at arbejde med data på, " sagde han. "Vi forsøger at bygge software på en måde, så hvis en bruger kommer med bedre grænsebetingelser fra nye videnskabelige missioner, det vil være lettere for dem at integrere den information."