Forsker identificerer nøgleforskelle i solvindmodeller

Udfordringen med at forudsige rumvejr, som kan forårsage problemer med telekommunikation og andre satellitoperationer på Jorden, kræver en detaljeret forståelse af solvinden (en strøm af ladede partikler frigivet fra solen) og sofistikerede computersimuleringer. Forskning udført ved University of New Hampshire har fundet ud af, at når man vælger den rigtige model til at beskrive solvinden, at bruge den, der tager længere tid at beregne, gør den ikke den mest nøjagtige.

I undersøgelsen, udgivet i The Astrophysical Journal , Daniel Verscharen, en forskningsassistent i fysik ved UNHs Space Science Center, sammenlignede to almindeligt anvendte teoretiske beskrivelser, kinetisk teori versus magnetohydrodynamik (MHD), ved måling af opførsel af turbulens i solvinden. Kinetisk teori ser på solvinden som en sammensætning af hurtigt bevægende partikler og bruger meget komplicerede matematiske metoder, der kræver lange perioder, når de evalueres på sofistikerede supercomputere. Den anden beskrivelse, MHD, betragter solvinden som værende en væske, eller mere gas-lignende, og er meget mindre kompliceret at beregne. Overraskende nok, undersøgelsen viste, at det var MHD, modellen, der var hurtigere at beregne, som leverede de mere præcise forudsigelser.

"Vores forskning viste, at det gør en kæmpe forskel, hvilken model der bruges, " sagde Verscharen. "Vi fandt ud af, at de meget hurtigere beregnede MHD-modeller faktisk kan fange noget af solvindens adfærd meget bedre end forventet. Dette er et meget vigtigt resultat for sol-vind-modellere, fordi det kan retfærdiggøre anvendelsen af ​​MHD, baseret på første principper og observationer."

For at bevise sin teori, Verscharen indsamlede data taget fra WIND-rumfartøjet, som i øjeblikket kredser i solvinden, fra studiemedforfatterne Christopher Chen ved Imperial College London og Robert Wicks fra University College London. Efter at have sammenlignet teorien med de faktiske rumfartøjsdata, holdet fandt ud af, at den type forstyrrelse, de undersøgte, opførte sig meget mere som en væske end et kinetisk medium med kollisionsfrie partikler. Dette var uventet, fordi de mente, at den kinetiske teori skulle fungere meget bedre i en gas som fortyndet, eller tynd, som solvinden.

Fundet kan føre til en mere effektiv måde at forudsige rumvejr for institutioner, der løbende skal modellere solvinden, ligesom NASA. Alvorligt rumvejr kan forårsage satellit- og kommunikationsfejl, GPS tab, strømafbrydelser, og kan endda have effekter på kommercielle flyselskaber og rumflyvning. For at forudsige de virkninger, som solvindplasma og energiske partikler kan have på disse systemer, modelbyggere kører i øjeblikket forskellige computersimuleringer og sammenligner resultaterne. Verscharen og hans team mener, at deres resultater kunne hjælpe med at udvikle et sæt kriterier til at bestemme, hvilken type modellering der ville være mest passende for deres forudsigelsesindsats i specifikke situationer.

"Hvis sol-vind-parametrene var på en bestemt måde, de kunne bruge MHD-modellering, og hvis ikke, de kan være bedre til at udføre simuleringer baseret på kinetisk teori, " sagde Verscharen. "Det ville bare give en mere effektiv måde at forudsige rumvejr og solvinden."

Det er stadig ikke forstået, hvorfor solvinden opfører sig som en væske. Forskerne håber, at fremtidige undersøgelser vil afgøre, under hvilke forhold solvinden kan modelleres som en væske med MHD, og hvornår en kinetisk model ville være nødvendig.