Hvordan videnskabsmænd brugte NASA-data til at forudsige coronaen af ​​den totale solformørkelse den 21. august

Da den totale solformørkelse fejede ind over USA den 21. august. 2017, NASA-satellitter fangede et mangfoldigt sæt billeder fra rummet. Men dage før formørkelsen, nogle NASA-satellitter gjorde det også muligt for forskere at forudsige, hvordan koronaen - Solens ydre atmosfære - ville se ud under formørkelsen, fra jorden. Ud over at tilbyde et casestudie for at teste vores forudsigelsesevner, forudsigelserne gjorde det også muligt for nogle formørkelsesforskere at vælge deres studiemål på forhånd.

Forudsigelsesvidenskab, Inc., San Diego, Californien – et privat firma for beregningsfysik, støttet af NASA, National Science Foundation og Air Force Office of Scientific Research - brugte data fra NASAs Solar Dynamics Observatory, eller SDO for at udvikle en forbedret numerisk model, der simulerede, hvordan koronaen ville se ud under den totale formørkelse. Deres model bruger observationer af magnetiske felter på Solens overflade og kræver et væld af supercomputerressourcer til at forudsige, hvordan magnetfeltet former koronaen over tid.

Da korona- og solmaterialet spredes ud fra Solen, de kan manifestere sig som forstyrrelser i det nære Jord-rum, kendt som rumvejr. "Rumvejrmodeller skal være i stand til at karakterisere coronaens struktur for at forbedre prognoser for stien og mulige påvirkninger af disse begivenheder, " sagde Præsident og videnskabsmand Jon Linker for Predictive Science.

Et nøgleværktøj er computermodeller, der simulerer begivenheder på Solen, før de overhovedet sker. Denne sammenligning af modeller og observationer er et kerneaspekt af heliofysik - videnskabsområdet dedikeret til at forstå Solen og dens dynamiske indflydelse i hele solsystemet. Uden evnen til at måle corona direkte, heliofysikere tester deres teorier ved at bruge komplekse computersimuleringer.

Formørkelser giver en unik mulighed for forskere til at teste sådanne modeller. Under den totale formørkelse, Månen tilslørede fuldstændig Solens lyse ansigt, afslører den inderste del af koronaen - regionen, hvor soludbrud, såsom koronale masseudstødninger, stammer fra, men er svær at observere under almindelige omstændigheder. Ved at sammenligne deres forudsigelser med de observationer, der blev indsamlet under selve formørkelsen, forskere kan vurdere og forbedre ydeevnen af ​​deres koronale modeller.

Den model, Predictive Science-forskerne brugte til deres endelige forudsigelse af formørkelsen i august 2017, var deres hidtil mest komplekse. Udover SDOs kort over Solens magnetfelt, den brugte også SDO-observationer af filamenter - serpentine strukturer på Solens overflade bestående af kølige, tæt solcellemateriale.

Større kompleksitet kræver flere computertimer, og hver simulering krævede tusindvis af processorer og tog omkring to dages realtid at gennemføre. Forskergruppen kørte deres model på adskillige supercomputere, herunder faciliteter på Texas Advanced Computer Center i Austin, Texas; San Diego Supercomputer Center i Californien; og Pleiades-supercomputeren på NASA Advanced Supercomputing-faciliteten ved NASAs Ames Research Center i Silicon Valley, Californien.

"Baseret på en meget foreløbig sammenligning, det ser ud til, at modellen klarede sig meget godt med at fange træk ved den store corona, " sagde Linker. I sin øgede kompleksitet, modellen viser, at selv Solens fine magnetiske strukturer er tæt forbundet med koronaens enorme struktur.

Mens forskerne kørte deres modeller, NASAs eget Solar and Terrestrial Relations Observatory, eller STEREO-A rumfartøj, var også i stand til at kigge ind i fremtiden og give fingerpeg om, hvordan koronaen ville se ud dagen for formørkelsen. Da formørkelsen nærmede sig, på grund af STEREO-A's position bag Solen og de særlige rotationshastigheder for Solen og Jorden, STEREO-A's syn på coronaen den 12. aug. 2017, var praktisk talt den samme, som dem inden for helhedens vej ville se ni dage senere den 21. august. Det vil sige, STEREO-A's udsigtspunkt er cirka ni dage før Jordens.

STEREOs nøgleinstrumenter inkluderer et par koronagrafer - teleskoper, der bruger en metalskive kaldet en okkultisk skive til at studere koronaen. Ligesom en total formørkelse, den okkulterende skive blokerer for Solens skarpe lys, gør det muligt at skelne den omgivende corona.

Coronagraph-billeder fra 12. og 21. august viser stor lighed; begge har en dominerende tre-streamer-form. Her, STEREO-billedet sammenlignes med et billede fra det fælles ESA/NASA Solar and Heliospheric Observatory, eller SOHO, som var placeret til at dele Jordens syn på koronaen den 21. august. Den lille forskel i streamernes placering skyldes, at STEREO-A og SOHO ser Solen fra lidt forskellige vinkler.

"Den lille forskel mellem billederne fra 12. og 21. august viser, at Solens atmosfære udvikler sig meget langsomt - som vi forventer, at den skal, i sin faldende fase mod solminimum, " sagde Angelos Vourlidas, et STEREO videnskabsteammedlem og heliofysiker ved Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland. "Solen er langsomt ved at sove - men ikke stille, som den seneste bølge af solaktivitet mindede os om!"

Solminimum er perioden med lavere solaktivitet i Solens naturlige cirka 11-årige cyklus. I tider med større solaktivitet, den dynamiske korona kunne have udviklet sig for hurtigt til at gøre sådan en forudsigelse nyttig. Men i disse tider nærmer sig solminimum, både Predictive Science og STEREOs eclipse-forudsigelser gav forskere mulighed for at forbedre modeller og vores forståelse af Solens aktuelle aktivitet.