Hvordan videnskabsmænd forudsagde Coronas udseende den 21. august, 2017, total solformørkelse

Det var 14. august, 2017, kun en uge før Månen ville krydse stier med Solen og Jorden, kaster sin skygge hen over USA. Hele landet summede af forventning til den flygtige chance for at se coronaen, solens svage ydre atmosfære.

Men ventetiden var unikt nervepirrende for en gruppe forskere ved Predictive Science Inc., et privat forskningsfirma i San Diego:De havde netop offentliggjort en forudsigelse af, hvordan coronaen ville se ud den 21. august, dagen for den totale solformørkelse. Hvordan ville deres forudsigelse – resultatet af en kompleks numerisk model og snesevis af timers beregning – sammenlignes med den ægte vare?

"Venter på helheden, du ved præcis, hvad du har forudsagt, og hvad du forventer, "Predictive Science -forsker Zoran Miki? Sagde." Fordi du arbejder med modellen så meget og ser forudsigelsen så mange gange, det er brændt ind i din hjerne. Der er en masse angst, for hvis du tager helt fejl, det er lidt pinligt."

Predictive Science-forskerne brugte data fra NASAs Solar Dynamics Observatory, eller SDO, at udvikle en model, der simulerer corona. Deres model bruger målinger af magnetiske felter på Solens overflade til at forudsige, hvordan magnetfeltet former koronaen. Deres arbejde blev støttet af NASA, National Science Foundation og Air Force Office of Scientific Research. Miki? er hovedforfatter på et papir, der opsummerer deres arbejde og udgivet i Natur Astronomi den 27. aug. 2018.

Koronalvidenskaben er dybt forankret i de totale formørkelsers historie; selv med state-of-the-art teknologi, det er kun under en total formørkelse, at forskerne kan løse den laveste region af koronaen, lige over Solens overflade. Denne dynamiske del af solatmosfæren er fyldt med komplekse magnetiske felter, der leverer energien til enorme udbrud som blus og koronale masseudstødninger.

Når partikler og stråling fra soleksplosioner rejser ud fra Solen, de kan manifestere sig som forstyrrelser i det nære Jord-rum, kendt som rumvejr. Lige så varierende som vejret, vi oplever på Jorden, rumvejr kan forstyrre kommunikationssignaler, astronauter og satellitter i kredsløb, eller endda elnet.

Evnen til at forudsige og forudsige rumvejr - ligesom vi gør terrestrisk vejr - er afgørende for at afbøde disse påvirkninger, og modeller som Predictive Science's er vigtige værktøjer i indsatsen.

Formørkelser giver forskere en unik mulighed for at teste deres modeller. Ved at sammenligne modellens korona-forudsigelse med observationer under selve formørkelsen, de kunne vurdere og forbedre deres modellers ydeevne.

Den model, Predictive Science-teamet brugte til formørkelsen i august 2017, var deres mest komplekse hidtil i to årtiers formørkelsesudsigelse.

Større kompleksitet kræver flere computertimer, og hver simulering krævede tusinder af processorer og tog cirka to dage i realtid at fuldføre. Forskergruppen kørte deres model på flere supercomputere, herunder faciliteter ved University of Texas i Austin's Texas Advanced Computer Center; San Diego Supercomputer Center ved University of California San Diego; og Pleiades-supercomputeren på NASA Advanced Supercomputing-faciliteten ved NASAs Ames Research Center i Silicon Valley, Californien.

Udover SDOs kort over Solens magnetfelt, modellen brugte SDO -observationer af prominenser - slangeagtige strukturer lavet af seje, tæt solmateriale, der rager ud fra Solens overflade. Prominenser dannes i belastede dele af magnetfeltet, hvor den er snoet ind i et reb og er i stand til at bryde ud, hvis den bliver overviklet.

Forskerne inkluderede også nye beregninger for koronal opvarmning. Vi forstår endnu ikke, hvordan corona brænder op mod 2 millioner grader Fahrenheit, mens kun 1, 000 miles under, den underliggende overflade simrer ved en lun 10, 000 F. En teori foreslår, at elektromagnetiske bølger - kaldet Alfvén-bølger - lanceret fra Solens bølgende overflade styrter ud i koronaen, opvarmning af partikler, når de forplanter sig udad, lidt som hvordan havbølger skubber og fremskynder surfere mod kysten.

Ved at redegøre for prominenser og disse små – men talrige – bølger, forskerne håbede at male et stadig mere detaljeret portræt af coronaens komplekse adfærd.

Efter formørkelsen, gruppen fandt, at deres forudsigelse havde en slående lighed med den 21. august. 2017, corona, selvom modellen mangler mange finere strukturer. Både forudsigelsen og billederne fra jorden taget på dagen for formørkelsen viser tre hjelmstreamere - enorme, kronbladsformede strukturer, der dannes over et netværk af magnetiske sløjfer. Styrken af ​​sammenligningen understøtter fremskridt i den nye model.

Forskere har altid vidst, at de snoede magnetfelter, der ligger til grund for fremtrædende områder, er en vigtig del af Solen, men teamets tidligere modeller var ikke sofistikerede nok til at afspejle det. Det samme gælder for bølgerne, der opvarmer koronaen. "På en eller anden måde modellens ydeevne fortæller os, at den nye varmemodel er på vej i den rigtige retning, sagde Miki. "Det viser helt sikkert forbedrede resultater. Vi bør forfølge og forfine det yderligere."

I forbindelse med formørkelsesforudsigelser, det hjælper, når solen er stille, eller mindre aktiv. I august 2017, Solen var i en sådan stille fase, bevæger sig støt mod en periode med lav solaktivitet i sin cirka 11-årige cyklus.

Forskerne fodrede deres model med magnetfeltdata indsamlet fra Solens Jord-vendende side over de foregående 27 dage - den tid det tager Solen at fuldføre en hel rotation - da de i øjeblikket ikke har en måde at observere hele den sfæriske solenergi overflade på én gang. Med den tilgang målinger taget i begyndelsen af ​​den 27-dages periode – fra dele af Solens overflade, der efterfølgende har roteret mod ryggen, hvor de ikke længere kan ses – er mere tilbøjelige til at blive forældede end dem, der blev taget i slutningen. Men i tider med nedsat solaktivitet, magnetfeltet ændrer sig ikke hurtigt, så selv 27 dage gamle data er nyttige.

En uoverensstemmelse mellem forudsigelsen og observationerne er et tyndere træk, kaldet en pseudostreamer, der stråle ud fra solens øverste højre. Forskerne fastslog, at deres model savnede pseudostreameren, fordi magnetfeltet ændrede sig i den specifikke region under dataindsamlingen. En anden models forudsigelse fangede denne pseudostreamer med succes, Miki? sagde, fordi det ser ud til at have estimeret magnetfeltet mere præcist der.

"Det største, jeg tager væk fra dette, er, at de har en sofistikeret model, der ser godt ud, men de er begrænset af deres observationer, " sagde Alex Young, en solforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Hvad modellen går glip af, er et spørgsmål om, at solen ændrer sig, og det er noget, de ikke kan klare uden nok observationer fra de rigtige steder."

At teste en model som denne understøtter så grundigt tanken om, at med flere data og forskellige udsigtspunkter, forskere kan bedre beregne Solens finere dynamik - og i sidste ende forbedre deres evne til at forudsige rumvejrhændelser, der kan forstyrre teknologi og astronauter i rummet.

Knap et år efter at millioner selv så koronaen under den totale formørkelse, den 12. august, 2018, NASA lancerede Parker Solar Probe på vej til faktisk at flyve gennem corona, går tættere på Solen end noget rumfartøj før.

Parker Solar Probe vil sende tilbage til Jorden observationer inde fra selve koronaen, som forskere kan tilføje til deres modeller, udfylder afgørende videnshuller i coronaens komplicerede fysik.

Miki? nævnte modeller som deres kan supplere missionen ved at kontekstualisere rumfartøjets rejse gennem koronaen. Forskere har aldrig arbejdet med data indsamlet så tæt på Solen. Ved at modellere hele coronaen – det større billede – vil forskerne give et afgørende perspektiv på Parkers omgivelser, når den begiver sig ind i et helt uudforsket territorium.

"Dette er fantastisk videnskab for Parker Solar Probe og fra formørkelsen, der deler ét hovedformål, " sagde Thomas Zurbuchen, associeret administrator ved NASAs hovedkvarter i Washington. "Ud over videnskaben, det handler om virkelig at fremme vores forståelse af og evne til at forudsige rumvejr, en stor indflydelse, vi kan have på NASA. "