Omfattende model fanger hele livscyklussen af ​​soludbrud

Et team af forskere har, for første gang, brugt en enkelt, sammenhængende computermodel til at simulere hele livscyklussen af ​​et soludbrud:fra opbygningen af ​​energi tusindvis af kilometer under soloverfladen, til fremkomsten af ​​sammenfiltrede magnetiske feltlinjer, til den eksplosive frigivelse af energi i et strålende glimt.

præstationen, detaljeret i journalen Natur astronomi , sætter scenen for fremtidige solmodeller til realistisk at simulere Solens eget vejr, når det udfolder sig i realtid, herunder udseendet af bølgende solpletter, som nogle gange producerer blus og koronale masseudstødninger. Disse udbrud kan have udbredte virkninger på Jorden, fra at forstyrre elnet og kommunikationsnetværk, til at beskadige satellitter og bringe astronauter i fare.

Forskere ved National Center for Atmospheric Research (NCAR) og Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory ledede forskningen. Den omfattende nye simulering fanger dannelsen af ​​et soludbrud på en mere realistisk måde end tidligere anstrengelser, og det inkluderer spektret af lysemissioner, der vides at være forbundet med flares.

"Dette arbejde giver os mulighed for at give en forklaring på, hvorfor flares ser ud, som de gør, ikke kun ved en enkelt bølgelængde, men i synlige bølgelængder, i ultraviolette og ekstreme ultraviolette bølgelængder, og i røntgenstråler, " sagde Mark Cheung, en stabsfysiker ved Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory og en gæsteforsker ved Stanford University. "Vi forklarer de mange farver af soludbrud."

Forskningen blev stort set finansieret af NASA og af National Science Foundation, som er NCARs sponsor.

At bygge bro mellem skalaerne

Til den nye undersøgelse, forskerne skulle bygge en solmodel, der kunne strække sig over flere områder af Solen, indfanger hver enkelts komplekse og unikke fysiske adfærd.

Den resulterende model begynder i den øvre del af konvektionszonen - omkring 10, 000 kilometer under Solens overflade - stiger gennem soloverfladen, og skubber 40 ud, 000 kilometer ind i solatmosfæren, kendt som corona. Forskellene i gasdensitet, tryk, og andre karakteristika ved Solen repræsenteret på tværs af modellen er enorme.

For succesfuldt at simulere et soludbrud fra fremkomst til energifrigivelse, forskerne havde brug for at tilføje detaljerede ligninger til modellen, der kunne give hver region mulighed for at bidrage til soludbrudsudviklingen på en realistisk måde. Men de skulle også passe på ikke at gøre modellen så kompliceret, at det ikke længere ville være praktisk at køre med tilgængelige supercomputing-ressourcer.

"Vi har en model, der dækker en lang række fysiske forhold, hvilket gør det meget udfordrende, " sagde NCAR-forsker Matthias Rempel. "Denne form for realisme kræver innovative løsninger."

For at løse udfordringerne, Rempel lånte en matematisk teknik, der historisk blev brugt af forskere, der studerede magnetosfærerne på Jorden og andre planeter. Teknikken, hvilket gjorde det muligt for forskerne at komprimere forskellen i tidsskalaer mellem lagene uden at miste nøjagtigheden, gjorde det muligt for forskerholdet at skabe en model, der var både realistisk og beregningsmæssigt effektiv.

Næste trin var at opsætte et scenarie på den simulerede sol. I tidligere forskning med mindre komplekse modeller, videnskabsmænd har haft behov for at igangsætte modellerne næsten på det tidspunkt, hvor opblussen ville bryde ud, for overhovedet at kunne få en opblussen til at danne sig.

I den nye undersøgelse, holdet ønskede at se, om deres model kunne generere en flare alene. De startede med at opstille et scenarie med forhold inspireret af en særlig aktiv solplet observeret i marts 2014. Den faktiske solplet affødte snesevis af udbrud i den tid, den var synlig, inklusive en meget kraftig X-klasse og tre moderat kraftige M-klasse blusser. Forskerne forsøgte ikke at efterligne 2014-solpletten nøjagtigt; i stedet nærmede de sig nogenlunde de samme solar-ingredienser, som var til stede på det tidspunkt - og som var så effektive til at producere flares.

Så lod de modellen gå, ser for at se, om det ville generere en opblussen af ​​sig selv.

"Vores model var i stand til at fange hele processen, fra opbygning af energi til fremkomst ved overfladen til opgang i koronaen, giver energi til coronaen, og så komme til det punkt, hvor energien frigives i et soludbrud, " sagde Rempel.

Nu hvor modellen har vist, at den er i stand til realistisk at simulere en flares hele livscyklus, forskerne vil teste det med observationer fra den virkelige verden af ​​Solen og se, om det med succes kan simulere, hvad der faktisk sker på soloverfladen.

"Dette var en selvstændig simulering, der var inspireret af observerede data, " sagde Rempel. "Det næste trin er at indtaste observerede data direkte i modellen og lade den drive det, der sker. Det er en vigtig måde at validere modellen på, og modellen kan også hjælpe os med bedre at forstå, hvad det er, vi observerer på Solen."