Forskere udvikler in-silico-model af solstorme mod et tidligt varslingssystem

En forskergruppe fra Graz undersøgte, hvordan solstorme kan simuleres for at muliggøre en mere præcis forudsigelse af deres virkninger på Jorden. Deres arbejde har givet en mere nøjagtig model til simulering af solstorme i realtid.

Solen er en ekstremt aktiv stjerne, der har indflydelse på solsystemets planeter på mange forskellige måder. En af de mest synlige effekter er aurora borealis. Dette nordlys er forårsaget af solvind, dvs. en jævn strøm af protoner og elektroner udsendt af solen, som interagerer med Jordens magnetfelt og forårsager de farverige lyseffekter. Under normale omstændigheder, Jordens magnetfelt skærmer stort set planeten mod solvinden, men nogle gange, store flammer bryder ud på solen, slynge en masse varmt materiale ud i rummet på relativt kort tid. Dette materiale rammer Jorden et par dage senere som en solstorm, som kan beskadige satellitter, forstyrre GPS-navigationen eller endda forårsage strømafbrydelser. Hvad, Nemlig, er involveret i disse begivenheder er stadig stort set ukendt, hvilket er grunden til, at flere rumsonder har instrumenter om bord til at optage solstorme fra det ydre rum.

En forskergruppe ledet af astrofysikeren Christian Möstl fra det Graz-baserede rumforskningsinstitut for det østrigske videnskabsakademi arbejder på en række projekter finansieret af den østrigske videnskabsfond FWF for at modellere solstorme og deres virkninger på Jorden i realtid, gør det således muligt at forudsige sådanne ekstreme hændelser med større præcision. I et projekt afsluttet i 2019, et hold ledet af Möstl udviklede en særlig detaljeret model for udbredelse af solstorme.

Elliptisk form

"Målet er utvetydigt - vi ønsker at forudsige solstorme, " siger Christian Möstl. "Der er flere rumsonder, der kan spore solstorme i nogen afstand fra Jorden. I 1990'erne, SOHO-sonden var den første til at lave sådanne optagelser, i dag er der også Parker Solar Probe og to yderligere sonder, der går under navnet STEREO." Alle disse sonder bevæger sig i eller i nærheden af ​​ekliptikken - det plan, hvori planeterne kredser om solen. Sådan ser stormene ud udefra dette plan kan ikke konstateres med de nuværende sonder. Modellerne skal arbejde ud fra forudsætninger, der er så realistiske som muligt. "Ældre modeller antog en prikformet eller cirkulær struktur, men det er urealistisk, " bemærker Möstl. "I et tidligere projekt, vi erstattede cirklerne med cirkelbuer. I det seneste projekt har vi nu taget det næste skridt og brugt en ellipseformet form."

For yderligere at øge nøjagtigheden, Möstls team tilføjede en række effekter til modellen. Solvinden har normalt en lavere hastighed end solstormene og bremser dem. "Solstorme reagerer stærkt på solvind, Möstl forklarer. "Vores nye model er den første, der kombinerer STEREOs vidvinkelobservationer med trækeffekten skabt af solvinden."

Realtidssimulering

Modellen har den særlige egenskab, at den er i stand til at producere prognoser i realtid, så snart passende data er tilgængelig. Sådanne data kunne leveres i midten af ​​2020'erne af en planlagt ESA-satellitmission, som Tanja Amerstorfer, medlem af projektgruppen, påpeger:"Det handler ikke om at gengive effekterne med tilbagevirkende kraft, men om at have et værktøj, som vi kan bruge i realtid." Som regel, solstorme tager fire eller fem dage at nå Jorden. "Rekordhastigheden er 14 timer, " siger Amerstorfer - tid nok til et tidligt varslingssystem. I øjeblikket er der, imidlertid, ingen officiel instans til at forudsige, hvornår solstorme vil ramme Jorden. "Der er en hjemmeside, hvor forskningsgrupper som os kan placere væddemål på ankomsttidspunktet, " siger Möstl. I 2011 deltog de og vandt, men han gør det meget klart, at dette ikke er et seriøst advarselssystem.

Følgelig, et fungerende tidligt varslingssystem mangler stadig. "Der har været adskillige solstorme i historien, som ville forårsage stor skade i dag, " siger Amerstorfer. Den sidste store begivenhed af denne art var i 1989 i Quebec, hvor det involverede strømafbrydelser. I 1859 og 1921 ramte endnu større solstorme jorden. På det tidspunkt, polarlys var endda synlige på mellembreddegrader, for eksempel i Rom. Telegraflinjer blev beskadiget af denne begivenhed. På dagens infrastruktur, sådanne begivenheder ville have ødelæggende virkninger. "USA og Storbritannien har inkluderet dette scenarie i deres nationale katastrofeplaner, " rapporterer Amerstorfer. I 2012 en solstorm af størrelsesordenen i 1859-begivenheden gik lige forbi Jorden, I øvrigt.

Magnetfelt som et problem

Möstl og Amerstorfer understreger, at der stadig er meget, der skal gøres, før et pålideligt advarselssystem kan etableres. Fejlen ved estimering af ankomsttidspunkt er i bedste fald omkring ti timer. Ifølge Möstl, det største uløste problem er magnetfeltet i solstorme. "Vi ved, at disse felter tager form af store, buede såkaldte "fluxrør". Men vi kan kun opstille en hypotese om, hvordan feltet præcist er konfigureret i disse rør. Det vil være vigtigt at kende karakteren af ​​det magnetiske felt i en solstorm."

Ifølge Möstl, dette er lige så vigtigt som stormens størrelse:"Retningen af ​​det magnetiske felt fungerer som en kontakt. Hvis stormens magnetfelt har den modsatte orientering af Jordens, det vil overføre meget mere energi til Jordens magnetfelt, end hvis det har samme orientering." Hastighed spiller også en stor rolle:en kort, hurtig storm har en stærkere effekt end en langsommere, længere en. I øvrigt, solstorme forekommer ofte ikke som en enkelt begivenhed, men kan umiddelbart følge efter hinanden og interagere med hinanden.

Simuler hele kæden af ​​effekter

I efterfølgende FWF-projekter, forskergruppen i Graz arbejder nu på forskellige aspekter af problemet for at opbygge en hel kæde af simuleringer. "Vi ønsker at kombinere alt i én model, fra solstormens udbrud til virkningerne på Jorden, nordlyset og strømmene i jorden. Det er målet, " siger Möstl.