Hvordan videnskabsmænd over hele verden sporer solcyklussen

Hver morgen, astronomen Steve Padilla tager en kort gåtur fra sit hjem til bunden af ​​et tårn, der svæver 150 fod over jorden. Gemt i San Gabriel-bjergene, omkring en times kørsel nordpå fra Los Angeles, Mount Wilson Observatory har længe været et hjem for rumvidenskab – det er også Padillas hjem, en af ​​fordelene ved hans arbejde som Mount Wilsons solobservatør. Mount Wilson har adskillige vagtposter i solsystemet; teleskopet, der er placeret i toppen af ​​dette tårn, holder konstant øje med solen. Observatører studerer solen nøje, så vi bedre kan forstå vores stjernes liv og aktivitet.

Padilla går ombord i den udendørs elevator. Han klipper sig selv til en sikkerhedssele, som er fastgjort til det udendørs førerhus, den samme brugt hver dag siden teleskopet gik i drift i 1912 (kablerne er siden blevet udskiftet).

"Det kan være lidt skræmmende på blæsende dage, " sagde Padilla.

På toppen, Padilla justerer et sæt spejle, der projicerer et billede af solen ind i et observationsrum langt nede. Tilbage på jorden, han bruger en række blyanter, varierende i grafitvægt, at skitsere de mørke pletter, der pletter solens ansigt. Denne daglige opgave er grundlaget for solpletnummeret, vores længste registrering af solaktivitet. Mennesker har observeret solpletter - mørke pletter, der opstår fra stærk magnetisk aktivitet - i mere end 1, 000 år, og sporet dem i detaljer siden opfindelsen af ​​teleskopet, for de sidste 400. Selv med nutidens væld af rumfartøjer, der studerer solen, at tage sig tid til at tegne solpletter er stadig den vigtigste måde, de tælles på. Opmåling af solpletter er den mest grundlæggende måde, vi studerer, hvordan solaktivitet stiger og falder over tid, og det er grundlaget for, hvordan vi sporer solcyklussen.

solpletter svarer til solens naturlige 11-årige cyklus, hvor solen skifter fra relativt stille til stormfuldt. Når det er mest aktivt, kaldet solmaksimum, solen er fregnet med solpletter og dens magnetiske poler vender om. (På jorden, det ville være, som hvis Nord- og Sydpolen flip-flop hvert årti.) Under solminimum, solpletter er få og langt imellem. Tit, solen er så blank og uden træk som en æggeblomme.

At forstå solens adfærd er en vigtig del af livet i vores solsystem. Solens kraftige udbrud kan forstyrre satellitterne og kommunikationssignalerne, der rejser rundt på Jorden, eller en dag, Artemis-astronauter, der udforsker fjerne verdener. NASA-forskere studerer solcyklussen, så vi bedre kan forudsige solaktiviteten. Fra 2020, solen er begyndt at ryste minimumssøvnen af ​​sig, som fandt sted i december 2019. Solcyklus 25 er i gang, og videnskabsmænd er ivrige efter endnu en chance for at prøve deres forståelse af solcyklussens tegn.

"Det vigtigste at huske med forudsigelser er, du kommer til at tage fejl, " sagde Dean Pesnell, en solcyklusekspert ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Du bliver aldrig perfekt. Det er det, du lærer af det, der giver dig mulighed for at gøre fremskridt i dine forudsigelser."

Under døsig sol minimum, Padilla observerede flere pletfri dage. "Der er ingen pletter at tegne, så jeg har bare et papir uden noget på det, " sagde han. Selv fraværet af solpletter er en nyttig observation:At sammenholde pletfri dage er en indikator på, at solens humør skifter mod minimum. (I stedet for solpletter, mørke koronale huller skyer som minimum solens poler.) På den anden side, i sol maksimum, hundredvis af pletter kan dannes på én gang. Nogle tegninger kan tage flere timer at færdiggøre.

"Solen har sit eget tempo, som vi ikke kan fremskynde, sagde Frédéric Clette, direktør for World Data Center for solpletindekset og langsigtede solobservationer, eller SILSO, ved Royal Observatory of Belgium i Bruxelles, som sporer solpletter og lokaliserer solcyklussens op- og nedture. "Sommetider, vi har svært ved at dæmpe utålmodigheden hos folk, der forventer at vide fra den ene dag til den anden, om solen virkelig er ved at vågne igen."

Jorden rundt, observatører foretager daglige solplettællinger. De tegner solen på samme tid hver dag, ved at bruge de samme værktøjer til konsistens. Sammen, deres observationer udgør det internationale solpletnummer, en kompleks opgave drevet af SILSO. Omkring 80 stationer rundt om i verden bidrager med deres data. Præcis hvor mange stationer der er inkluderet i hver dags optælling afhænger af en række faktorer som vejret (skyer og kraftig vind skjuler udsynet til solen), eller måske har en solobservatør en aftale i sidste øjeblik.

På trods af dagligdagens indblanding, disse manuelle undersøgelser er stadig de mest pålidelige, langtidsregistrering af solpletter, vi har.

"Satelitter kan gøre mange ting bedre end en håndtegning, " sagde Olivier Lemaître, en Royal Observatory of Belgium solobservatør. "Men overvej en satellit med en levetid på 10 til 15 år - det er kun én solcyklus. Du kan ikke sammenligne den med noget andet uden for den levetid."

Men langtidsstudier er rygraden i solcyklusvidenskaben. Med omfattende historiske optegnelser, videnskabsmænd kan spore buen af ​​årtier lange mønstre i solens adfærd. Når det kommer til at tælle solpletter, det handler ikke så meget om nøjagtigheden eller opløsningen af ​​observationerne som selve dataenes konsistens. Selv mens deres by blev lukket ned på grund af coronavirus-pandemien, en observatør fra Royal Observatory-holdet tog hver dag vej til teleskoptårnet, at holde posten intakt.

Lemaître nærmer sig hver solplettegning metodisk, skitserer en familie af solpletter, før du skygger i finere detaljer. Det delikate blyantarbejde modsiger de kraftige eksplosioner, solpletter kan udløse.

solpletter opstår fra klynger af intens magnetisk energi. Bæret af deres magnetiske kraft, de stiger op gennem kærnende solmateriale som et riskorn i en kogende gryde. solpletter ser mørkere ud, fordi de er køligere end deres omgivelser; den magnetiske knude i deres kerne forhindrer energi i at stråle ud forbi solens overflade. Når nok magnetisk energi bygger sig over solpletten, et kraftigt udbrud kan briste fri - som en eksploderende sodavandsflaske - og udspy lys og solenergi.

Hvis de tilfældigvis vender mod Jorden, disse solstorme kan forstyrre satellitter, astronauter, og kommunikationssignaler som radio eller GPS. Jordens øvre atmosfære kan udvide sig som svar, bremse satellitter i kredsløb, som grusveje bremser biler, udhuler satellitternes levetid. Selvom ændringer på solen normalt ikke er synlige for os uden hjælp fra videnskabelige instrumenter, de påvirker rummet omkring Jorden og andre planeter.

Jagter sol minimum

Dybt inde i solen, elektrificerede gasser strømmer i strømme, der genererer solens magnetfelt, som giver næring til dens mægtige udbrud. Under sol-minimum, solens magnetfelt afslappes. På højden af ​​solcyklussen, det er et sammenfiltret rod af magnetfeltlinjer. Forstå dette flow, kaldet dynamoen, er nøglen i bestræbelserne på at forudsige, hvad solen vil gøre næste gang.

Siden 1989, Solar Cycle Prediction Panel - et internationalt panel af eksperter sponsoreret af NASA og NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration – har mødtes hvert årti for at komme med deres forudsigelse for den næste solcyklus. Forudsigelsen inkluderer solplettallet ved maksimum og cyklussens forventede start og top. Indsatsen kræver at vurdere mange forskellige modeller og navigere i mange personligheder.

"Vi har hver vores favorit forudsigelser, eller dem vi har mest tillid til, " sagde Lisa Upton, en solfysiker hos Space Systems Research Corporation i Westminster, Colorado, og medformand for forudsigelsespanelet. "Vores pligt er at nå til konsensus. Hvis vi tager alle vores meninger og modeller, hvor er det mest overlap, og hvor kan vi blive enige om, at solcyklussen lander?"

Forskere jagter altid solminimum, men de kan kun genkende det i bakspejlet. Da minimum er defineret af det laveste antal solpletter i en solcyklus, videnskabsmænd er nødt til at se tallene stige støt, før de kan bestemme, hvornår de var i bunden.

For at komplicere tingene, solcyklusser overlapper ofte hinanden. Når den ene cyklus går over til den næste, både gamle og nye solpletter dukker op på solen på én gang. solpletter optræder ofte i grupper, som er som magneter, hver med en positiv og negativ ende. Mens solens magnetfelt langsomt vender, det samme gør polariteten af ​​solpletgrupper. Hvor en cyklus solpletter driver hen over solen med deres positive ende i spidsen, den næste cyklus pletter går negativ fod først. Oven i købet, solpletter i solens to halvkugler har også modsatte orienteringer.

Hver solplets unikke magnetiske signatur gør det muligt at bestemme, hvilken cyklus der producerede den – den gamle eller den nye. Når solen bevæger sig fra solminimum, udover at tælle solpletterne, forskere vil sikre sig, at alle de pletter, der stiger til overfladen, faktisk er nye.

"Jeg advarer bare folk, fordi lige så spændte som vi er på den nye cyklus, der kommer, vi må vente, indtil vi rent faktisk når minimum, " sagde Upton. "Der kan gå seks til otte måneder over minimum, før vi kan sige, at minimum faktisk har fundet sted." først i september 2020 bekræftede forskerne, at solen nåede solminimum i december 2019.

Usynlige indikatorer

Udover solpletter, andre indikatorer kan signalere, når solen er ved at nå sit laveste niveau. Hvis solens magnetfelt var et puslespil, et stykke mangler stadig:magnetfeltet ved polerne. Selvom forskere ikke kan måle det polære magnetfelt så præcist som andre dele af solen, estimater giver spor. (Snart, ESA, Den Europæiske Rumorganisation, og NASA's Solar Orbiter vil sende nye billeder af solens poler.) I tidligere cyklusser, videnskabsmænd har bemærket styrken af ​​det polære magnetfelt under solminimum antyder intensiteten af ​​det næste maksimum. Når polerne er svage, det næste maksimum er svagt, og omvendt.

De seneste par cyklusser, styrken af ​​magnetfeltet ved solens poler er støt faldet; det samme har solpletnummeret. Nu, stængerne er nogenlunde lige så stærke, som de var på samme tidspunkt i sidste cyklus, Cyklus 24.

"Dette er den store test for vores modeller - om cyklus 25 vil spille omtrent det samme som cyklus 24, " sagde Pesnell.

En anden indikator for solcyklus fremskridt kommer fra uden for solsystemet. Kosmiske stråler er højenergipartikelfragmenter, murbrokkerne fra eksploderede stjerner i fjerne galakser. Under sol maksimum, solens stærke magnetfelt omslutter vores solsystem i en magnetisk kokon, som er svær for kosmiske stråler at trænge ind. I lavbelastningsår, antallet af kosmiske stråler i solsystemet stiger, efterhånden som flere og flere kommer forbi den stille sol. Ved at spore kosmiske stråler både i rummet og på jorden, forskere har endnu et mål for solcyklussen.

Mens minimum måske mangler fyrværkeri af solmaksimum, det er nyttigt for videnskabsmænd. De laver deres prognoser, og vent at se, hvordan deres estimater udspiller sig. Nogle anser det for et tidspunkt at vende tilbage til det grundlæggende.

"I mindst solenergi, du kan stille sværere spørgsmål end højst, " sagde Pesnell.

Et område af solundersøgelser, kaldet helioseismologi, involverer videnskabsmænd, der indsamler lydbølger inde fra solen, som en måde at sondere den undvigende dynamo. Under sol-minimum, de behøver ikke at bekymre sig om lydbølger, der preller af solpletterne og de aktive områder, der er karakteristiske for solmaksimum. Når solpletter forsvinder af syne, videnskabsmænd har en chance for at finjustere deres modeller – uden alt soldramaet.