Algoritmer inspireret af sociale netværk afslører livscyklus for substorme, et nøgleelement i rumvejr

Rumvejr viser sig ofte som understorme, hvor en smuk nordlysskærm som f.eks. nordlyset ledsages af en elektrisk strøm i rummet, som har effekter på jorden, der kan forstyrre og beskadige strømfordeling og elektriske systemer. Nu, livscyklussen for disse nordlys understorme er blevet afsløret ved hjælp af sociale medier-inspirerede matematiske værktøjer til at analysere rumvejrobservationer på tværs af Jordens overflade.

Analyse foretaget af forskere ledet af University of Warwick har afsløret, at disse understorme manifesterer sig som elektriske strømsystemer i global skala forbundet med det spektakulære nordlys, når over en tredjedel af kloden på høje breddegrader.

Ny forskning, der involverer University of Warwick, John Hopkins University—Anvendt Fysik Laboratorium, Universitetet i Bergen og Cranfield Universitet, og offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturkommunikation behandler data om forstyrrelser i Jordens magnetfelt fra over hundrede magnetometre på den nordlige halvkugle ved hjælp af en ny teknik, der gør dem i stand til at finde 'ligesindede venner'.

Magnetometre registrerer ændringer i Jordens magnetfelt. Når ladede partikler fra vores sol bombarderer jordens magnetfelt, det lagrer energi som et batteri. Til sidst, denne energi frigives, hvilket fører til store elektriske strømme i ionosfæren, som genererer forstyrrelser af magnetiske felter på jorden. I ekstremer, dette kan forstyrre elledninger, elektroniske og kommunikationssystemer og teknologier såsom GPS.

Ved at bruge historiske data fra SuperMAG-samarbejdet af magnetometre, forskerne anvendte algoritmer fra netværksvidenskab til at finde korrelationer mellem magnetometersignaler under 41 kendte understorme, der fandt sted mellem 1997-2001. Disse bruger de samme principper, som gør det muligt for et socialt netværkssted at anbefale nye venner, eller for at skubbe relevante annoncer til dig, mens du surfer på internettet.

Magnetometre, der detekterer sammenhængende signaler, blev forbundet til fællesskaber, uanset hvor de befandt sig på kloden. Som tiden skred frem, de så hver understorm udvikle sig fra mange mindre samfund til et enkelt stort korreleret system eller samfund på sit højeste. Dette fik forfatterne til at konkludere, at understorme er ét sammenhængende strømsystem, som strækker sig over det meste af nattens høje breddegradsklode, frem for en række individuelle små og usammenhængende nuværende systemer.

Dr. Lauren Orr, der ledede forskningen som en del af hendes ph.d. ved University of Warwick Department of Physics og er nu baseret på Lancaster University, sagde:"Vi brugte en veletableret metode inden for netværksvidenskab kaldet community detection og anvendte den på et rumvejrproblem. Ideen er, at hvis du har mange små undergrupper inden for en stor gruppe, den kan udvælge undergrupperne.

"Vi anvendte dette til rumvejr for at udvælge grupper inden for magnetometerstationer på Jorden. Ud fra det, vi forsøgte at finde ud af, om der var ét stort strømsystem eller masser af separate individuelle strømsystemer.

"Dette er en god måde at lade data fortælle os, hvad der foregår, i stedet for at forsøge at tilpasse observationer til det, vi tror, ​​der sker."

Nogle nyere undersøgelser har antydet, at nordlys substorme er sammensat af en række mindre elektriske strømsystemer og forbliver det gennem deres livscyklus. Denne nye forskning viser, at mens understormen begynder som en masse mindre forstyrrelser, det bliver ret hurtigt til et stort system i løbet af omkring ti minutter. Manglen på korrelation i de tidlige stadier kan også tyde på, at der ikke er en enkelt mekanisme på spil i, hvordan disse understorme udvikler sig.

Resultaterne har betydning for modeller designet til at forudsige rumvejr. Rumvejr blev inkluderet i UK National Risk Register i 2012 og opdateret i 2017 med en anbefaling om flere investeringer i prognoser.

Medforfatter professor Sandra Chapman tilføjer:"Vores forskning introducerer en helt ny metode til at se på disse data. Vi er gået fra en datafattig til en datarig æra inden for rumplasmafysik og rumvejr, så vi har brug for nye værktøjer. Det er den første til at vise, at du kan tage et af disse værktøjer til vores felt og få et virkelig vigtigt resultat ud af det. Vi har skullet lære meget for at kunne gøre det, men ved at gøre det åbner det et nyt vindue til dataene."