طريقة جديدة للتنبؤ بالانفجارات الشمسية الكبيرة

صورة مقربة للشمس مع توهج كبير على جزء واحد.

في الجزء العلوي الأيسر ، ترى توهجًا شمسيًا من الفئة X على حافة الشمس في 7 مارس 2012 ، تم التقاطه عندما كانت الشمس لا تزال تشرق إلى ذروة آخر دورة شمسية مدتها 11 عامًا (الدورة 24). إن مشاعل X مثل هذه لديها القدرة على إرسال تيارات من الجسيمات المشحونة نحو الأرض ، والتي يمكن أن تعطل التقنيات الأرضية. صورة عبرمركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا/ مرصد ديناميات الطاقة الشمسية (SDO) التابع لوكالة ناسا.

في الصيف الماضي ، عالم فيزياء الشمسكانيا كوسانواليابان وزملائه ،نشرتورقة جديدة في المجلة المرموقةعلم، مع تحديد طريقة جديدة للتنبؤ بالخطورة المحتملةالتوهجات الشمسية. الطريقة ليست مثالية. أسفرت الاختبارات باستخدام الملاحظات الشمسية التي تم الحصول عليها في الفترة من 2008 إلى 2019 عن بعض النتائج السلبية الخاطئة والإيجابيات الكاذبة. ومع ذلك ، وبشكل مثير للإعجاب ، تنبأت الطريقة بنجاح بسبعة من أصل تسعة من أكبر مشاعل الفئة X - أقوى أنواع التوهجات الشمسية - من الدورة الشمسية الأخيرة. قدمت الطريقة أيضًا الموقع الدقيق الذي سيبدأ فيه كل توهج ووضع حدودًا لمدى قوته.جراهام جونز- من اليابان - أتيحت له الفرصة لمقابلة كانيا كوسانو حول هذا العمل. مقابلته أدناه.

حول مشاعل الطاقة الشمسية. وهي عبارة عن ثورات بركانية قصيرة لإشعاعات عالية الطاقة من سطح الشمس. إنها مرتبطة بالبقع الشمسية ،القذف الكتلي الإكليليوغيرها من علامات النشاط المرتفع على الشمس خلال دورة 11 عامًا.الدورة الحالية - الدورة 25 - بدأت الآنيقول العلماء. النشاط على الشمس يخلق ما يعرف باسممناخ الفضاء. إن التنبؤات الدقيقة بطقس الفضاء مهمة ، لأن التوهج الشمسي الكبير يندفع الجسيمات المشحونة نحو الأرض ويسبب انقطاعًا في شبكات الطاقة الكهربائية لدينا واضطرابات في الأقمار الصناعية في المدار.

كان فهم متى ولماذا تحدث هذه التوهجات الشمسية القوية تحديًا صعبًا في الفيزياء الفلكية. كان الكثير من العمل على النماذج الرياضية النظرية ، حيث حاول العلماء فهم الفيزياء الدقيقة وراء التوهجات الشمسية وما ينتج عنها من قذفات كتلة إكليلية. كل هذا العمل لهالهدف النهائي للتنبؤالعواصف على الشمس.

ما يميز أسلوب فريق كوسانو عن غيره هو أنها كذلكبدني، بدلاً من الاستناد إلى النماذج. بعبارة أخرى ، استخدم هؤلاء العلماء مرصد ديناميكيات الطاقة الشمسية التابع لوكالة ناسا (SDO) البيانات لعمل صورة ثلاثية الأبعاد - خريطة مغناطيسية - للشمس.

يفتح نهجهم اتجاهًا جديدًا لأبحاث التنبؤ بالوهج الشمسي. تحدث Kusano عن عملهم أدناه.

رجل ياباني مبتسم وأنيق يرتدي نظارة ويرتدي بدلة.

كانيا كوسانوهو مديرمعهد أبحاث الفضاء والأرض البيئيةفي جامعة ناغويا. لقد طور هو وفريقه نموذجًا قائمًا على الفيزياء للتنبؤ بالانفجارات الشمسية الكبيرة الوشيكة. صورة عبرجامعة ناغويا.

جونز:ما هو معهد أبحاث الفضاء والأرض البيئية ، وما هو دورك؟

كوسانو:البيئة البشرية ممتدة للغاية ، حتى أنها تنتشر في الفضاء. تأسس معهدنا في عام 2015 ليجمع بين علوم الفضاء وعلوم الأرض. خلفيتي في الفيزياء الفلكية ، لكنني كنت أعمل في الوكالة اليابانية لعلوم وتكنولوجيا الأرض البحرية ، حيث طورت محاكاة للسحب وهطول الأمطار. أنا منظّر ، لكني أحاول دائمًا تطبيق النظرية على نوع من الفوائد العملية. التنبؤ بطقس الفضاء هو مجال يجب فيه الجمع بين العلوم الأساسية والتطبيقات العملية.

جونز:ماذا او مايكونتوهج شمسي ، ولماذا يدرسها العلماء؟

كوسانو:التوهج الشمسي هو نوع من الانفجار على الشمس. القوة الدافعة هي الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي للشمس. تتراكم هذه الطاقة المغناطيسية ببطء على مدى فترة طويلة جدًا ، ثم يتم إطلاقها فجأة على شكل إشعاع والجسيمات عالية الطاقة.

إنه مثل الانهيار الجليدي على جبل: يتراكم الثلج على مدار عدة أيام حتى يتم إطلاق طاقة الجاذبية في انهيار جليدي.

السبب الأول الذي يجعلنا نرغب في دراسة هذه التوهجات على الشمس هو أن الظواهر التي تحدث فجأة هي مواد علمية مثيرة للاهتمام للغاية. ما الذي يحدد بداية الانفجار؟ أاعصار، الذي ينمو بسرعة من نظام الضغط المنخفض ، هو مثال آخر على حدوث انفجار في نظام الغلاف الجوي.

السبب الثاني هويحميمجتمعنا. يشبه توزيع التوهجات الشمسية الزلازل: لدينا العديد من التوهجات الشمسية الصغيرة ، والتوهجات الكبيرة نادرة جدًا. ومع ذلك ، عندما يحدث توهج كبير ، قد يكون التأثير على اقتصادنا ومجتمعنا هائلاً. قد تتلف الأقمار الصناعية ، وقد تتلف شبكة الطاقة الكهربائية على مساحة واسعة جدًا.

الطريقة الوحيدة للتخفيف من هذا النوع من التأثير هي بالتنبؤ.

جونز:لماذا استغرق الأمر وقتًا طويلاً للتوصل إلى طريقة للتنبؤ بالانفجارات الشمسية؟

كوسانو:تم اكتشاف التوهجات الشمسية في عام 1859 بواسطةريتشارد كارينجتون، عالم فلك بريطاني. درسها الناس لأكثر من 100 عام.

لكن في العقدين أو الثلاثة عقود الماضية ، تحسنت معرفتنا بشكل كبير بسبب الملاحظات عالية الدقة بواسطة الأقمار الصناعية. نحن نفهم الآن أن التوهج الشمسي هو انفجار للطاقة المغناطيسية.

ومع ذلك ، ما الذي يحدد وقت حدوث التوهج الشمسي؟ لا تزال هذه مشكلة غامضة.

جونز:كيف حالك حل هذه المشكلة؟

كوسانو:مرصد ديناميات الطاقة الشمسية التابع لوكالة ناسا (SDO) يوفر القمر الصناعي بيانات مغناطيسية على سطح الشمس. من المستحيل ملاحظة المجال المغناطيسي بشكل مباشر في ثلاثة أبعاد ، لذلك قمنا بتطوير برنامج يمكنه حساب المجال ثلاثي الأبعاد من بيانات السطح. ثم نقوم بدمج هذا مع النظرية. يتم تشغيل عدم استقرار المجال المغناطيسي عن طريق إعادة الاتصال المغناطيسي ، حيث يتم تبديل خطوط المجال حولها. إذا تمكنا من العثور على موضع حيث يمكن أن تؤدي كمية صغيرة من إعادة الاتصال المغناطيسي إلى عدم الاستقرار ، فيمكننا حينئذٍ التنبؤ بأن توهجًا كبيرًا يجب أن يبدأ من هناك. إنه مشابه لذلك الانهيار الجليدي. إذا كان لديك ثلوج كثيفة على جبل ، فيمكن للنظرية أن تخبرنا كيف يمكن أن يؤدي الشق الصغير إلى حدوث انهيار جليدي في أي موضع.

شاهد الشمس الآن ، عبر SDO

جونز:لكأحدث ورقةهو دليل على المفهوم. كم سيمضي من الوقت قبل أن تتمكن من البدء في إجراء تنبؤات عن التوهجات الشمسية على أساس منتظم؟

كوسانو:يتطلب مخططنا حاليًا حسابًا كبيرًا وثقيلًا. نستخدم حاسوبًا عملاقًا هنا في اليابان. ومع ذلك ، من أجل إنتاج تنبؤ واحد ، يتطلب الأمر أكثر من ثلاث ساعات من الحساب. يستغرق الأمر أيضًا أكثر من عدة ساعات للحصول على بيانات القمر الصناعي SDO. من أجل جعل طريقتنا تعمل من أجل إنشاء تنبؤات عملية وتشغيلية للتوهجات الشمسية ، يتعين علينا تسريع عملية الحصول على البيانات وحسابها.

أعتقد أنه في غضون عامين يمكننا عمل نوع من التوقعات التشغيلية باستخدام مخططنا.

جونز:يشعر الكثير من الناس بالقلق من حدوث توهج شمسي كبير آخر بطريقة من شأنها أن تؤثر على تقنياتنا على الأرض - حدث آخر مثلحدث كارينغتون، أكبر عاصفة فضائية فائقة في التاريخ المسجل - حدثت في عام 1859 قبل ظهور الشبكات الكهربائية والأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض والتي تكون شديدة التأثر بهذه الأحداث. يفعلأنتتقلق بشأن حدوث توهج شمسي كبير؟

كوسانو:أنا افعل. أنا قلق بشأن حدث متطرف. نريد حماية مجتمعنا من كارثة طقس الفضاء. يمكن أن يتنبأ مخططنا بحدوث وهج شمسي قبل عدة ساعات من بداية التوهج ، لكن لا يمكننا توقع حدوث توهج شمسي في الأسبوع المقبل.

هناك العديد من هذه الأنواع من المخاطر التي يجب أن نشعر بالقلق حيالها في مجتمعنا. وربما العلم هو السبيل الوحيد للتفكير فيها.

جونز:شكرا لك دكتور كوسانو.

نصفي الكرة الأرضية ، أحدهما على اليسار مع بقع صفراء وبقع على شكل قوس ، وواحد على اليمين سهل للغاية.

يستمر نشاط الشمس في دورة مدتها 11 عامًا تقريبًا ، وتتحرك بانتظام من أكثر فتراتها هدوءًا -الحد الأدنى للطاقة الشمسية- إلى أنشطتها -الحد الأقصى للطاقة الشمسية- والعودة إلى الهدوء. تُظهر هذه الصورة المنقسمة الفرق بين الشمس النشطة خلال الحد الأقصى للطاقة الشمسية (على اليسار ، تم التقاطها في أبريل 2014) والشمس الهادئة أثناء الحد الأدنى للشمس (على اليمين ، تم التقاطها في ديسمبر 2019). ديسمبر 2019 يمثل بدايةدورة الطاقة الشمسية 25، وسيزداد نشاط الشمس مرة أخرى حتى الحد الأقصى للطاقة الشمسية ، المتوقعة لعام 2025. صورة عبرناسا/ مرصد ديناميات الطاقة الشمسية.

خلاصة القول: طور فريق من الباحثين في اليابان طريقة قائمة على الفيزياء للتنبؤ بالانفجارات الشمسية الكبيرة ، بما في ذلك التوهجات X القوية والخطيرة. تشكل هذه التوهجات على الشمس - وما ينتج عنها من انبعاثات جماعية إكليلية - مخاطر على التقنيات الأرضية. كان التنبؤ الدقيق بالوهج يمثل تحديًا ، ولكن يبدو أن هذه الطريقة الجديدة تقدم قفزة إلى الأمام في إنشاء تنبؤات أكثر دقة لطقس الفضاء.

المصدر: طريقة قائمة على الفيزياء يمكنها توقع التوهجات الشمسية الكبيرة الوشيكة

اقرأ المزيد: تساعد بيانات الشمس الخاصة بوكالة ناسا النموذج الجديد على التنبؤ بالانفجارات الشمسية الكبيرة

اقرأ المزيد: يمكننا الآن التنبؤ بحدوث التوهجات الشمسية الخطيرة قبل يوم من حدوثها

اقرأ المزيد: ما مدى احتمالية وقوع حدث كارينجتون آخر؟