Model terminatora, czyli jak i po co rozpoznawać „pory roku” aktywności słonecznej
10 maja 2024 roku firma John Deere, producent maszyn rolniczych, leśnych i drogowych, rozesłała dość osobliwy komunikat. „Prosimy zwrócić uwag na znaczącą aktywność słoneczną” – głosił tekst.
Przedsiębiorstwo produkujące traktory i czapki z daszkiem, niekoniecznie jest instytucją, do której byśmy się zwrócili po porady dotyczące Słońca. A jednak burze na naszej gwieździe zakłócały działanie systemów GPS w precyzyjnych maszynach rolniczych John Deere, w których wykorzystuje się nawigację satelitarną, by pomagać rolnikom precyzyjnie siać, opryskiwać i zbierać plony. „Przepraszamy za niedogodności” – kontynuowano w komunikacie, choć trudno kogokolwiek obarczać odpowiedzialnością za kosmos.
Zwykle myślimy o Słońcu w kategoriach codziennych, regularnych rytuałów (wschód, zachód). Tymczasem „aktywność słoneczna” to erupcje na jego powierzchni, które wyrzucają w przestrzeń energię i naładowane cząstki. Zjawiska te mają głęboki wpływ na życie na Ziemi. Burze słoneczne mogą stanowić zagrożenie dla astronautów i pasażerów samolotów, zakłócać elektronikę satelitów i obniżać ich orbity, a nawet wpływać na sieci energetyczne i zasięg telefonii komórkowej.
Właśnie dlatego naukowcy starają się przewidywać poziom aktywności Słońca – aby móc ostrzec rolników, że ich traktor może zboczyć z drogi na sąsiedni rząd lucerny, albo uprzedzić firmy energetyczne o możliwych przerwach w dostawie prądu. Jest tylko jeden problem: tak naprawdę nie rozumiemy dobrze, jak Słońce obecnie działa – nie mówiąc już o tym, jak zachowa się ono w przyszłości. Mimo to heliofizycy, czyli badacze Słońca, opracowują różne – choć niedoskonałe – modele naszej najbliższej gwiazdy, by lepiej prognozować jej zachowanie.
Jedna ze stosunkowo nowych koncepcji, która może w tym pomóc, to tzw. model terminatora. Nazwa modelu nie ma nic wspólnego z końcem świata – odnosi się do specyficznego zjawiska słonecznego zidentyfikowanego przez naukowców i nazwanego przez nich „terminatorem”. Przyjmuje się w nim, że Słońcem rządzą pierścieniowe pasma magnetyczne, przypominające kształtem obwarzanki przemieszczające się po jego powierzchni. Zgodnie z tą teorią – odmienną od tradycyjnych modeli aktywności słonecznej – pojawianie się, zanik i ruch tych pasm determinują kapryśne zachowanie naszej gwiazdy.
Model ten sprawdził się tak dobrze w przypadku ostatniego cyklu słonecznego, że jeden z jego współtwórców założył firmę sprzedającą oparte na nim prognozy.
Słońce porusza się we własnym (wciąż nie w pełni rozszyfrowanym) rytmie, przechodząc przez cykl trwający około 11 lat. Zaczyna się on stosunkowo spokojnie – z niewielką liczbą plam słonecznych i słabą aktywnością. Z czasem liczba plam i aktywność rosną, osiągając maksimum mniej więcej w połowie cyklu. Wtedy biegunowe pole magnetyczne Słońca zmienia kierunek, po czym aktywność stopniowo maleje aż do minimum, rozpoczynając cały proces od nowa. Dwa takie cykle tworzą większy – cykl Hale’a – w którym pole magnetyczne wraca do pierwotnego stanu.
Dokładny poziom aktywności Słońca w danym momencie cyklu pozostaje jednak przedmiotem sporów. Na początku każdego cyklu eksperci spotykają się na konferencji organizowanej przez NASA i amerykańską National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Tam ustalają najlepszą możliwą prognozę dotyczącą siły aktywności słonecznej i momentu jej wystąpienia. „Wszyscy chcą wiedzieć, jak będzie wyglądał cykl słoneczny, żeby móc planować” – mówi Lisa Upton z Southwest Research Institute w Teksasie, współprzewodnicząca ostatniego panelu z 2019 roku.
Od tego czasu, na podstawie rzeczywistych obserwacji, Mark Miesch z Centrum Prognoz Pogody Kosmicznej NOAA regularnie aktualizuje tę prognozę – której timing okazał się nietrafiony, a przewidywana aktywność plam słonecznych zbyt niska. Aktualizacje uwzględniają to, co „już wiemy o cyklu i czego możemy się w związku z tym spodziewać”, mówi Upton.
Prognoza z 2019 roku – opracowana przez czołowych ekspertów – wymagała korekt, ponieważ Słońce jest niezwykle złożone. Przede wszystkim, mówi Mausumi Dikpati, starsza badaczka w National Center for Atmospheric Research (NCAR) High Altitude Observatory w Boulder, jego pola magnetyczne powstają i organizują się pod powierzchnią. „Bardzo trudno jest zobaczyć, co się dzieje wewnątrz Słońca” – mówi Dikpati.
Dodatkowo, dodaje Upton, naukowcy muszą analizować zjawiska obejmujące ogromne zakresy – od bardzo małych do gigantycznych skal przestrzennych, od tysięcy do milionów stopni Celsjusza, od ogromnych ciśnień, które zmiażdżyłyby człowieka, po miliony razy większe. Nie jest łatwo to wszystko jednocześnie uchwycić.
Mimo tych trudności badacze tworzą modele symulujące różne aspekty działania Słońca. Jedni analizują dane historyczne i szukają wzorców statystycznych. Inni badają interakcje plazmy i pól magnetycznych lub zmiany pola magnetycznego na powierzchni gwiazdy. Jeszcze inni wykorzystują oscylacje słoneczne (coś w rodzaju „trzęsień” gorącej cieczy), by pośrednio zajrzeć do jej wnętrza. Coraz większą rolę odgrywają sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe, łączące dane z teorią fizyczną, mówi Dikpati.
Postęp jest stopniowy, ale zauważalny. Naukowcy zaczynają rozpoznawać „pory roku” aktywności słonecznej – okresy wzmożonej aktywności przeplatane spokojniejszymi fazami trwającymi od sześciu do 18 miesięcy. Wiedza o tym, kiedy w obrębie większego cyklu może wystąpić taki wzrost aktywności, mogłaby umożliwić wydawanie ostrzeżeń przed burzami w średniej skali czasowej – czegoś na kształt heliofizycznej agendy dla operatorów satelitów i… traktorzystów.
Niewielka grupa badaczy, kierowana przez Scotta McIntosha, wcześniej zastępcę dyrektora NCAR, proponuje jednak inne podejście. Ich model terminatora zyskuje popularność, ponieważ jego przewidywania dla obecnego cyklu okazały się bliższe rzeczywistości niż oficjalne prognozy rządowe USA.
Według McIntosha zarówno cykl Hale’a, jak i cykl plam słonecznych są kontrolowane przez pasma magnetyczne oplatające Słońce niczym pierścienie. W pobliżu maksimum tradycyjnego cyklu słonecznego na wysokich szerokościach heliograficznych – zarówno na półkuli północnej, jak i południowej Słońca – pojawiają się dwa nowe pasma o przeciwnych biegunowościach. W miarę trwania cyklu stopniowo przemieszczają się one w kierunku równika, a na dużych szerokościach znów tworzą się kolejne pasma – można to sobie wyobrazić jako układ przypominający taśmę transportową.
Terminacja następuje wtedy, gdy starsze pasma magnetyczne w końcu zderzają się na równiku. To spotkanie nie jest wcale miłe: prowadzi do anihilacji obu starych pasm, ponieważ ich przeciwnie skierowane pola wzajemnie się znoszą.
W modelu McIntosha ta anihilacja stanowi definitywny koniec cyklu słonecznego. Pole magnetyczne na biegunach Słońca zaczyna się odwracać, a plamy słoneczne związane z następnym cyklem pojawiają się na średnich szerokościach heliograficznych w ciągu dni lub tygodni. „To jak ogromny, globalny system komunikacji” – mówi McIntosh o magnetyzmie gwiazdy. Scenariusz ten burzy tradycyjne koncepcje, czyniąc pole magnetyczne głównym motorem aktywności słonecznej i ujmując początek oraz koniec cyklu w kategoriach pasm, a nie plam słonecznych.
Czas między dwiema terminacjami – nigdy dokładnie 11 lat – jest, według modelu, silnym wskaźnikiem siły następnego cyklu. Krótsza przerwa wskazuje większą aktywność Słońca – co właśnie zespół modelu terminatora przewidział dla obecnego cyklu.
Sam model ma jednak pewne ograniczenia. Na przykład nie zawiera on podstawowej teorii fizycznej wyjaśniającej, dlaczego Słońce miałoby działać w ten sposób; jest raczej stwierdzeniem, że – zdaniem tych naukowców – nasza gwiazda rzeczywiście tak funkcjonuje. „Ich podejście jest czysto obserwacyjne” – mówi Dikpati, choć ona i jej współpracownicy opublikowali pracę proponującą mechanizm, który mógłby wyjaśnić, w jaki sposób terminacje inicjują nowe cykle plam słonecznych.
Zanim McIntosh i jego zespół opublikowali tę koncepcję, przeanalizowali wcześniejsze cykle, przeprowadzając „retrospektywne prognozowanie” na podstawie momentów wystąpienia terminacji. Model okazał się bardzo dokładny w testach przeprowadzonych dla cykli z lat 1996–2006.
Christian Möstl, szef Austriackiego Biura Pogody Kosmicznej, które prowadzi stronę Helio4Cast, twierdzi, że wykorzystywanie momentów zdarzeń terminacyjnych do prognozowania cykli słonecznych jest bardzo użyteczne. Choć metoda ta nieco przeszacowała siłę obecnego cyklu – 25. cyklu słonecznego [Obecny cykl, który rozpoczął się w grudniu 2019 roku, nosi taki numer, ponieważ jest 25. w kolejności od momentu rozpoczęcia przed astronomów obserwacji – w połowie XVIII wieku – przyp.red.] – Möstl mówi, że jego instytucja ponownie jej użyje do przewidywania następnego. „Jeszcze nie wiemy, co przyniesie, ale należy brać pod uwagę możliwość, że może być on nawet silniejszy niż cykl 25.” – mówi
Opierając się na tych sukcesach McIntosh wraz z partnerką biznesową Katherine Monson założył firmę Hale SWx. Celem jest wykorzystanie modelu terminatora do dostarczania przedsiębiorstwom trafniejszych prognoz aktywności słonecznej. (McIntosh wcześniej odszedł z NCAR, aby dołączyć do firmy Lynker, która zajmuje się głównie badaniami Słońca i pogody kosmicznej na potrzeby NOAA). Jak mówi Monson, Hale działa m.in. w sektorach rolnictwa precyzyjnego, przemysłu naftowo-gazowego oraz lotnictwa. Współpracuje też z Lynker przy projektach dla Space Weather Prediction Center.
Kluczową grupą klientów będą operatorzy satelitów: pogoda kosmiczna zwiększa opory ruchu satelitów, co może prowadzić do ich przedwczesnego spadku z orbity lub wymuszać zużycie dużych ilości paliwa na zwiększanie wysokości. Firma Capella Space niedawno doświadczyła tych skutków.
W sierpniu 2024 roku opublikowała komunikat prasowy zatytułowany „Capella’s Battle with the Sun”, opisujący sytuację, w której atmosfera na niskiej orbicie okołoziemskiej była od dwóch do trzech razy gęstsza, niż przewidywano, z powodu aktywności słonecznej wyższej, niż ogłoszono w oficjalnych prognozach. Satelita Capella Space miał spaść na Ziemię wcześniej, niż planowano; w artykule konferencyjnym z 2024 roku jego autor, który był wówczas członkiem zespołu firmy, stwierdził, że jej pracownicy uznali prognozę opartą na terminatorach za trafną i zaczęli wykorzystywać ją w swoich modelach. Planet Labs, inna firma wykorzystująca małe satelity do obserwacji Ziemi, również chętnie sięga po prognozy terminatorowe w swoich analizach.
Niezależnie od tego, na czyich prognozach polegają użytkownicy, przewidywania dotyczące aktywności słonecznej są dziś ważniejsze niż kiedykolwiek, ponieważ my, mieszkańcy Ziemi, coraz bardziej uzależniamy nasze codzienne funkcjonowanie od elektroniki i satelitów.
Choć model terminatora zdobył popularność, istnieje wiele innych sposobów myślenia o Słońcu – niektóre z nich mają solidniejsze podstawy fizyczne. Biorąc to pod uwagę oraz złożoność samej gwiazdy, Dikpati stwierdza, że „Powinno się dopuścić wiele modeli”, ponieważ tylko różnorodność ziemskich sposobów myślenia może uchwycić złożoność zjawisk niebieskich i pomóc użytkownikom maszyn John Deere przygotować się na rozbłyski słoneczne w przyszłości.