Достижение, подробно описанное в журнале Nature Astronomy, закладывает основу для будущих моделей Солнца, которые будут реалистично моделировать собственную погоду Солнца, когда оно разворачивается в реальном времени, включая появление бурлящих солнечных пятен, которые иногда вызывают вспышки и выбросы корональной массы. Эти извержения могут иметь широкомасштабные последствия для Земли, от нарушения энергосистем и сетей связи до повреждения спутников и создания опасности для космонавтов.
Ученые из Национального центра атмосферных исследований (NCAR) и Лаборатории солнечной и астрофизики Локхид Мартин возглавили исследование. Новое комплексное моделирование отражает формирование солнечной вспышки более реалистичным способом, чем предыдущие попытки, и включает спектр светового излучения, которое, как известно, связано со вспышками.
«Эта работа позволяет нам объяснить, почему вспышки выглядят так, как они, не только на одной длине волны, но и в видимых длинах волн, в ультрафиолетовых и крайних ультрафиолетовых длинах волн и в рентгеновских лучах», – сказал Марк Чунг, штатный физик в Лаборатории солнечной энергии и астрофизики Локхид Мартин и приглашенный научный сотрудник в Стэнфордском университете. "Мы объясняем множество цветов солнечных вспышек."
Исследование финансировалось в основном НАСА и Национальным научным фондом (NSF), который является спонсором NCAR.
Преодолевая весы
Для нового исследования ученым пришлось построить модель Солнца, которая могла бы охватить несколько областей Солнца, фиксируя сложное и уникальное физическое поведение каждого из них.
Полученная модель начинается в верхней части зоны конвекции – примерно на 10 000 километров ниже поверхности Солнца – поднимается через поверхность Солнца и выталкивается на 40 000 километров в солнечную атмосферу, известную как корона. Различия в плотности газа, давлении и других характеристиках Солнца, представленных в модели, огромны.
Чтобы успешно смоделировать солнечную вспышку от возникновения до высвобождения энергии, ученым нужно было добавить в модель подробные уравнения, которые могли бы позволить каждой области реалистично вносить свой вклад в эволюцию солнечной вспышки. Но они также должны были быть осторожными, чтобы не сделать модель настолько сложной, чтобы ее больше не было практично запускать с доступными суперкомпьютерными ресурсами.
«У нас есть модель, которая охватывает широкий спектр физических условий, что делает ее очень сложной», – сказал ученый NCAR Маттиас Ремпель. «Такой реализм требует инновационных решений."
Чтобы решить эти проблемы, Ремпель позаимствовал математический метод, который исторически использовался исследователями, изучающими магнитосферы Земли и других планет.
Техника, которая позволила ученым сжимать разницу во временных масштабах между слоями без потери точности, позволила исследовательской группе создать модель, которая была как реалистичной, так и вычислительно эффективной.
Следующим шагом было создание сценария на моделируемом Солнце. В предыдущих исследованиях с использованием менее сложных моделей ученым нужно было запускать модели почти в тот момент, когда могла произойти вспышка, чтобы иметь возможность вообще получить вспышку.
В новом исследовании команда хотела посмотреть, может ли их модель генерировать вспышку сама по себе. Они начали с создания сценария с условиями, вызванными особенно активным солнечным пятном, наблюдаемым в марте 2014 года. Фактическое пятно породило десятки вспышек в то время, когда оно было видимым, включая одну очень мощную вспышку X-класса и три умеренно мощные вспышки M-класса. Ученые не пытались точно имитировать пятно 2014 года; вместо этого они примерно соответствовали тем же солнечным компонентам, которые присутствовали в то время, и которые были настолько эффективны при возникновении вспышек.
Затем они отпускают модель, наблюдая, не возникнет ли она сама по себе.
«Наша модель смогла уловить весь процесс, от накопления энергии до выхода на поверхность, до подъема в корону, возбуждения короны и затем до момента, когда энергия высвобождается во время солнечной вспышки», – сказал Ремпель.
Теперь, когда модель показала, что она способна реалистично моделировать весь жизненный цикл вспышки, ученые собираются протестировать ее с помощью реальных наблюдений за Солнцем и посмотреть, сможет ли она успешно имитировать то, что на самом деле происходит на поверхности Солнца.
«Это было автономное моделирование, основанное на данных наблюдений», – сказал Ремпель. "Следующим шагом является непосредственный ввод наблюдаемых данных в модель и возможность управлять происходящим. Это важный способ проверить модель, и модель также может помочь нам лучше понять, что мы наблюдаем на Солнце."