Het oppervlak van de zon kolkt van energie en werpt vaak massa's sterk gemagnetiseerd plasma naar de aarde. Soms zijn deze uitstoot sterk genoeg om door de magnetosfeer te breken - het natuurlijke magnetische schild dat de aarde beschermt - waardoor satellieten of elektriciteitsnetten worden beschadigd. Dergelijke ruimteweergebeurtenissen kunnen catastrofaal zijn.

Astronomen hebben de activiteit van de zon eeuwenlang met steeds meer begrip bestudeerd. Vandaag, computers staan ​​centraal in de zoektocht om het gedrag van de zon en zijn rol in ruimteweergebeurtenissen te begrijpen.

De tweeledige PROSWIFT (bevordering van onderzoek en observaties van ruimteweer om de voorspelling van morgen te verbeteren) Act, in oktober 2020 van kracht geworden, formaliseert de noodzaak om betere hulpmiddelen voor het voorspellen van het ruimteweer te ontwikkelen.

"Het ruimteweer vereist een realtime product, zodat we de impact kunnen voorspellen vóór een evenement, niet alleen achteraf, " legde Nikolai Pogorelov uit, vooraanstaand hoogleraar Ruimtewetenschap aan de Universiteit van Alabama in Huntsville, die al tientallen jaren computers gebruikt om het ruimteweer te bestuderen. "Dit onderwerp - gerelateerd aan nationale ruimteprogramma's, milieu, en andere problemen - is onlangs naar een hoger niveau getild."

Te veel, ruimteweer lijkt misschien een verre zorg, maar net als bij een pandemie - iets waarvan we wisten dat het mogelijk en catastrofaal was - realiseren we ons misschien pas de gevaren ervan als het te laat is.

"Wij denken er niet aan, maar elektrische communicatie, GPS, en alledaagse gadgets kunnen worden beïnvloed door extreme ruimteweereffecten, ' zei Pogorelov.

Verder, de VS plant missies naar andere planeten en de maan. Alles vereist zeer nauwkeurige voorspellingen van het ruimteweer - voor het ontwerp van ruimtevaartuigen en om astronauten te waarschuwen voor extreme gebeurtenissen.

Met financiering van de National Science Foundation (NSF) en NASA, Pogorelov leidt een team dat werkt aan het verbeteren van de state-of-the-art in ruimteweersvoorspellingen.

"Dit onderzoek, het mengen van ingewikkelde wetenschap, geavanceerde computers en spannende observaties, zal ons begrip vergroten van hoe de zon ruimteweer en de effecten ervan op aarde aandrijft, " zei Mangala Sharma, Programmadirecteur voor ruimteweer bij de afdeling Atmosferische en Geospace Sciences bij NSF. "Het werk zal wetenschappers helpen om ruimteweergebeurtenissen te voorspellen en de veerkracht van ons land tegen deze potentiële natuurlijke gevaren op te bouwen."

De multi-institutionele inspanning omvat de Goddard en Marshall Space Flight Centers, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, en twee particuliere bedrijven, Predictive Science Inc. en Space Systems Research Corporation.

Pogorelov gebruikt de Frontera-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center (TACC) - de negende snelste ter wereld - evenals hoogwaardige systemen bij NASA en het San Diego Supercomputing Center, om de modellen en methoden te verbeteren die ten grondslag liggen aan ruimteweervoorspellingen.

Turbulentie speelt een sleutelrol in de dynamiek van de zonnewind en coronale massa-ejecties. Dit complexe fenomeen heeft vele facetten, inclusief de rol van schok-turbulentie-interactie en ionenversnelling.

"Zonneplasma is niet in thermisch evenwicht. Dit creëert interessante kenmerken, ' zei Pogorelov.

Inschrijven Astrofysisch tijdschrift in april 2021, Pogorelov, samen met Michael Gedalin (Ben Gurion Universiteit van de Negev, Israël), en Vadim Roytershteyn (Space Science Institute) beschreef de rol van terugstromende oppik-ionen in de versnelling van geladen deeltjes in het universum. Terugstromende ionen, hetzij van interstellaire of lokale oorsprong, worden opgepikt door het gemagnetiseerde zonnewindplasma en bewegen radiaal naar buiten van de zon.

"Sommige niet-thermische deeltjes kunnen verder worden versneld om zonne-energetische deeltjes te creëren die vooral belangrijk zijn voor de ruimteweersomstandigheden op aarde en voor mensen in de ruimte, " hij zei.

Pogorelov voerde simulaties uit op Frontera om dit fenomeen beter te begrijpen en te vergelijken met waarnemingen van Voyager 1 en 2, het ruimtevaartuig dat de buitenste regionen van de heliosfeer verkende en nu unieke gegevens levert van het lokale interstellaire medium.

Een van de belangrijkste aandachtspunten van ruimteweervoorspelling is het correct voorspellen van de komst van coronale massa-ejecties - het vrijkomen van plasma en het bijbehorende magnetische veld van de zonnecorona - en het bepalen van de richting van het magnetische veld dat het met zich meedraagt. De studie van het team van Pogorelov naar backstreaming-ionen helpt daarbij, net als werk gepubliceerd in Astrofysisch tijdschrift in 2020 die een op fluxkabel gebaseerd magnetohydrodynamisch model gebruikte om de aankomsttijd naar de aarde en de magnetische veldconfiguratie van de 12 juli te voorspellen, 2012 coronale massa-ejectie. (Magnetohydrodynamica verwijst naar de magnetische eigenschappen en het gedrag van elektrisch geleidende vloeistoffen zoals plasma, die een sleutelrol speelt in de dynamiek van het ruimteweer).

"Vijftien jaar geleden, we wisten niet zoveel over het interstellaire medium of de eigenschappen van zonnewind, " zei Pogorelov. "We hebben vandaag zoveel waarnemingen, waardoor we onze codes kunnen valideren en ze veel betrouwbaarder kunnen maken."

Pogorelov is mede-onderzoeker van een on-board component van de Parker Solar Probe genaamd SWEAP (Solar Wind Electrons, protonen, en alfa-instrument). Met elke baan, de sonde nadert de zon, het verstrekken van nieuwe informatie over de kenmerken van de zonnewind.

"Binnenkort zal het doordringen tot voorbij de kritische sfeer waar de zonnewind supersnel magnetosoon wordt, en we hebben informatie over de fysica van de versnelling en het transport van zonnewind die we nooit eerder hadden, " hij zei.

Naarmate de sonde en andere nieuwe observatie-instrumenten beschikbaar komen, Pogorelov verwacht een schat aan nieuwe gegevens die de ontwikkeling van nieuwe modellen die relevant zijn voor ruimteweersvoorspellingen kunnen informeren en stimuleren. Om die reden, naast zijn fundamenteel onderzoek, Pogorelov ontwikkelt een softwareframework dat flexibel is, bruikbaar door verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld, en kan nieuwe waarnemingsgegevens integreren.

"Ongetwijfeld, in de komende jaren, de kwaliteit van de gegevens uit de fotosfeer en de corona van de zon zal drastisch worden verbeterd, zowel vanwege nieuwe beschikbare gegevens als nieuwe, meer geavanceerde manieren om met gegevens te werken, " zei hij. "We proberen software zo te bouwen dat als een gebruiker betere randvoorwaarden bedenkt van nieuwe wetenschappelijke missies, het zal voor hen gemakkelijker zijn om die informatie te integreren."