توقع العواصف الشمسية لحماية الأرض

توقع العواصف الشمسية: صورة برتقالية صفراء للشمس مع توهج ، مع رسم بياني أبيض متراكب.

يستخدم العلماءالتعلم الاليطرق التنبؤ بالعواصف الشمسية. في الرسم البياني الأبيض أعلاه ، يمكن رؤية الزيادة في الاحتمالية قبل 19.6 ساعة من حدوث توهج من الفئة M (الخط الأصفر المتقطع). الصورة عبر Yang Chen (U. of Michigan) / NASA (الخلفية) /إيوس. مستخدمة بإذن.


توقع العواصف الشمسية

عالم أبحاثجابور توثفي جامعة ميتشيغان تريد أن تكون قادرة على التنبؤ بالعواصف الشمسية الكبيرة. يريد هو وفريقه استخدام هذه التنبؤات لحماية الأرض من كارثة محتملةمناخ الفضاءحدث. فيبيانصدر في 11 أغسطس 2021 ، وعلق:

لا يوجد سوى اثنينطبيعي >> صفةالكوارث التي يمكن أن تؤثر على الولايات المتحدة بأكملها. واحد هو وباء. والآخر هو حدث طقس فضائي شديد.


يمكن أن يكون الطقس الفضائي القاسي كارثة ، ليس فقط لأولئك منا في الولايات المتحدة ، ولكن بالنسبة للمجتمع البشري بأسره. مثل هذا الحدث من شأنه أن ينبع من عاصفة قوية على الشمس. لن يضرنا مباشرة على الأرض ؛ غلافنا الجوي يحمي أجسامنا البشرية من مثل هذا الأذى. لكن الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض - والغلاف المغناطيسي للأرض - يمكن أن تتأثر. يمتلك التوهج الشمسي القوي القدرة على قلي الأجهزة الإلكترونية وإنزال شبكات الطاقة حول العالم. لحسن الحظ ، لم يكن لدينا حقًارائدحدث طقس الفضاء منذ عام 1859. ربما سمعت عن ما يسمى 1859حدث كارينغتون؟ لقد نشأ عن عاصفة شمسية قوية ضربت الأرض بالبلازما الشمسية. لقد قلَّت أسلاك التلغراف وأنتجت مثل هذه الشفق القطبي الساطع حول العالم لدرجة أن الطيور كانت تحلق ، معتقدة أن ضوء الشفق هو ضوء النهار.

كانت التقنيات الحديثة (مثل التلغراف) نادرة في عام 1859. ولكن عاصفة شمسية اليوم ، بنفس حجم عاصفة كارينجتون ، سيكون لها عواقب أكبر بكثير. عالمنا الآن مليء بالتكنولوجيا. في حدث كارينغتون الحديث ، ستُقلى الإلكترونيات وشبكات الطاقة ، وستتعطل أنظمة تحديد المواقع العالمية ، وسيتعرض رواد الفضاء والمسافرون الجويون على ارتفاعات عالية لعربات من الإشعاع الشمسي. قال توث:

لدينا كل هذه الأصول التكنولوجية المعرضة للخطر. إذا حدث حدث متطرف مثل الحدث الذي حدث في عام 1859 مرة أخرى ، فسيؤدي إلى تدمير شبكة الطاقة والأقمار الصناعية وأنظمة الاتصالات تمامًا. المخاطر أكبر بكثير.

هذا هو سبب رغبة توث وفريقه في إيجاد طريقة للحصول على مزيد من الاحترار المسبق بحيث يكون هناك توهج شمسي كبير على وشك الحدوث. توفر نماذج الكمبيوتر الحالية حوالي 30 دقيقة فقط من التحذير المتقدم من حدوث توهج كبير. يريد فريق توث تمديد هذه المهلة إلى ثلاثة أيام.




دائرة سوداء مع خطوط بيضاء مقوسة قادمة من أعمدة وشريط بلون قوس قزح على اليمين.

هذه محاكاة لـالغلاف المغناطيسي للأرض، أي المنطقة الواقية من حولنا والتي تم إنشاؤها بواسطة المغناطيسية الداخلية لكوكبنا. يظهر الأرض (داخل الدائرة السوداء) وخطوط المجال المغناطيسي(بالأبيض). المستطيل الأزرق هو المنطقة التي يستخدمها برنامج طقس الفضاء مع عدم اليقين الكمي لنمذجة التنبؤ بالعواصف الشمسية. صورة عبرجامعة تكساس.

'عدم اليقين الكمي'

يعمل توث وفريقه داخلطقس الفضاء مع عدم اليقين الكميالبرنامج الذي تموله المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF) ووكالة ناسا. يشتمل البرنامج على فرق بحثية من تخصصات متعددة تحاول الإبداع بشكل أفضلنماذج الكمبيوترللتنبؤ بطقس الفضاء. كمافياتشيسلاف لوكينمن NSF قال:

تم الاعتراف بالحاجة لبعض الوقت ، وحافظة من ستة مشاريع ، من بينها Gabor Toth ، لا تشرك فقط المجموعات الجامعية الرائدة ، ولكن أيضًا مراكز NASA ووزارة الدفاع ووزارة الطاقة الوطنية ، بالإضافة إلى القطاع الخاص .

تحسين نماذج التنبؤ بالعواصف الشمسية

الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)تصدر حاليًا تنبؤات بالطقس الفضائي. يتم إنشاء هذا التوقع عبر أنموذجالتي ساعدت توث في تطويرها. بدأت NOAA في استخدام نموذج محدث للتنبؤ بالطقس الفضائي - يسمىإصدار نموذج الفضاء الجغرافي 2.0- في وقت سابق من هذا العام. وشارك توث وفريقه في هذا التحديث أيضًا. وعلق:


نعمل باستمرار على تحسين نماذجنا. كان التغيير الرئيسي في الإصدار 2 هو تحسين الشبكة الرقمية في الغلاف المغناطيسي ، والعديد من التحسينات في الخوارزميات ، وإعادة معايرة المعلمات التجريبية.

رجل يرتدي بنطلون وقميص طويل الأكمام يجلس على جدار حجري في ضوء الغروب.

كان جابور توث من جامعة ميتشيغان أحد مطوري نموذج الكمبيوتر الذي يتم استخدامه الآن من قبلمركز التنبؤ بطقس الفضاء التابع لـ NOAAللتنبؤ بالعواصف الشمسية. صورة عبرجامعة تكساس.

نموذج الفضاء الجغرافي 2.0

يركز نموذج الفضاء الجغرافي للفريق علىمغناطيسيوبيئة البلازما حول الأرضالديناميكا المائية المغناطيسية. هذه هي العناصر التي تلعب دورًا رئيسيًا في طقس الفضاء في محيط الأرض. يتنبأ النموذج بالاضطرابات المغناطيسية التي قد تؤثر على أنظمة مهمة على الأرض ، مثل شبكات الطاقة. يمكن أن تسمح هذه التنبؤات بالتحذير المتقدم لمشغلي شبكة الطاقة وغيرهم في المواقف المماثلة للتخفيف من المشكلة.

لتوفير مهلة زمنية طالما تصورها توث وفريقه - وهي مهلة مدتها ثلاثة أيام - سيتطلب من العلماء مراقبة ما يحدث على سطح الشمس قبل أن تغادر عمليات الانبعاث الشمس. قال توث:


نستخدم حاليًا بيانات من قمر صناعي يقيس معلمات البلازما على بعد مليون ميل من الأرض.

يرغب العلماء في إجراء ملاحظات عن بعد للشمسالقذف الكتلي الإكليليالتي تنتج ضخمةانفجارات تشبه التوهجمن المواد المرئية في الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. أوضح توث:

هذا يحدث في وقت مبكر من الشمس. من هذه النقطة ، يمكننا تشغيل نموذج والتنبؤ بوقت وصول الأحداث المغناطيسية وتأثيرها.

خوارزميات أسرع للتنبؤات بشكل أسرع

ستكون خطوة مهمة لإنجاز كل هذا أن يبتكر العلماء جديدًا وأسرعالخوارزميات. يستخدم Tothحدود الحواسيب العملاقةفي المركز تكساس المتقدم للحوسبة. يُقال إن الكمبيوتر العملاق Frontera هو أسرع نظام أكاديمي في العالم.

كان أحد التحسينات الخوارزمية التي أجراها توث وفريقه هو الجمع بين الجوانب الحركية والسائلة للبلازما في نموذج محاكاة واحد. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة سرعات نموذج الطقس الفضائي بمقدار 10 إلى 100 مرة. أوضح توث:

حاول الناس ذلك من قبل وفشلوا. لكننا جعلناها تعمل. نحن نذهب أسرع مليون مرة من محاكاة القوة الغاشمة من خلال اختراع تقريب ذكي وخوارزميات.

كرة رمادية مع بقع داكنة وخفيفة وخلفية خضراء وخطوط منحنية تنحني للخارج من الكرة.

هذه محاكاة للقذف الكتلي الإكليلي الفعلي الذي حدث في 10 سبتمبر 2014. تظهر الملامح الرمادية على الشمس كيف يتغير المجال المغناطيسي الشعاعي. يتم إظهار القذف الهائل المنبثق من اليمين بواسطة خطوط المجال المغناطيسي وحدها. تم تلوينها بالسرعة ، حيث يتحرك اللون الأزرق بالقرب من الشمس ببطء ، بينما يتحرك اللون الأحمر بشكل أسرع. صورة عبرجامعة تكساس/ جابور توث / جامعة ميشيغان.

إنشاء تنبؤات الطقس الفضائي المحلية

تمكن فريق Toth من تشغيل نموذج Geospace الكامل بشكل أسرع من الوقت الحقيقي على وحدة معالجة رسومية واحدة ، وهو ما ستعتمد عليه أجهزة الكمبيوتر العملاقة في المستقبل. لتشغيل نموذجهم بهذه السرعة على كمبيوتر عملاق تقليدي يتطلب 100 على الأقلأنوية وحدة المعالجة المركزية. قال توث:

استغرق الأمر عامًا كاملاً من تطوير الكود لتحقيق ذلك. الهدف هو تشغيل مجموعة من عمليات المحاكاة بسرعة وكفاءة لتوفير تنبؤات احتمالية بالطقس الفضائي.

التنبؤ الاحتماليسيساعد العلماء على توطين التنبؤات في مناطق صغيرة على الأرض والإجابة على أسئلة محددة. أوضح توث:

هل يجب أن نقلق في ميشيغان أم في كندا فقط؟ ما هو الحد الأقصى من المحولات الحالية المستحثة التي ستختبرها؟ كم من الوقت سوف تحتاج إلى إيقاف تشغيل المولدات؟ للقيام بذلك بدقة ، أنت بحاجة إلى نموذج تؤمن به. ومهما نتوقع ، فهناك دائمًا بعض عدم اليقين. نريد أن نعطي تنبؤات باحتمالات دقيقة ، على غرار تنبؤات الطقس الأرضي.

سوف يستغرق الأمر آلاف المحاكاة خلال السنوات القادمة لتحقيق هذه الأهداف. ولكن نأمل أن يأتي مستقبل التنبؤ الدقيق بالطقس الشمسي ... قبل العاصفة القادمة.

خلاصة القول: لحمايتنا من طقس الفضاء ، يقوم العلماء بإنشاء نماذج حاسوبية أفضل للتنبؤ بسرعة متى وأين ستضرب العاصفة الأرض.

المصدر (2021): إطار نمذجة طقس الفضاء مفتوح الوصول

المصدر (2012): الخوارزميات العددية التكيفية في نمذجة طقس الفضاء

عبر جامعة تكساس

اقرأ المزيد: ما مدى احتمال حدوث حدث كارينجتون آخر؟

اقرأ المزيد: ما هي المقذوفات الكتلية الإكليلية؟

إقرأ المزيد: طريقة جديدة لتوقع التوهجات الشمسية الكبيرة