Группа ученых впервые использовала единую компьютерную модель для моделирования всего жизненного цикла солнечной вспышки: от накопления энергии за тысячи километров под поверхностью Солнца до появления запутанных линий магнитного поля , чтобы взрывной выброс энергии в блестящей вспышке.

Выполнение, подробно описанное в журнале Nature Astronomy , создает основу для будущих моделей Солнца, чтобы реалистично имитировать собственную погоду Солнца, когда оно разворачивается в реальном времени , включая появление горячих солнечных пятен, которые иногда вызывают вспышки и выбросы корональной массы. Эти извержения могут иметь широкое воздействие на Землю, от разрушения электросетей и сетей связи до повреждения спутников и угрозы для космонавтов.

Ученые из Национального центра атмосферных исследований (NCAR) и Лаборатории солнечной и астрофизики им. Локхида Мартина руководили исследованиями. Новый комплексный симулятор фиксирует формирование солнечной вспышки более реалистичным способом, чем предыдущие попытки, и включает в себя спектр излучения света, о котором известно, что он связан со вспышками.

«Эта работа позволяет нам объяснить, почему вспышки выглядят так, как они выглядят, не только на одной длине волны, но и на видимой длине волны , в ультрафиолетовой и экстремальной ультрафиолетовой длинах волн, а также в рентгеновских лучах», — сказал Марк Чеунг, штатный физик в лаборатории солнечной и астрофизики Lockheed Martin и приглашенный ученый в Стэнфордском университете. «Мы объясняем множество цветов солнечных вспышек».

Исследование финансировалось в основном НАСА и Национальным научным фондом, который является спонсором НКАР.

Преодоление весов

Для нового исследования ученые должны были построить солнечную модель, которая могла бы распространяться на несколько областей Солнца, отражая сложное и уникальное физическое поведение каждого из них.

Полученная модель начинается в верхней части конвекционной зоны — примерно на 10 000 километров ниже поверхности Солнца — поднимается через поверхность Солнца и выталкивает 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 выброса энергии, ученым необходимо было добавить детальные уравнения в модель, которые могли бы позволить каждому региону внести свой вклад в развитие солнечной вспышки реалистичным образом. Но они также должны были быть осторожны, чтобы не сделать модель настолько сложной, чтобы было бесполезно работать с доступными суперкомпьютерными ресурсами.

«У нас есть модель, которая охватывает широкий спектр физических условий, что делает ее очень сложной», — сказал ученый NCAR Матиас Ремпел. «Этот вид реализма требует инновационных решений».

Для решения проблем Ремпель позаимствовал математическую технику, исторически используемую 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 бы реалистичной и вычислительно эффективной.

Следующим шагом было создание сценария на моделируемом Солнце. В предыдущих исследованиях, использующих менее сложные модели, ученые должны были инициировать модели почти в тот момент, когда вспышка вспыхнула бы, чтобы иметь возможность сформировать вспышку вообще.

В новом исследовании команда хотела увидеть, может ли их модель генерировать вспышку самостоятельно. Они начали с создания сценария с условиями, вдохновленными особенно активным пятном, наблюдавшимся в марте 2014 года. Фактическое пятно породило десятки вспышек в то время, когда оно было видимым, включая один очень мощный X-класс и три умеренно мощных 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 производстве вспышек.

Затем они отпускают модель, наблюдая, не вызовет ли она вспышку самостоятельно.

«Наша модель смогла охватить весь процесс, от накопления энергии до появления на поверхности, до подъема в корону, активизации короны, а затем до того момента, когда энергия высвобождается в солнечной вспышке», — сказал Ремпел. ,

Теперь, когда модель показала, что она способна реально моделировать весь жизненный цикл вспышки, ученые собираются проверить ее на реальных наблюдениях Солнца и посмотреть, сможет ли она успешно смоделировать то, что действительно происходит на поверхности Солнца .

«Это была автономная симуляция, вдохновленная данными наблюдений», — сказал Ремпел. «Следующим шагом является непосредственный ввод данных наблюдений в модель и предоставление ей возможности управлять тем, что происходит. Это важный способ проверки модели, и модель также может помочь нам лучше понять, что мы наблюдаем на Солнце».