Influence of local and global solar magnetic fields on medium-term forecasting of the number and parameters of coronal mass ejections

Die Wettervorhersage der Sonnenstürme

Stellen Sie sich die Sonne nicht nur als glühende Feuerkugel vor, sondern als eine chaotische, magnetische Wetterstation, die niemals schläft. Genau wie die Erde Stürme, Hurrikans und Regen hat, besitzt auch die Sonne ihre eigenen wilden atmosphärischen Ereignisse. Die dramatischsten davon werden Koronale Massenauswürfe oder CMEs genannt. Stellen Sie sich einen CME wie einen massiven, unsichtbaren Tsunami aus solarem Plasma und Magnetfeldern vor, der in den Weltraum geschleudert wird. Wenn diese solaren Tsunamis die Erde treffen, können sie unsere Satelliten stören, das GPS beeinträchtigen und sogar wunderschöne Auroras (Nordlichter) am Himmel tanzen lassen. Da diese Weltraumstürme Stromnetze lahmlegen und die Kommunikation durcheinanderbringen können, sind Wissenschaftler bestrebt, vorherzusagen, wann sie auftreten werden.

Lange Zeit haben Forscher versucht, die „Stimmungsschwankungen“ der Sonne zu verstehen. Sie wissen, dass die Sonne etwa 11-jährige Aktivitätszyklen durchläuft, in denen sie ruhiger und dann wieder wilder wird. Aber genau vorherzusagen, wann ein großer Sturm zuschlägt oder wie viele es geben wird, war bisher so, als würde man versuchen, das Wetter einen Monat im Voraus vorherzusagen, ohne ein Computermodell zu besitzen. Die große Frage war stets: Was steuert diese Ausbrüche? Sind es die Sonnenflecken (dunkle, magnetische Flecken auf der Oberfläche) oder ist es etwas Größeres, wie das gesamte globale Magnetfeld der Sonne, das wie ein riesiges, sich verschiebendes Rückgrat wirkt? Das Verständnis dieses Unterschieds ist der Schlüssel dazu, von der bloßen Beobachtung des Sturms zur tatsächlichen Vorhersage überzugehen.

Die große Entdeckung der Arbeit: Die Stürme sortieren

In dieser Studie hat Irina A. Bilenko vom Sternberg Astronomischen Institut in Moskau beschlossen, einen frischen Blick auf die Sonnenzyklen 23, 24 und 25 zu werfen. Anstatt alle solaren Ausbrüche als einen einzigen großen, unordentlichen Haufen zu behandeln, erkannte sie, dass nicht alle CMEs gleich sind. Es ist so, als würde man zwischen einer sanften Brise und einem Hurrikan der Kategorie 5 unterscheiden. Die Arbeit stellt fest, dass starke CMEs (die großen, schnellen, energiereichen) und schwache CMEs (die kleineren, langsameren) tatsächlich zwei völlig unterschiedlichen Regelwerken folgen.

Die „starken“ Stürme: Den Sonnenflecken folgend
Die Arbeit zeigt, dass die großen, kraftvollen CMEs die „guten Schüler“ des Sonnensystems sind. Sie folgen dem Rhythmus der Sonnenflecken perfekt. Wenn die Sonne ihren Höhepunkt der Aktivität erreicht (das „solare Maximum“), treten diese starken Ausbrüche häufiger auf, und wenn die Sonne ruhig ist, nehmen sie ab. Ihre Geschwindigkeit, Größe und Energie bleiben von einem Zyklus zum nächsten recht konsistent. Wenn man weiß, wie aktiv die Sonnenflecken sind, kann man recht zuverlässig vorhersagen, wie viele dieser großen Stürme kommen werden.

Die „schwachen“ Stürme: Die Wildcards
Auf der anderen Seite sind die schwachen CMEs die Rebellen. Sie scheren sich wenig um den Sonnenfleckzyklus. Tatsächlich stieg während des Zyklus 24 die Anzahl dieser schwachen Ausbrüche an, obwohl die allgemeine Sonnenaktivität niedrig war. Die Arbeit legt nahe, dass dies geschieht, weil sich das globale Magnetfeld der Sonne ändert – die große, unsichtbare Struktur, die den gesamten Stern zusammenhält. Wenn dieses globale Feld schwächer wird, scheint es mehr dieser kleinen, schwachen Ausbrüche durchzulassen.

Das Kristallkugel-Modell: Vorhersage für die Zyklen 26 und 27
Mit diesem neuen Verständnis hat die Autorin eine Prognose für die Zukunft erstellt. So funktioniert die Vorhersage:

1. Die magnetische Karte lesen: Die Autorin betrachtete das globale Magnetfeld der Sonne, insbesondere wie sich seine „Pole“ umdrehen (wie eine Kompassnadel, die sich umdreht). Durch die Analyse des Flusses dieser Magnetfelder berechnete sie, wann die nächsten Sonnenzyklen beginnen und enden würden.

   • Sie sagt voraus, dass Zyklus 26 um etwa CR 2375±5 (eine spezifische Zählung der Sonnenrotationen) beginnen wird.
   • Zyklus 27 wird um etwa CR 2526±5 beginnen.
   • Dies bedeutet, dass Zyklus 26 etwa 151 CRs (oder etwa 11,2838 Jahre) dauern wird.

2. Der „Zyklus 20“-Trick: Um vorherzusagen, wie aktiv Zyklus 26 sein wird, nahm die Autorin an, dass er sehr ähnlich wie Zyklus 20 (ein vergangener Zyklus) aussehen wird. Indem sie die „Persönlichkeit“ von Zyklus 20 kopierte, erstellte sie eine Vorhersage für die Anzahl der Sonnenflecken in Zyklus 26.

3. Die endgültige Vorhersage:

   • Starke CMEs: Da diese den Sonnenflecken folgen, nutzte die Autorin die vorhergesagten Sonnenfleckenzahlen, um die Anzahl der großen, schnellen CMEs für die Zyklen 25 und 26 vorherzusagen.
   • Schwache CMEs: Da diese nicht den Sonnenflecken folgen, nutzte sie einen anderen Trick. Sie betrachtete das Verhältnis von schwachen zu starken CMEs in Zyklus 23 und wandte dasselbe Verhältnis auf die zukünftigen Zyklen an.

Hat die Vorhersage funktioniert?
Die Arbeit überprüfte ihre eigene Hausaufgabe, indem sie die Vorhersagen für Zyklus 25 mit dem Vergleich mit dem, was tatsächlich geschah, abglich. Die Ergebnisse zeigten eine „gute Übereinstimmung“. Die vorhergesagten Zahlen für beide Arten von Ausbrüchen (stark und schwach) stimmten sehr gut mit den beobachteten Daten überein.

Das Fazit
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass wir, um Sonnenstürme genau vorherzusagen, nicht nur auf eine Sache schauen dürfen. Wir benötigen eine zweiteilige Strategie:

• Nutzen Sie Sonnenfleckendaten, um die großen, gefährlichen Stürme vorherzusagen.
• Nutzen Sie Daten des globalen Magnetfeldes, um die Hintergrundbedingungen zu verstehen, die kleinere, schwächere Stürme passieren lassen könnten.

Durch die Trennung von „stark“ und „schwach“ legt die Arbeit nahe, dass wir endlich eine mittelfristige Wettervorhersage für die Sonne erhalten können, die viel zuverlässiger ist als zuvor. Es ist ein Schritt dahin, zu wissen, wann mit solaren Tsunamis zu rechnen ist und wann eine solare Brise sanft sein wird.