Source Surface Height Optimisation for Improved Solar Wind Velocity Forecasting Across Solar Cycles 23, 24 and 25

Resumen Técnico: Optimización de la Altura de la Superficie de la Fuente para la Mejora del Pronóstico de la Velocidad del Viento Solar a través de los Ciclos Solares 23, 24 y 25

Planteamiento del Problema
El modelo de Superficie de la Fuente de Campo Potencial (PFSS, por sus siglas en inglés) es un componente fundamental de los marcos de pronóstico de clima espacial de última generación, sirviendo como la entrada para modelos empíricos de viento solar como el modelo Wang–Sheeley–Arge (WSA). El modelo PFSS depende de un único parámetro físico libre: la altura de la superficie de la fuente (SS), tradicionalmente fijada en 2.5 $R_\odot$. Aunque estudios previos han investigado la optimización de la altura de la SS utilizando diversos conjuntos de datos e intervalos temporales, la mayoría se ha centrado en análisis a corto plazo o fases específicas del ciclo solar (SC). Además, los esfuerzos anteriores apuntaron principalmente a mejorar las estimaciones del flujo magnético abierto heliosférico en lugar de las predicciones directas de la velocidad del viento solar en L1. Existe una falta de investigación exhaustiva y a largo plazo sobre cómo varía la altura óptima de la SS a través de múltiples ciclos solares (específicamente los SC 23, 24 y 25) cuando se integra en el marco de trabajo de WSA para el pronóstico de la velocidad del viento solar. Asimismo, el rendimiento de diferentes productos de magnetogramas (GONG basado en tierra frente a SDO/HMI basado en el espacio) y el impacto específico de la corrección del punto cero (ZPC) en los mapas GONG en la optimización de la SS requieren mayor aclaración.

Metodología
Los autores realizaron un análisis exhaustivo que abarca los Ciclos Solares 23, 24 y 25 (aproximadamente 2006–2026). El estudio utilizó mapas de campo magnético sinópticos de dos fuentes primarias:

1. Basados en tierra: Mapas del Global Oscillation Network Group (GONG), comparando específicamente las versiones Estándar (STD) y Corregida por Punto Cero (ZPC).
2. Basados en el espacio: Mapas radiales sinópticos de la Observatorio de Dinámica Solar/Helioseismic and Magnetic Imager (SDO/HMI).

Para asegurar la comparabilidad, los mapas HMI de mayor resolución (3600 $\times$ 1440) se submuestrearon para coincidir con la resolución de GONG (360 $\times$ 180). El estudio cubrió 254 Rotaciones de Carrington (CR) para los datos de GONG y 204 CR para los datos de HMI.

El marco de modelado siguió un proceso estándar:

1. Extrapolación PFSS: El campo magnético coronal se extrapoló desde los mapas fotosféricos hasta la superficie de la fuente mediante el modelo PFSS. El estudio probó ocho alturas de SS discretas que van desde 1.5 $R_\odot$ hasta 3.25 $R_\odot$ en incrementos de 0.25 $R_\odot$.
2. Modelo WSA: Las velocidades del viento solar empíricas se estimaron en la SS basándose en el factor de expansión ($f_s$) y la distancia angular respecto al límite del agujero coronal más cercano ($\theta_b$).
3. Propagación HUX: El modelo Heliospheric Upwind eXtrapolation (HUX) propagó estas velocidades hasta el punto de Lagrange L1.
4. Validación: Las velocidades del viento solar modeladas en L1 se compararon con las observaciones in situ de la base de datos OMNI. La métrica principal para la optimización fue el coeficiente de correlación de Pearson ($cc$) entre las velocidades modeladas y observadas. La "altura de SS optimizada" se definió como el valor que producía el máximo $cc$ para cada Rotación de Carrington.

Contribuciones Clave

• Alcance a Largo Plazo: Este estudio representa una de las investigaciones de mayor duración sobre la variabilidad de la altura de la SS, cubriendo casi tres ciclos solares (SC23–25) en lugar de intervalos aislados o ciclos únicos.
• Comparación de Múltiples Fuentes: Proporciona la primera comparación a largo plazo de los mapas GONG ZPC (ampliamente utilizados en modelos WSA) frente a los mapas HMI específicamente para la optimización de la altura de la SS en el contexto del pronóstico de la velocidad del viento solar en L1.
• Muestreo Granular: A diferencia de estudios previos que probaron solo unos pocos valores discretos de SS, este trabajo empleó un muestreo más fino (ocho valores) para caracterizar mejor la distribución de las alturas optimizadas.
• Análisis Específico de Fase: El análisis correlaciona explícitamente las alturas de SS optimizadas con fases específicas del ciclo solar (mínimo, ascendente, máximo, descendente) y distingue entre periodos de alta y baja actividad dentro de esas fases.

Resultos

• Dependencia de la Fase del Ciclo Solar: Existe una relación clara entre la altura óptima de la SS y la fase del ciclo solar.
  • Fases de Mínimo/Ascendente/Descendente Solar: Alturas de SS más elevadas ($\ge$ 2.5 $R_\odot$) producen consistentemente mejores predicciones de la velocidad del viento solar en L1. Por ejemplo, durante las fases de mínimo de SC23 y SC24, la distribución de las alturas optimizadas se sesgó significativamente hacia valores $\ge$ 2.5 $R_\odot$, siendo 3.25 $R_\odot$ frecuentemente el mejor ajuste.
  • Máximo Solar: Durante las fases activas, la tendencia se invierte. Alturas de SS más bajas (< 2.5 $R_\odot$) generalmente proporcionan mejores predicciones. Durante el máximo de SC25, la distribución optimizada se sesgó fuertemente hacia valores más bajos (por ejemplo, 1.5–1.75 $R_\odot$ para los mapas HMI/ZPC).
• Rendimiento de los Magnetogramas:
  • GONG ZPC vs. STD: Los mapas GONG ZPC superaron consistentemente a los mapas GONG STD, particularmente durante SC24 y la fase ascendente de SC25. Los mapas STD mostraron un rendimiento degradado, probablemente debido a limitaciones observacionales y problemas de calidad reportados en la literatura previa.
  • GONG ZPC vs. HMI: Los mapas ZPC y HMI se comportaron de manera similar en general. Sin embargo, durante el máximo solar, los mapas HMI mostraron un sesgo más fuerte hacia alturas de SS más bajas en comparación con los mapas ZPC.
• Anomalías y Matices:
  • Durante el máximo de SC24, un intervalo específico de actividad solar significativamente reducida (un "mínimo local") mostró una preferencia por alturas de SS más altas, contrastando con la tendencia general para el máximo solar. La exclusión de este intervalo desplazó la distribución general del máximo de SC24 hacia alturas de SS más bajas.
  • La distribución de la altura de la SS optimizada exhibe una dispersión significativa, particularmente durante el máximo solar. Los autores atribuyen esto a la aplicabilidad limitada del modelo PFSS (que asume un campo potencial) durante periodos altamente activos y multipolares, así como a la naturaleza no esférica de la verdadera superficie de la fuente.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la optimización de la altura de la SS en el modelo PFSS mejora significamente el rendimiento del modelo de predicción de velocidad del viento solar WSA en L1 en comparación con la altura convencionalmente fija de 2.5 $R_\odot$. El estudio establece que la altura óptima de la SS no es un valor estático, sino que varía sistemáticamente con la fase del ciclo solar: se requieren alturas mayores durante condiciones solares tranquilas, mientras que valores más bajos son preferibles durante condiciones activas.

Los autores enfatizan que, aunque la altura absoluta optimizada varía entre ciclos y conjuntos de datos, la tendencia relativa (SS más alta en el mínimo, SS más baja en el máximo) es robusta. Concluyen que estos hallazgos respaldan la interpretación física de que la altura efectiva de la superficie de la fuente es menor durante el máximo solar (debido a la rápida disminución de la densidad de energía magnética transversal en un campo multipolar) y mayor durante el mínimo solar (campo dipolar).

El estudio sugiere que los marcos de pronóstico de clima espacial pueden refinarse adoptando una estrategia de altura de SS variable, específicamente utilizando alturas ligeramente superiores a 2.5 $R_\odot$ cerca del mínimo solar. Sin embargo, los autores señalan modestamente que las suposiciones del modelo PFSS limitan su precisión durante periodos de alta actividad y proponen que las mejoras futuras podrían requerar modelos de superficie de la fuente no simétricos y no esféricos para dar cuenta de la naturaleza intrínsecamente no esférica de la atmósfera solar.