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

Resumo Técnico: Otimização da Altura da Superfície de Fonte para Melhoria na Previsão da Velocidade do Vento Solar através dos Ciclos Solares 23, 24 e 25

Definição do Problema
O modelo de Superfície de Fonte de Campo Potencial (PFSS) é um componente fundamental de estruturas de ponta para previsão de clima espacial, servindo como entrada para modelos empíricos de vento solar, como o modelo Wang–Sheeley–Arge (WSA). O modelo PFSS baseia-se em um único parâmetro físico livre: a altura da superfície de fonte (SS), tradicionalmente fixada em 2,5 $R_\odot$. Embora estudos anteriores tenham investigado a otimização da altura da SS usando vários conjuntos de dados e intervalos temporais, a maioria concentrou-se em análises de curto prazo ou fases específicas do ciclo solar (SC). Além disso, esforços anteriores visaram primariamente melhorar as estimativas do fluxo magnético aberto heliosférico em vez de previsões diretas de velocidade do vento solar em L1. Permanece uma lacuna em investigação abrangente e de longo prazo sobre como a altura ótima da SS varia através de múltiplos ciclos solares (especificamente SCs 23, 24 e 25) quando integrada à estrutura WSA para a previsão da velocidade do vento solar. Adicionalmente, o desempenho de diferentes produtos de magnetogramas (GONG baseado em solo vs. SDO/HMI baseado no espaço) e o impacto específico da correção de zero-ponto (ZPC) em mapas GONG na otimização da SS requerem maior esclarecimento.

Metodologia
Os autores conduziram uma análise abrangente abrangendo os Ciclos Solares 23, 24 e 25 (aproximadamente 2006–2026). O estudo utilizou mapas magnéticos sinópticos de duas fontes primárias:

1. Baseados em solo: Mapas do Global Oscillation Network Group (GONG), comparando especificamente as versões Padrão (STD) e Corrigida de Zero-Ponto (ZPC).
2. Baseados no espaço: Mapas sinópticos radiais do Solar Dynamics Observatory/Helioseismic and Magnetic Imager (SDO/HMI).

Para garantir a comparabilidade, os mapas HMI de maior resolução (3600 $\times$ 1440) foram subamostrados para corresponder à resolução GONG (360 $\times$ 180). O estudo cobriu 254 Rotações de Carrington (CR) para os dados GONG e 204 CRs para os dados HMI.

O fluxo de modelagem seguiu um pipeline padrão:

1. Extrapolação PFSS: O campo magnético coronal foi extrapolado dos mapas fotosféricos para a superfície de fonte usando o modelo PFSS. O estudo testou oito alturas de SS discretas, variando de 1,5 $R_\odot$ a 3,25 $R_\odot$ em incrementos de 0,25 $R_\odot$.
2. Modelo WSA: Velocidades do vento solar empíricas foram estimadas na SS com base no fator de expansão ($f_s$) e na distância angular do limite mais próximo do buraco coronal ($\theta_b$).
3. Propagação HUX: O modelo Heliospheric Upwind eXtrapolation (HUX) propagou essas velocidades para o ponto de Lagrange L1.
4. Validação: As velocidades do vento solar modeladas em L1 foram comparadas com observações in-situ do banco de dados OMNI. A métrica primária para otimização foi o coeficiente de correlação de Pearson ($cc$) entre as velocidades modeladas e observadas. A "altura de SS otimizada" foi definida como o valor que resultou no máximo $cc$ para cada Rotação de Carrington.

Principais Contribuições

• Escopo de Longo Prazo: Este estudo representa uma das investigações de mais longo prazo sobre a variabilidade da altura da SS, cobrando quase três ciclos solares (SC23–25) em vez de intervalos isolados ou ciclos únicos.
• Comparação de Múltiplas Fontes: Fornece a primeira comparação de longo prazo de mapas GONG ZPC (amplamente utilizados em modelos WSA) contra mapas HMI especificamente para a otimização da altura da SS no contexto da previsão da velocidade do vento solar em L1.
• Amostragem Granular: Diferente de estudos anteriores que testaram apenas alguns valores discretos de altura de SS, este trabalho empregou uma amostragem mais fina (oito valores) para caracterizar melhor a distribuição das alturas otimizadas.
• Análise Específica de Fase: A análise correlaciona explicitamente as alturas de SS otimizadas com fases específicas do ciclo solar (mínimo, ascendente, máximo, descendente) e distingue entre períodos de alta e baixa atividade dentro dessas fases.

Resultados

• Dependência da Fase do Ciclo Solar: Existe uma relação clara entre a altura ótima da SS e a fase do ciclo solar.
  • Fases de Mínimo Solar/Ascendente/Descendente: Alturas de SS mais elevadas ($\ge$ 2,5 $R_\odot$) produzem consistentemente melhores previsões de velocidade do vento solar em L1. Por exemplo, durante as fases de mínimo de SC23 e SC24, a distribuição das alturas otimizadas inclinou-se significativamente para valores $\ge$ 2,5 $R_\odot$, sendo 3,25 $R_\odot$ frequentemente o melhor ajuste.
  • Máximo Solar: Durante as fases ativas, a tendência se inverte. Alturas de SS mais baixas (< 2,5 $R_\odot$) geralmente fornecem melhores previsões. Durante o máximo de SC25, a distribuição otimizada inclinou-se fortemente para valores mais baixos (ex: 1,5–1,75 $R_\odot$ para mapas HMI/ZPC).
• Desempenho do Magnetograma:
  • GONG ZPC vs. STD: Mapas GONG ZPC superaram consistentemente os mapas GONG STD, particularmente durante o SC24 e a fase ascendente do SC25. Os mapas STD mostraram desempenho degradado, provavelmente devido a limitações observacionais e problemas de qualidade relatados na literatura anterior.
  • GONG ZPC vs. HMI: Os mapas ZPC e HMI apresentaram desempenho semelhante no geral. No entanto, durante o máximo solar, os mapas HMI mostraram uma inclinação mais forte para alturas de SS mais baixas em comparação com os mapas ZPC.
• Anomalias e Nuances:
  • Durante o máximo de SC24, um intervalo específico de atividade solar significativamente reduzida (um "mínimo local") mostrou preferência por alturas de SS mais elevadas, contrastando com a tendência geral para o máximo solar. A exclusão deste intervalo deslocou a distribuição geral do máximo de SC24 para alturas de SS mais baixas.
  • A distribuição da altura de SS otimizada exibe dispersão significativa, particularmente durante o máximo solar. Os autores atribuem isso à aplicabilidade limitada do modelo PFSS (que assume um campo potencial) durante períodos altamente ativos, bem como à natureza não esférica da verdadeira superfície de fonte.

Significância e Alegações
O artigo alega que a otimização da altura da SS no modelo PFSS melhora significativamente o desempenho do modelo de previsão de velocidade do vento solar WSA em L1 em comparação com a altura convencionalmente fixa de 2,5 $R_\odot$. O estudo estabelece que a altura de SS ótima não é um valor estático, mas varia sistematicamente com a fase do ciclo solar: valores mais altos são necessários durante condições solares calmas, enquanto valores mais baixos são preferíveis durante condições ativas.

Os autores enfatizam que, embora a altura absoluta otimizada varie entre ciclos e conjuntos de dados, a tendência relativa (SS mais alta no mínimo, SS mais baixa no máximo) é robusta. Eles concluem que esses achados apoiam a interpretação física de que a altura efetiva da superfície de fonte é menor durante o máximo solar (devido à rápida diminuição da densidade de energia magnética transversal em um campo multipolar) e maior durante o mínimo solar (campo dipolar).

O estudo sugere que as estruturas de previsão de clima espacial podem ser refinadas ao adotar uma estratégia de altura de SS variável — especificamente utilizando alturas ligeiramente superiores a 2,5 $R_\odot$ próximo ao mínimo solar. No entanto, os autores observam modestamente que as premissas do modelo PFSS limitam sua precisão durante períodos de alta atividade e propõem que melhorias futuras podem exigir modelos de superfície de fonte não simétricos e não esféricos para dar conta da natureza intrinsecamente não esférica da atmosfera solar.