En forskargrupp från Graz undersökte hur solstormar kan simuleras för att möjliggöra en mer exakt förutsägelse av deras effekter på jorden. Deras arbete har tillhandahållit en mer exakt modell för att simulera solstormar i realtid.

Solen är en extremt aktiv stjärna som har en inverkan på solsystemets planeter på många olika sätt. En av de mest synliga effekterna är norrsken. Dessa norrsken orsakas av solvind, d.v.s. en stadig ström av protoner och elektroner som emitteras av solen, som interagerar med jordens magnetfält och orsakar de färgglada ljuseffekterna. Under normala omständigheter, jordens magnetfält skyddar till stor del planeten från solvinden, men ibland, stora bloss utbryter på solen, slunga ut en hel del hett material i rymden på relativt kort tid. Detta material träffar jorden några dagar senare som en solstorm, som kan skada satelliter, stör GPS-navigeringen eller till och med orsaka strömavbrott. Vad, exakt, är inblandad i dessa händelser är fortfarande i stort sett okänd, vilket är anledningen till att flera rymdsonder bär instrument ombord för att registrera solstormar från yttre rymden.

En forskargrupp ledd av astrofysikern Christian Möstl från det Graz-baserade rymdforskningsinstitutet vid den österrikiska vetenskapsakademin arbetar med en serie projekt finansierade av den österrikiska vetenskapsfonden FWF för att modellera solstormar och deras effekter på jorden i realtid, vilket gör det möjligt att förutsäga sådana extrema händelser med större precision. I ett projekt som avslutades 2019, ett team ledd av Möstl utvecklade en särskilt detaljerad modell för utbredning av solstormar.

Elliptisk form

"Målet är otvetydigt - vi vill förutsäga solstormar, ", säger Christian Möstl. "Det finns flera rymdsonder som kan spåra solstormar på ett visst avstånd från jorden. På 1990-talet SOHO-sonden var den första som gjorde sådana inspelningar, idag finns det också Parker Solar Probe och ytterligare två sonder som går under namnet STEREO." Alla dessa sonder rör sig i eller nära ekliptikan – planet i vilket planeterna kretsar runt solen. Hur stormarna ser ut utanför detta plan kan inte fastställas med de aktuella sonderna. Modellerna måste arbeta utifrån antaganden som är så realistiska som möjligt. "Äldre modeller antog en prickformad eller cirkulär struktur, men det är orealistiskt, " konstaterar Möstl. "I ett tidigare projekt, vi bytte ut cirklarna med cirkelbågar. I det senaste projektet har vi nu tagit nästa steg och använt en elliptisk form."

För att ytterligare öka noggrannheten, Möstls team lade till ett antal effekter till modellen. Solvinden har vanligtvis lägre hastighet än solstormarna och saktar ner dem. "Solstormar reagerar starkt på solvind, Möstl förklarar. "Vår nya modell är den första som kombinerar STEREOs vidvinkelobservationer med drageffekten som skapas av solvinden."

Realtidssimulering

Modellen har särdraget att kunna ta fram realtidsprognoser så snart lämplig data finns tillgänglig. Sådana data skulle kunna tillhandahållas i mitten av 2020-talet av ett planerat ESA-satellituppdrag, som Tanja Amerstorfer, en medlem av projektgruppen, påpekar:"Det handlar inte om att reproducera effekterna i efterhand, utan om att ha ett verktyg som vi kan använda i realtid." Som regel, solstormar tar fyra eller fem dagar att nå jorden. "Rekordhastigheten är 14 timmar, säger Amerstorfer – tillräckligt med tid för ett system för tidig varning. För närvarande finns det, dock, ingen officiell instans för att förutsäga när solstormar kommer att träffa jorden. "Det finns en webbplats där forskargrupper som vi kan satsa på ankomsttiden, " säger Möstl. 2011 var de med och vann, men han gör det mycket tydligt att detta inte är ett seriöst varningssystem.

Följaktligen, ett fungerande system för tidig varning saknas fortfarande. "Det har varit flera solstormar i historien som skulle orsaka stor skada idag, " säger Amerstorfer. Den sista stora händelsen av detta slag var 1989 i Quebec, där det innebar strömavbrott. 1859 och 1921 slog ännu större solstormar jorden. Vid den tiden, polarljus var till och med synliga på medelbreddgrader, till exempel i Rom. Telegraflinjer skadades av den händelsen. På dagens infrastruktur, sådana händelser skulle få förödande effekter. "USA och Storbritannien har inkluderat detta scenario i sina nationella katastrofplaner, " rapporterar Amerstorfer. År 2012, en solstorm av storleksordningen 1859 missade precis jorden, tillfälligtvis.

Magnetfält som ett problem

Möstl och Amerstorfer betonar att det fortfarande återstår mycket att göra innan ett tillförlitligt varningssystem kan etableras. Felet vid uppskattning av ankomsttid är för närvarande i bästa fall runt tio timmar. Enligt Möstl, det största olösta problemet är magnetfältet i solstormar. "Vi vet att dessa fält tar formen av stora, böjda så kallade "fluxrör". Men vi kan bara anta hur exakt fältet är konfigurerat i dessa rör. Det kommer att vara viktigt att känna till det magnetiska fältets natur i en solstorm."

Enligt Möstl, detta är lika viktigt som stormens storlek:"Det magnetiska fältets riktning fungerar som en omkopplare. Om stormens magnetfält har motsatt orientering mot jordens, den kommer att överföra mycket mer energi till jordens magnetfält än om den har samma orientering." Hastighet spelar också en stor roll:en kort, snabb storm har en starkare effekt än en långsammare, längre en. Dessutom, solstormar inträffar ofta inte som en enda händelse, men kan omedelbart följa efter varandra och interagera med varandra.

Simulera hela kedjan av effekter

I efterföljande FWF-projekt, forskargruppen i Graz arbetar nu med olika aspekter av problemet för att bygga upp en hel kedja av simuleringar. "Vi vill kombinera allt i en modell, från solstormens utbrott till effekterna på jorden, norrsken och strömmar i marken. Det är målet, säger Möstl.