Solens yta sväller av energi och skjuter ofta ut massor av högmagnetiserad plasma mot jorden. Ibland är dessa utstötningar tillräckligt starka för att krascha genom magnetosfären – den naturliga magnetiska skölden som skyddar jorden – skadar satelliter eller elnät. Sådana rymdväderhändelser kan vara katastrofala.

Astronomer har studerat solens aktivitet i århundraden med större och större förståelse. I dag, datorer är centrala i strävan att förstå solens beteende och dess roll i rymdväderhändelser.

Den tvådelade PROSWIFT-lagen (Promoting Research and Observations of Space Weather to Improve the Forecasting of Tomorrow), antogs i lag i oktober 2020, formaliserar behovet av att utveckla bättre verktyg för rymdväderprognoser.

"Rymdväder kräver en realtidsprodukt så att vi kan förutsäga effekterna innan en händelse, inte bara efteråt, " förklarade Nikolai Pogorelov, framstående professor i rymdvetenskap vid University of Alabama i Huntsville, som har använt datorer för att studera rymdväder i decennier. "Detta ämne - relaterat till nationella rymdprogram, miljö, och andra frågor – eskalerades nyligen till en högre nivå."

För många, rymdvädret kan verka som ett avlägset bekymmer, men som en pandemi – något vi visste var möjligt och katastrofalt – kanske vi inte inser dess faror förrän det är för sent.

"Vi tänker inte på det, men elektrisk kommunikation, GPS, och vardagliga prylar kan påverkas av extrema rymdvädereffekter, sa Pogorelov.

Vidare, USA planerar uppdrag till andra planeter och månen. Alla kommer att kräva mycket exakta förutsägelser av rymdväder - för utformningen av rymdfarkoster och för att uppmärksamma astronauter på extrema händelser.

Med finansiering från National Science Foundation (NSF) och NASA, Pogorelov leder ett team som arbetar för att förbättra det senaste inom rymdväderprognoser.

"Denna forskning, blanda intrikat vetenskap, avancerad beräkning och spännande observationer, kommer att främja vår förståelse av hur solen driver rymdvädret och dess effekter på jorden, " sa Mangala Sharma, Programdirektör för rymdväder vid avdelningen för atmosfärs- och georymdvetenskap vid NSF. "Arbetet kommer att hjälpa forskare att förutsäga väderhändelser i rymden och bygga vår nations motståndskraft mot dessa potentiella naturrisker."

Den multiinstitutionella ansträngningen involverar Goddard och Marshall Space Flight Centers, Lawrence Berkeley National Laboratory, och två privata företag, Predictive Science Inc. och Space Systems Research Corporation.

Pogorelov använder Frontera superdator vid Texas Advanced Computing Center (TACC) – den nionde snabbaste i världen – samt högpresterande system vid NASA och San Diego Supercomputing Center, att förbättra modellerna och metoderna i hjärtat av rymdväderprognoser.

Turbulens spelar en nyckelroll i dynamiken i solvinden och koronala massutkastningar. Detta komplexa fenomen har många aspekter, inklusive rollen av chock-turbulensinteraktion och jonacceleration.

"Solplasma är inte i termisk jämvikt. Detta skapar intressanta egenskaper, sa Pogorelov.

Skriver in Astrofysisk tidskrift i april 2021, Pogorelov, tillsammans med Michael Gedalin (Ben Gurion University of the Negev, Israel), och Vadim Roytershteyn (Space Science Institute) beskrev rollen av backstreaming pickupjoner i accelerationen av laddade partiklar i universum. Backstreaming joner, antingen av interstellärt eller lokalt ursprung, plockas upp av den magnetiserade solvindsplasman och rör sig radiellt utåt från solen.

"Vissa icke-termiska partiklar kan accelereras ytterligare för att skapa solenergipartiklar som är särskilt viktiga för rymdens väderförhållanden på jorden och för människor i rymden, " han sa.

Pogorelov utförde simuleringar på Frontera för att bättre förstå detta fenomen och jämföra det med observationer från Voyager 1 och 2, rymdfarkosten som utforskade heliosfärens yttre delar och nu tillhandahåller unika data från det lokala interstellära mediet.

En av huvudfokusen för förutsägelse av rymdväder är att korrekt förutsäga ankomsten av koronala massutstötningar - frigörandet av plasma och åtföljande magnetfält från solkoronan - och bestämma riktningen för magnetfältet den bär med sig. Pogorelovs teams studie av backstreamingjoner hjälper till att göra det, liksom arbete publicerat i Astrofysisk tidskrift 2020 som använde en flödesrepbaserad magnetohydrodynamisk modell för att förutsäga ankomsttiden till jorden och magnetfältskonfigurationen för den 12 juli, 2012 coronal massutkastning. (Magnetohydrodynamik hänvisar till de magnetiska egenskaperna och beteendet hos elektriskt ledande vätskor som plasma, som spelar en nyckelroll i rymdvädrets dynamik).

"Femton år sedan, vi visste inte så mycket om det interstellära mediet eller solvindens egenskaper, " sa Pogorelov. "Vi har så många observationer tillgängliga idag, som gör att vi kan validera våra koder och göra dem mycket mer tillförlitliga."

Pogorelov är en medutredare på en inbyggd komponent av Parker Solar Probe som kallas SWEAP (Solar Wind Electrons, Protoner, och Alphas instrument). Med varje bana, sonden närmar sig solen, ge ny information om solvindens egenskaper.

"Snart kommer den att penetrera bortom den kritiska sfären där solvinden blir supersnabb magnetosonisk, och vi kommer att ha information om fysiken för solvindsacceleration och transport som vi aldrig haft tidigare, " han sa.

När sonden och andra nya observationsverktyg blir tillgängliga, Pogorelov förutser en mängd nya data som kan informera och driva utvecklingen av nya modeller som är relevanta för rymdväderprognoser. Av den anledningen, vid sidan av sin grundforskning, Pogorelov utvecklar ett mjukvaruramverk som är flexibelt, kan användas av olika forskargrupper runt om i världen, och kan integrera nya observationsdata.

"Ingen tvekan, i år framöver, kvaliteten på data från fotosfären och solkorona kommer att förbättras dramatiskt, både på grund av nya tillgängliga data och nya, mer sofistikerade sätt att arbeta med data, " sa han. "Vi försöker bygga mjukvara på ett sätt som om en användare kommer på bättre gränsvillkor från nya vetenskapsuppdrag, det blir lättare för dem att integrera den informationen."