Ett team av forskare har, för första gången, använde en singel, sammanhållen datormodell för att simulera hela livscykeln för en solfloss:från uppbyggnaden av energi tusentals kilometer under solytan, till uppkomsten av trassliga magnetfältlinjer, till det explosiva frigörandet av energi i en lysande blixt.

bedriften, detaljerat i journalen Natur astronomi , sätter scenen för framtida solmodeller för att realistiskt simulera solens eget väder när den utspelar sig i realtid, inklusive uppkomsten av böljande solfläckar, som ibland producerar bloss och koronala massutkastningar. Dessa utbrott kan ha omfattande effekter på jorden, från att störa elnät och kommunikationsnät, att skada satelliter och utsätta astronauter i fara.

Forskare vid National Center for Atmospheric Research (NCAR) och Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory ledde forskningen. Den heltäckande nya simuleringen fångar bildandet av en solfloss på ett mer realistiskt sätt än tidigare försök, och det inkluderar det spektrum av ljusemissioner som är kända för att vara associerade med flammor.

"Detta arbete låter oss ge en förklaring till varför bloss ser ut som de gör, inte bara vid en enda våglängd, men i synliga våglängder, i ultravioletta och extrema ultravioletta våglängder, och vid röntgen, sa Mark Cheung, en stabsfysiker vid Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory och en gästforskare vid Stanford University. "Vi förklarar de många färgerna på solflammor."

Forskningen finansierades till stor del av NASA och av National Science Foundation, som är NCAR:s sponsor.

Överbrygga vågen

För den nya studien, forskarna var tvungna att bygga en solmodell som kunde sträcka sig över flera områden av solen, fånga det komplexa och unika fysiska beteendet hos var och en.

Den resulterande modellen börjar i den övre delen av konvektionszonen - cirka 10, 000 kilometer under solens yta – stiger genom solytan, och trycker ut 40, 000 kilometer in i solatmosfären, känd som corona. Skillnaderna i gasdensitet, tryck, och andra egenskaper hos solen som representeras över modellen är enorma.

För att framgångsrikt simulera en solflamma från uppkomst till energiutsläpp, forskarna behövde lägga till detaljerade ekvationer till modellen som skulle kunna göra det möjligt för varje region att bidra till solutbrottsutvecklingen på ett realistiskt sätt. Men de var också tvungna att se till att inte göra modellen så komplicerad att det inte längre skulle vara praktiskt att köra med tillgängliga superdatorresurser.

"Vi har en modell som täcker ett stort antal fysiska tillstånd, vilket gör det väldigt utmanande, ", sa NCAR-forskaren Matthias Rempel. "Den här typen av realism kräver innovativa lösningar."

För att möta utmaningarna, Rempel lånade en matematisk teknik som historiskt använts av forskare som studerar magnetosfärerna på jorden och andra planeter. Tekniken, vilket gjorde det möjligt för forskarna att komprimera skillnaden i tidsskalor mellan lagren utan att förlora noggrannhet, gjorde det möjligt för forskargruppen att skapa en modell som var både realistisk och beräkningseffektiv.

Nästa steg var att skapa ett scenario på den simulerade solen. I tidigare forskning med mindre komplexa modeller, forskare har behövt initiera modellerna nästan i det ögonblick då blossen skulle bryta ut för att överhuvudtaget kunna få en bloss att bildas.

I den nya studien, teamet ville se om deras modell kunde generera en flare på egen hand. De började med att sätta upp ett scenario med förhållanden inspirerade av en särskilt aktiv solfläck som observerades i mars 2014. Den faktiska solfläcken gav upphov till dussintals bloss under tiden den var synlig, inklusive en mycket kraftfull X-klass och tre måttligt kraftfulla M-klassblossar. Forskarna försökte inte efterlikna 2014 års solfläck exakt; istället uppskattade de ungefär samma solenergiingredienser som fanns vid den tiden – och som var så effektiva för att producera bloss.

Sedan släppte de modellen, tittar för att se om det skulle generera en flare på egen hand.

"Vår modell kunde fånga hela processen, från uppbyggnaden av energi till att uppträda vid ytan till att stiga upp i korona, aktiverar corona, och sedan komma till den punkt då energin frigörs i en solflamma, " sa Rempel.

Nu när modellen har visat att den är kapabel att realistiskt simulera en bloss hela livscykel, forskarna kommer att testa den med observationer av solen i verkligheten och se om den framgångsrikt kan simulera vad som faktiskt inträffar på solytan.

"Detta var en fristående simulering som var inspirerad av observerade data, ", sa Rempel. "Nästa steg är att direkt mata in observerade data i modellen och låta den driva vad som händer. Det är ett viktigt sätt att validera modellen, och modellen kan också hjälpa oss att bättre förstå vad det är vi observerar på solen."