I ett par nya tidningar, forskare målar upp en bild av hur solcykler plötsligt dör, potentiellt orsaka tsunamier av plasma att rasa genom solens inre och utlösa födelsen av nästa solfläckscykel bara några korta veckor senare.

De nya rönen ger insikt i den mystiska tidpunkten för solfläckscykler, som kännetecknas av vaxning och avtagande av solfläcksaktivitet på solytan. Medan forskare länge har vetat att dessa cykler varar ungefär 11 år, att förutsäga när en cykel slutar och nästa börjar har varit en utmaning att fastställa med någon noggrannhet. Den nya forskningen kan ändra på det.

I en av studierna, som förlitar sig på nästan 140 år av solobservationer från marken och rymden, forskarna kan identifiera "terminator"-händelser som tydligt markerar slutet på en solfläckscykel. Med en förståelse för vad man ska leta efter inför dessa terminatorer, författarna förutspår att den nuvarande solcykeln (solcykel 24) kommer att sluta under första halvåret 2020, startar tillväxten av Solar Cycle 25 mycket kort därefter.

I en andra studie, motiverad av den första, forskare utforskar mekanismen för hur en terminatorhändelse kan utlösa starten på en ny solfläckscykel med hjälp av en sofistikerad datormodell. De resulterande simuleringarna visar att "sol-tsunamis" kan ge kopplingen och förklara solens anmärkningsvärt snabba övergång från en cykel till nästa.

Båda studierna leddes av National Centre for Atmospheric Research (NCAR).

"Bevisen för terminatorer har varit gömda i observationsregistret i mer än ett sekel, men tills nu, vi visste inte vad vi letade efter, " sa NCAR-forskaren Scott McIntosh, som leder centrets High Altitude Observatory och arbetat med båda studierna. "Genom att kombinera så många olika observationer under så många år, vi kunde sätta ihop dessa händelser och ge en helt ny titt på hur solens inre driver solcykeln."

Forskningen finansierades av National Science Foundation, som är NCAR:s sponsor, NASA:s Living with a Star-program, och Indo-US Joint Networked R&D Center.

Ljusflimmer avslöjar mysterier

Solfläckscykler föds efter solminimum, en period då solens ansikte är tyst. När cykeln fortsätter, fler och fler solfläckar dyker upp, dyker först upp på cirka 35 graders latitud på båda halvkloten och marscherar långsamt mot ekvatorn under ett decennium innan de återigen tonar in i nästa solminimum. Den grova mittpunkten av denna progression är solmaximum, när solfläckar är som mest förekommande.

Att förutsäga tidpunkten för solfläckars utveckling är ett viktigt vetenskapligt mål, delvis för att solfläcksaktivitet är knuten till solstormarna som kan störa jordens övre atmosfär och påverka GPS-signaler, elnät, och andra kritiska teknologier. Men sådana förutsägelser har visat sig vara utmanande.

Till exempel, solen är för närvarande i ett solminimum. Forskare vet att den relativa freden betyder att den nuvarande solcykeln avslutas, men det har varit svårt att säga om den nya cykeln kommer att börja om några månader eller några år. McIntosh och hans kollegor tror att deras studier kan ge mer klarhet, både i tidpunkten för cykler och även i vad som driver själva cyklerna.

Forskarna började med att studera rörelsen av koronala ljuspunkter - tillfälliga flimmer av extremt ultraviolett ljus i solens atmosfär. Genom att observera ljuspunkter, som inträffar även i det relativa lugnet av ett solminimum, forskarna tror att de har fått en mer komplett bild av solcykeln än om de bara fokuserade på solfläcksaktivitet.

De ljusa punkterna uppträder först på högre breddgrader än solfläckar (cirka 55 grader) och vandrar mot ekvatorn på ungefär 3 graders latitud per år, når ekvatorn efter ett par decennier. Banorna som spåras av de ljusa punkterna överlappar med solfläcksaktivitet på mellanbreddgraderna (cirka 35 grader) tills de båda når ekvatorn och försvinner. Detta försvinnande, som forskarna kallar en terminatorhändelse, följs mycket kort efter med en stor explosion av ljuspunktsaktivitet på mitten av breddgraderna, som markerar början på nästa solfläckscykel.

I den nya studien som identifierar terminator-händelser, publiceras i tidskriften Solfysik , forskarna bekräftar ljuspunktsobservationerna med ett antal andra observationer från en mängd olika rymdfarkoster och markobservationsanläggningar som sträcker sig tillbaka över 13 solcykler.

"Vi kunde identifiera dessa terminatorer genom att titta på data från en hel rad olika mätningar av solaktivitet - magnetiska fält, spektral bestrålning, radioflöde – förutom de ljusa punkterna, " sa University of Maryland forskare Bob Leamon, en medförfattare till artikeln som också är forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center. "Resultaten visar att du verkligen behöver kunna ta ett steg tillbaka och använda all tillgänglig data för att uppskatta hur saker fungerar - inte bara en rymdfarkost eller en observation eller en modell."

Tsunamiförbindelser

McIntosh och hans team har identifierat att koronala ljuspunkter tillåter dem att bättre "se" solcykeln utvecklas. Men varför börjar solfläckscykeln stiga på mellanbreddgraderna några veckor efter terminatorn?

Tidningen om soltsunamier, ledd av NCAR-forskaren Mausumi Dikpati och publicerad i Vetenskapliga rapporter , utforskar de möjliga mekanismerna bakom observationerna. Det antyder att koronala ljuspunkter är markörer för rörelsen av solens "toroidala magnetfält, " som virar runt solen som gummiband som sträcker sig i öst-västlig riktning och vandrar långsamt mot ekvatorn under samma två decennier.

När dessa toroidformade magnetfält guppar mot ytan, de skapar solfläckar tillsammans med de ljuspunkter som de redan producerade. När de reser, de fungerar också som magnetiska dammar, fångar plasma bakom dem. När de toroidformade magnetfälten från solens norra och södra halvklot berörs i mitten, deras motsatta anklagelser orsakar deras ömsesidiga förintelse, släpper ut den uppdämda vätskan bakom dem i en tsunami. Denna vätska rusar framåt, kolliderar, och sedan krusar bakåt, färdas mot polerna med en hastighet av cirka 300 meter per sekund.

När soltsunamin når solens mellanbreddgrader, den möter de toroidformade magnetfälten i nästa cykel, som redan marscherar mot ekvatorn (denna utveckling markeras av koronala ljuspunkter) men som reser djupare in i solens inre. Tsunamin bojar dessa magnetfält, lyfta dem mot ytan och producera den anmärkningsvärda ökningen av ljusa punkter – och åtföljande solfläcksaktivitet – som markerar början på den nya solfläckscykeln.

"Vi har observerat solfläckscykeln i hundratals år, men det har varit ett mysterium vilken mekanism som kan transportera en signal från ekvatorn, där cykeln slutar, till solens mellanbreddgrader, där nästa cykel börjar, på så relativt kort tid, sa Dikpati.

Som en kropp, forskningen ger ett nytt sätt att tänka på hur solens inre fungerar som utmanar en del av det konventionella tänkandet om processer på solen. Huruvida forskningen är på rätt väg eller inte – och skulle kunna förbättra vår prediktiva förmåga – kommer snart att få sitt första test.

Det finns ett antal instrument som är idealiska för att observera det oundvikliga slutet av den nuvarande solcykeln och början av nästa, enligt författarna. Dessa inkluderar Parker Solar Probe, som lanserades i augusti förra året, rymdfarkosten STEREO-A, Solar Dynamics Observatory, Daniel K. Inouye solteleskop, och andra tillgångar.

"Under nästa år, vi borde ha en unik möjlighet att i stor utsträckning observera en terminatorhändelse när den utspelar sig och sedan se lanseringen av Sunspot Cycle 25, " sa McIntosh. "Vi tror på resultaten, speciellt om terminatorn kommer när den förutsägs, skulle kunna revolutionera vår förståelse av solens inre och processerna som skapar solfläckar och formar solfläckscykeln."