Ända sedan människor först kunde observera solfläckar för cirka 400 år sedan, har vi använt dem för att försöka definiera solcykeln. Ungefär vart elfte år ebbar ut och flyter solaktiviteten som solfläckar och solflammor, vilket orsakar förändringar i vädermönster på jorden och ibland hotar telekommunikationer. Att förutsäga dessa förändringar på ett tillförlitligt sätt kan hjälpa alla från bönder till militären.

Traditionellt har forskare använt konceptet med ett "solminimum", när solaktiviteten minskar, för att markera början på varje cykel. Men ramverket för "solar minimum" är något godtyckligt och oprecist, förklarar Robert Leamon, forskare vid Partnership for Heliophysics and Space Environment Research (PHaSER), ett UMBC-partnerskap med NASA.

Leamon har lett ny forskning som visar att en "solklocka" baserad på solens magnetfält, snarare än närvaron eller frånvaron av solfläckar, kan exakt beskriva och förutsäga många viktiga förändringar under hela solcykeln. Det nya ramverket erbjuder en betydande förbättring jämfört med den traditionella solfläcksmetoden, eftersom den kan förutsäga ökningar av farliga solfläckar eller förändrade vädertrender år i förväg.

Närmare bestämt den nya forskningen, publicerad i Frontiers in Astronomy and Space Sciences , visar att solcykeln fungerar som en distinkt sekvens av händelser. Anmärkningsvärda och ibland plötsliga förändringar inträffar vid varje femtedel av en cykel. Det är sant oavsett den exakta längden på en given cykel, som kan variera med flera månader till ett år. Som en nick till musikentusiaster kallar Leamon och kollegor det en "cirkel av femtedelar."

Hitta landmärkena

Den nya artikeln av Leamon och kollegor Scott McIntosh, vid National Center for Atmospheric Research (NCAR), och Alan Title, vid Lockheed Martin Advanced Technology Center, bygger på arbete av Leamon, McIntosh och Daniel Marsh, också på NCAR, publicerad 2020. Den uppsatsen visade förekomsten av ett solcykelfenomen som forskargruppen kallade "terminatorn".

Solens magnetfält ändrar riktning varje solcykel, men det finns överlappning mellan på varandra följande cykler. Solens magnetfält kallas ibland för polarfältet eftersom det antingen pekar mot en av solens poler eller den andra. En terminator markerar när den föregående cykelns polära fält helt har försvunnit från solens yta och följs snabbt av en dramatisk ökning av solaktiviteten.

Det nya dokumentet pekar på ytterligare landmärken längs resan genom en hel solcykel från terminator till terminator. Dessa landmärken är tydligare och mer konsekventa än att använda solfläckar som vägledning för cykellängden. Till exempel, "Det maximala antalet solfläckar stämmer inte riktigt överens med när det polära fältet vänder, men det polära fältet vänder på exakt en femtedel av cykeln från terminator till terminator", säger Leamon.

Vid två femtedelar av en cykel återbildas mörka områden som kallas "polära koronala hål" vid solens poler. Vid tre femtedelar av en cykel inträffar den sista X-flaren, en klass av mycket stora och potentiellt farliga solflammor. Vid fyra femtedelar är solfläckar på ett minimum - men detta landmärke är mindre konsekvent. Och sedan passerar solen genom en annan terminator, varefter solaktiviteten snabbt tar fart igen. Andra fenomen, som UV-emissioner, hamnar också bra på femman.

Symtom och orsaker

Teamet valde ut mönster i data som samlas in dagligen av två markbaserade observatorier. Dominion Radio Astrophysical Observatory i Penticton, Kanada har mätt solenergiflödet, som fungerar som en användbar proxy för solaktivitet, dagligen sedan 1947. Wilcox Solar Observatory vid Stanford University har samlat in dagliga mätningar av magnetfält på solens yta sedan 1975.

När teamet märkte förändringarna som inträffar vid exakt en femtedel av en cykel, frågade de:"Hur många olika solenergisaker kan vi titta på? Och då insåg vi att de alla överlappar på samma uppsättning femtedelar," säger Leamon. Olika parametrar skiftar vid olika punkter i cykeln, men "allt är knutet till dessa fem landmärken."

Denna nya teori om en solklocka ändrar fokus från solfläckar till förändringar i magnetfält. "Det är nästan som symptom och orsaker," säger Leamon. Medan solfläckar är ett viktigt symptom, är magnetfältet den underliggande orsaken som driver solcykeln.

De längsta trådarna

Denna förändring i ramverk förbättrar forskarnas förmåga att förutsäga händelser i solcykeln mer exakt och längre i förväg, vilket ger människor som satellitoperatörer tid att göra förberedelser efter behov baserat på förutspådd solaktivitet. När observatorier väl upptäcker en första polär fältomkastning, ställs den exakta längden av den första femtedelen av cykeln in. Det betyder att tidpunkten för de andra femtelarna (och deras associerade händelser) är en enkel fråga om multiplikation.

Det nya ramverket sätter också snävare gränser för perioden inom cykeln då allvarliga flare förväntas, vilket är användbar information för människor på jorden. Snarare än en gradvis förskjutning från minimal till maximal aktivitet, verkar perioden från terminator till cirka tre femtedelar av en cykel vara toppperioden för bloss, med ett snabbt avhopp efter den punkten till nästa terminator. Den nuvarande cykeln började efter en terminering i december 2021, och det nya ramverket förutspår att de sista stora blossarna skulle inträffa i mitten av 2027.

Leamon pekar på ett citat av fysikern Richard Feynman för att förklara värdet av en teori som denna, som står för många variabler inom ett system:"Naturen använder bara de längsta trådarna för att väva sina mönster, så att varje liten bit av hennes tyg avslöjar organisationen av hela gobelängen," sa Feynman. Den nya teorin från Leamon och kollegor är ett exempel på en av dessa långa trådar – som exakt förutsäger många aspekter av solcykeln med en enda, enkel parameter och gör det lättare för människor att vara redo för förändringar som drivs av solen. + Utforska vidare

Ny solfläckscykel kan vara en av de starkaste någonsin, förutspår ny forskning