(Panel superior, de izquierda a derecha) 12 de julio, Eyección de masa coronal de 2012 vista en STEREO B Cor2, SOHO C2, y coronógrafos STEREO A Cor2, respectivamente. (Panel inferior) Las mismas imágenes se superponen con los resultados del modelo. Crédito:Talwinder Singh, Mehmet S. Yalim, Nikolai V. Pogorelov, y Nat Gopalswamy
La superficie del sol se agita con energía y frecuentemente expulsa masas de plasma altamente magnetizado hacia la Tierra. A veces, estas eyecciones son lo suficientemente fuertes como para atravesar la magnetosfera, el escudo magnético natural que protege la Tierra, dañando satélites o redes eléctricas. Estos fenómenos meteorológicos espaciales pueden ser catastróficos.
Los astrónomos han estudiado la actividad del sol durante siglos con una comprensión cada vez mayor. Hoy dia, las computadoras son fundamentales para la búsqueda por comprender el comportamiento del sol y su papel en los eventos climáticos espaciales.
La ley bipartidista PROSWIFT (Promoción de la investigación y las observaciones del clima espacial para mejorar la predicción del mañana), sancionada en octubre de 2020, está formalizando la necesidad de desarrollar mejores herramientas de predicción del tiempo espacial.
"El clima espacial requiere un producto en tiempo real para que podamos predecir los impactos antes de un evento, no solo después, "explicó Nikolai Pogorelov, profesor distinguido de Ciencias Espaciales en la Universidad de Alabama en Huntsville, que ha estado usando computadoras para estudiar el clima espacial durante décadas. "Este tema, relacionado con los programas espaciales nacionales, ambiental, y otros problemas, recientemente se escaló a un nivel superior ".
Demasiados, el clima espacial puede parecer una preocupación lejana, pero como una pandemia, algo que sabíamos que era posible y catastrófico, es posible que no nos demos cuenta de sus peligros hasta que sea demasiado tarde.
"No pensamos en eso, pero comunicación eléctrica, GPS, y los dispositivos cotidianos pueden verse afectados por efectos climáticos espaciales extremos, "Dijo Pogorelov.
Es más, Estados Unidos está planeando misiones a otros planetas y a la luna. Todos requerirán predicciones muy precisas del clima espacial, para el diseño de naves espaciales y para alertar a los astronautas sobre eventos extremos.
La eyección de masa coronal enhebrada por líneas de campo magnético en el corte ecuatorial coloreado por la temperatura del plasma. Crédito:De Space Weather April 2020, con permiso de la American Geophysical Union.
Con fondos de la National Science Foundation (NSF) y la NASA, Pogorelov dirige un equipo que trabaja para mejorar el estado del arte en la predicción del tiempo espacial.
"Esta investigación, mezclando ciencia intrincada, computación avanzada y observaciones emocionantes, avanzará en nuestra comprensión de cómo el Sol impulsa el clima espacial y sus efectos en la Tierra, "dijo Mangala Sharma, Director de Programa de Clima Espacial en la División de Ciencias Atmosféricas y Geoespaciales de NSF. "El trabajo ayudará a los científicos a predecir los fenómenos meteorológicos espaciales y desarrollar la resiliencia de nuestra nación contra estos posibles peligros naturales".
El esfuerzo multiinstitucional involucra a los Centros de Vuelo Espacial Goddard y Marshall, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y dos empresas privadas, Predictive Science Inc. y Space Systems Research Corporation.
Pogorelov utiliza la supercomputadora Frontera en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), el noveno más rápido del mundo, así como sistemas de alto rendimiento en la NASA y el Centro de Supercomputación de San Diego. mejorar los modelos y métodos en el corazón de la predicción del tiempo espacial.
La turbulencia juega un papel clave en la dinámica del viento solar y las eyecciones de masa coronal. Este complejo fenómeno tiene muchas facetas, incluido el papel de la interacción choque-turbulencia y la aceleración de iones.
"El plasma solar no está en equilibrio térmico. Esto crea características interesantes, "Dijo Pogorelov.
Escribiendo en Diario astrofísico en abril de 2021, Pogorelov, junto con Michael Gedalin (Universidad Ben Gurion del Negev, Israel), y Vadim Roytershteyn (Instituto de Ciencias Espaciales) describieron el papel de los iones captadores de retroceso en la aceleración de partículas cargadas en el universo. Iones de retroceso, ya sea de origen interestelar o local, son recogidos por el plasma de viento solar magnetizado y se mueven radialmente hacia afuera desde el Sol.
Configuración de la línea del campo magnético de la eyección de masa coronal insertada en el límite interno R =0.1 AU, mostrado con la esfera roja. Crédito:Talwinder Singh, Tae K. Kim, Nikolai V. Pogorelov, y Charles N. Arge, con permiso de la American Geophysical Union
"Algunas partículas no térmicas pueden acelerarse aún más para crear partículas energéticas solares que son particularmente importantes para las condiciones climáticas espaciales en la Tierra y para las personas en el espacio, " él dijo.
Pogorelov realizó simulaciones en Frontera para comprender mejor este fenómeno y compararlo con las observaciones de las Voyager 1 y 2, la nave espacial que exploró los confines de la heliosfera y ahora está proporcionando datos únicos del medio interestelar local.
Uno de los principales enfoques de la predicción del clima espacial es pronosticar correctamente la llegada de eyecciones de masa coronal (la liberación de plasma y el campo magnético que lo acompaña de la corona solar) y determinar la dirección del campo magnético que lleva consigo. El estudio del equipo de Pogorelov sobre los iones backstreaming ayuda a hacerlo, al igual que el trabajo publicado en Diario astrofísico en 2020 que utilizó un modelo magnetohidrodinámico basado en cuerdas de flujo para predecir el tiempo de llegada a la Tierra y la configuración del campo magnético del 12 de julio, 2012 eyección de masa coronal. (Magnetohidrodinámica se refiere a las propiedades magnéticas y el comportamiento de fluidos conductores de electricidad como el plasma, que juega un papel clave en la dinámica del clima espacial).
"Hace quince años, no sabíamos mucho sobre el medio interestelar o las propiedades del viento solar, ", Dijo Pogorelov." Tenemos tantas observaciones disponibles hoy, que nos permiten validar nuestros códigos y hacerlos mucho más fiables ".
Pogorelov es un co-investigador en un componente a bordo de la sonda solar Parker llamado SWEAP (Solar Wind Electrons, Protones e instrumento Alphas). Con cada órbita, la sonda se acerca al sol, aportando nueva información sobre las características del viento solar.
"Pronto penetrará más allá de la esfera crítica donde el viento solar se vuelve magnetosónico superrápido, y tendremos información sobre la física de la aceleración y el transporte del viento solar que nunca antes habíamos tenido, " él dijo.
A medida que la sonda y otras nuevas herramientas de observación estén disponibles, Pogorelov anticipa una gran cantidad de datos nuevos que pueden informar e impulsar el desarrollo de nuevos modelos relevantes para la predicción del tiempo espacial. Por esta razón, junto con su investigación básica, Pogorelov está desarrollando un marco de software que es flexible, utilizable por diferentes grupos de investigación en todo el mundo, y puede integrar nuevos datos de observación.
"Sin duda, en los próximos años, la calidad de los datos de la fotosfera y la corona solar mejorará drásticamente, tanto por los nuevos datos disponibles como por los nuevos, formas más sofisticadas de trabajar con datos, ", dijo." Estamos tratando de construir software de una manera que si un usuario encuentra mejores condiciones de frontera a partir de nuevas misiones científicas, les resultará más fácil integrar esa información ".
