¿Cómo se puede predecir una tormenta solar?

Es posible que esté preguntando sobre un par de cosas diferentes aquí.

1 Eventos en la superficie del sol

Los eventos en el Sol mismo pueden o no dirigirse en la dirección de la Tierra, pero este es el primer paso de un sistema de predicción. Creo que hay dos enfoques:

a) mire lo que sucedió hace aproximadamente un mes y prediga que todavía estará allí cuando esa parte del Sol gire de nuevo a la vista. Creo que esto se ha intentado durante un tiempo, ya que es conceptualmente sencillo.

b) probar y pronosticar un evento (por ejemplo, llamarada o CME) a ​​partir de la aparición de otras características medibles en el Sol. Creo que esto está bastante involucrado en términos de modelado y aún no ha alcanzado la mayoría de edad (¿alguien lo sabe mejor?)

2 Eventos cercanos a la Tierra

Una tormenta geomagnética es el término dado a fenómenos medibles en la Tierra pero causados ​​por eventos previos en el Sol. Mientras que una llamarada (por ejemplo, rayos X) puede viajar rápidamente a la Tierra, la liberación de partículas que la acompaña puede tardar del orden de tres días en transitar.

a) Por lo tanto, tener una vista clara del sol en varias bandas de ondas permite una advertencia bastante avanzada, pero no prueba que el evento visto en el sol se dirija hacia la Tierra (indica más trabajo de modelado) o se conectará magnéticamente con el campo de la Tierra cuando lo hace (se necesitan medidas locales).

b) Tener instrumentos en L1 para tomar muestras del entorno local puede decir mucho más acerca de las perturbaciones en la región local del espacio, pero desafortunadamente no es una advertencia muy avanzada (unas pocas horas).

Las erupciones solares viajan a unos 2000 km/s. La radio viaja a 300.000 km/s, por lo que una nave espacial en L1 (1,5 millones de km) como DISCOVR da unos 12 minutos de advertencia cuando la llamarada solar la alcanza.

Las naves espaciales como SOHO observan el sol, y estas observaciones son utilizadas, por ejemplo, por la NOAA para intentar predecir las erupciones:

Los métodos actuales de predicción de llamaradas son problemáticos y no hay indicios seguros de que una región activa del Sol produzca una llamarada. Sin embargo, muchas propiedades de las manchas solares y las regiones activas se correlacionan con las llamaradas. Por ejemplo, las regiones magnéticamente complejas (basadas en el campo magnético de la línea de visión) llamadas puntos delta producen las erupciones más grandes. Un esquema simple de clasificación de manchas solares debido a McIntosh, o relacionado con la complejidad fractal.[57] se utiliza comúnmente como punto de partida para la predicción de erupciones.[58] Las predicciones generalmente se expresan en términos de probabilidades de que ocurran llamaradas por encima de la clase M o X del GOES dentro de las 24 o 48 horas.

Los satélites como DSCOVR se utilizan para predecir tormentas solares.

No, ellos no son. Las naves espaciales no pueden predecir las tormentas solares. Pueden informar a un usuario que algo se acerca a la Tierra, pero no pueden predecir la aparición de fenómenos solares. Es decir, las naves espaciales son capaces de proporcionar una advertencia pero no pueden predecir nada (diré que los usuarios que interpretan datos también sufren el mismo destino con los fenómenos solares más adelante).

Recuerda que la información más rápida llega a la nave espacial cerca del primer punto de Lagrange, L1 , a la velocidad de la luz . Entonces, cosas como las erupciones solares no se pueden predecir, ya que son solo intensificaciones localizadas en la radiación electromagnética (EM) (generalmente dominada en las bandas de rayos X y UV). Es decir, cuando "vemos" la llamarada ya es demasiado tarde.

¿Porque preguntas? Bueno, la nave espacial hace una medición, luego la electrónica la procesa. Incluso si tenemos un flujo de telemetría en tiempo real, habrá varios microsegundos o milisegundos de retraso entre la observación y la transmisión. La transmisión se mueve a la misma velocidad que las emisiones de las erupciones solares, pero ahora está al menos varios kilómetros por detrás del borde de ataque de las emisiones de las erupciones solares. Luego, una estación terrestre recibe los paquetes de telemetría y los decodifica, luego los vuelve a empaquetar y los envía al usuario. El usuario recibe dichos archivos empaquetados y luego abre los archivos, calibra los datos y grafica los resultados. Todos estos pasos, una vez que la transmisión de la nave espacial llega a la estación terrestre, pueden llevar de varios segundos a varios minutos o más.

Entonces, para la radiación EM de una bengala, nunca podremos advertir al usuario.

Sin embargo, a menudo hay fenómenos como las partículas energéticas solares (SEP) que resultan de las erupciones solares (y fenómenos relacionados como las eyecciones de masa coronal (CME) ). Los SEP de electrones suelen llegar poco después de la radiación EM de la llamarada. En breve aquí depende de la energía de los electrones y el retraso en el tiempo de liberación de los electrones (es decir, los procesos que aceleran los electrones no necesariamente ocurren simultáneamente con los que emiten la radiación EM). Aun así, los electrones de mayor energía deberían llegar a la Tierra en poco más de ocho minutos, es decir, un poco más que la radiación EM. Esto es discutible ya que DSCOVR no tiene telescopios de electrones de alta energía, pero lo ignoraremos por el momento. Independientemente, podemos ver que los electrones tampoco son buenos para un sistema de alerta.

Entonces, ¿qué hay de los iones energéticos? Bueno, aquí podemos ser más adecuados, ya que estos pueden tardar mucho más en llegar a la Tierra que los electrones o la radiación EM (es decir, minutos). Las más energéticas de estas (es decir, protones de ~1 GeV que se mueven a ~88% de la velocidad de la luz) llegarán a la Tierra muy rápidamente, pero las partículas de menor energía tardarán mucho más. Entonces, si vemos radiación EM mejorada y localizada en las bandas UV y de rayos X además de electrones energéticos (es decir, varias decenas de keV a cientos de keV), podemos esperar que lleguen iones energéticos poco después y potencialmente advertir a los clientes. Sin embargo, esto también es poco probable debido a la demora entre la medición de la nave espacial y el trazado del usuario que mencioné anteriormente.

Entonces, ¿hay alguna esperanza? Tal vez la vía más beneficiosa y factible (al menos por ahora) sería usar una nave espacial con un coronógrafo como SOHO con un flujo de telemetría en tiempo real de alta tasa de transferencia y esquemas automatizados de trazado y transferencia terrestre (es decir, minimizar los pasos humanos lentos como tanto como sea posible). Sin embargo, incluso esto tiene la incertidumbre de no saber si una CME observada se dirige hacia o desde la Tierra. En la proyección 2D que generan estos generadores de imágenes, tal CME parece un anillo en expansión, de ahí el nombre de halo CME . Para eventos fuertes que están dirigidos a la Tierra, las imágenes a menudo van acompañadas de un fenómeno llamado nieve .. Se trata simplemente de partículas energéticas que golpean los CCD de la cámara y provocan la aparición de manchas y rayas en la imagen. Por lo general, eso no sucede cuando el halo CME se aleja de la Tierra (pero no siempre).

Entonces, ¿qué nos queda? Supongamos que el método del coronógrafo funciona y supongamos que sabemos que la CME está dirigida hacia la Tierra, ¿entonces qué? ¿Advertimos a nuestros clientes que apaguen la nave espacial o entren en modo seguro para proteger los sistemas internos de inmediato? Las CME más rápidas se mueven a más de 2000 km/s, lo que significa que llegan a la Tierra en poco menos de 20 horas. Pueden propagarse desde L1 a la Tierra en unos 12 minutos, por lo que no podemos esperar hasta que los monitores L1 los vean si es rápido. ¿Cómo sabemos que es un CME rápido? Realmente no lo hacemos, sin información adicional. Las proyecciones 2D en las imágenes del coronógrafo son difíciles de interpretar y pueden dar estimaciones ilimitadas sin observaciones adicionales.

Entonces, ¿podemos predecir estos fenómenos antes de tiempo? No, no a ningún nivel de certeza estadística. Lo mejor que podemos hacer es observar una mancha solar grande y fuerte y decir algo como: "Esa cosa va a entrar en erupción..." De acuerdo, podemos hacerlo un poco mejor, pero eso son otras varias páginas de matices y advertencias. Pero las manchas solares más grandes y fuertes no siempre generan las erupciones o CME más fuertes. A veces generan muchos eventos pequeños pero no grandes (al menos ninguno en los lados del Sol que podemos observar) mientras que otros generan varios eventos pequeños y medianos con algunos grandes. Realmente no es posible predecir exactamente qué hará la región solar activa con algún nivel de confianza.

Si está familiarizado con las dificultades involucradas en el pronóstico del tiempo, puede apreciar lo siguiente. Así que probablemente hayas oído hablar de tormentas eléctricas dispersas, que son la ruina de la existencia de los meteorólogos. La razón es que son bestias realmente impredecibles. Pueden surgir o ser eliminados por fluctuaciones de micro y mesoescala. Incluso con miles y miles de ubicaciones de medición simultáneas en una pequeña región de tierra, aún no podemos predecir estas cosas más que decir que las condiciones son buenas o malas para que se generen.

En el espacio tenemos menos de una docena de naves espaciales dedicadas a observar el sol y el viento solar directamente. El volumen de espacio para monitorear es órdenes y órdenes de magnitud mayor que un condado en un estado de EE. UU., correcto, pero solo tenemos tres monitores en tiempo real (es decir, SOHO, ACE y DSCOVR) y varias naves espaciales in situ más (por ejemplo, , viento , STEREO, Parker Solar Probe , Solar Orbiter , etc.).

Para poner esto en perspectiva, los pronósticos del tiempo en la década de 1950 eran más precisos que nuestros mejores esfuerzos con el clima espacial ahora por dos razones principales: necesitamos miles de puntos de observación más para incluso competir y el clima solar incluye campos magnéticos que agregan al menos tres ecuaciones más para resolver para modelar (generalmente son seis o más).

Entonces no, no podemos predecir los fenómenos del clima espacial con precisión confiable.