新しい太陽嵐予測技術が地球の24時間警報の壁を突破

太陽嵐は、太陽の表面からの激しい爆発として始まります。太陽嵐は、複雑な磁気雲に包まれたエネルギーの高い荷電粒子で構成されています。太陽の表面から噴出すると、最大毎秒 3,000 キロメートル (時速 670 万マイル) の速度で惑星間空間に飛び出します。移動方向によっては、これらのエネルギーの高い嵐が地球や他の惑星を通り過ぎることもあります。

太陽嵐が地球に到達すると、GPSや高周波通信、さらには地上の電力網など、さまざまな最新技術が混乱し、無線の遮断や都市全体の停電を引き起こす可能性があります。また、通信手段が混乱することで航空業界に大混乱をもたらす可能性もあります。

関連する潜在的な経済的損失に対抗するため、影響を受ける業界は少なくとも 24 時間の警告を提供できるソリューションを模索してきました。十分なリードタイムがあれば、安全に運用手順を変更できます。たとえば、旅客機のルートを変更したり、電力網の変圧器をゆっくりと「段階的に縮小」したりすることができますが、これらはすべて少なくとも 1 日前の通知が必要です。これは、現在一般的な 60 分前の警告を大幅に上回るものです。以前の研究を基に、同僚と私は、24 時間の警告目標を達成できると思われる手法を考案しました。

2014 年 1 月 7 日に発せられた、異常に大きなコロナ質量放出に関する誤報は、予報の問題の範囲を浮き彫りにしました。

2014 年 1 月 7 日に発せられた、異常に大きなコロナ質量放出に関する誤報は、予報の問題の範囲を浮き彫りにしました。

磁場が太陽嵐の激しさを左右する

嵐が私たちの日常の技術インフラに及ぼす影響の強さは、主にその磁場の向きによって決まります。太陽嵐内の磁場は、多くの場合、コルク抜きのようにねじれた螺旋構造をしています。しかし、地球上の竜巻と同様に、これらの太陽嵐は進化の過程で、つまりこの場合は太陽を離れて惑星に向かって移動する過程で、大きな変化を経験します。

NASA の磁気圏マルチスケール ミッションは磁気再結合を調査します。

特定の磁場方向では、水門が開き、太陽粒子が地球の大気圏（磁気圏）の保護バブルに侵入できるようになります。太陽物質と地球の磁気圏の間のこの相互作用は、主に互いの磁場を結合するプロセスによって駆動されます。この相互作用は磁気再結合と呼ばれます。

この磁場の再調整は、2 本の棒磁石が引き合うのと同じように機能します。各磁石の同じ極 (北と北) を近づけると、磁場線は互いに反発します。異なる極は引き合い、結合します。太陽嵐と地球の磁気圏の場合のように、極が異なっていると、それらは磁気的につながります。地球の磁気圏のこの新しい接続には、以前は太陽嵐で孤立していた閉じ込められたエネルギー粒子が含まれます。エネルギー粒子が大量に地球の上層大気に侵入すると、その反応によって、しばしばオーロラと呼ばれる視覚的な壮観な現象が生まれます。

探しているもの：事前予測

これまで、地球を襲う太陽嵐の磁場構造を予測することは困難でした。NOAA や英国気象庁など、世界中の最新の予報センターは、地球のすぐ前にある宇宙船 (たとえば、NOAA が最近打ち上げた Discvr 衛星) による太陽嵐内部の直接測定に依存しています。測定により、太陽嵐の磁場の方向がわかり、それが地球の磁気圏と再結合して私たちの技術にとって危険な状態になる可能性があるかどうかがわかります。私たちは、60 分未満の事前警告で行き詰まっています。

信頼できる予報を作成する上での困難は、太陽表面上の嵐の初期構造を確実に推定できないことと、嵐が地球に到達するまで約 2 日間かけてどのように進化するかを観察することが難しいことに起因しています。

私と私の同僚は最近、太陽嵐の初期の磁気構造を予測するための改良された方法を提案する論文を Space Weather 誌に発表しました。太陽嵐の起源をよりよく把握することは、嵐が地球上の私たちにどのような影響を与えるか、またどの程度影響を与えるかを予測するための大きな一歩となります。

私たちの方法は、太陽の表面下に隠れた太陽プラズマ (主に水素イオン) と磁場の動きが太陽嵐の初期構造にどのように影響するかについての以前の発見を正しく修正することに依存しています。これは太陽ダイナモ プロセスと呼ばれています。これは、太陽の磁場を生成すると考えられている物理的プロセスです。これは、太陽黒点や長期的な太陽変動、太陽嵐など、観測されるすべての太陽活動を推進するエンジンであり、エネルギー源です。

太陽から燃え上がる太陽嵐の拡大図。

この修正された初期嵐モデルと、嵐の初期の進化段階を取り入れた新しい方法を組み合わせることで、予測の大幅な改善につながると考えています。NASA の STEREO および SOHO 宇宙船の 3 か所に設置されたカメラを使用して太陽嵐全体を三角測量し、私たちが開発した最新のモデリング技術を使用することで、より堅牢な予測システムが可能になります。これらのカメラは宇宙の非常に異なる視点に設置されているため、それらを連携して使用することで、太陽嵐の全体的な形状と位置の推定精度を向上させることができます。これは、世界を 2 つの目で見ることによって得られる被写界深度によく似ています。

現実に即した予測

これまで、私たちはこの新しい予測技術を 8 つの異なる太陽嵐でテストしてきましたが、最初の予測は実際のデータと大幅に一致しています。現在、NASA ゴダード宇宙センターのコミュニティ協調モデリング センターでは、より多くの嵐を対象にしたさらに高度な統計テストが進行中です。

「このモデルをさまざまな歴史的出来事に対してテストします」とNASAゴダード宇宙天気研究センター所長でこの論文の共著者でもあるアンティ・プルッキネン氏は言う。「また、今後1年間に目撃するあらゆる出来事に対して、このモデルがどれだけうまく機能するかも確認します。最終的には、この予測ツールがどれだけ信頼できるかという具体的な情報を提供できるでしょう。」

私たちは、ユーザー インターフェイスの改善と現在のシステムへの実装に取り​​組んでいます。予測の信頼性と統計的有意性が証明されれば、私たちの技術はまもなく NOAA の宇宙天気予報センターの予報官が使用する通常の運用ツールになるかもしれません。

開示声明: Neel Savani は NASA および NSF から資金提供を受けています。彼は NASA Goddard、UMBC の契約者として所属しており、インペリアル カレッジ ロンドンの客員研究員でもあります。

この記事はもともと The Conversation に掲載されました。元の記事を読む。