(pannello superiore, da sinistra a destra) 12 luglio, Espulsione di massa coronale del 2012 vista in STEREO B Cor2, SOHO C2, e coronografi STEREO A Cor2, rispettivamente. (Pannello inferiore) Le stesse immagini si sovrapponevano ai risultati del modello. Credito:Talwinder Singh, Mehmet S. Yalim, Nikolai V. Pogorelov, e Nat Gopalswamy
La superficie del sole ribolle di energia e frequentemente espelle masse di plasma altamente magnetizzato verso la Terra. A volte queste espulsioni sono abbastanza forti da schiantarsi contro la magnetosfera, lo scudo magnetico naturale che protegge la Terra, danneggiando i satelliti o le reti elettriche. Tali eventi meteorologici spaziali possono essere catastrofici.
Gli astronomi hanno studiato per secoli l'attività del sole con una comprensione sempre maggiore. Oggi, i computer sono fondamentali nella ricerca per comprendere il comportamento del sole e il suo ruolo negli eventi meteorologici spaziali.
La legge bipartisan PROSWIFT (Promoting Research and Observations of Space Weather to Improve the Forecasting of Tomorrow), convertito in legge nell'ottobre 2020, sta formalizzando la necessità di sviluppare migliori strumenti di previsione del tempo spaziale.
"La meteorologia spaziale richiede un prodotto in tempo reale in modo da poter prevedere gli impatti prima di un evento, non solo dopo, " ha spiegato Nikolai Pogorelov, illustre professore di scienze spaziali presso l'Università dell'Alabama a Huntsville, che ha utilizzato i computer per studiare la meteorologia spaziale per decenni. "Questo argomento, relativo ai programmi spaziali nazionali, ambientale, e altri problemi, è stato recentemente portato a un livello superiore."
A molti, il tempo spaziale può sembrare una preoccupazione lontana, ma come una pandemia, qualcosa che sapevamo fosse possibile e catastrofico, potremmo non renderci conto dei suoi pericoli fino a quando non sarà troppo tardi.
"Non ci pensiamo, ma comunicazione elettrica, GPS, e i gadget di tutti i giorni possono essere influenzati da effetti meteorologici spaziali estremi, " ha detto Pogorelov.
Per di più, gli Stati Uniti stanno pianificando missioni su altri pianeti e sulla luna. Tutto richiederà previsioni molto accurate del tempo spaziale, per la progettazione di veicoli spaziali e per allertare gli astronauti in caso di eventi estremi.
L'espulsione di massa coronale infilata dalle linee del campo magnetico nella fetta equatoriale colorata dalla temperatura del plasma. Credito:da Space Weather aprile 2020, con il permesso dell'American Geophysical Union.
Con i finanziamenti della National Science Foundation (NSF) e della NASA, Pogorelov guida un team che lavora per migliorare lo stato dell'arte delle previsioni meteorologiche spaziali.
"Questa ricerca, mescolando scienza intricata, calcolo avanzato e osservazioni entusiasmanti, migliorerà la nostra comprensione di come il Sole guida il clima spaziale e i suoi effetti sulla Terra, " disse Mangala Sharma, Direttore del programma per Space Weather nella divisione di scienze atmosferiche e geospaziali presso NSF. "Il lavoro aiuterà gli scienziati a prevedere gli eventi meteorologici spaziali e a costruire la resilienza della nostra nazione contro questi potenziali rischi naturali".
Lo sforzo multi-istituzionale coinvolge i centri di volo spaziale Goddard e Marshall, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, e due società private, Predictive Science Inc. e Space Systems Research Corporation.
Pogorelov utilizza il supercomputer Frontera presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), il nono più veloce al mondo, nonché i sistemi ad alte prestazioni della NASA e del San Diego Supercomputing Center, migliorare i modelli e i metodi alla base delle previsioni meteorologiche spaziali.
La turbolenza gioca un ruolo chiave nella dinamica del vento solare e nelle espulsioni di massa coronale. Questo complesso fenomeno ha molte sfaccettature, compreso il ruolo dell'interazione shock-turbolenza e dell'accelerazione ionica.
"Il plasma solare non è in equilibrio termico. Questo crea caratteristiche interessanti, " ha detto Pogorelov.
Scrivendo in Giornale Astrofisico nell'aprile 2021, Pogorelov, insieme a Michael Gedalin (Università Ben Gurion del Negev, Israele), e Vadim Roytershteyn (Istituto di scienze spaziali) hanno descritto il ruolo degli ioni di raccolta a ritroso nell'accelerazione delle particelle cariche nell'universo. ioni di ritorno, di origine interstellare o locale, vengono captati dal plasma del vento solare magnetizzato e si spostano radialmente verso l'esterno dal Sole.
Configurazione della linea del campo magnetico dell'espulsione di massa coronale inserita al confine interno R =0,1 AU, mostrato con la sfera rossa. Credito:Talwinder Singh, Tae K. Kim, Nikolai V. Pogorelov , e Charles N. Arge, con il permesso dell'American Geophysical Union
"Alcune particelle non termiche possono essere ulteriormente accelerate per creare particelle energetiche solari che sono particolarmente importanti per le condizioni meteorologiche spaziali sulla Terra e per le persone nello spazio, " Egli ha detto.
Pogorelov ha eseguito simulazioni su Frontera per comprendere meglio questo fenomeno e confrontarlo con le osservazioni di Voyager 1 e 2, la navicella spaziale che ha esplorato i confini esterni dell'eliosfera e che ora fornisce dati unici dal mezzo interstellare locale.
Uno dei principali obiettivi della previsione del tempo spaziale è prevedere correttamente l'arrivo delle espulsioni di massa coronale - il rilascio di plasma e il relativo campo magnetico dalla corona solare - e determinare la direzione del campo magnetico che porta con sé. Lo studio del team di Pogorelov sugli ioni backstreaming aiuta a farlo, così come i lavori pubblicati su Giornale Astrofisico nel 2020 che ha utilizzato un modello magnetoidrodinamico basato su funi di flusso per prevedere il tempo di arrivo alla Terra e la configurazione del campo magnetico del 12 luglio, Espulsione di massa coronale 2012. (La magnetoidrodinamica si riferisce alle proprietà magnetiche e al comportamento di fluidi elettricamente conduttori come il plasma, che gioca un ruolo chiave nelle dinamiche del tempo spaziale).
"Quindici anni fa, non sapevamo molto del mezzo interstellare o delle proprietà del vento solare, " Ha detto Pogorelov. "Abbiamo così tante osservazioni disponibili oggi, che ci consentono di convalidare i nostri codici e renderli molto più affidabili."
Pogorelov è un co-investigatore su un componente di bordo della Parker Solar Probe chiamato SWEAP (Solar Wind Electrons, protoni, e strumento Alpha). Con ogni orbita, la sonda si avvicina al sole, fornendo nuove informazioni sulle caratteristiche del vento solare.
"Presto penetrerà oltre la sfera critica dove il vento solare diventa magnetosonico superveloce, e avremo informazioni sulla fisica dell'accelerazione e del trasporto del vento solare che non abbiamo mai avuto prima, " Egli ha detto.
Man mano che la sonda e altri nuovi strumenti di osservazione diventano disponibili, Pogorelov anticipa una grande quantità di nuovi dati che possono informare e guidare lo sviluppo di nuovi modelli rilevanti per le previsioni del tempo spaziale. Per tale motivo, accanto alla sua ricerca di base, Pogorelov sta sviluppando un framework software flessibile, utilizzabile da diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo, e può integrare nuovi dati osservativi.
"Senza dubbio, negli anni a venire, la qualità dei dati dalla fotosfera e dalla corona solare sarà migliorata notevolmente, sia per i nuovi dati disponibili che per i nuovi, modi più sofisticati di lavorare con i dati, " ha detto. "Stiamo cercando di creare software in modo tale che se un utente ottiene migliori condizioni al contorno da nuove missioni scientifiche, sarà più facile per loro integrare tali informazioni."
