Nowe metody modelowania pozwolą na uzyskanie dokładnych prognoz pogody kosmicznej
Słońce nieustannie emituje w przestrzeń kosmiczną światło oraz niekończący się strumień plazmy, czyli naładowanych cząstek. Zjawisko to, nazywane wiatrem słonecznym, wpływa na pole magnetyczne naszej planety i powoduje burze kosmiczne. „Podobnie jak martwią nas ekstremalne zjawiska pogodowe na Ziemi, stale niepokoją nas także możliwe ekstremalne zjawiska pogodowe w przestrzeni kosmicznej”, wyjaśnia Minna Palmroth z Uniwersytetu Helsińskiego, koordynatorka projektu PRESTISSIMO. „W ciągu ostatnich kilku lat liczba satelitów wynoszonych na orbity okołoziemskie rosła w tempie geometrycznym. Podobnie jak operatorzy statków muszą być na bieżąco informowani o warunkach pogodowych panujących na morzu, operatorzy satelitów muszą być świadomi pogody kosmicznej, aby skutecznie chronić swoje zasoby w przestrzeni kosmicznej”. Sytuacji nie poprawia fakt, że nasze społeczeństwo staje się coraz bardziej uzależnione od technologii kosmicznych, w związku z czym jesteśmy coraz bardziej narażeni na negatywne skutki zjawisk związanych z pogodą kosmiczną, które zachodzą na wysokościach przekraczających 100 kilometrów nad poziomem morza. Burze kosmiczne mogą bowiem zagłuszać wszystkie sygnały radiowe używane przez samoloty, satelity, telefony komórkowe czy systemy radarowe.
Prognozowanie pogody kosmicznej
Pomimo nieustannie rosnącego wpływu pogody kosmicznej na nasze życia nasza wiedza na temat zdarzeń zachodzących poza granicą ziemskiej atmosfery była do tej pory mocno ograniczona. Pogoda na Ziemi, której zjawiska zachodzą w około dziesięciokilometrowej warstwie otaczającej całą planetę, jest monitorowana przez miliony stacji i urządzeń meteorologicznych. W przypadku pogody kosmicznej trudno mówić o choćby porównywalnym zakresie obserwacji pomimo znacznie większego obszaru, który należy nią objąć. W rezultacie tych problemów dotychczas analizy pogody kosmicznej opierały się na modelowaniu komputerowym. „Na początku nowego millenium, gdy byłam badaczką w stopniu doktora, byłam sfrustrowana faktem, że nawet najnowocześniejsze modele pozostawiają wiele do życzenia pod względem dokładności”, zauważa Palmroth. „Mogliśmy pokazać, w jaki sposób pole magnetyczne planety przekierowuje strumień wiatru słonecznego z dala od jej atmosfery, podobnie jak głaz przecinający strumień płynącej wody, jednak nie potrafiliśmy udzielić odpowiedzi na wiele fundamentalnych pytań”. W 2007 roku Palmroth otrzymała grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) w celu opracowania nowoczesnego i przełomowego narzędzia do modelowania. Rezultatem prac był symulator Vlasiator opracowany z myślą o nowoczesnych superkomputerach oraz ich wyjątkowo dużej mocy obliczeniowej.
Przestrzeń wielowymiarowa
Pierwsza wersja symulatora Vlasiator została ukończona w 2012 roku. Z kolei projekt PRESTISSIMO, którego realizacja rozpoczęła się w 2016 roku dzięki kolejnemu dofinansowaniu ze strony ERBN, był poświęcony rozszerzaniu możliwości tego narzędzia modelującego, aby umożliwić lepszą wizualizację dynamiki pogody kosmicznej. Dzięki tym pracom Vlasiator jest teraz w stanie nie tylko zlokalizować położenie cząstek, ale także ustalić ich prędkość i kierunek ruchu w trójwymiarowej przestrzeni. Dzięki takiej dokładności Palmroth mogła zająć się badaniami złożonych zjawisk związanych z pogodą kosmiczną, takich jak między innymi ogon magnetyczny, który powstaje w wyniku działania pola magnetycznego po ciemnej stronie Ziemi i raz dziennie odrywa się, ulatując w przestrzeń kosmiczną. Dynamika procesów odpowiedzialnych za odrywanie się ogona magnetycznego pozostawała tematem debat naukowców przez pół wieku. „Dzięki naszemu modelowi udało nam się dokładnie wyjaśnić powody występowania tego zjawiska”, dodaje Palmroth. Będziemy musieli jednak jeszcze trochę poczekać na poznanie odpowiedzi, ponieważ wyniki muszą najpierw zostać opublikowane w recenzowanym czasopiśmie naukowym.
Dokładne modelowanie satelitarne
Dokładne modelowanie pogody kosmicznej przyniesie ogromne korzyści wielu sektorom wykorzystującym w swojej działalności satelity oraz fale radiowe, nie wspominając nawet o rozwoju wiedzy dotyczącej naszego Wszechświata. Palmroth przewiduje, że wiele z obecnie modelowanych procesów może dotyczyć innych planet, a nawet gwiazd. „Symulator modeli jest obecnie gotowy do działania”, zaznacza Palmroth. „Uważam, że może przynieść prawdziwy przełom w świecie nauki”.
Słowa kluczowe
PRESTISSIMO, przestrzeń kosmiczna, satelity, radiowe, słoneczny, Vlasiator, pogoda, Słońce, Ziemia