På en ukarakteristisk tropisk formiddag i San Francisco Bay-området skinner jorden med bølger af varme, og det er umuligt at se til himlen uden at skvise. Men den rigtige varme er inde i Lockheed Martin Solar og Astrophysics Laboratory i Palo Alto. Der, i et mørkt rum stablet med computerprocessorer, fylder en high-definition-udsigt over solen ni sammenhængende tv-skærme for at skabe en syv-fodbredd solekstravaganza i teaterkvalitet.
Fra denne historie
[×] LUKKET
VIDEO: Brug af solen til at lave musik
[×] LUKKET
Nye teleskoper har givet forskere en hidtil uset udsigt over Solen og hjulpet dem med at forstå solaktiviteten bedre
Video: Et fantastisk kig på solbrændere
Relateret indhold
- Solens hvirvlende grønne gasser af vidunder
- Et spansk gennembrud inden for udnyttelse af solenergi
- Fantastiske fotos af vores solsystem
Solfysiker Karel Schrijver skriver kommandoer til at starte showet: en accelereret film med en række eksplosioner, der viklede solen den 1. august 2010. ”Dette er en af de mest fantastiske dage, jeg nogensinde har set på solen, ” siger Schrijver . Han har set på vores nærmeste stjerne i to årtier.
”I begyndelsen beslutter denne lille, lille region, at den ikke er lykkelig, ” siger han og lader som en astronomisk psykiater, der klarer solneuroser. Han peger på en bluss, en beskeden spasme af hvidligt lys. ”Derefter begynder denne nærliggende region at blive ulykkelig, og den blusser. Derefter bryder et enormt glødetråd ud og skærer gennem det [magnetiske] felt som en kniv. Vi ser denne lysbue med glødende materiale, og den vokser med tiden. Et lille glødetråd under buen siger: 'Jeg kan ikke lide den ene bit', og det bliver ustabilt og går af. ”
Hvem vidste, at Solen har så meget personlighed?
Inden for få timer - skyndte sig op til minutter i den digitaliserede afspilning - bliver meget af dets magnetfelt ”forstyrret, ” siger Schrijver og omorganiserer sig selv, løsner fakler og enorme bælter af magnetiseret gas. Kædereaktionen er mere levende end nogen Hollywood-skildring. "Når vi viser disse film for vores kolleger for første gang, " siger Schrijver, "er det professionelle udtryk generelt 'Whoa!'"
Strømmen af billeder kommer fra den mest avancerede satellit nogensinde til at studere Solen: NASAs Solar Dynamics Observatory, eller SDO. SDO blev lanceret i februar 2010 og stirrer på stjernen fra et punkt 22.300 miles over Jorden. Satellitens bane holder den i en stabil position i betragtning af to radioantenner i New Mexico. Hvert sekund, 24 timer i døgnet, stråler SDO 18 megabyte data til jorden. Billederne i høj opløsning og kort over solens torturerede magnetfelter viser tilstedeværelsen af solflekker og oprindelsen af deres udbrud.
Denne solfilm skulle give ny indsigt i rumvejret - virkningerne der føles på Jorden, når solens udsprøjtninger leder os. Undertiden er vejret mildt. Den 1. august 2010 udbrud udbrud farverige skærme af aurora borealis over De Forenede Stater to dage senere, da en hurtigt bevægende storm af ladet gas forstyrrede Jordens magnetfelt. Men når Solen virkelig bliver vred, kan nordlyset signalere potentielt deaktiverende trusler.
Den mest intense solstorm, der nogensinde er registreret, ramte sommeren 1859. Den britiske astronom Richard Carrington observerede et gigantisk netværk af solflekker den 1. september efterfulgt af den mest intense blænding nogensinde rapporteret. Inden for 18 timer var Jorden under magnetisk belejring. Blændende nordlys glød så langt syd som Det Caribiske Hav og Mexico, og gnistrende ledninger lukkede telegrafnetværk - dagens internet - i hele Europa og Nordamerika.
En magnetisk storm i 1921 udslettede signalanlægget for New Yorks jernbanelinjer. En solstorm i marts 1989 krøllede elnettet i Quebec og fratog millioner af kunder strøm i ni timer. Og i 2003 forårsagede en række storme mørklægninger i Sverige, ødelagde en japansk videnskabssatellit på 640 millioner dollars og tvang flyselskaberne til at aflede flyvninger væk fra Nordpolen til en pris af $ 10.000 til $ 100.000 hver.
Vores moderne, globalt forbundne elektroniske samfund er nu så afhængig af fjerntliggende transformatorer og svermer af satellitter, at en større eksplosion fra Solen kunne bringe meget af det ned. Ifølge en rapport fra 2008 fra National Research Council kunne en solstorm på størrelse med 1859- eller 1921-begivenhederne zapere satellitter, deaktivere kommunikationsnetværk og GPS-systemer og stege strømnet til en pris af $ 1 billion eller mere.
”Rummet omkring os er ikke så godartet, venligt og imødekommende for vores teknologi, som vi havde antaget, ” siger Schrijver.
Ved at dokumentere oprindelsen af disse storme i en hidtil uset detalje, giver SDO forskerne deres bedste chance endnu for at forstå Solens destruktive evner. Målet er at forudsige rumvejr - at læse solens stemninger langt nok på forhånd til at vi kan tage forholdsregler mod dem. Succes vil være afhængig af at kigge gennem solens overflade for at se magnetiske udbrud, når de udvikler sig, på stort set den samme måde som meteorologer bruger sky-penetrerende radar for at se tegn på en tornado, før det brøler til jorden.
Men indtil videre er Solens aktivitet så kompliceret, at dens kramper forvirrer markens øverste sind. Da SDO-videnskabsmand Philip Scherrer fra Stanford University bliver bedt om at forklare den fysik, der driver solens vold, hakker han ikke ord: ”Vi ved grundlæggende ikke.”
Vores overordnede stjerne er kun otte minutter væk, når lyset flyver. Solen får mere teleskoptid end nogen anden genstand i rummet, og forskningen er en global virksomhed. Den mest succesrige satellit før SDO, en fælles NASA-European Space Agency-mission kaldet Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), sender stadig billeder af Solen tilbage 15 år efter lanceringen. En mindre opdagelsesrejsende nu i rummet, kaldet Hinode, er et samarbejde mellem Japan og NASA, der studerer, hvordan Solens magnetiske felter lagrer og frigiver energi. Og NASA's Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) -mission består af to næsten identiske satellitter, der rejser i Jordens bane, en foran vores planet og en bag. Satellittene tillader forskere at oprette 3D-billeder af soludsprøjtninger. Nu på modsatte sider af solen, de sidste februar, de tog det første foto af solens hele overflade. På jorden undersøger teleskoper på De Kanariske Øer, Californien og andre steder Solen med teknikker, der fjerner sløringseffekten af Jordens atmosfære.
Solen er en roterende kugle af gas, der er stor nok til at indeholde 1, 3 millioner jordarter. Dens kerne er en ovn med nuklear fusion, der omdanner 655 millioner tons brint til helium hvert sekund ved en temperatur på 28 millioner grader Fahrenheit. Denne fusion skaber energi, der i sidste ende når os som sollys. Men solens kerne og indre lag er så tæt, at det kan tage en million år for en foton af energien at kæmpe for kun to tredjedele af vejen ud. Der når det, hvad solfysikere kalder ”konvektionszonen.” Over det er et tyndt lag, vi opfatter som solens overflade. Solgasser fortsætter langt ud i rummet ud over denne synlige kant i en flammende varm atmosfære kaldet korona. En svag solvind blæser gennem hele solsystemet.
Ting bliver specielt interessant i konvektionszonen. Kæmpe gyrer med ladet gas stiger og falder, som i en gryde med kogende vand, kun mere turbulente. Solen roterer med forskellige hastigheder - ca. en gang hver 24. dag ved sin ækvator og langsommere, ca. hver 30. dag, ved sine poler. Denne forskel i hastighed klipper gassen og sammenfiltrer dens elektriske strømme, hvilket brænder solens magnetiske felter. Det overordnede magnetfelt har en retning, ligesom Jordens nord- og sydpoler tiltrækker vores kompasser. Solens felt er imidlertid fuld af kurver og knæ, og hvert 11. år vender det: nordpolen bliver den sydlige, derefter tilbage til nord igen 11 år senere. Det er en dynamisk cyklus, som videnskabsmænd ikke fuldt ud forstår, og det er kernen i de fleste bestræbelser på at forstå, hvordan Solen opfører sig.
Under disse flips bliver solens dybe magnetfelt virkelig knurret. Den stiger op og stikker gennem den synlige overflade for at skabe solflekker. Disse mørke plaster af gas er køligere end resten af Solens overflade, fordi de knudede magnetfelter fungerer som barrierer og forhindrer, at nogle af Solens energi slipper ud i rummet. Felterne i solflekker har potentialet til at bryde ud. Over solflekker løber Solens magnetiske felt rundt og hvirvler gennem koronaen. Disse vridninger antænder eksplosionerne på Lockheeds videoskærme i Palo Alto.
Schrijver og hans chef, Alan Title, har arbejdet sammen i 16 år, længe nok til at fuldføre hinandens sætninger. Deres gruppes seneste oprettelse, Atmospheric Imaging Assembly - et sæt af fire teleskoper, der tager billeder af millioner grader gasser i koronaen - er et af tre instrumenter, der er anvendt på SDO. NASA sammenligner det med et IMAX-kamera til solen.
”Denne gasboble, der blæser ud, er 30 gange Jordens diameter, bevæger sig på en million miles i timen, ” siger Titel og peger på skærmen på en ekspanderende rød hvirvel fanget af SDO kort efter satellitens lancering. Og han bemærker næsten tilfældigt, at dette var et forholdsvis mindre udbrud.
Magnetfelter holder solens gasser på linje, når de buer ud i rummet, siger Titel, ligesom en stangmagnet sætter jernfilinger i pæne mønstre. Jo mere sammenfiltrede felterne bliver, desto mindre stabile er de. Soludbrud sker, når magnetfelterne klikker på et nyt mønster - en begivenhed, som fysikere kalder "genforbindelse."
Et typisk soludbrud, der udvises mod Jorden, kaldet en udstødning af koronalmasse, kan indeholde ti milliarder ton ladet gasløb over rummet. ”Du er nødt til at forestille dig et sæt kræfter, der er tilstrækkelige til at udsætte alt vandet i Mississippi-floden til en hastighed 3000 gange hurtigere end et jetfly flyver på 15 til 30 sekunder, " siger han og pauser et øjeblik for at lade det synke ind . ”Der er ingen modstykke til dette på Jorden. Vi har problemer med at forklare disse processer. ”
Tidligere solopgaver tog fuzzy øjebliksbilleder af store udsprøjtninger af koronal masse. Andre teleskoper zoomet ind for at få fine detaljer, men kunne kun fokusere på en lille del af solen. SDOs høje opløsning af en hel halvkugle af solen og dens hurtige brandoptagelser afslører, hvordan overflade og atmosfære ændres minut til minut. Nogle funktioner er så uventede, at forskerne endnu ikke har navngivet dem, såsom et korkeskruelignende gasmønster, som Schrij-ver sporer på skærmen med sin finger. Han tror, det er et spiralformet magnetfelt, der ses langs dens kant, snøres gennem gas, når det stiger ud i rummet. ”Det er som at [gasen] løftes i slynger, ” siger han.
Inden missionen var et år gammel, havde forskerne analyseret hundreder af begivenheder, der dækkede mange tusinder af timer. (De 1. august-udbrud, fandt de, var forbundet med magnetiske "fejlzoner", der spænder over hundreder af tusinder af miles.) Holdet arbejder under pres fra NASA og andre steder for bedre prognoser for rumvejr.
”God Herre, dette er kompliceret, ” siger Schrijver og spiller en film af solens humør på en anden dag. “Der er ingen rolig dag på solen.”
Et par miles væk, på Stanford's campus, kæmper solfysikeren Philip Scherrer med det samme spørgsmål, der animerer Lockheed Martin-gruppen: Vil vi være i stand til at forudsige, hvornår Solen katastrofalt kaster ladet gas mod Jorden? ”Vi vil gerne give et godt skøn om en given aktiv region vil producere fakkel eller masseudsprøjtning, eller om det bare vil forsvinde, ” siger han.
Scherrer, der bruger en satellit downlink til tv-modtagelse, forklarer virkningen af rumvejr ved at minde om en begivenhed i 1997. ”En lørdag vågnede vi op, og alt, hvad vi så, var fuzz, ” siger han. En koronal masseudstødning havde fejet forbi Jorden natten før. Den magnetiske sky tog tilsyneladende Telstar 401-satellitten, der blev brugt af UPN og andre netværk.
”Det tog jeg personligt, fordi det var 'Star Trek' [jeg kunne ikke se], ” siger Scherrer med et skævt smil. ”Hvis det var sket om Super Bowl om morgenen, ville alle have vidst om det.”
Scherrer's team og Lockheed Martin-ingeniører udviklede SDOs Helioseismiske og Magnetiske Imager, et instrument, der sondrer ind i Solens skurrende indre og overvåger retningen og styrken af magnetfeltet og skaber sort-hvide kort kaldet magnetogrammer. Når solflekker kommer med, viser kortene magnetisk uro ved baserne af buede strukturer i solens atmosfære.
Instrumentet måler også vibrationer på solens overflade. På jorden måler seismologer overfladevibrationer for at afsløre jordskælvefejl og geologiske strukturer langt under jorden. På solen kommer vibrationer ikke fra solskælv, men fra pulsationer forårsaget af gasser, der løber op og ned på overfladen med en hastighed på omkring 700 miles i timen. Når hver klat af gas styrter ned, fremdrager den lydbølger i solen, og de vrimler hele stjernen. Scherrer's enhed måler disse vibrationer over Solens ansigt.
Nøglen, siger Scherrer, en førende ekspert inden for helioseismologi, som denne videnskab er kendt, er, at lydbølgerne bevæger sig hurtigere gennem varmere gas, såsom turbulente knuder langt under overfladen, der ofte forudser solflekker. Lydbølgerne accelererer også, når de bevæger sig gennem gasser, der strømmer i samme retning. Selvom disse målinger skaber matematiske mareridt, kan computere skabe billeder af, hvad der sker under solens overflade.
På denne måde kan Scherrer's team registrere solflekker på ydersiden af solens dage, før de roterer i syne og inden de er i stand til at sprøjte skadelige partikler og gas mod Jorden. Forskerne håber også at få øje på aktive regioner, der bobler ind fra solen en dag eller mere, før de er synlige som solflekker.
Disse teknikker giver et eksempel på kommende attraktioner. Udfordringen, siger Scherrer, er at finde de rigtige tegn på magnetisk sammenfiltring, der - ligesom radarbillederne af en nyligt dannet tornado - giver pålidelige advarsler. Nogle forskere har indtastet figurerne på magnetiske felter og bemærket, at en bestemt S-formet krumning ofte indvarsler et udbrud. Andre ser på, om magnetisk styrke over midten af en solflekker ændrer sig hurtigt - en indikation af, at den muligvis er klar til at klikke fast.
Scherrer henter nogle billeder på sin skærm og undskylder at de ikke konkurrerer med Lockheed-filmene. De helioseismiske billeder minder mig om den orange overflade af en appelsin med knuder af gas, der bølger opad over hele Solens sfære. Den magnetiske grafik kaster solen i prikkede grå toner, men når Scherrer zoomer ind vokser sort og hvid flekker til uregelmæssige pletter. Dette er bånd af magnetisk kraft, der stikker ind eller ud af solens konstant bevægelige overflade.
Når magnetfeltlinier forbindes igen højt i solens atmosfære, siger Scherrer, ”det er meget som en kortslutning, når du berører to ledninger med en strøm. Energien, der flyder i strømmen, omdannes til varme eller lys. ”De pludselige gnister skyder ned langs magnetfeltet og smækker ned i solens overflade og udleder en kraftig bluss.
Den stærkeste af Solens bueformede magnetfelter kan fælde milliarder af tons gas under dem og sætte scenen for koronale masseudsprøjtninger. Når en magnetisk tilslutning pludselig frigiver al den spænding, løfter gassen ud i rummet med solvinden. ”Det er som at skære snoren på en heliumballon, ” siger Scherrer.
Ved at studere mange sådanne begivenheder, tror Scherrer, at han og hans kolleger kan udtænke et system, der rangerer oddsen for Solen, der sigter mod et udbrud på Jorden - en skala, der muligvis løber fra "helt klart" til "at tage forholdsregler." Sådanne retningslinjer ville ikke være forudsigelser, indrømmer han, og han erkender også, at solprognoser aldrig må konkurrere med jordiske vejrrapporter. Forudsigelse af sol kræver, at teamet sammenligner den seneste aktivitet på solen med computermodeller. Men modellerne er så involverede, at når computeren spytter et svar, kan solen allerede have dukket op eller forblevet stille.
En af de største soloverraskelser i de sidste 50 år var ikke noget, Solen gjorde, men noget den ikke gjorde: Den producerede ikke mange solflekker i det meste af 2008 og 2009. ”Vi ville gå 60, 70, 80, 90 dage uden et eneste solfleks, ”siger NASA-videnskabsredaktør Tony Phillips, der uafhængigt udgiver SpaceWeather.com. ”I solfysikernes levetid havde ingen set dette. Det overraskede hele samfundet. ”
Ingen ved, hvad der forårsagede den uhyggelige stille. Det dybe magnetfelt sno sig tilsyneladende ikke op på sin sædvanlige måde, måske fordi elektriske strømme inde i solen blev svagere. Nogle forskere spekulerede i, at Solen slukede, i det mindste midlertidigt. Et panel af solfysikere studerede disse ændringer og projicerede, at Solens aktivitet muligvis kunne nå op på halvdelen af dens nylige niveauer i sin næste 11-årige solflekkscyklus. Dette kan have mindre konsekvenser for klimaændringerne. I det forgangne århundrede opvejer menneskelig aktivitet langt solens modulationer med hensyn til påvirkning af Jordens klima. Hvis mønsteret med reduceret solaktivitet fortsætter gennem en anden af Solens cyklusser og videre, kan det subtile fald i energi fra Solen lidt opveje den globale opvarmning.
Solen forventes at nå toppen af sin nuværende solflekcyklus i slutningen af 2013 eller begyndelsen af 2014. Men der er ingen grund til at tro, at en mere beroliget sol vil forblive på den måde. ”Den største partikelbegivenhed og den geomagnetiske storm i registreret historie” - begivenheden i 1859 observeret af Carrington - ”fandt sted i en solcyklus på omtrent samme størrelse som den, vi projicerer i de næste par år, ” siger Phillips. Derudover viste en nylig undersøgelse af Suli Ma og kolleger ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, at en tredjedel af solstormene, der rammer Jorden, opstår uden soludbrændinger eller andre advarselsskilte. Disse snigeanfald antyder, at solen kan være farlig, selv når den ser stille ud.
Der er ingen måde at beskytte jorden mod solens udbrud; kraftige storme vil altid forstyrre vores planetes magnetfelt. Men forhåndsadvarsel kan begrænse deres indvirkning. Forholdsregler inkluderer reduktion af kraftbelastninger for at forhindre overspændinger på elektriske ledninger, sætte satellitter i en elektronisk sikker tilstand og - i NASA's tilfælde - at bede astronauter om at tage husly inden for de mest befæstede dele af deres rumfartøj.
Selv med disse foranstaltninger ville en begivenhed, der var så alvorlig som solstormene i 1859 eller 1921, ødelægge, siger sol- og rumfysiker Daniel Baker fra University of Colorado, hovedforfatter af rapporten fra National Research Council i 2008. Folk bliver mere afhængige af kommunikationsteknologi med året, siger Baker, hvilket gør os stadig mere sårbare over for elektromagnetisk kaos. ”Disse [alvorlige] begivenheder forekommer sandsynligvis hvert årti, ” siger han. ”Det er bare et spørgsmål om tid, før en af dem rammer os.”
Baker og hans kolleger har opfordret NASA og National Oceanic and Atmospheric Administration, der driver Space Weather Prediction Center i Boulder, Colorado, til at udvikle et system med advarselssatellitter om rumvejr. I dag er det eneste instrument, der kan bestemme retningen af magnetfeltet inden for en nærliggende koronal masseudsprøjtning - en kritisk faktor til bestemmelse af, hvor voldsomt det vil interagere med Jorden - på en 13 år gammel satellit, der ikke har nogen nærtidsudskiftning.
"Solen er en meget variabel stjerne, " advarer Baker. ”Vi lever i dens ydre atmosfære, og den cyberelektriske kokon, der omgiver Jorden, er underlagt dens indfald. Vi skulle hellere komme til orde med det. ”
Robert Irion leder naturvidenskabsprogrammet ved University of California i Santa Cruz.
Et ekstremt ultraviolet billede af solen. De blå regioner er de hotteste ved 1, 8 millioner grader Fahrenheit. (NASA / GSFC / AIA) 
Når en koronal masseafkast når jorden, strømmer solpartikler langs magnetfeltlinjer, giver gasser i atmosfæren og lyser som nordlys (i Manitoba). (Federico Buchbinder) 
Solar Dynamics Observatory, der her vises i en kunstners opfattelse, blev lanceret i 2010 og giver et hidtil uset udsigt over solen. (NASA) 
En stormfuld uge på solen kulminerede med udbrud den 1. august 2010, der lyser nordlys over De Forenede Stater. (NASA) 
Det var "en af de mest fantastiske dage, jeg nogensinde har set på solen, " siger Karel Schrijver fra udbruddene i august 2010. (John Lee / Aurora Select) 
Observationer fra Solar Dynamics Observatory viser overraskende kompleksitet på solens overflade. Solvindene strømmer ud i rummet fra et mørkt "koronhul." (NASA) 
En magnetisk filament, der danser over Solens sydlige halvkugle, er ca. 340.000 miles lang, eller ca. 40 procent længere end afstanden fra Jorden til Månen. (Didier Favre) 
En solflare, der bryder ud fra solen, sporer lyse magnetiske løkker. (NASA) 
Philip Scherrer, nær Stanfords solobservatorium, bruger helioseismologi og magnetisk billedbehandling for at forstå de dybe strukturer i Solen og se, hvad der sker på stjernens yderside - inden potentielle problemer roterer til syne. (John Lee / Aurora Select) 
Et magnetisk billede af solen. (NASA) 
Solar Dynamics Observatory-instrumenter sender billeder af solen tilbage i forskellige bølgelængder. En bølgelængde af en udstødning af koronalmassen sidste sommer viser en eksplosion af stråling og magnetiseret materiale, der bryder ud fra solen. (NASA) 
Denne bølgelængde giver et klarere billede af eksplosionsbølgen, når udbruddet spredte sig over solens overflade. (NASA)
