På en ukarakteristisk tropisk morgen i San Francisco Bay-området skimter bakken av bølger av varme, og det er umulig å se til himmelen uten å skvise. Men den virkelige varmen er inne i Lockheed Martin Solar og Astrophysics Laboratory i Palo Alto. Der, i et mørkt rom stablet med datamaskinprosessorer, fyller en HD-visning av solen ni sammenkoblede TV-skjermer for å skape en syv fot bred solenergi-ekstravaganza.
Fra denne historien
[×] STENGT
VIDEO: Bruke solen til å lage musikk
[×] STENGT
Nye teleskoper har gitt forskere enestående syn på solen, og hjulpet dem med å forstå solaktiviteten bedre
Video: Et fantastisk blikk på solbrennere
Relatert innhold
- Solens virvlende grønne gasser av undring
- Et spansk gjennombrudd i utnyttelse av solkraft
- Fantastiske bilder av solsystemet vårt
Solfysiker Karel Schrijver skriver kommandoer om å starte showet: en akselerert film med en eksplosjonssekvens som viklet sola 1. august 2010. "Dette er en av de mest fantastiske dagene jeg noensinne har sett på solen, " sier Schrijver . Han har sett på vår nærmeste stjerne i to tiår.
"I begynnelsen bestemmer denne bitte lille regionen seg for at den ikke er lykkelig, " sier han og høres ut som en astronomisk psykiater som takler nevrose i solenergi. Han peker på en bluss, en beskjeden spasme av hvitaktig lys. “Da begynner denne nærliggende regionen å bli ulykkelig, og den blusser. Da bryter et enormt glødetråd ut og skjærer gjennom det [magnetiske] feltet som en kniv. Vi ser denne lysbuen med glødende materiale, og den vokser med tiden. Et lite glødetråd under buen sier: 'Jeg liker ikke den ene biten', og den blir ustabil og går av. ”
Hvem visste at solen har så mye personlighet?
I løpet av timer - spredt opptil minutter i den digitaliserte spillingen - blir mye av magnetfeltet "opprørt, " sier Schrijver og omorganiserer seg selv, slipper løs fakler og enorme belter med magnetisert gass. Kjedereaksjonen er mer levende enn noen Hollywood-skildring. "Når vi viser disse filmene for våre kolleger for første gang, " sier Schrijver, "er det profesjonelle uttrykket generelt 'Whoa!'"
Strømmen av bilder kommer fra den mest avanserte satellitten noensinne for å studere Solen: NASAs Solar Dynamics Observatory, eller SDO. SDO ble lansert i februar 2010 og stirrer på stjernen fra et punkt 22.300 mil over jorden. Satellittens bane holder den i en jevn posisjon med tanke på to radioantenner i New Mexico. Hvert sekund, 24 timer i døgnet, stråler SDO 18 megabyte med data til bakken. Bildene i høy oppløsning, så vel som kart over solens torturiserte magnetfelt, viser tilstedeværelsen av solflekker og opprinnelsen til utbruddene.
Denne solfilmen skal gi ny innsikt i romværet - innvirkningene som føles på Jorden når solens utstøtinger leder oss. Noen ganger er været mildt. 1. august 2010 utbruddet utbrudd fargerike utstillinger av aurora borealis over USA to dager senere da en raskt bevegelig storm med ladet gass forstyrret Jordens magnetfelt. Men når solen virkelig blir sint, kan nordlyset signalisere potensielt deaktiverende trusler.
Den mest intense solstormen som noen gang er registrert, slo sommeren 1859. Den britiske astronomen Richard Carrington observerte et gigantisk nettverk av solflekker 1. september, etterfulgt av den mest intense bluss som noensinne er rapportert. I løpet av 18 timer var Jorden under magnetisk beleiring. Blendende nordlys glød så langt sør som Det karibiske hav og Mexico, og gnistledninger stengte telegrafnettverk - dagens internett - over hele Europa og Nord-Amerika.
En magnetisk storm i 1921 slo ut signalanlegget for New York Citys jernbanelinjer. En solstorm i mars 1989 forkrøpet strømnettet i Quebec og fratok millioner av kunder strøm i ni timer. Og i 2003 forårsaket en serie stormer blackouts i Sverige, ødela en japansk vitenskapssatellitt på 640 millioner dollar og tvang flyselskaper til å avlede flyvninger fra Nordpolen til en pris av $ 10.000 til $ 100.000 hver.
Vårt moderne, globalt tilkoblede elektroniske samfunn er nå så avhengig av fjerntliggende transformatorer og svermer av satellitter at en stor eksplosjon fra solen kan bringe mye av det ned. I følge en rapport fra 2008 fra National Research Council, kan en solstorm på størrelse med 1859- eller 1921-hendelsene zapere satellitter, deaktivere kommunikasjonsnettverk og GPS-systemer og steke strømnett til en pris av en billion dollar eller mer.
"Plassen rundt oss er ikke så godartet, vennlig og imøtekommende for vår teknologi som vi hadde antatt, " sier Schrijver.
Ved å dokumentere opprinnelsen til disse stormene i enestående detalj, gir SDO forskerne deres beste sjanse til ennå å forstå solens ødeleggende evner. Målet er å spå romvær - å lese solens stemninger langt nok på forhånd til at vi kan ta forholdsregler mot dem. Suksess vil stole på å se gjennom solens overflate for å se magnetiske utbrudd når de utvikler seg, på omtrent samme måte som meteorologer bruker skyinntrengende radar for å se tegn på en tornado før den brøler til bakken.
Men foreløpig er solens aktivitet så kompleks at krampene forvirrer feltets øverste sinn. Da SDO-forsker Philip Scherrer fra Stanford University blir bedt om å forklare fysikken som driver solens vold, kjemper han ikke ord: “Vi vet i grunnen ikke.”
Foreldrestjernen vår ligger bare åtte minutter unna, mens lyset flyr. Sola får mer teleskoptid enn noen annen gjenstand i verdensrommet, og forskningen er en global virksomhet. Den mest vellykkede satellitten før SDO, et felles NASA-European Space Agency-oppdrag kalt Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), sender fortsatt bilder av solen tilbake 15 år etter lanseringen. En mindre oppdagelsesreisende nå i verdensrommet, kalt Hinode, er et samarbeid mellom Japan og NASA som studerer hvordan solens magnetiske felt lagrer og frigjør energi. Og NASAs Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) oppdrag består av to nesten identiske satellitter som ferdes i jordens bane, en foran planeten vår og en bak. Satellittene lar forskere lage 3D-bilder av soluttak. Nå på motsatte sider av solen tok de siste februar det første bildet av solens hele overflate. På bakken undersøker teleskoper på Kanariøyene, California og andre steder solen med teknikker som eliminerer uskarpe virkningene av jordas atmosfære.
Sola er en spinnende gassball som er stor nok til å inneholde 1, 3 millioner jordarter. Kjernen er en ovn med kjernefusjon, og omdanner 655 millioner tonn hydrogen til helium hvert sekund ved en temperatur på 28 millioner grader Fahrenheit. Denne fusjonen skaper energi som til slutt når oss som sollys. Men kjernen og de indre lagene i Solen er så tette at det kan ta en million år før en foton av energien kjemper bare to tredjedeler av veien ut. Der når det det solfysikere kaller “konvektiv sone.” Over det er et tynt lag vi oppfatter som solens overflate. Solgasser fortsetter langt ut i rommet utenfor denne synlige kanten i en brennende varm atmosfære som kalles korona. En spenstig solvind blåser gjennom hele solsystemet.
Ting blir spesielt interessante i konvektiv sone. Gigantiske gyr med ladet gass stiger og faller, som i en gryte med kokende vann, bare mer turbulente. Solen roterer i forskjellige hastigheter - omtrent en gang hver 24. dag ved ekvator og saktere, omtrent hver 30. dag, ved polene. Denne forskjellen i hastighet skjærer gassen og sammenfiltrer dens elektriske strømmer, og gir drivstoff til solens magnetiske felt. Det overordnede magnetfeltet har en retning, akkurat som jordas nord- og sørpoler tiltrekker kompassene våre. Imidlertid er solens felt full av kurver og knekk, og hvert 11. år vipper det: nordpolen blir sør, og deretter tilbake til nord igjen 11 år senere. Det er en dynamisk syklus som forskere ikke fullt ut fatter, og den er kjernen i de fleste bestrebelser for å forstå hvordan solen oppfører seg.
I løpet av disse vippene blir solens dype magnetiske felt virkelig knurret. Den reiser seg og pirker gjennom den synlige overflaten for å skape solflekker. Disse mørke lappene av gass er kjøligere enn resten av solens overflate fordi de knutede magnetfeltene fungerer som barrierer og forhindrer at noe av solens energi slipper ut i verdensrommet. Feltene i solflekker har potensiale til å utbryte. Over solflekker løkker Solens magnetiske felt seg og kretser gjennom koronaen. Disse vridningene antenner eksplosjonene på Lockheeds videoskjermer i Palo Alto.
Schrijver og sjefen hans, Alan Title, har jobbet sammen i 16 år, lenge nok til å fullføre hverandres setninger. Gruppens siste skapelse, Atmospheric Imaging Assembly - et sett med fire teleskoper som tar bilder av millioner grader gasser i koronaen - er et av tre instrumenter som er utplassert på SDO. NASA sammenligner det med et IMAX-kamera for solen.
"Denne boble av gass som blåser av er 30 ganger Jordens diameter og beveger seg på en million miles i timen, " sier Tittel og peker på skjermen til en ekspanderende rød virvel fanget av SDO like etter satellittens oppskytning. Og, konstaterer han nesten tilfeldig, at dette var et ganske lite utbrudd.
Magnetiske felt holder solens gasser på linje når de buer ut i verdensrommet, sier Title, omtrent som en stangmagnet setter jernfilinger i pene mønstre. Jo mer sammenfiltrede felt blir, jo mindre stabile er de. Solutbrudd skjer når magnetfeltene smetter inn i et nytt mønster - en hendelse som fysikere kaller "tilkobling."
Et typisk solutbrudd som blir utvist mot Jorden, kalt en utstøting av koronal masse, kan inneholde ti milliarder tonn ladet gassrase over verdensrommet. "Du må forestille deg et sett med krefter som er tilstrekkelig til å skyte ut alt vannet i Mississippi-elven til en hastighet 3000 ganger raskere enn et jetfly flyr på 15 til 30 sekunder, " sier han og puster et øyeblikk for å la det synke inn .. "Det er ingen motstykke til dette på jorden. Vi har problemer med å forklare disse prosessene. ”
Tidligere soloppdrag tok uklare øyeblikksbilder av store utspring av koronale masser. Andre teleskoper zoomet inn for å få fine detaljer, men kunne fokusere på bare en liten del av solen. SDOs høye oppløsning på en hel halvkule av solen og dens raske brannopptak avslører hvordan overflaten og atmosfæren endres minutt til minutt. Noen funksjoner er så uventede at forskerne ennå ikke har navngitt dem, for eksempel et korketrekkerlignende mønster av gass som Schrij-ver sporer på skjermen med fingeren. Han tror det er et spiralformet magnetfelt sett langs kanten, snør gjennom gass når det stiger opp i verdensrommet. "Det er som [gassen] blir løftet i slynger, " sier han.
Før oppdraget var et år gammelt, hadde forskerne analysert hundrevis av hendelser, som dekket mange tusen timer. (De 1. august-utbruddene, oppdaget de, ble koblet sammen av magnetiske "feilsoner" som spenner over hundretusenvis av miles.) Teamet jobber under press, fra NASA og andre steder, for bedre prognoser for romvær.
"Gode Herre, dette er komplisert, " sier Schrijver og spiller en film av solens humør på en annen dag. "Det er ingen rolig dag på solen."
Noen kilometer unna, på Stanford campus, bryter solfysikeren Philip Scherrer med det samme spørsmålet som animerer gruppen Lockheed Martin: Vil vi være i stand til å forutsi når solen katastrofalt vil kaste ladet bensin mot Jorden? "Vi vil gjerne gi et godt estimat om en gitt aktiv region vil produsere fakler eller masseutkast, eller om den bare vil forsvinne, " sier han.
Scherrer, som bruker en satellittnedlink for TV-mottak, forklarer virkningen av romværet ved å minne om en hendelse i 1997. "En lørdag våknet vi opp og alt vi så var fuzz, " sier han. En koronal masseutstøtning hadde feid forbi Jorden kvelden før. Magnetskyen tok tilsynelatende ut Telstar 401-satellitten som ble brukt av UPN og andre nettverk.
"Jeg tok det personlig, fordi det var 'Star Trek' [jeg klarte ikke å se], " sier Scherrer med et skikkelig smil. "Hvis det hadde skjedd på Super Bowl-morgenen, ville alle visst om det."
Scherrer-teamet og Lockheed Martin-ingeniører utviklet SDOs Helioseismic and Magnetic Imager, et instrument som sonderer inn i solens myldrende interiør og overvåker retningen og styrken til magnetfeltet, og lager svart-hvite kart kalt magnetogrammer. Når solflekker følger med, viser kartene magnetisk uro ved basene til buekonstruksjoner i solens atmosfære.
Instrumentet måler også vibrasjoner på solens overflate. På jorden måler seismologer overflatevibrasjoner for å avsløre jordskjelvfeil og geologiske strukturer langt under jorden. På sola kommer vibrasjoner ikke fra solskjelv, men fra pulsasjoner forårsaket av gasser som løfter seg opp og ned på overflaten med en hastighet på rundt 700 mil i timen. Når hver gassflaske krasjer ned, skyter den lydbølger inn i solen, og de vrimler hele stjernen. Scherrer's enhet måler disse vibrasjonene over solens ansikt.
Nøkkelen, sier Scherrer, en ledende ekspert på helioseismologi, som denne vitenskapen er kjent, er at lydbølgene beveger seg raskere gjennom varmere gass, for eksempel turbulente knop langt under overflaten som ofte forutsier solflekker. Lydbølgene akselererer også når de beveger seg gjennom gasser som strømmer i samme retning. Selv om disse målingene skaper matematiske mareritt, kan datamaskiner lage bilder av hva som skjer under solens overflate.
På denne måten kan Scherrer-teamet oppdage solflekker på bortre side av soldagene før de roterer i sikte og før de er i posisjon til å spy skadelige partikler og gass mot Jorden. Forskerne håper også å få øye på aktive regioner som bobler fra solen en dag eller mer før de er synlige som solflekker.
Disse teknikkene gir forhåndsvisninger av kommende attraksjoner. Utfordringen, sier Scherrer, er å finne de rette tegnene til magnetisk sammenfiltring som - som radarbildene av en nylig dannet tornado - gir pålitelige advarsler. Noen forskere har tastet inn formene til magnetiske felt og bemerker at en bestemt S-formet krumning ofte innvarsler et utbrudd. Andre ser på om magnetisk styrke over midten av en solflekk endres raskt - en indikasjon på at den kan være klar til å knipse.
Scherrer roper opp noen bilder på skjermen sin, og beklager at de ikke konkurrerer med Lockheed-filmene. De helioseismiske bildene minner meg om den knobbete overflaten av en appelsin, med knuter av gass som bølger oppover over hele Solens sfære. Den magnetiske grafikken kaster solen i flekkete gråtoner, men når Scherrer zoomer inn, vokser svarte og hvite flekker til uregelmessige lapper. Dette er båndene av magnetisk kraft, som pirker inn eller ut av solens stadig bevegelige overflate.
Når magnetfeltlinjer kobles tilbake høyt i solens atmosfære, sier Scherrer, “det er veldig som en kortslutning når du berører to ledninger med en strøm. Energien som strømmer i strømmen blir til varme eller lys. ”De plutselige gnistene skyter ned langs magnetfeltet og smeller inn i solens overflate, og setter av en kraftig bluss.
Den sterkeste av solens buende magnetfelt kan felle milliarder av tonn med gass under seg, og sette scenen for koronale masseutskytninger. Når en magnetisk tilkobling plutselig slipper all den spenningen, løfter gassen seg ut i verdensrommet med solvinden. "Det er som å kutte snoren på en heliumballong, " sier Scherrer.
Ved å studere mange slike hendelser, tror Scherrer at han og kollegene kan utarbeide et system som rangerer oddsen for solen som sikter mot et utbrudd på jorden - en skala som kan løpe fra "helt klart" til "ta forhåndsregler." Slike retningslinjer ville ikke vært spådommer, innrømmer han, og han erkjenner også at solvarsling aldri kan konkurrere med jordiske værrapporter. Forutsigelse av sol krever at teamet sammenligner nylig aktivitet på solen med datamodeller. Men modellene er så involverte at solen allerede har spratt av eller holdt seg stille når datamaskinen spytter ut et svar.
En av de største soloverraskelsene de siste 50 årene var ikke noe Solen gjorde, men noe den ikke gjorde: den produserte ikke mange solflekker i det meste av 2008 og 2009. “Vi ville gått 60, 70, 80, 90 dager uten en eneste solflekk, sier NASAs vitenskapsredaktør Tony Phillips, som uavhengig publiserer SpaceWeather.com. "I solfysikernes levetid var det ingen som hadde sett dette. Det overrasket hele samfunnet. ”
Ingen vet hva som forårsaket den uhyggelige stillheten. Det dype magnetfeltet tvistet tilsynelatende ikke opp på sin vanlige måte, kanskje fordi elektriske strømmer inne i sola ble svakere. Noen forskere spekulerte i at solen slår seg ned, i det minste midlertidig. Et panel av solfysikere studerte disse endringene og anslått at solens aktivitet kan nå bare halvparten av de nylige nivåene i den neste 11-årige solflekksyklusen. Dette kan ha mindre konsekvenser for klimaendringene. I løpet av det siste århundret oppveide menneskets aktivitet langt solens modulasjoner når det gjaldt jordens klima. Hvis mønsteret med redusert solaktivitet fortsetter gjennom en annen av solens sykluser og utover, kan den subtile reduksjonen i energi fra sola litt oppveie den globale oppvarmingen.
Solen anslås å nå toppen av sin nåværende solflekksyklus i slutten av 2013 eller begynnelsen av 2014. Men det er ingen grunn til å tro at en mer beroligende sol vil holde seg slik. "Den største partikkelhendelsen og den geomagnetiske stormen i den registrerte historien" - hendelsen i 1859 observert av Carrington - "skjedde i løpet av en solsyklus på omtrent samme størrelse som den vi projiserer i løpet av de neste par årene, " sier Phillips. Dessuten viste en fersk undersøkelse av Suli Ma og kolleger ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics at en tredjedel av solstormene som rammer Jorden oppstår uten solens bluss eller andre advarselsskilt. Disse snikeangrepene antyder at solen kan være farlig selv når den virker stille.
Det er ingen måte å beskytte jorden mot solens utbrudd; kraftige stormer vil alltid forstyrre planetens magnetfelt. Men forhåndsvarsel kan begrense virkningen av dem. Forholdsregler inkluderer å redusere kraftbelastninger for å forhindre overspenning på elektriske ledninger, sette satellitter i en elektronisk sikkerhetsmodus, og - i NASAs tilfelle - å fortelle astronauter om å ta ly innenfor de mest befestede delene av romfartøyet.
Selv med disse tiltakene ville en så alvorlig hendelse som solstormene i 1859 eller 1921 ødelegge, sier sol- og romfysiker Daniel Baker ved University of Colorado, hovedforfatter av rapporten fra National Research Council i 2008. Mennesker blir mer avhengige av kommunikasjonsteknologi med året, sier Baker, noe som gjør oss stadig mer sårbare for elektromagnetisk kaos. "Disse [alvorlige] hendelsene forekommer sannsynligvis hvert tiår, " sier han. "Det er bare et spørsmål om tid før en av dem treffer oss."
Baker og kollegene hans har oppfordret NASA og National Oceanic and Atmospheric Administration, som driver Space Weather Prediction Center i Boulder, Colorado, til å utvikle et system med advarselssatellitter for romvær. I dag er det eneste instrumentet som kan bestemme retningen til magnetfeltet inne i en nærliggende koronal masseutkastning - en kritisk faktor for å bestemme hvor voldsomt det vil samhandle med jorden - på en 13 år gammel satellitt som ikke har noen nærmest siktig erstatning.
"Solen er en veldig variabel stjerne, " advarer Baker. "Vi lever i den ytre atmosfæren, og den cyberelektriske kokongen som omgir Jorden er underlagt dens innfall. Vi bør bedre innfatte det. ”
Robert Irion leder program for vitenskapsskriving ved University of California i Santa Cruz.
Et ekstremt ultrafiolett bilde av solen. De blå regionene er de hotteste, ved 1, 8 millioner grader Fahrenheit. (NASA / GSFC / AIA) 
Når en utstøting av koronal masse når jorden, strømmer solpartikler langs magnetfeltlinjer, gir gasser i atmosfæren og lyser som nordlys (i Manitoba). (Federico Buchbinder) 
Solar Dynamics Observatory, vist her i en kunstners oppfatning, ble lansert i 2010 og gir et enestående syn på solen. (NASA) 
En stormfull uke på sola kulminerte med utbrudd 1. august 2010, som lyste opp nordlys over USA. (NASA) 
Det var "en av de mest fantastiske dagene jeg noensinne har sett på solen, " sier Karel Schrijver fra utbruddene i august 2010. (John Lee / Aurora Select) 
Observasjoner fra Solar Dynamics Observatory viser overraskende kompleksitet på solens overflate. Solvindene strømmer ut i verdensrommet fra et mørkt "koronhull." (NASA) 
Et magnetisk glødetråd som danser over solens sørlige halvkule er omtrent 340 000 mil langt, eller omtrent 40 prosent lengre enn avstanden fra Jorden til Månen. (Didier Favre) 
En soloppblussing som bryter ut fra solen, sporer lyse magnetiske løkker. (NASA) 
Philip Scherrer, nær Stanfords solobservatorium, bruker helioseismologi og magnetisk avbildning for å forstå solens dype strukturer og se hva som skjer på stjernens fjernside - før potensielle problemer roterer til syne. (John Lee / Aurora Select) 
Et magnetisk bilde av sola. (NASA) 
Solar Dynamics Observatory-instrumenter sender bilder av solen tilbake i forskjellige bølgelengder. En bølgelengde for en utspring i koronal masse i fjor sommer viser en eksplosjon av stråling og magnetisert materiale som brister ut fra solen. (NASA) 
Denne bølgelengden gir et tydeligere bilde av eksplosjonsbølgen når utbruddet spredte seg over overflaten til Solen. (NASA)
