新描述的“太阳钟”可以提前几年精确预测太阳周期事件

自从人类在大约 400 年前首次观察到太阳黑子以来，我们就一直在使用它们来尝试定义太阳周期。 大约每 11 年，太阳黑子和太阳耀斑等太阳活动就会潮起潮落，导致地球上的天气模式发生变化，并偶尔会威胁到电信。 可靠地预测这些变化可以帮助从农民到军队的每个人。

传统上，当太阳活动减少时，科学家们使用“太阳最小值”的概念来标记每个周期的开始。 但是，UMBC 与美国宇航局合作的太阳物理学和空间环境研究伙伴关系 (PHaSER) 的研究科学家 Robert Leamon 解释说，“太阳最小值”框架有些武断和不精确。

Leamon 领导的一项新研究表明，基于太阳磁场的“太阳钟”，而不是太阳黑子的存在与否，可以准确地描述和预测整个太阳周期的许多关键变化。 新框架比传统的太阳黑子方法有了显着改进，因为它可以提前几年预测危险的太阳耀斑的激增或天气趋势的变化。

具体来说，发表在《天文学和空间科学前沿》上的这项新研究表明，太阳周期是一个独特的事件序列。 每个周期的五分之一都会发生显着且有时是突然的变化。 无论给定周期的确切长度怎样，这都是正确的，可能会在几个月到一年之间变化。 为了向音乐爱好者致敬，Leamon 及其同事称其为“五度圈”。

寻找地标

由美国国家大气研究中心 (NCAR) 的 Leamon 及其同事 Scott McIntosh 和洛克希德马丁先进技术中心的 Alan Title 撰写的新论文以同样在 NCAR 的 Leamon、McIntosh 和 Daniel Marsh 的工作为基础，发表2020年。那篇论文证明了研究小组称之为“终结者”的太阳周期现象的存在。

太阳的磁场在每个太阳周期都会改变方向，但连续周期之间存在重叠。 太阳的磁场有时被称为极场，因为它要么指向太阳的一个极点，要么指向另一个极点。 当上一个周期的极场完全从太阳表面消失时，终止符标志着太阳活动的急剧上升。

新论文指出了从终结者到终结者的完整太阳周期旅程中的其他地标。 这些地标比使用太阳黑子作为周期长度的指南更清晰、更一致。 为了 example，“太阳黑子的最大数量与极场反转的时间并不完全一致，但极场反转恰好发生在从终结者到终结者的周期的五分之一处，”Leamon 说。

在一个周期的五分之二处，称为“极日冕洞”的黑暗区域会在太阳两极重新形成。 在一个周期的五分之三时，会发生最后一次 X 耀斑，这是一类非常大且具有潜在危险的太阳耀斑。 在五分之四时，太阳黑子最少——但这个地标不太一致。 然后太阳穿过另一个终结者，之后太阳活动又迅速恢复。 其他现象，如紫外线辐射，也很好地排列在五分之一上。

症状和原因

该团队从两个地面观测站每天收集的数据中挑选出模式。 自 1947 年以来，位于加拿大彭蒂克顿的自治领射电天体物理观测站每天测量太阳射电通量，这是太阳活动的有用代表。斯坦福大学的威尔科克斯太阳观测站自 1975 年以来每天收集太阳表面磁场的测量数据。

一旦团队注意到恰好在五分之一周期内发生的变化，他们就会问：“我们可以看到多少种不同的太阳事物？然后我们意识到它们都在同一组五分之一中重叠，”Leamon 说。 不同的参数在周期的不同点发生变化，但“一切都与这五个地标有关”。

这种关于太阳钟的新理论将焦点从太阳黑子转变为磁场变化。 “这几乎就像症状和原因一样，”Leamon 说。 虽然太阳黑子是一个重要症状，但磁场是驱​​动太阳周期的根本原因。

最长的线

这种框架的转变提高了研究人员更准确、更提前地预测太阳周期事件的能力，这让卫星运营商等人有时间根据预测的太阳活动进行必要的准备。 一旦天文台检测到初始的极场反转，就会设定周期前五分之一的精确长度。 这意味着其他五度（及其相关事件）的时间是一个简单的乘法问题。

新框架还对周期内预计出现严重耀斑的时期进行了更严格的限制，这对地球上的人们来说是有用的信息。 从终结者到大约五分之三的周期似乎不是从最小活动到最大活动的逐渐转变，而是耀斑的高峰期，在该点之后快速下降，直到下一个终结者。 当前周期开始于 2021 年 12 月的终结者之后，新框架预测最后一次重大耀斑应发生在 2027 年年中。

Leamon 引用物理学家 Richard Feynman 的一句话来解释这样一个理论的价值，它解释了系统中的许多变量：“大自然只使用最长的线来编织她的图案，因此她的每一小块织物都显露出来整个挂毯的组织，”费曼说。 Leamon 及其同事的新理论是 example 这些长线之一 – 用一个简单的参数精确预测太阳周期的许多方面，并使人类更容易为太阳驱动的变化做好准备。