Um modelo abrangente captura todo o ciclo de vida das explosões solares

Esta visualização é uma animação da labareda solar modelada no novo estudo. Uma cor violeta representa a temperatura inferior a 1 milhão de Kelvin. O vermelho representa as temperaturas entre 1 milhão e 10 milhões de Kelvin, o verde representa as temperaturas superiores a 10 milhões de Kelvin. Crédito: Mark Cheung, Lockheed Martin e Matthias Rempel, NCAR

Uma equipe de cientistas, pela primeira vez, usou um modelo computacional único e coeso para simular todo o ciclo de vida de uma erupção solar: do acúmulo de energia a milhares de quilômetros abaixo da superfície solar, ao surgimento de linhas de campo magnético emaranhadas , para a liberação explosiva de energia em um flash brilhante.

A realização, detalhada na revista Nature Astronomy , define o cenário para os futuros modelos solares simularem realisticamente o tempo do próprio Sol enquanto ele se desdobra em tempo real , incluindo o aparecimento de manchas solares, que às vezes produzem erupções e ejeções de massa coronal. Essas erupções podem ter impactos generalizados na Terra, desde interromper redes de energia e redes de comunicações, até satélites prejudiciais e colocar em perigo os astronautas.

Cientistas do Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica (NCAR) e do Laboratório de Solar e Astrofísica da Lockheed Martin conduziram a pesquisa. A nova simulação abrangente captura a formação de uma erupção solar de forma mais realista do que os esforços anteriores, e inclui o espectro de emissões de luz conhecidas por estarem associadas a explosões.

"Este trabalho nos permite fornecer uma explicação para por que os clarões se parecem com o que eles fazem, não apenas em um único comprimento de onda, mas em comprimentos de onda visíveis , ultravioleta e ultravioleta, e em raios-X", disse Mark Cheung. Físico da equipe do Laboratório de Astrofísica e Solar da Lockheed Martin e acadêmico visitante da Universidade de Stanford. "Estamos explicando as muitas cores das explosões solares".

A pesquisa foi financiada em grande parte pela NASA e pela National Science Foundation, patrocinadora do NCAR.

Ligando as balanças

Para o novo estudo, os cientistas tiveram que construir um modelo solar que pudesse se estender por várias regiões do Sol, capturando o comportamento físico complexo e único de cada um.

O modelo resultante começa na parte superior da zona de convecção - cerca de 10.000 quilômetros abaixo da superfície do Sol - sobe pela superfície solar e empurra 40.000 quilômetros para a atmosfera solar, conhecida como a coroa. As diferenças na densidade do gás, pressão e outras características do Sol representadas em todo o modelo são vastas.

Crédito: Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica

Para simular com sucesso uma erupção solar desde a emergência até a liberação de energia, os cientistas precisaram acrescentar equações detalhadas ao modelo que poderia permitir que cada região contribuísse para a evolução da erupção solar de maneira realista. Mas eles também tiveram que ser cuidadosos para não tornar o modelo tão complicado que não seria mais prático executar os recursos de supercomputação disponíveis.

"Temos um modelo que abrange uma grande variedade de condições físicas, o que o torna muito desafiador", disse o cientista da NCAR, Matthias Rempel. "Esse tipo de realismo requer soluções inovadoras".

Para resolver os desafios, Rempel tomou emprestada uma técnica matemática usada historicamente por pesquisadores que estudam as magnetosferas da Terra e de outros planetas. A técnica, que permitiu aos cientistas compactar a diferença nas escalas de tempo entre as camadas sem perder a precisão, permitiu que a equipe de pesquisa criasse um modelo que fosse realista e computacionalmente eficiente.

O próximo passo foi configurar um cenário no sol simulado. Em pesquisas anteriores, usando modelos menos complexos, os cientistas precisaram iniciar os modelos quase no momento em que o surto iria explodir para conseguir formar um clarão.

No novo estudo, a equipe queria ver se seu modelo poderia gerar um surto por conta própria. Eles começaram criando um cenário com condições inspiradas por uma mancha solar particularmente ativa observada em março de 2014. A mancha solar gerou dezenas de explosões durante o tempo em que foi visível, incluindo uma poderosa classe X e três moderadamente poderosos foguetes de classe M. Os cientistas não tentaram imitar a mancha solar de 2014 com precisão; em vez disso, aproximavam-se aproximadamente dos mesmos ingredientes solares que estavam presentes na época - e que eram tão eficazes na produção de foguetes.

Então eles deixam o modelo ir, observando para ver se ele geraria um flare por conta própria.

"Nosso modelo foi capaz de capturar todo o processo, desde o acúmulo de energia até a emergência na superfície até a coroa, energizando a coroa e, em seguida, chegando ao ponto em que a energia é liberada em uma erupção solar", disse Rempel. .

Agora que o modelo mostrou ser capaz de simular realisticamente todo o ciclo de vida de um flare, os cientistas vão testá-lo com observações reais do Sol e ver se ele consegue simular com sucesso o que realmente ocorre na superfície solar .

"Esta foi uma simulação independente que foi inspirada por dados observados", disse Rempel. "O próximo passo é inserir diretamente os dados observados no modelo e deixá-lo impulsionar o que está acontecendo. É uma maneira importante de validar o modelo, e o modelo também pode nos ajudar a entender melhor o que estamos observando no Sun."

Fonte - Phys.org

Expandindo referencias:

National Center Of Atmospheric Research

Uma abrangente simulação tridimensional magneto-hidrodinâmica radiativa de uma erupção solar, Nature Astronomy (2018). DOI: 10.1038 / s41550-018-0629-3