Pusztító napkitörések jöhetnek

Egy napkitörés képe a látható fény tartományában

Tóth Gábor, a Michigani Egyetem kutatója és kollégái új módszert fejlesztettek ki a napviharok előrejelzésére. A magyar származású tudós ezt az új előrejelzési szisztémát szeretné felhasználni ahhoz, hogy megvédhető legyen a Föld egy-egy potenciálisan katasztrofális következményeket okozó napkitörés hatásaitól 

Ma már globális katasztrófát okozna a Carrington-esemény

Tóth Gábor, a Michigani Egyetem kutatója 2021. augusztus 11-én kiadott közleményében így nyilatkozott az EarthSky tudományos portálnak: „Csak két természeti katasztrófa van jelenleg, amelyek hatással lehetnek az Egyesült Államok egészére. Az egyik a világjárvány. A másik pedig egy extrém kozmikus esemény." A szélsőséges űridőjárási események azonban nemcsak az Egyesült Államokban élők, hanem az egész emberi társadalom számára katasztrófát jelenthetnek.

Tóth Gábor, a Michigan Egyetem kutatója és az új napkitörés-előrejelzési modell egyik megalkotója Forrás: University of Texas

Ilyen katasztrofális hatású eseményt okozhat egy erős napkitörés. Noha ez nekünk nem ártana közvetlenül, mert a földi atmoszféra megvédi az emberi szervezetet a Napból érkező korpuszkuláris (részecske) sugárzás veszélyes élettani hatásaitól, de a Föld légkörének felső rétegei – valamint bolygónk magnetoszférája – már komolyan érintettek lennének.

Egy erős napkitörés képes „megsütni"az elektronikát, és világszerte tönkretenni az elektromos hálózatokat.

Szerencsére 1859 óta nem volt valódi globális katasztrófával fenyegető napkitörés.

Egy napkitörésekről készült kép. Egy ilyen esemény "rendesen összerázza" a Föld mágneses mezejét és súlyos károkat okoz a földi transzformátorokban, kommunikációs és energiaelosztó rendszerekben Forrás: NASA/JPL-Caltech

1859-ben történt az úgynevezett Carrington-esemény, amit egy rendkívül erős napvihar okozott. A kitörés tönkretette a távíróvezetékeket, és olyan erős sarkifény-jelenséget okozott,

hogy a madarak nappalnak vélték a fényes éjszakákat,

ami miatt teljesen megzavarodva éjjel is repülni kezdtek. Egy ahhoz hasonló intenzív napkitörés, ami 1859-ben történt, a jelenkorban már globális válságot okozna, mert tönkretenné a műholdak elektronikai rendszereit, és a Földön is megbénítaná szinte az összes elektromos technikát. A tét tehát sokkal nagyobb napjainkban, mint ami több mint másfél évszázada volt.

Mindenki felismerte a napviharok jelentette fenyegetést, és a pontos előrejelzés szükségességét

A jelenleg alkalmazott technikák legfeljebb 30 perccel korábban képesek megjósolni egy napvihart, közvetlenül a kitörés előtt. Ez pedig túl rövid idő ahhoz, hogy globális szinten életbe léphessenek a károk elkerülést célzó védelmi intézkedések. Tóth Gábor és kutatócsoportja ezért legalább három napra szeretné feltornázni az előrejelzés intervallumát, ami már elegendő lenne a tömegesen bekövetkező károk megelőzéséhez.

Egy napkitörés képe a látható fény tartományában Forrás: NASA/SDO/AIA/Goddard Space Flight Center

Tóth és csapata a Space Science with Quantified Uncertainties program keretében dolgozik, amelyet a National Science Foundation (NSF) és az amerikai űrkutatási hivatal, a NASA finanszíroz. A program több tudományterület kutatócsoportjait foglalja magában,

akik jobb és hatékonyabb számítógépes modelleket próbálnak kifejleszteni a napkitörések pontosabb előrejelzésére.

Ahogy Vjacseszlav Lukin, az NSF munkatársa mondta: "Ennek szükségességét már egy ideje felismerték, és a hat projektbe nemcsak a vezető egyetemi csoportokat, hanem a NASA kutatóközpontjait, a Védelmi Minisztériumot az Energia Nemzeti Laboratóriumok Intézetét, valamint a magánszektort is bevonják."

Ez a Föld magnetoszférájának szimulációja, vagyis a körülöttünk lévő védőterület, amelyet bolygónk belső mágnesessége hoz létre. Ez mutatja a Földet (a fekete körön belül) és a mágneses mező vonalait (fehér színben). A kék téglalap az a terület, amelyet a Space Weather with Quantified Uncertainties program használ a napvihar-előrejelzés modellezésére Forrás: University of Texas

Jelenleg a Nemzeti Óceán és Légköri Hivatal (NOAA) adja ki az űridőjárás-előrejelzéseket, amit egy olyan modell segítségével készítenek, amit Tóth Gábor segített kifejleszteni. A NOAA az idei év elejétől kezdte el használni az új, frissített előrejelzési modellt, az úgynevezett Geospace Model Version 2.0-t. A program frissítésében Tóth és kutatócsoportja is részt vett, amit így kommentált a magyar származású tudós: „Folyamatosan fejlesztjük modelljeinket. A 2. verzióban a fő változás a magnetoszféra numerikus rácsának finomítása, az algoritmusok többirányú fejlesztése és az empirikus paraméterek újrakalibrálása volt."

Nagyon fontos a Nap felszínének folyamatos megfigyelése

A csapat Geospace modellje a Föld körüli mágneses térre és plazma környezetre, valamint annak mágneses hidrodinamikájára összpontosít. Ezek azok az elemek, amelyek kulcsszerepet játszanak a napviharok földi hatásaiban. A modell olyan mágneses zavarokat képes előre megjósolni,

amelyek veszélyes hatással lehetnek a Föld fontos rendszereire,

például az elektromos hálózatokra. Ezek az új előrejelzési modellek lehetővé teszik a kellő időben kiadott figyelmeztetést az elektromos hálózatok és más hasonló helyzetben lévő üzemeltetőknek ahhoz, hogy enyhítsék a problémát.

Rendkívül fontos a precíz előrejelzés, azoknak a károknak a mérsékléséhez, amit egy-egy erős napkitörés okozhat Forrás: Science Photo Library/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

Ahhoz, hogy a háromnapos átfutási idő biztosítható legyen, a tudósoknak fokozott figyelemmel kell kísérniük, hogy mi történik a napfelszínen, még mielőtt a kilökődések részecskefelhői elhagynák a központi csillagot. Tóth Gábor elmondta, hogy jelenleg a Földtől 1 millió mérföldre (1 millió 650 ezer kilométerre, a szerk.) keringő műhold plazmaparamétereinek adatait használják az előrejelzéshez. Rendkívül fontos a Nap koronakidobódások megfigyelése, amik hatalmas, lángszerű anyagrobbanásokat idéznek elő, és amelyek röntgen-, illetve UV-fényben detektálhatók.

A Solar Dynamics Observatory felvétele egy 2014-ben történt erősebb kitörésről Forrás: NASA/SDO

Tóth Gábor elmagyarázta, hogy a koronakidobódás észlelése után kezdhetik el a program futtatását, ami alapján pontosan meghatározható, hogy a mágneses viharokat okozó kitörés mikor éri el a földi atmoszférát, és milyen hatása lesz.

Remélhetően a prognózis hamarabb megékezik, mint a napvihar

Ehhez azonban arra is szükség van, hogy a tudósok új és gyorsabb algoritmusokat alkossanak. Tóth Gábor a Frontera szuperszámítógépet használja a Texas Advanced Computing Centerben, ami jelenleg a leggyorsabb számítógép. Az egyik algoritmikus fejlesztés, amit Tóth Gábor és csoportja alkotott meg, a plazmák kinetikai és folyékony aspektusait egyesíti egyetlen szimulációs modellben.

Ez az új modell 10-100-szorosára növelheti a napkitörések megjóslásának pontosságát.

Tóth Gábor szerint az új megközelítések és algoritmusok megalkotásával „milliószor gyorsabban haladunk, mint a nyers erők puszta szimulációjával."

Egy tényleges koronatömeg-kilökődés szimulációja, ami 2014. szeptember 10-én történt. A szürke színárnyalatai azt mutatják, hogyan változik a sugárirányú mágneses mező. A jobb oldaláról áradó hatalmas kilökődést csak mágneses mezővonalak mutatják Forrás: University of Michigan/Gabor Toth

Tóth és kutatócsoportja egyetlen grafikus feldolgozóegységen valós időben és a korábbiakhoz képest sokkal gyorsabban tudta lefuttatni azt a teljes térinformatikai modellt, amelyre a jövőbeni szuperszámítógépek támaszkodnak.

Modelljük ilyen sebességű futtatásához egy hagyományos szuperszámítógépen legalább 100 CPU-ra lenne szükség.

Egy napkitörés képe Forrás: NASA/JPL-Caltech

Tóth Gábor ezzel az új eredménnyel kapcsolatban a következőket nyilatkozta: "Mindennek a megvalósításához egy egész éves kódfejlesztő munkára volt szükség. Az volt a célunk, hogy egy olyan gyors és hatékony szimulációs együttest alkossunk, ami képes biztosítani a legpontosabb prognózist. E célok eléréséhez az elkövetkező években még több ezer szimulációra lesz szükség. De remélhetőleg a pontos űridőjárás-előrejelzések hamarabb megérkeznek, mint a következő súlyos napkitörés."

Felhasznált forrás:

Kelly Kizer Whitt: Predicting Solar Storms To Protect Earth, EarthSky, August 18, 2021.