(Panneau du haut, de gauche à droite) 12 juillet, 2012 éjection de masse coronale vue dans STEREO B Cor2, SOHO C2, et les coronographes STEREO A Cor2, respectivement. (Panneau du bas) Les mêmes images se chevauchent avec les résultats du modèle. Crédits :Talwinder Singh, Mehmet S. Yalim, Nikolaï V. Pogorelov, et Nat Gopalswamy
La surface du soleil bouillonne d'énergie et éjecte fréquemment des masses de plasma hautement magnétisé vers la Terre. Parfois, ces éjections sont suffisamment fortes pour traverser la magnétosphère, le bouclier magnétique naturel qui protège la Terre, endommageant les satellites ou les réseaux électriques. De tels événements météorologiques spatiaux peuvent être catastrophiques.
Les astronomes ont étudié l'activité du soleil pendant des siècles avec une compréhension de plus en plus grande. Aujourd'hui, les ordinateurs sont au cœur de la quête pour comprendre le comportement du soleil et son rôle dans les événements météorologiques spatiaux.
La loi bipartite PROSWIFT (Promoting Research and Observations of Space Weather to Improve the Forecasting of Tomorrow) Act, promulguée en octobre 2020, formalise la nécessité de développer de meilleurs outils de prévision météorologique spatiale.
"La météo spatiale nécessite un produit en temps réel afin que nous puissions prédire les impacts avant un événement, pas seulement après, " a expliqué Nikolaï Pogorelov, professeur distingué de sciences spatiales à l'Université de l'Alabama à Huntsville, qui utilise des ordinateurs pour étudier la météo spatiale depuis des décennies. « Ce sujet, lié aux programmes spatiaux nationaux, environnemental, et d'autres problèmes - a récemment été escaladé à un niveau supérieur."
Trop, la météo spatiale peut sembler une préoccupation lointaine, mais comme une pandémie - quelque chose que nous savions possible et catastrophique - nous ne réalisons peut-être pas ses dangers avant qu'il ne soit trop tard.
"On n'y pense pas, mais la communication électrique, GPS, et les gadgets du quotidien peuvent être affectés par des effets météorologiques spatiaux extrêmes, ", a déclaré Pogorelov.
Par ailleurs, les États-Unis prévoient des missions vers d'autres planètes et la lune. Tout cela nécessitera des prévisions très précises de la météo spatiale, pour la conception des engins spatiaux et pour alerter les astronautes des événements extrêmes.
L'éjection de masse coronale filée par des lignes de champ magnétique dans la tranche équatoriale colorée par la température du plasma. Crédit:From Space Weather April 2020, avec la permission de l'American Geophysical Union.
Avec un financement de la National Science Foundation (NSF) et de la NASA, Pogorelov dirige une équipe qui s'efforce d'améliorer l'état de l'art des prévisions météorologiques spatiales.
"Cette recherche, mélangeant une science complexe, calcul avancé et observations passionnantes, fera progresser notre compréhension de la façon dont le Soleil détermine la météo spatiale et ses effets sur la Terre, " a déclaré Mangala Sharma, Directeur de programme pour la météo spatiale à la Division des sciences atmosphériques et géospatiales de la NSF. « Les travaux aideront les scientifiques à prédire les événements météorologiques spatiaux et à renforcer la résilience de notre pays contre ces risques naturels potentiels. »
L'effort multi-institutionnel implique les centres de vol spatial Goddard et Marshall, Laboratoire national Lawrence Berkeley, et deux sociétés privées, Predictive Science Inc. et Space Systems Research Corporation.
Pogorelov utilise le supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center (TACC), le neuvième plus rapide au monde, ainsi que des systèmes haute performance de la NASA et du San Diego Supercomputing Center, améliorer les modèles et les méthodes au cœur de la prévision météorologique spatiale.
La turbulence joue un rôle clé dans la dynamique du vent solaire et des éjections de masse coronale. Ce phénomène complexe a de multiples facettes, y compris le rôle de l'interaction choc-turbulence et de l'accélération des ions.
"Le plasma solaire n'est pas en équilibre thermique. Cela crée des caractéristiques intéressantes, ", a déclaré Pogorelov.
Écrire dans Journal d'astrophysique en avril 2021, Pogorelov, avec Michael Gedalin (Université Ben Gourion du Néguev, Israël), et Vadim Roytershteyn (Space Science Institute) ont décrit le rôle des ions de captage en retour dans l'accélération des particules chargées dans l'univers. Ions en retour, soit d'origine interstellaire ou locale, sont captés par le plasma magnétisé du vent solaire et se déplacent radialement vers l'extérieur du Soleil.
Configuration de la ligne de champ magnétique de l'éjection de masse coronale insérée à la frontière interne R =0,1 UA, représenté par la sphère rouge. Crédits :Talwinder Singh, Tae K. Kim , Nikolaï V. Pogorelov , et Charles N. Arge, avec la permission de l'American Geophysical Union
"Certaines particules non thermiques peuvent être encore accélérées pour créer des particules énergétiques solaires qui sont particulièrement importantes pour les conditions météorologiques spatiales sur Terre et pour les personnes dans l'espace, " il a dit.
Pogorelov a effectué des simulations sur Frontera pour mieux comprendre ce phénomène et le comparer aux observations de Voyager 1 et 2, le vaisseau spatial qui a exploré les confins de l'héliosphère et fournit maintenant des données uniques du milieu interstellaire local.
L'un des principaux objectifs de la prévision météorologique spatiale est de prévoir correctement l'arrivée d'éjections de masse coronale - la libération de plasma et le champ magnétique qui l'accompagne de la couronne solaire - et de déterminer la direction du champ magnétique qu'elle entraîne. L'étude de l'équipe de Pogorelov sur les ions backstreaming aide à le faire, tout comme les travaux publiés dans Journal d'astrophysique en 2020 qui a utilisé un modèle magnétohydrodynamique basé sur un câble de flux pour prédire l'heure d'arrivée sur Terre et la configuration du champ magnétique du 12 juillet 2012 éjection de masse coronale. (La magnétohydrodynamique fait référence aux propriétés magnétiques et au comportement des fluides électriquement conducteurs comme le plasma, qui joue un rôle clé dans la dynamique de la météorologie spatiale).
"Il y a quinze ans, nous ne savions pas grand-chose sur le milieu interstellaire ou les propriétés du vent solaire, " a déclaré Pogorelov. "Nous avons tellement d'observations disponibles aujourd'hui, qui nous permettent de valider nos codes et de les fiabiliser beaucoup plus."
Pogorelov est co-investigateur sur un composant embarqué de la sonde solaire Parker appelé SWEAP (Solar Wind Electrons, protons, et instrument Alphas). A chaque orbite, la sonde s'approche du soleil, fournir de nouvelles informations sur les caractéristiques du vent solaire.
"Bientôt, il pénétrera au-delà de la sphère critique où le vent solaire devient magnétosonique ultra-rapide, et nous aurons des informations sur la physique de l'accélération et du transport du vent solaire que nous n'avions jamais auparavant, " il a dit.
Au fur et à mesure que la sonde et d'autres nouveaux outils d'observation deviennent disponibles, Pogorelov anticipe une multitude de nouvelles données qui peuvent informer et conduire le développement de nouveaux modèles pertinents pour les prévisions météorologiques spatiales. Pour cette raison, parallèlement à sa recherche fondamentale, Pogorelov développe un framework logiciel flexible, utilisable par différents groupes de recherche à travers le monde, et peut intégrer de nouvelles données d'observation.
"Sans aucun doute, dans les années à venir, la qualité des données de la photosphère et de la couronne solaire sera considérablement améliorée, à la fois en raison de nouvelles données disponibles et nouvelles, des façons plus sophistiquées de travailler avec les données, ", a-t-il déclaré. "Nous essayons de créer un logiciel de manière à ce que si un utilisateur propose de meilleures conditions aux limites à partir de nouvelles missions scientifiques, il leur sera plus facile d'intégrer ces informations. »
