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  • 发明新型“太阳钟”可以量化预知:太阳活动极端太空天气的开关

    来自太阳的极端空间天气事件可能会对卫星、通信系统、配电和航空等系统造成重大影响。这些空间天气由太阳活动驱动,众所周知,太阳活动有一个不规则,但大约11年的周期。通过设计一种新的、规则的“太阳钟”,研究人员发现,太阳活动高峰期的开关相当准确,并且能够确定开关的时间。研究分析表明,虽然极端事件可能在任何时候发生,但在平静时间段发生的可能性要小得多。

    发明新型“太阳钟”可以量化预知:太阳活动极端太空天气的开关

    这样的太阳钟将帮助科学家更准确地确定太阳风暴风险最高的时间,并帮助规划空间天气对人类空间基础设施的影响,这一点很重要,因为随着太阳活动从目前的最低水平移动,下一次活动可能即将启动。由华威大学领导的一个研究小组发表在《地球物理研究快报》期刊上的“太阳钟”使用了自1818年以来每日太阳黑子数记录,将18个太阳周期的太阳活动映射为标准化的11年周期或“时钟”。

    发明新型“太阳钟”可以量化预知:太阳活动极端太空天气的开关

    其中没有两个太阳活动周期是相同的,但通过使用一种名为希尔伯特变换的数学技术,研究人员首次能够将太阳活动周期标准化。太阳钟显示太阳活动的静止期和活跃期之间的转换是尖锐的。一旦根据太阳黑子观测建造了时钟,可以用来命令对太阳活动和空间天气的观测。这些包括GOES卫星在X射线中看到的太阳耀斑发生,以及跟踪太阳日冕活动的F10.7太阳射电流量。这些都是地球上空间天气的驱动因素,最长记录是基于150多年前英国和澳大利亚磁场测量得出的AA指数。

    希尔伯特变换

    所有这些观测都显示出相同的活动开启和关闭时间。一旦从太阳钟获得过去的开关时间,就可以计算出太阳活跃或安静时极端事件的发生率。华威大学核聚变、空间和天体物理中心的主要作者桑德拉·查普曼教授说:科学家们一生都在努力阅读自然之书,有时我们创造了一种新的方法来转换数据,那些看似混乱和复杂的东西突然变得非常简单。在这种情况下,太阳钟方法第一次显示了清晰的‘开启’和‘关闭’时间,为太空天气划分了平静和活跃的间隔。

    发明新型“太阳钟”可以量化预知:太阳活动极端太空天气的开关

    任何时候都可能发生大事件,但更有可能发生在太阳活动高峰期附近。通过对观测结果进行干净的排序,研究发现,在地球150年的地磁活动中,只有几%的事件发生在这些太阳平静期的条件下。估计未来发生太阳超级风暴风险的能力,对于卫星、通信系统、配电和航空等对空间天气特别敏感的空间和陆基技术至关重要。如果有一个对太空天气敏感的系统,需要知道发生重大事件的可能性有多大,知道什么时候处于平静时期是很有用的。

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    因为它允许维护和其他活动,这些活动会让系统暂时变得更加脆弱。这项研究由国家大气研究中心的斯科特·麦金托什、马里兰大学的罗伯特·利蒙和美国宇航局戈达德太空飞行中心的罗伯特·利蒙以及华威大学和伦敦经济与政治学院的尼克·沃特金斯共同撰写。希尔伯特变换在整个科学界都是一项非常强大的技术,桑德拉在一个完全不同的项目上向推荐了这项技术(这真的是一系列偶然的事件)因为她在实验室聚变等离子体方面的研究。

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    当将其应用于太阳黑子时,发现它与在其他地方看到太阳活动的急剧启动有关,然后后看到了AA指数的关闭。研究人员预见:这项创新研究开启的大门,将导致对太阳活动有意义的气候学的发展,并由此带来更好的可预测性。

    博科园|研究/来自:华威大学

    研究发表期刊《地球物理研究快报》

    DOI: 10.1029/2020GL087795

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