Hava durumu tahminleri, günümüz dünyasında kritik bir öneme sahip. Kasırga sezonlarında meteorologlar, bu yıkıcı fırtınaların nasıl oluştuğunu ve nereye doğru ilerleyebileceğini öngörmek için bilgisayar simülasyonları kullanıyor. Bu sayede kıyı bölgelerindeki yerleşim yerleri olası zararlardan korunabiliyor.
Ancak konu Dünya'daki fırtınalar değil de uzay havası tahminleri olduğunda, bu tür simülasyonların karmaşıklığı artıyor.
Uzay havasını simüle etmek için Güneş'i, gezegenleri ve aralarındaki devasa boşluğu sanal bir ortamda, yani tüm hesaplamaların yapılacağı bir simülasyon kutusunda temsil etmek gerekiyor.
Uzay havası, Dünya'daki fırtınalardan oldukça farklıdır. Bu olaylar, Güneş'in yüzeyinden yayılan yüklü parçacık ve manyetik alan patlamalarından kaynaklanır.
Bu olayların en güçlüleri, saniyede yaklaşık 2.897 kilometre (1.800 mil) hızlara ulaşabilen "gezegenler arası koronal kütle atımları" (CME) olarak adlandırılır.
Tek bir CME'nin taşıdığı madde miktarı, tüm Büyük Göller'in kütlesine eşdeğer olabilir ve bu kütle, saniyeden kısa bir sürede New York'tan Los Angeles'a kadar bir mesafeyi kat edebilir.
Bu CME'ler Dünya'ya çarptığında, gökyüzünde muhteşem kutup ışıkları olarak beliren jeomanyetik fırtınalara neden olabilirler. Bu fırtınalar aynı zamanda elektrik şebekesindeki akışa müdahale ederek ve trafoların aşırı ısınıp arızalanmasına yol açarak kritik teknolojik altyapılara zarar verebilir.
Bu tür fırtınaların neden bu kadar büyük zararlara yol açtığını daha iyi anlamak için, bir araştırma ekibi bu fırtınaların Dünya'nın doğal manyetik kalkanıyla nasıl etkileşime girdiğini ve elektrik şebekelerini çökertebilecek tehlikeli jeomanyetik aktiviteyi nasıl tetiklediğini gösteren simülasyonlar oluşturdu.
Yapılan bir araştırmada, bu jeomanyetik fırtınaların kaynaklarından biri olan, Güneş'ten yayılan bir patlamadan kopan girdap benzeri küçük yapılar modellenmiştir. Bu girdaplara "akı ipleri" (flux ropes) denir ve uydular daha önce küçük akı iplerini gözlemlemiş olsa da, bu çalışma bunların nasıl oluştuğunu ortaya koymaya yardımcı olmuştur.
Zorluklar
Araştırma ekibi, uzay havası uzmanlarından birinin, herhangi bir Güneş patlamasının Dünya'ya çarpması öngörülmediği zamanlarda jeomanyetik fırtınalar meydana geldiğine dair gözlemlerdeki tutarsızlıkları fark etmesiyle bu araştırmaya başladı.
Uzay havası uzmanı, koronal kütle atımlarından daha küçük ve doğrudan Güneş patlamalarından kaynaklanmayan uzay havası olayları olup olamayacağını merak etti. Bu tür olayların Güneş atmosferinde değil, Güneş ve Dünya arasındaki uzayda oluşabileceğini öngördü.
Bu tür daha küçük uzay havası olaylarından biri, birbirine ip gibi sarılmış manyetik alan demetleri olan manyetik akı ipleridir. Bilgisayar simülasyonlarında bu tür yapıların tespiti, uzay havası olaylarının nerede oluşabileceğine dair ipuçları verebilir.
Uydu gözlemlerinin aksine, simülasyonlarda zamanı geri alabilir veya bir olayın nereden kaynaklandığını görmek için yukarı doğru takip edebilirsiniz.
Bu nedenle, bir diğer araştırmacı olan önde gelen bir simülasyon uzmanına başvuruldu. Ancak, daha küçük uzay havası olaylarını bulmanın, büyük bir Güneş patlamasını simüle etmek ve patlamanın Dünya'ya ulaşması için bilgisayar modelini yeterince uzun süre çalıştırmak kadar basit olmadığı ortaya çıktı.
Mevcut bilgisayar simülasyonları bu daha küçük olayları çözmek için tasarlanmamıştır. Bunun yerine, Dünya'daki altyapı üzerinde en büyük etkiye sahip oldukları için büyük Güneş patlamalarına odaklanacak şekilde tasarlanmışlardır.
Bu eksiklik oldukça hayal kırıklığı yarattı. Bu, yalnızca küresel hava durumu modellerini gösteren bir simülasyonla kasırgayı tahmin etmeye çalışmak gibiydi. Bu ölçekte bir kasırgayı göremeyeceğiniz için, onu tamamen kaçırırdınız.
Bu daha büyük ölçekli simülasyonlar "küresel simülasyonlar" olarak bilinir. Güneş patlamalarının Güneş'in yüzeyinde nasıl oluştuğunu ve uzayda nasıl seyahat ettiğini incelerler.
Bu simülasyonlar, her bir yüklü parçacığı bağımsız olarak modellemeye kıyasla hesaplama maliyetini azaltmak için uzayda yüzen yüklü parçacık ve manyetik alan akışlarını akışkanlar gibi ele alır. Bu, bir şişedeki suyun tek tek her molekülünü takip etmek yerine, suyun genel sıcaklığını ölçmeye benzer.
Bu simülasyonlar bu kadar geniş bir alanda gerçekleşen hesaplamalı fenomenler olduğundan, her detayı çözemezler. Güneş ile gezegenler arasındaki devasa uzayı karşılanabilir bir şekilde çözmek için araştırmacılar, uzayı büyük küplere ayırırlar; bu, bir kameradaki iki boyutlu piksellere benzetilebilir.
Simülasyonda, bu küplerin her biri 1,6 milyon kilometre (1 milyon mil) genişliğinde, yüksekliğinde ve derinliğinde bir alanı temsil eder. Bu mesafe, Dünya ile Güneş arasındaki mesafenin yaklaşık %1'ine denk gelir.
Arama Başlıyor
Aramamız, samanlıkta iğne aramaya benziyordu. Eski küresel simülasyonlara bakıyor, Güneş'in kendisinden yüzlerce kat daha geniş bir alanda, küçük ve geçici bir leke - bu da bir akı ipini işaret edecekti - arıyorduk.
İlk arayışımız sonuç vermedi.
Ardından odak noktamızı, Mayıs 2024'teki Güneş patlaması olayının simülasyonlarına kaydırdık. Bu sefer, özellikle Güneş patlamasının önündeki, "Güneş rüzgarı" adı verilen sakin bir yüklü parçacık ve manyetik alan akışıyla çarpıştığı bölgeye baktık.
Ve işte oradaydı: belirgin bir manyetik akı ipleri sistemi.
Ancak heyecanımız kısa sürdü. Bu akı iplerinin nereden geldiğini belirleyemiyorduk. Modellenen akı ipleri de çok küçüktü ve simülasyon ağımızla çözülemeyecek kadar küçüldükleri için sonunda yok olup gittiler.
Ancak ihtiyacımız olan ipucu buydu: Güneş patlamasının Güneş rüzgarıyla çarpıştığı yerde akı iplerinin varlığı.
Bu sorunu çözmek için bu boşluğu doldurmaya ve önceki küresel simülasyonlardan daha ince bir ağ boyutuna sahip bir bilgisayar modeli oluşturmaya karar verdik. Tüm simülasyon alanında çözünürlüğü artırmak maliyetli olacağından, simülasyon çözünürlüğünü yalnızca akı iplerinin yörüngesi boyunca artırmaya karar verdik.
Yeni simülasyonlar artık Dünya'nın 128.000 kilometrelik (8.000 mil) çapından altı kat daha büyük mesafelerden, on binlerce kilometreye kadar inen, önceki simülasyonlardan neredeyse 100 kat daha iyi özellikler çözebiliyordu.
Keşif Yapılıyor
Simülasyon ağını tasarlayıp test ettikten sonra, daha az hassas modelde bu akı iplerinin oluşumuna yol açan aynı Güneş patlamasını simüle etme zamanı gelmişti. Bu akı iplerinin oluşumunu, nasıl büyüdüklerini, şekil değiştirdiklerini ve muhtemelen Güneş ile Dünya arasındaki dar kama alanında nasıl sonlandıklarını incelemek istiyorduk.
Sonuçlar şaşırtıcıydı.
Yüksek çözünürlüklü görünüm, akı iplerinin, Güneş patlamasının önündeki daha yavaş Güneş rüzgarına çarpmasıyla oluştuğunu ortaya koydu. Yeni yapılar, beklediğimizden çok daha uzun süre devam eden inanılmaz bir karmaşıklık ve güce sahipti.
Meteorolojik terimlerle ifade etmek gerekirse, bu, bir kasırganın bir dizi kasırga doğurduğunu izlemeye benziyordu.
Bu girdaplardaki manyetik alanların, önemli bir jeomanyetik fırtınayı tetikleyebilecek ve Dünya üzerinde gerçek sorunlara yol açabilecek kadar güçlü olduğunu bulduk. Ancak en önemlisi, simülasyonlar, Güneş ve Dünya arasındaki uzayda yerel olarak oluşan uzay havası olaylarının gerçekten var olduğunu doğruladı.
Bir sonraki adımımız, Güneş rüzgarındaki bu kasırga benzeri yapıların gezegenimiz ve altyapımız üzerindeki etkilerini simüle etmek olacak.
Bu iki boyutlu simülasyon kutusu kesiti, Dünya'ya doğru hızla ilerleyen bir Güneş patlamasını gösteriyor. Patlama, önündeki daha yavaş olan Güneş rüzgarına çarpıyor ve bu da bir takımyıldız manyetik akı iplerinin oluşmasına neden oluyor.
Manyetik akı ipleri, simülasyon kutusunda adalar olarak görünür. Katı çizgiler manyetik alan çizgilerini temsil eder ve renk çubuğu yüklü parçacıkların sayısını gösterir. Akı ipleri, Güneş rüzgarında oluştuktan sonra Dünya'ya doğru hareket eder.
Video ayrıca, dört uydudan oluşan bir tetrahedron konfigürasyonu olan Uzay Havası Araştırma Cephesi uzay görevinin (SWIFT), Güneş rüzgarındaki bu yapıların oluşumunu ve büyümesini nasıl inceleyebileceğini de gösteriyor.
Bu akı iplerini simülasyonda bu kadar hızlı oluşup Dünya'ya doğru hareket ederken izlemek hem heyecan verici hem de endişe vericiydi. Gelecekteki aşırı uzay havası olayları için daha iyi planlama yapmamıza yardımcı olabilecek bir keşif olduğu için heyecan vericiydi. Aynı zamanda endişe vericiydi çünkü bu akı ipleri, günümüzdeki uzay havası monitörlerinde yalnızca küçük bir parazit olarak görünecekti.
Bu akı iplerini daha ayrıntılı olarak doğrudan görmek için birden fazla uyduya ihtiyacımız olacak, böylece bilim insanları gezegenimizi ne zaman, nasıl ve hangi yönde etkileyebileceklerini ve sonuçlarının ne olabileceğini daha güvenilir bir şekilde tahmin edebilirler.
İyi haber şu ki, bilim insanları ve mühendisler bu sorunu ele alabilecek yeni nesil uzay görevlerini geliştiriyor.
Mojtaba Akhavan-Tafti, Yardımcı Araştırma Bilimcisi, Michigan Üniversitesi ve Ward B. (Chip) Manchester, İklim ve Uzay Bilimleri Mühendisliği Araştırma Profesörü, Michigan Üniversitesi
Bu makale, Creative Commons lisansı altında The Conversation'dan yeniden yayımlanmıştır. Orijinal makaleyi okuyun.
