Prediciendo tormentas solares

Extractado de Earth-Sky

El científico investigador Gabor Toth de la Universidad de Michigan quiere poder predecir grandes tormentas solares. 

Los científicos están utilizando métodos de aprendizaje automático para predecir tormentas solares. En el diagrama blanco de arriba, el aumento en la probabilidad se puede ver 19,6 horas antes de que se produzca una llamarada de clase M (línea amarilla discontinua). Imagen a través de Yang Chen (U. de Michigan) / NASA (fondo) / Eos. Usado con permiso.

Él y su equipo quieren utilizar estas predicciones para proteger a la Tierra de un evento meteorológico espacial potencialmente desastroso. 

En un comunicado emitido el 11 de agosto de 2021, comentó:

Solo hay dos desastres naturales que podrían afectar a todo EE. UU. Uno es una pandemia. Y el otro es un evento de clima espacial extremo.

El clima espacial extremo podría ser un desastre para toda la sociedad humana. Tal evento se derivaría de una poderosa tormenta en el sol. No nos haría daño en la Tierra directamente; nuestra atmósfera protege nuestros cuerpos de tal daño. Pero las capas superiores de la atmósfera de la Tierra, y la magnetosfera de la Tierra, podrían verse afectadas.

Una poderosa llamarada solar tiene el potencial de freír la electrónica y acabar con las redes eléctricas de todo el mundo. Afortunadamente, no hemos tenido un evento meteorológico espacial verdaderamente importante desde 1859. ¿Quizás hayas oído hablar de lo que se llama el Evento Carrington de 1859? Provino de una poderosa tormenta solar que azotó la Tierra con plasma solar. Frió los cables del telégrafo y produjo auroras tan brillantes alrededor del mundo que los pájaros tomaron vuelo, pensando que era la luz del amanecer.

Las tecnologías modernas (como el telégrafo) eran escasas en 1859. Pero una tormenta solar actual, de la misma magnitud que el Evento Carrington, tendría consecuencias mucho mayores. Nuestro mundo ahora está repleto de tecnología. En un Evento Carrington de hoy en día, la electrónica y las redes eléctricas se quemarían, los sistemas de posicionamiento global se interrumpirían, además de afectar a los astronautas y viajeros aéreos a gran altitud. Toth dijo:

Tenemos todos estos activos tecnológicos que están en riesgo. Si un evento extremo como el de 1859 volviera a ocurrir, destruiría por completo la red eléctrica y los sistemas de comunicaciones y satélites. Hay mucho más en juego.

Es por eso que Toth y su equipo quieren encontrar una manera de tener más alertas avanzadas, para predecir una gran llamarada solar. Los modelos de computadora actuales proporcionan solo unos 30 minutos de advertencia avanzada de un gran destello. El equipo quiere extender ese plazo de entrega hasta tres días.

 

Esta es una simulación de la magnetosfera de la Tierra, es decir, la región protectora que nos rodea que es creada por el magnetismo interno de nuestro planeta. Muestra la Tierra (dentro del círculo negro) y sus líneas de campo magnético (en blanco). El rectángulo azul es el área utilizada por el programa Space Weather with Quantified Uncertainties para el modelado de predicción de tormentas solares. Imagen a través de la Universidad de Texas.

"Incertidumbres cuantificadas"

Toth y su equipo trabajan dentro del programa Space Weather with Quantified Uncertainties, financiado por la National Science Foundation (NSF) y la NASA. El programa incluye equipos de investigación de múltiples disciplinas que intentan crear mejores modelos informáticos para la predicción del clima espacial.

Como dijo Vyacheslav Lukin de NSF:

La necesidad ha sido reconocida desde hace algún tiempo, y la cartera de seis proyectos, entre ellos el de Gabor Toth, involucra no solo a los principales grupos universitarios, sino también a los Centros de la NASA, los Laboratorios Nacionales del Departamento de Defensa y el Departamento de Energía, así como al sector privado.

Mejora de modelos para predecir tormentas solares

La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) emite actualmente un pronóstico del tiempo espacial. Ese pronóstico se crea a través de un modelo que Toth ayudó a desarrollar. La NOAA comenzó a utilizar un modelo actualizado de predicción del clima espacial, llamado Geospace Model Version 2.0, a principios de este año. Toth y su equipo también participaron en esa actualización. Comentó:

Mejoramos constantemente nuestros modelos. El principal cambio en la versión 2 fue el refinamiento de la cuadrícula numérica en la magnetosfera, varias mejoras en los algoritmos y una recalibración de los parámetros empíricos.

Modelo geoespace 2.0

El modelo geoespacial del equipo se centra en el entorno magnético y de plasma alrededor de la Tierra, su magnetohidrodinámica. Estos son los elementos que juegan un papel clave en el clima espacial en las cercanías de la Tierra. El modelo predice perturbaciones magnéticas que afectarían a sistemas importantes de la Tierra, como las redes eléctricas. Estas predicciones pueden permitir una advertencia avanzada a los operadores de la red eléctrica y a otras personas en posiciones similares para mitigar el problema.

Esta es una simulación de una eyección de masa coronal real que tuvo lugar el 10 de septiembre de 2014. Las características grises del sol muestran cómo varía su campo magnético radial. La enorme eyección que emana de su derecha se muestra solo mediante líneas de campo magnético. Estos han sido coloreados por velocidad, donde el azul, cerca del sol, se mueve lento y el rojo se mueve más rápido. Imagen a través de la Universidad de Texas / Gabor Toth / Universidad de Michigan.

 
Para proporcionar un tiempo de espera tan largo como el previsto por Toth y su equipo, un tiempo de espera de tres días, será necesario que los científicos controlen lo que está sucediendo en la superficie solar antes de que las eyecciones hayan salido del sol.

Actualmente estamos usando datos de un satélite que mide los parámetros del plasma a un millón y medio de km. de la Tierra.

A los científicos les gustaría realizar observaciones remotas de las eyecciones de masa coronal del sol, que producen enormes explosiones de materia en forma de llamaradas que son visibles en los rayos X y la luz ultravioleta. Eso sucede temprano en el sol. Desde ese punto, podemos ejecutar un modelo y predecir la hora de llegada y el impacto de los eventos magnéticos.

Algoritmos más rápidos para pronósticos más rápidos

Un paso importante para lograr todo esto será que los científicos creen algoritmos nuevos y más rápidos. Toth usa la supercomputadora Frontera en el Centro de Computación Avanzada de Texas. Se dice que la supercomputadora Frontera es el sistema académico más rápido del mundo.

Una mejora algorítmica que hicieron Toth y su equipo fue combinar los aspectos cinéticos y fluidos de los plasmas en un modelo de simulación. Esto puede aumentar la velocidad del modelo de clima espacial de 10 a 100 veces. Toth explicó:

La gente lo intentó antes y fracasó. Pero lo hicimos funcionar. Vamos un millón de veces más rápido que las simulaciones de fuerza bruta, al inventar aproximaciones y algoritmos inteligentes.

Creación de pronósticos meteorológicos espaciales locales

El equipo de Toth ha podido ejecutar el modelo geoespacial completo más rápido que en tiempo real en una sola unidad de procesamiento gráfico, que es de lo que dependerán las futuras supercomputadoras. Para ejecutar su modelo a esa velocidad en una supercomputadora tradicional, se necesitarían al menos 100 núcleos de CPU. Toth dijo:

Se necesitó todo un año de desarrollo de código para que esto sucediera. El objetivo es ejecutar un conjunto de simulaciones de manera rápida y eficiente para proporcionar un pronóstico meteorológico espacial probabilístico.

Este pronóstico, ayudará a los científicos a localizar predicciones en pequeñas regiones de la Tierra y responder a preguntas específicas.

¿Deberíamos preocuparnos en Michigan o solo en Canadá? ¿Cuál es la corriente máxima inducida que experimentarán los transformadores particulares? ¿Cuánto tiempo se deben apagar los generadores?

Para hacer esto con precisión, necesitamos un modelo en el que se crea. Independientemente de lo que se prediga, siempre hay algo de incertidumbre. Queremos dar predicciones con probabilidades precisas, similares a las previsiones meteorológicas terrestres.

Se necesitarán miles de simulaciones en los próximos años para lograr estos objetivos. Pero es de esperar que el futuro de la predicción precisa del tiempo solar llegue... antes de que lo haga la próxima tormenta espacial.

En pocas palabras: para protegernos del clima espacial, los científicos están creando mejores modelos informáticos para predecir rápidamente cuándo y dónde golpeará la Tierra una tormenta.