Astrofysikere ved Universitetet i Oslo har utviklet en matematisk modell som langt p? vei forklarer hvorfor det ytterste laget av solatmosf?ren, koronaen, er en million grader varmere enn overflaten p? solen. Det er ikke mulig ? forklare denne temperaturforskjellen uten ? forst? hva som foreg?r i hele atmosf?ren.
– Dette er sv?rt hot forskning. Mange pr?ver ? l?se dette, men vi er fortsatt lengst fremme i verden i ? lage matematiske modeller av solatmosf?ren. Modellene v?re viser at det er langt st?rre variasjoner i solatmosf?ren enn tidligere antatt. Ved ? lage modeller av hvordan magnetfelt og gass kobles sammen, kan vi bedre forst? hvordan soleksplosjoner og solstormer blir til, forteller professor Mats Carlsson p? Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo.
Lammende solstormer
Solstormer er ingen sp?k. De kan lamme elektriske anlegg p? jorda. De to solstormene i 1859 og 1921 hadde v?rt katastrofale om de hadde skjedd i dag. Elektrisitetssystemet kan sl?s ut p? sv?rt kort tid.
Dagens solstormvarsler er basert p? statistiske analyser om hvordan solflekker ser ut.
– Dette er som ? sp? v?ret uten meteorologiske ligninger. Hvis det er sol i dag, er sannsynligheten stor for at det ogs? er sol i morgen. Men uten avanserte, matematiske modeller kan ikke meteorologene varsle ekstremv?r.
Slik er det ogs? med solstormvarsling. Den dagen astrofysikere kan beskrive alt som skjer i solatmosf?ren med en matematisk modell, kan det danne grunnlaget for langt bedre romv?rvarsler.
VARMEN P? SOLEN: Datasimuleringer viser at temperaturen er 6000 grader ved solens overflate (gr?nn) og en million grader i koronaen, som er det ytterste laget i solatmosf?ren (svart). De r?de linjene er magnetfeltene.
Eksperimenterer med solen
Ettersom det ikke er mulig ? eksperimentere direkte med solen, kan forskerne bruke den matematiske modellen til ? studere hva som skjer n?r de endrer p? parametrene, slik som hvordan magnetfeltet ser ut.
De kan da endre p? parametrene helt til de har f?tt en modell som gir de samme svarene som solobservasjonene.
De matematiske ligningene ligner p? dem som meteorologene bruker til ? studere jordatmosf?ren. Atmosf?rer best?r av gass. Gass kan presses sammen. Etter at gassen er presset sammen, utvider den seg og presser vekk gassen ved siden av seg. Da f?r man en trykkb?lge. En trykkb?lge er det samme som en lydb?lge.
Hastigheten p? lydb?lgen er avhengig av temperatur og gasstype. Men selv om lyden p? solen g?r fortere enn p? jorda, er de matematiske ligningene for solatmosf?ren stort sett de samme som for jordatmosf?ren.
Mange av ligningene er derfor kjent for numerikere. Numerikere lager dataprogrammer som l?ser de matematiske ligningene med datamaskiner.
Kokende, elektronfrie atomer
Det spesielle med solen er de vanvittig h?ye temperaturene. Jorda har andre gasstyper enn solen. Mens jordatmosf?ren best?r av molekyler, fins det nesten ingen molekyler p? solen. Det er s? varmt at elektronene blir sl?tt ut av atomene. Da blir atomene ladde. Det kalles ioner.
En annen stor forskjell fra jorda er det sterke magnetfeltet. Kombinasjonen av gassbevegelser og et sterkt magnetfelt kan f?re til voldsomme soleksplosjoner.
For ? studere solen, m? man spre sollyset ut i de forskjellige b?lgelengdene som lyset best?r av. Tenk p? regnbuen! Denne spredningen kalles for solens spekter. Spekteret f?r m?rke streker n?r atomer i solatmosf?ren f?r tilf?rt energi fra sollyset og havner i et annet energiniv?. Strekene er m?rke fordi atomer, avhengig av gassen, absorberer lyset ved bestemte b?lgelengder. De m?rke strekene kalles spektrallinjer.
– Spektrallinjene blir som et fingeravtrykk av gassen.
Ved ? studere spektrallinjene kan astronomene studere hvordan gassen beveger seg. Spektrallinjene blir r?dere om gassen beveger seg fra oss og bl?ere n?r den n?rmer seg.
I den matematiske modellen kan astrofysikerne studere hvordan spektrallinjene beveger seg og hvor mye energi de forskjellige lysb?lgene har.
Avviste teori
Astrofysikerne oppdaget allerede p? 40-tallet en del spektrallinjer i solspekteret som bare kunne dannes hvis temperaturen var over en million grader. De trakk derfor konklusjonen at solens korona m?tte v?re s? varm.
– Den f?rste teorien v?r var at lydb?lger varmer opp kromosf?ren, alts? den delen av solatmosf?ren som ligger nedenfor koronaen. Men den matematiske modellen v?r viser klart at oppvarmingen ikke kan forklares med lydb?lger.
Dette er blitt vist i en doktorgrad ved UiO. Resultatene havnet i Nature. Astrofysikerne klarer heller ikke ? forklare oppvarmingen med str?lingen
fra solen.
– Da m?tte det v?re noe annet som frakter opp varmen og dumper den lenger ute i atmosf?ren.
Magnetfelt
Astrofysikerne ved UiO har lenge hatt en hovedteori om at det er solens magnetfelt som frakter energien opp i de h?yere lagene i solatmosf?ren, men hvordan dette skjer og hvordan energien gj?res om til varme i koronaen, er uklart.
Magnetfeltet kan fungere p? flere m?ter. Den ene muligheten er at magnetfeltet flyttes langsomt av gassbevegelser i den nedre delen av solatmosf?ren. Den andre muligheten er at energien fraktes opp ved at magnetfeltet rister, trykkes sammen eller vris p? forskjellige m?ter.
De matematiske modellene viser at begge deler er mulig, men det er fortsatt uklart hvilken beskrivelse som er den riktigste.
– Ved ? sammenligne nye observasjoner med modeller som har bedre oppl?sning, h?per vi ? finne det endelige svaret p? hvorfor kromosf?ren og koronaen i solen varmes opp. N?r vi forst?r hvordan de ulike elementene i solatmosf?ren henger sammen, kan vi f? langt bedre romv?rvarsler.
Gigatunge beregninger
De matematiske beregningene av hvordan solen fungerer, er formidable. For ? l?se dem har astrofysikerne de siste seks m?nedene brukt 24 millioner timer datamaskinkraft. Det er det samme som ? skulle regne p? 5600 PC-er d?gnet rundt et halvt ?r.
Den matematiske modellen har omtrent den samme oppl?sningen som bildeoppl?sningen fra solteleskoper, det vil si at hvert punkt dekker vel 70 kilometer.
Hvis forskerne skal doble oppl?sningen, m? de ha ?tte ganger s? mange punkter. Samtidig m? tidsintervallene i simuleringene halveres. Det betyr: En dobling av oppl?sningen krever 16 ganger mer regneressurser. Hvert tidsspenn genererer 20 GB data. En kj?ring med 360 tidsspenn genererer 7 TB data. Det tar derfor tid ? se igjennom s? store datamengder.
– Hvordan unng?r dere programmeringsfeil?
– Vi tester modellen med standardproblemer der l?sningen er kjent. Vi kan da bruke disse eksemplene til ? sjekke om modellen er riktig. Men ellers er det vanskelig, forteller Mats Carlsson, som ble tildelt ?rets forskningspris fra UiO for solforskningen sin.