Prédire les tempêtes solaires pour protéger la Terre

Prédiction des tempêtes solaires : image jaune orangé du soleil avec une éruption, avec un graphique blanc superposé.

Les scientifiques utilisentapprentissage automatiqueméthodes de prévision des tempêtes solaires. Dans le diagramme blanc ci-dessus, l'augmentation de la probabilité peut être observée 19,6 heures avant qu'une éruption de classe M (ligne jaune pointillée) n'ait lieu. Image via Yang Chen (U. du Michigan)/ NASA (arrière-plan)/Éos. Utilisé avec autorisation.

Prédire les tempêtes solaires

ChercheurGabor Tothà l'Université du Michigan veut pouvoir prédire de grandes tempêtes solaires. Lui et son équipe veulent utiliser ces prédictions pour protéger la Terre d'une catastrophe potentiellementmétéo spatialeun événement. Dans undéclarationsorti le 11 août 2021, il a commenté :

Il n'y a que deuxNaturelcatastrophes qui pourraient avoir un impact sur l'ensemble des États-Unis est une pandémie. Et l'autre est un événement météorologique spatial extrême.

La météo spatiale extrême pourrait être une catastrophe, non seulement pour ceux d'entre nous aux États-Unis, mais pour toute la société humaine. Un tel événement proviendrait d'une puissante tempête sur le soleil. Cela ne nous ferait pas de mal sur Terre directement ; notre atmosphère protège notre corps humain de tels dommages. Mais les couches supérieures de l'atmosphère terrestre - et la magnétosphère terrestre - pourraient être affectées. Une puissante éruption solaire a le potentiel de faire frire l'électronique et de détruire les réseaux électriques du monde entier. Heureusement, nous n'avons pas vraiment eu deMajeurévénement météorologique spatial depuis 1859. Peut-être avez-vous entendu parler de ce qu'on appelle le 1859Événement Carrington? Il provient d'une puissante tempête solaire qui a explosé la Terre avec du plasma solaire. Il a fait frire les fils télégraphiques et produit des aurores si brillantes dans le monde entier que les oiseaux ont pris leur envol, pensant que la lumière des aurores était la lumière du jour.

Les technologies modernes (comme le télégraphe) étaient rares en 1859. Mais une tempête solaire aujourd'hui, de la même ampleur que la tempête Carrington Event, aurait des conséquences bien plus graves. Notre monde est maintenant bourré de technologie. Dans un événement Carrington des temps modernes, l'électronique et les réseaux électriques seraient grillés, les systèmes de positionnement global seraient perturbés et les astronautes et les voyageurs aériens à haute altitude seraient touchés par des rafales de rayonnement solaire. Toth a dit :

Nous avons tous ces atouts technologiques qui sont à risque. Si un événement extrême comme celui de 1859 se reproduisait, il détruirait complètement le réseau électrique, les satellites et les systèmes de communication. Les enjeux sont bien plus élevés.

C'est pourquoi Toth et son équipe veulent trouver un moyen d'avoir un réchauffement plus avancé qu'une grande éruption solaire est sur le point de se produire. Les modèles informatiques actuels ne fournissent qu'environ 30 minutes d'avertissement avancé d'une grande éruption. L'équipe de Toth souhaite prolonger ce délai jusqu'à trois jours.



Cercle noir avec des lignes arquées blanches provenant des pôles et une bande de couleur arc-en-ciel à droite.

Il s'agit d'une simulation deLa magnétosphère terrestre, c'est-à-dire la région protectrice qui nous entoure et qui est créée par le magnétisme interne de notre planète. Il montre la Terre (à l'intérieur du cercle noir) et seslignes de champ magnétique(en blanc). Le rectangle bleu est la zone utilisée par le programme Space Weather with Quantified Uncertainties pour la modélisation de la prévision des tempêtes solaires. Image viaUniversité du Texas.

« Incertitudes quantifiées »

Toth et son équipe travaillent au sein duMétéo spatiale avec incertitudes quantifiéesprogramme, financé par la National Science Foundation (NSF) et la NASA. Le programme comprend des équipes de recherche de plusieurs disciplines qui tentent de créer de meilleuresmodèles informatiquespour la prévision météorologique spatiale. CommeViatcheslav Loukinede la NSF a déclaré :

Le besoin est reconnu depuis un certain temps, et le portefeuille de six projets, dont celui de Gabor Toth, engage non seulement les principaux groupes universitaires, mais aussi les centres de la NASA, les laboratoires nationaux du ministère de la Défense et de l'Énergie, ainsi que le secteur privé. .

Améliorer les modèles de prévision des tempêtes solaires

La National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)publie actuellement une prévision météorologique spatiale. Cette prévision est créée via unmaquetteque Toth a contribué à développer. La NOAA a commencé à utiliser un modèle de prévision météorologique spatial mis à jour – appeléModèle géospatial version 2.0- plus tôt cette année. Et Toth et son équipe ont également participé à cette mise à jour. Il a commenté :

Nous améliorons constamment nos modèles. Le principal changement de la version 2 était le raffinement de la grille numérique dans la magnétosphère, plusieurs améliorations des algorithmes et un recalibrage des paramètres empiriques.

Homme en pantalon et chemise à manches longues assis sur un mur de pierre à la lumière du coucher du soleil.

Gabor Toth de l'Université du Michigan était l'un des développeurs d'un modèle informatique actuellement utilisé parCentre de prévision météorologique spatiale de la NOAApour prévoir les tempêtes solaires. Image viaUniversité du Texas.

Modèle géospatial 2.0

Le modèle géospatial de l'équipe se concentre sur lamagnétiqueet l'environnement plasma autour de la Terre, sesmagnétohydrodynamique. Ce sont les éléments qui jouent un rôle clé dans la météorologie spatiale au voisinage de la Terre. Le modèle prédit des perturbations magnétiques qui auraient un impact sur des systèmes importants sur Terre, tels que les réseaux électriques. Ces prédictions peuvent permettre d'alerter à l'avance les opérateurs de réseau électrique et d'autres dans des positions similaires pour atténuer le problème.

Pour fournir un délai aussi long que celui envisagé par Toth et son équipe – un délai de trois jours –, les scientifiques devront surveiller ce qui se passe à la surface solaire avant même que les éjections aient quitté le soleil. Toth a dit :

Nous utilisons actuellement les données d'un satellite mesurant les paramètres du plasma à 1 million de kilomètres de la Terre.

Les scientifiques aimeraient faire des observations à distance du soleiléjections de masse coronale, qui produisent d'énormesexplosions semblables à des fusées éclairantesde matière visible aux rayons X et aux UV. Toth a expliqué :

Cela se produit tôt le soleil. À partir de là, nous pouvons exécuter un modèle et prédire l'heure d'arrivée et l'impact des événements magnétiques.

Des algorithmes plus rapides pour des prévisions plus rapides

Une étape importante pour accomplir tout cela sera pour les scientifiques de créer de nouvelles et plus rapidesalgorithmes. Toth utilise leFrontière des superordinateursauCentre de calcul avancé du Texas. Le supercalculateur Frontera serait le système universitaire le plus rapide au monde.

Une amélioration algorithmique que Toth et son équipe ont apportée consistait à combiner les aspects cinétique et fluide des plasmas dans un modèle de simulation. Cela peut augmenter de 10 à 100 fois la vitesse des modèles de météo spatiale. Toth a expliqué :

Les gens l'ont essayé avant et ont échoué. Mais nous l'avons fait fonctionner. Nous allons un million de fois plus vite que les simulations par force brute en inventant des approximations et des algorithmes intelligents.

Boule grise avec des taches sombres et claires, fond vert, lignes courbes en arc vers l

Il s'agit d'une simulation d'une éjection de masse coronale réelle qui a eu lieu le 10 septembre 2014. Les traits gris sur le soleil montrent comment son champ magnétique radial varie. L'énorme éjection émanant de sa droite est représentée par les seules lignes de champ magnétique. Ceux-ci ont été colorés par la vitesse, où le bleu, près du soleil, se déplace lentement et le rouge se déplace le plus rapidement. Image viaUniversité du Texas/ Gabor Toth/ Université du Michigan.

Création de prévisions météorologiques spatiales locales

L'équipe de Toth a pu exécuter le modèle Geospace complet plus rapidement qu'en temps réel sur une seule unité de traitement graphique, ce sur quoi les futurs supercalculateurs s'appuieront. Pour exécuter leur modèle à cette vitesse sur un supercalculateur traditionnel, il faudrait au moins 100Cœurs de processeur. Toth a dit :

Il a fallu une année entière de développement de code pour que cela se produise. L'objectif est d'exécuter un ensemble de simulations rapidement et efficacement pour fournir une prévision météorologique spatiale probabiliste.

Prévision probabilisteaidera les scientifiques à localiser les prédictions dans de petites régions de la Terre et à répondre à des questions spécifiques. Toth a expliqué :

Doit-on s'inquiéter au Michigan ou seulement au Canada ? Quel est le courant induit maximal que les transformateurs particuliers connaîtront ? Combien de temps les générateurs devront-ils être éteints ? Pour le faire avec précision, vous avez besoin d'un modèle auquel vous croyez. Quoi que nous prédisions, il y a toujours une certaine incertitude. Nous voulons donner des prévisions avec des probabilités précises, similaires aux prévisions météorologiques terrestres.

Il faudra des milliers de simulations au cours des prochaines années pour atteindre ces objectifs. Mais j'espère que l'avenir de la prévision météorologique solaire précise arrivera… avant la prochaine tempête.

Conclusion : Pour nous protéger de la météo spatiale, les scientifiques créent de meilleurs modèles informatiques pour prédire rapidement quand et où une tempête frappera la Terre.

Source (2021) : Le cadre de modélisation de la météo spatiale passe en libre accès

Source (2012) : Algorithmes numériques adaptatifs dans la modélisation de la météo spatiale

Via l'Université du Texas

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