 |
Leap forward towards understanding the spatio-temporal structure of the solar-cycle: 3D modelling
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128221 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Belucz, Bernadett |
| Title in Hungarian |
Előrelépés a napciklus térbeli szerkezetének és időbeli változásainak megértésében: 3D modellezés |
| Title in English |
Leap forward towards understanding the spatio-temporal structure of the solar-cycle: 3D modelling |
| Keywords in Hungarian |
aktív hosszúságok, 3D Babcock-Leighton fluxustranszport dinamó, sekély-víz tachoklína model, szoláris évszakok, űridőjárás |
| Keywords in English |
active longitudes, 3D Babcock-Leighton fluxtransport dynamo, shallow-water tachocline model, solar seasons, space weather |
| Discipline |
| Astronomy (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Astrophysics |
|
| Panel |
Physics |
| Department or equivalent |
Department of Astronomy (Eötvös Loránd University) |
| Participants |
Erdélyi, Róbert
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2022-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
15.807 |
| FTE (full time equivalent) |
6.95 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Nemrégiben bemutatták, hogy a tachoklina nemlineáris oszcillációi képesek szimulálni a szoláris évszakokat az űridőjárásban, azaz a szoláris aktivitás kvázi-periódikus kitörési fázisait, melyet csendes időszakok követnek. Az aktív régiók kitörései és a hozzájuk társuló szoláris változások gyakran több napforgás alatt fennmaradnak az aktív hosszúságokon, koronaanyag-kidobódásokat (CME-k) és flereket vagyis mágneses mezőt és a nagyenergiájú részecskéket indíthatnak, melyek kölcsönhatnak a Föld mágneses terével és végül szabályozzák az űridőjárást (Dikpati et al., 2017). Egyéb megfigyelések longitudinális mintákat mutattak ki a Nap globális mágneses terének szerkezetében, melyek a napciklussal együtt fejlődnek. Az űridőjárás előrejelzéséhez nagy jelentőséggel bír annak megértése, hogy a napdinamó miként hozza létre a Nap mágneses terét, és előrejelezheti a következő napciklusokat. Fő célkitűzések: (1) megvizsgáljuk a TNO-mintázatnak az gyenge, magyas szélességű toroidális mezők és a napfolt-termelő, alacsony szélességű mágneses kötegek együttélése miatt bekövetkező változásait; (2) szimuláljuk a feltörő aktív régiók elhelyezkedését, méretét, erősségét és az egyenlítőhöz mért dőlési szögének fejlődését, és tanulményozzuk a tachoklína zavarai által hajtott, felbukkanó aktív régiók idejét, helyét és új hullámok amplitúdóját; (3) felépítünk egy új és korszerű 3D-s Babcock-Leighton napdinamó modellt kiegészítve a sekély-víz tachoklínával, hogy megvizsgáljuk a tachoklína toroidális tereinek fejlődését, mely nagy valószínűséggel feltör a konvektív zónába, aktív régiókként megjelenik a felszínen és létrehozza a poloidális tereket.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A napaktivitás változásai geoeffektív CME-ket és flereket indíthatnak el, melyek kulcsszerepet játszanak az űridőjárásban. Az űridőjárás eseményei potenciális veszélyt jelentenek a technológiánkra, melyet csak akkor tudunk észlelni, ha CME-k és a flerek már bekövetkeztek a Napon. Ez nagyon kevés időt (gyakran 6-10 órát) biztosít nekünk, hogy lépjünk a potenciális katasztrófa megelőzésére (pl. lekapcsoljunk műholdakat, kommunikációs rendszereket). Az előrejelzési időnek ideális esetben 3-5 napnak kell lennie. Szükségünk van egy olyan módszerre, amely előrejelzi a jövőbeli kitörések idejét és erősségét, mielőtt azok a Napon megjelennek. Javaslom, hogy kísérjük figyelemmel a napfolt-termelő toroidális mezők dinamikáját, melyek létrehozzák az aktív régiókat jóval azelőtt, hogy megjelennének a felszínen. Ezen célok elérése érdekében, választ kell találnunk a következő kérdésekre: Hogyan befolyásolja a korábbi kitörési időszak lecsengése a következő szoláris évszak erősségét és idejét? A Nap északi-déli aszimmetriája elsősorban az alacsony szélességű vagy a magas szélességű mágneses kötegekből ered? A sekély-víz tachoklína modell kidudorodásai mennyire esnek egybe a napciklus rövid-időskálájú aktivitásának szélességi és hosszúsági elhelyezkedésével? A tachoklína kidudorodásának későbbi élettartama mennyire jól illeszkedik a felszíni mágneses jelenségek élettartamához? A mágneses aktivitás növekedése (csökkenése) a megfigyelt földrajzi szélességi helyeken jelennek meg? Pontosan hogyan keletkezik a poloidális mágneses tér a napdinamó folyamatában? Melyek azok a fő tulajdonságok, amelyek a mágneses mezők szerkezetének és evolúciójának a szempontjából szignifikánsak?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Korábban az űridőjárás és a napaktivitás előrejelzései alapvetően a napfoltciklusokra koncentráltak. A Nap szezonális időjárásmintái (McIntosh, 2015) újszerű megközelítést kínálnak arra, hogy az egyes napfoltciklusok helyett egyedülálló mágneses sávokra fektessük a hangsúlyt, megértsük a Nap aktivitási sávjainak kialakulását és fejlődését és jelentősen javítsuk az űridőjárásban és a napaktivitásban az előrejelzési képességet.
A 3D modellek fejlesztése az elmúlt évek egyik legfontosabb lépése a napciklusok vizsgálatában. A tachoklína modelleket csak két évtizede használják kutatásban (Dikpati & Gilman, 2001; Forgács-Dajka & Petrovay, 2002; Gilman & Dikpati, 2002; Cally, 2003; Miesch & Gilman, 2004; Brun & Zahn, 2006). Az egyik legismertebb ilyen modell a sekély-víz modell (Gilman, 2000; Gilman & Dikpati, 2002; Dikpati, 2012). A differenciális rotáció és a toroidális terek globális MHD sekély-víz instabilitásai a Nap tachoklínájában egy lehetséges mechanizmust biztosítanak az aktív hosszúságok kialakulására és fejlődésére (Dikpati & Gilman, 2005). A sekély-víz modellt használjuk az aktív régiók hosszúsági és szélességi helyzetének szimulálására, és megvizsgáljuk a feltörő aktív régiók erősségét és időbeli fejlődését. Ezenkívül megvizsgáljuk a TNO-mintázatnak a gyenge, magas szélességű toroidális mezők és a napfolt-termelő, alacsony szélességű mágneses kötegek együttélése miatt bekövetkező változásait.
A létrehozott tachoklína mágneses tereket és helicitást második alfa-effektusként fogjuk használni egy új és korszerű 3D Babcock-Leighton fluxus-transzport dinamó modellben, hogy tanulmányozzuk a globális mágneses tér szélességi és hosszúsági fejlődését és tisztább képet kapjunk a jövőbeli napciklusokról. 3D Babcock-Leighton napdinamó modelleket az utóbbi években fejlesztettek ugyan (Miesch & Dikpati, 2014; Passos et al., 2015), de ezekkel tudtommal nem végeztek előrejelzés. Modellünk egyedülálló a tekintetben, hogy tachoklína dinamikát tartalmaz és rendelkezhet előrejelzési képességgel a jövőbeli napciklusok tekintetében.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A Nap egy változó csillag, mely a Föld és a többi bolygó interplanetáris környezetének fizikai folyamatait irányítja. A Nap közel 11 éves, magas és alacsony aktivitású ciklusokon megy keresztül, mely megfigyelhető például a naplégkörben bekövetkező óriási robbanások számában. A nagy-skálájú mágneses tér periodikus regenerációja az eredete minden ciklikus jelenségnek, melyet összesítve napaktivitásnak nevezünk. Az aktív régiók rendkívül erős mágneses térrel rendelkező régiók és preferált hosszúságokon, ún. aktív hosszúságokon helyezkednek el. A napaktivitás, mint a flerek és a koronaanyag-kidobódások töltött részecskéi és mágneses terei rendszeresen befolyásolják a Nap plazmáját és a nagyenergiájú részecskepopulációit. Ezek kölcsönhatásba lépnek a Föld magnetoszférájával és zavarokat, geomágneses viharokat okoznak a felső légkörben. Ezt űridőjárásnak nevezzük. Az ilyen (nemkívánatos) események megzavarják az elektromos hálózatokat, sarki fényt és a távközlési fennakadásokat okoznak. Az űridőjárás hosszútávon befolyásolhatja a földi éghajlatot is, és komoly (leginkább káros) hatásai lehetnek a fejlett technológiákra, például a GPS-navigációra. A geoeffektív kitörési jelenségek gyakoriságában és elhelyezkedésében szezonális mintázatok jelennek meg, melyek több hónapos magas szintű kitöréseket mutatnak és ezeket csendes időszakok követnek. Hogy sikeresen szimuláljuk a hosszúsági, globális napciklus tulajdonságokat, mint a szoláris évszakokat vagy aktív hosszúságokat, a tachoklínát és a konvektív zónát felette 3D-ben kell modelleznünk. Egy 3D Babcock-Leighton napdinamó modell, amely tachoklína dinamikát is tartalmaz, újszerű, egyedi és korszerű.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Recently it has been demonstrated that the solar seasons in space weather, namely quasi-periodic bursty phase of solar activity followed by a quiet phase can be simulated by Tachocline Nonlinear Oscillations (TNOs). The bursts of active regions and associated solar variability often persist at active longitudes for several solar rotations, can initiate CMEs and flares so that magnetic fields and energetic particles, which interact with the terrestrial environment and eventually regulate space weather (Dikpati et al., 2017). Various other observations indicate patterns in longitude of the structure of the Sun's global magnetic fields, that evolve with solar cycle. For predicting space weather conditions, it is of great significance to understand how the solar dynamo generates solar magnetism and may to predict solar cycles in the forthcoming years. The main objectives of this project are to (1) explore how the TNO patterns change due to the coexistence of weak high-latitude toroidal fields along with spot-producing low-latitude magnetic bands; (2) simulate the evolution of longitude and latitude location, size, strength and tilt of emerged active regions, and study the timing, location and amplitude of new surges of active region flux emergence as a result of tachocline induced disturbances; (3) build a novel and state-of-the-art 3D Babcock-Leighton Advanced dynamo model with Shallow-water Tachocline approximation to study the evolution of the tachocline toroidal fields. These are most likely to be injected into the convection zone and rise to the surface as active regions and generate the poloidal magnetic field in the convection zone.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The variability of solar activity can initiate geoeffective CMEs and flares what have key roles in the space weather. Space weather events are potential hazards to our technology society observed only after CMEs and flares have been occurred at the Sun. Therefore, this leaves us far little time (often 6-10 hrs) to respond appropriately to prevent potential disaster (e.g. shut down satellites or communication systems). Forecasting time, ideally, should be of the order of 3-5 days. A process is needed to forecast the timing and strength of future bursts before they are seen on the Sun. We propose to demonstrate that this can be achieved by monitoring the dynamics of spot-producing toroidal magnetic field systems that generate active regions long before they actually emerge. To reach this purposes, we need to find answers to questions as: How the strength of the ending burst affect the strength and the timing of the new season? Does the north-south asymmetry in the Sun's season arise primarily from the low-latitude or high-latitude magnetic bands? How well can the upward bulging of shallow-water tachocline model be matched with the longitude-latitude location of short time-scale bursts of activity within a solar cycle? Does the subsequent lifetime of such a bulge of tachocline-fluid match well with the life-time of the surface magnetic features? Does the increase (decrease) in observed magnetic activity at correct latitude-longitude locations? How exactly is the poloidal magnetic field generated during the solar dynamo process? What are the main properties that could be signatures of structure and evolution of magnetic fields and features of solar cycle?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Previously, forecast capability of space weather and solar activity has focused singular sunspot cycles. The Sun's seasonal weather patterns (McIntosh et al., 2015) offer a novel approach to change the focus from a singular sunspot cycle to the individual magnetic bands to understand the formation and evolution of the Sun's activity bands and improve forecast capability in space weather and solar activity significantly.
The development of 3D models is one of the major steps forward in simulating solar cycle. Tachocline models have been used in research for two decades (Dikpati & Gilman, 2001; Forgács-Dajka & Petrovay, 2002; Gilman & Dikpati, 2002; Cally, 2003; Miesch & Gilman, 2004; Brun & Zahn, 2006). One of the most well-known is the shallow-water model (Gilman, 2000; Gilman & Dikpati, 2002; Dikpati, 2012). The global MHD shallow-water instability of differential rotation and toroidal field bands in the solar tachocline provide a possible mechanism for the formation and evolution of active longitudes (Dikpati & Gilman, 2005). We want to use a shallow-water model to simulate the evolution of longitude and latitude locations of active regions, and study the timing and amplitude of active region flux emergence. In addition, explore how the TNO patterns change due to the coexistence of weak high-latitude toroidal fields along with spot-producing low-latitude magnetic bands.
We will use the inducted tachocline magnetic fields and helicity as the second alpha-effect in novel and state-of-the-art 3D Babcock-Leighton flux-transport dynamo model to study the latitudinal and longitudinal development of global solar magnetic field and receive a clearer picture of future solar cycles. 3D Babcock-Leighton solar dynamo models have been built (Miesch & Dikpati, 2014; Passos et al., 2015) in last few years, but to knowledge, there does not exist forecast of future solar cycles using a 3D model. Our model is unique to include tachocline dynamics and may create a forecast future solar cycles.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The Sun is a variable star that drives the physical processes in the interplanetary space environment of the Earth and other planets. The Sun goes through nearly 11-year cycles of high and low activity levels that appear visually, e.g. in the number of giant explosions in the solar atmosphere. The periodic regeneration of the large-scale magnetic field is the root of all cyclic phenomena, known as solar activity. Active regions are where an especially strong magnetic field is located preferred longitude intervals, called active longitudes. Solar activities, like solar flares or coronal mass ejections, affect regularly to the Sun's plasma and its energetic particle populations in the form of electrically charged particles and magnetic fields. These interact with the Earth's magnetosphere that manifests in disturbances of the upper atmosphere causing e.g. geomagnetic storms known space weather. Such (unwanted) events affect disrupting electric power grids, auroral events and serious shortages in telecommunication. Space weather may also influence the long-term climate trends on Earth and may have further serious effects (most in the form of damages) on our advanced technologies, like GPS navigation. In the frequency of geoeffective eruptive events and in their locations are shown seasonal patterns, which include high level of bursts for several months, followed by quiet periods. Successfully simulate the longitude-averaged global solar cycle features, like solar seasons and active longitudes, we need to model the tachocline and above the convection zone in 3D. 3D Babcock-Leighton dynamo model including tachocline dynamics is novel, unique and state-of-the-art.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
