W 2012 roku możemy być świadkami wielkich rozbłysków. Słońce będzie się zbliżało do szczytu swojego 11-letniego cyklu, zwanego „maksimum słonecznym”, możemy więc spodziewać się jego wzmożonej aktywności. Niektóre z przewidywań głoszą, że aktywność Słońca w maksimum 24 cyklu może być jeszcze większa, niż obserwowana podczas ostatniego maksimum słonecznego w latach 2002-2003 (czy pamiętacie rekordowe rozbłyski klasy X?). Heliofizycy już teraz z zainteresowaniem myślą o tym nowym cyklu i nowych metodach przewidywań jakie wprowadzono. Czy mamy się jednak czego obawiać?

Autor: Ian O'Neill. Tłumaczenie: dr I. Wytrzyszczak i dr P. A. Dybczyński

Wśród wielu, naprędce przygotowywanych scenariuszy zagłady jeden, dotyczący końca świata w 2012 roku, a bazujący na przepowiedni Majów, oparty jest na pewnych wynikach naukowych. Co więcej, istnieje pewna korelacja między 11-letnim cyklem słonecznym, a okresami czasu używanymi w kalendarzu Majów. Czyżby ta antyczna cywilizacja rozumiała w jaki sposób pole magnetyczne Słońca doznaje zmiany polaryzacji co mniej więcej dziesięć lat? Na dodatek teksty religijne (takie jak Biblia) mówią, że ma nadejść dzień sądu, związany z ogniem i siarką. Tak więc mogłoby się wydawać, że 21 grudnia 2012 roku mielibyśmy być żywcem upieczeni przez naszą najbliższą gwiazdę!

Zanim przejdziemy do wniosków, zróbmy krok w tył i przemyślmy to wszystko. Jak większość różnorodnych scenariuszy Końca Świata w 2012 roku, możliwość potężnego, niszczącego Ziemię, rozbłysku słonecznego jest bardzo atrakcyjna dla jego głosicieli. Spójrzmy jednak na to, co rzeczywiście dzieje się podczas skierowanego ku Ziemi rozbłysku słonecznego: Ziemia jest bardzo dobrze chroniona. Choć niektóre z jej satelitów niekoniecznie…

Nasza planeta znajduje się w wysoce radioaktywnym otoczeniu. Słońce nieustannie wysyła ze swojej zdominowanej polem magnetycznym powierzchni wysokoenergetyczne cząstki, tzw. wiatr słoneczny. W czasie maksimum słonecznego (gdy Słonce jest najbardziej aktywne) Ziemia może mieć pecha, otrzymując porcję energii odpowiadającą sile 100 miliardów bomb wielkości tej, co spadła na Hiroszimę. Taka eksplozja nazywana jest rozbłyskiem słonecznym i jej skutki mogą stanowić dla Ziemi problem.

Zanim przyjrzymy się efektom od strony Ziemi, spójrzmy na Słońce, aby lepiej zrozumieć dlaczego, co jakiś czas, staje się tak gniewne.

Universe Today

Niebieskie zdjęcia to ujęcia Słońca w ultrafiolecie z roku 1997 i 1999 (SOHO) ukazujące zmianę aktywności słonecznej. Szkice poniżej ilustrują co się dzieje z liniami pola magnetycznego.     Rotująca plazma słoneczna ciągnie za sobą linie magnetyczne wokół Słońca, powodując naprężenia i gromadzenie się energii.

Cykl słoneczny

Przede wszystkim zjawiska zachodzące na Słońcu powtarzają się w naturalnym cyklu o okresie w przybliżeniu 11 lat. Podczas każdego cyklu, w wyniku różnicowej rotacji Słońca, linie jego pola magnetycznego są pociągane szybciej w paśmie równikowym. Rotacja różnicowa polega na tym, że materia równikowa obraca się szybciej niż ta przy biegunach. Rotująca plazma słoneczna ciągnie za sobą linie magnetyczne wokół Słońca, powodując naprężenia i gromadzenie się energii. Gdy energia magnetyczna rośnie, tworzą się skręty w strumieniu płynącej wzdłuż linii magnetycznych plazmy, zmuszając ją do wydostawania się na powierzchnię. Skręty te nazywane są pętlami koronalnymi i w czasie wysokiej aktywności słonecznej są wyraźnie liczniejsze.

Pętle te związane są z plamami słonecznymi. W miarę jak wydostają się na powierzchnię, pokazują się również plamy, zlokalizowane często u podstawy takiej pętli. Pętle koronalne rozsuwają na boki cieplejsze warstwy Słońca (fotosferę i chromosferę), odsłaniając zimniejszą warstwę konwektywną (przyczyną tego, że powierzchnia Słońca i jego atmosfera są cieplejsze od głębiej położonej warstw wewnętrznych, jest zjawisko koronalnego wzrostu temperatury). W miarę gromadzenia się energii magnetycznej można oczekiwać zagęszczania się przepływu magnetycznego. Tak się dzieje gdy dochodzi do zjawiska zwanego rekoneksją pola magnetycznego.

Powstawaniu różnych rozmiarów rozbłysków słonecznych towarzyszy rekoneksja. Jak już wcześniej wspomniano, rozbłyski słoneczne, od najmniejszych po rozbłyski klasy X, są wydarzeniami uwalniającymi wielkie ilości energii. Istotnie, największe z nich mogą posiadać energię odpowiadającą 100 miliardom bomb atomowych, ale niech te wielkie liczby nas nie martwią. Występują one blisko powierzchni Słońca, to prawie 150 mln km od nas (1 jednostka astronomiczna – AU). Ziemia jest daleko od takiego wybuchu.

Gdy linie pola magnetycznego uwalniają tak wielką energię, wówczas plazma słoneczna związana z polem magnetycznym jest przyspieszana (plazmę słoneczną stanowią przegrzane cząstki takie jak protony, elektrony i niektóre lekkie elementy, na przykład jądra helu). Podczas oddziaływania ze sobą cząstek plazmy, w odpowiednich warunkach, gdy możliwy jest tzw. bremsstrahlung, może powstawać promieniowanie X. Bremsstrahlung – to promieniowanie hamowania, które występuje podczas oddziaływania ze sobą naładowanych cząstek, dając w efekcie emisję promieni rentgenowskich. W ten sposób może powstać rozbłysk rentgenowski.

Spaceflight Now

Zdjęcie Słońca w zakresie miękkiego promieniowania X. Na ilustracji widoczne są liczne pętle koronalne, w tym również ogromna pętla długości 450 tys. km, która mogłaby otoczyć 40 Ziemi. Dla oddania skali, wielkość główki strzałki odpowiada rozmiarom Ziemi.

Problem z rozbłyskami w promieniach rentgenowskich

Największym problemem z rozbłyskiem rentgenowskim jest to, że prawie nie mamy ostrzeżenia o tym kiedy taki wybuch nastąpi, ponieważ rozbłysk tego typu przemieszcza się w przestrzeni z prędkością światła (jeden z rekordowych rozbłysków słonecznych z roku 2003 przedstawiony jest na fotografii po lewej). Promieniowanie rentgenowskie pochodzące z rozbłysku klasy X dociera do Ziemi w ciągu około ośmiu minut. Gdy promienie rentgenowskie wpadają do atmosfery ziemskiej są absorbowane przez jej najbardziej zewnętrzną warstwę zwaną jonosferą. Jak można się domyśleć po samej nazwie, jest to otoczenie zawierające zjonizowane, naładowane cząstki (jądra atomowe i wolne elektrony).

Podczas tak silnych wydarzeń słonecznych jak rozbłyski, wzrasta tempo jonizacji gazów atmosferycznych w warstwach jonosferycznych D i E. Objawia się to nagłym wzrostem liczby swobodnych elektronów w tych warstwach. Elektrony te mogą powodować interferencję fal radiowych w atmosferze, absorbując krótkie fale radiowe (o wysokiej częstotliwości), a przez to blokując nawet globalną łączność. Takie wydarzenia nazywamy „Sudden Ionospheric Disturbances” (nagłymi zakłóceniami jonosferycznymi) lub w skrócie SID i są one na porządku dziennym w czasie okresów wysokiej aktywności Słońca. Ciekawe, że wzrost gęstości elektronów podczas SID zwiększa propagację fal radiowych o bardzo niskiej częstotliwości i zjawisko to wykorzystywane jest przez naukowców do pomiaru natężenia promieniowania rentgenowskiego pochodzenia słonecznego.

Koronalne wyrzuty masy?

Emisje promieniowania z rozbłysków rentgenowskich są tylko częścią naszej opowieści. W sprzyjających warunkach w miejscach rozbłysków mogą również powstawać koronalne wyrzuty masy („Coronal Mass Ejection”, CME), chociaż każde z tych zjawisk może zachodzić też oddzielnie. CME docierają do Ziemi wolniej od promieniowania rentgenowskiego, ale ich skutki mogą być groźniejsze. Choć nie przemieszczają się z prędkością światła, jednak wciąż bardzo szybko; potrafią podróżować z prędkością 3.2 mln kilometrów na godzinę, co oznacza, że mogą dotrzeć do nas ze Słońca w przeciągu kilku godzin.

To jest właśnie sprawa, na której przewidywanie kładzie się najwięcej nacisku w prognozie pogody kosmicznej. Mamy garstkę satelitów umieszczonych pomiędzy Ziemią a Słońcem (w punkcie Lagrange'a L1 układu Słońce-Ziemia), które na swoim pokładzie posiadają czujniki mierzące energię i natężenie wiatru słonecznego. Jeśli CME przechodzi przez rejon ich lokalizacji można dokonać bezpośrednich pomiarów parametrów energetycznych cząstek i natężenia międzyplanetarnego pola magnetycznego („Interplanetary Magnetic Field”, IMF). Jedna z misji umieszczonych w punkcie L1, nazwana Advanced Composition Explorer (ACE), dostarcza naukowcom w przeciągu godziny ostrzeżenie o zbliżającym się CME. Grupa zajmująca się misją ACE współpracuje z Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) oraz z Solar TErestial Relations Observatory (STEREO), dzięki czemu każdy wyrzut koronalny może być śledzony- od dolnej korony, poprzez punkt Lagrange’a L1, aż do Ziemi. Te misje słoneczne ściśle współpracują ze sobą, aby z wyprzedzeniem dostarczyć agencjom kosmicznym ostrzeżenie o zbliżającym się CME, skierowanym ku Ziemi.

Co dzieje się gdy CME osiąga Ziemię? Wiele zależy od konfiguracji pola magnetycznego Słońca (IMF) i Ziemi (magnetosfery). Ogólnie rzecz biorąc, gdy oba pola magnetyczne są spolaryzowane w tym samym kierunku, to najprawdopodobniej magnetosfera odepchnie taki wyrzut koronalny. W takim przypadku CME prześliźnie się wokół magnetosfery Ziemi, wywołując w niej pewien wzrost ciśnienia i zniekształcenie jej górnych warstw, ale omijając Ziemię bezproblemowo. Jednakże jeśli linie obu pól magnetycznych mają konfigurację anty-równoległą (tj. gdy pola magnetyczne są przeciwnie skierowane) może nastąpić zjawisko rekoneksji w głównej części magnetosfery.

W takim przypadku IMF i magnetosfera przenikają się wzajemnie łącząc ziemskie pole magnetyczne ze słonecznym. Otwiera to możliwość pojawienia się jednego z najbardziej zapierających dech w piersiach zjawisk natury: zorzy polarnej.

NASA

Pierwsze koronalne wyrzucenie masy (coronal mass ejection – CME) zaobserwowane przez STEREO.

Satelity w niebezpieczeństwie

W miarę jak pole magnetyczne, niesione przez koronalny wyrzut masy, łączy się z magnetycznym polem ziemskim, do magnetosfery wrzucane są wysokoenergetyczne cząstki. Ze względu na ciśnienie wiatru słonecznego linie sił pola magnetycznego Słońca zaginają się wokół Ziemi, omijając ją w pewnej odległości. Cząstki wrzucane do magnetosfery od strony „dziennej” (zwróconej ku Słońcu) będą kierowane ku biegunowym obszarom Ziemi, gdzie ich oddziaływanie z atmosferą prowadzi do powstawania takich zjawisk jak zorze polarne. Część wpływających do magnetosfery ziemskiej naładowanych cząstek wiatru słonecznego gromadzi się w tym samym czasie w pasach Van Allena, doprowadzając do ich „przeładowania” i powodując, że te obszary wokół Ziemi mogą być niebezpieczne dla niezabezpieczonych astronautów i niechronionych satelitów. Więcej na temat szkód jakie mogą ponieść astronauci i satelity można znaleźć na stronach „Radiation Sickness, Cellular Damage and Increased Cancer Risk for Long-term Missions to Mars” oraz „New Transitor Could Side-Step Space Radiation Problem”.

Nie dość, że groźne jest promieniowanie z Pasów Van Allena, satelitom zagraża sama atmosfera. Jak łatwo się domyślić, taka dodatkowa dawka energii dostarczona ze Słońca powoduje globalne ogrzanie atmosfery co wywołuje jej rozszerzanie. Może ona sięgnąć poziomu orbit satelitów normalnie krążących poza atmosferą i spowodować ich areodynamiczne hamowanie. Pozostawione bez kontroli przesuną się na mniejszą wysokość. Efekt ten wykorzystywany jest powszechnie do spowalniania statków kosmicznych zbliżających się do powierzchni planety, w tym przypadku jest jednak bardzo niepożądany.

Na ziemi też odczuwamy skutki

Chociaż satelity są na pierwszej linii, to kiedy mamy do czynienia z silnym wzrostem strumienia energetycznych cząstek wpadających do atmosfery, różne niekorzystne efekty mogą być odczuwane również na powierzchni Ziemi. Promieniowanie rentgenowskie wywołuje wzrost liczby elektronów w jonosferze, przez co pewne sposoby łączności mogą ulegać zakłóceniom (albo wszystkie razem mogą przestać działać), ale to nie wszystko, co może się zdarzyć. Do obszarów położonych na dużych szerokościach geograficznych może docierać szerokim pasmem prąd elektryczny zwany „strumieniem elektrycznym”, wywołany wnikającymi do jonosfery cząstkami wiatru słonecznego. Przepływowi prądu zawsze towarzyszy pole magnetyczne. Zależnie od siły burzy słonecznej prądy te mogą być indukowane w coraz to niższych warstwach atmosfery, aż do warstw bliskich gruntu, powodując np. przeciążenia sieci energetycznych. 13 marca 1989 roku w rejonie Quebec w Kanadzie około 6 mln ludzi pozbawionych zostało prądu na skutek silnego wzrostu aktywności słonecznej powodującej nagły przepływ indukowanych prądów przygruntowych. Quebec został sparaliżowany na 9 godzin, podczas których inżynierowie pracowali nad rozwiązaniem problemu.

SOHO

Ten obraz został zarejestrowany przez koronograf LASCO-C2 (Large Angle Spectrometric COronagraph) pracujący na sondzie SOHO. Widoczny jest gigantyczny wyrzut masy z grupy plam nr 486 – rezultat jednego z najsilniejszych rozbłysków słonecznych, jakie kiedykolwiek zarejestrowano. Zjawisko miało miejsce 4 listopada 2003 o godzinie 19:50 UT.

Czy na Słońcu może powstać zabójczy rozbłysk?

Krótka odpowiedź brzmi „nie”.

Dłuższa odpowiedź jest nieco bardziej zawiła. Chociaż rozbłysk słoneczny wycelowany prosto w Ziemię może spowodować wtórne skutki, takie jak uszkodzenie satelitów, lub może zagrozić niezabezpieczonym przed nim astronautom, czy też spowodować zanik napięcia w sieci energetycznej, to nie ma wystarczającej mocy aby zniszczyć Ziemię, a na pewno nie w 2012 roku. Przypuszczam, że w bardzo odległej przyszłości, gdy Słońcu zacznie brakować paliwa i rozszerzy się do rozmiarów czerwonego olbrzyma, mogą nastać dla Ziemi złe czasy, ale na to musimy poczekać kilka miliardów lat. Obecnie może się jedynie zdarzyć, że czystym zbiegiem okoliczności zostanie wysłana w kierunku Ziemi seria kilku rozbłysków klasy X, której towarzyszyć może seria wyrzutów koronalnych CME lub promieniowanie rentgenowskie, ale żadne z tych zjawisk nie będzie miało wystarczającej mocy aby pokonać naszą magnetosferę, jonosferę i znajdującą się niżej gęstą atmosferę Ziemi.

„Zabójcze” rozbłyski słoneczne były obserwowane na innych gwiazdach. W 2006 roku Swift, satelita obserwacyjny NASA, zarejestrował w odległości 135 lat świetlnych największy z kiedykolwiek obserwowanych rozbłysków gwiazdowych. Ocenia się, że gdyby Słońce wysłało w naszym kierunku rozbłysk niosący promieniowanie X o energii rzędu energii uwolnionej w rozbłysku gwiazdy II Pegasi, a szacowanej na 50 kwadrylionów (50*10^24) bomb atomowych, to z powierzchni Ziemi znikłaby większość form życia. Gwiazda II Pegasi jest gwałtownym czerwonym olbrzymem posiadającym towarzysza gwiazdowego o bardzo bliskiej orbicie. Sądzi się, że przyczyną tak energetycznego rozbłysku jest grawitacyjne oddziaływaniem z gwiazdą towarzyszącą, oraz fakt, że II Pegasi jest czerwonym olbrzymem.

Katastrofiści wskazują na Słońce jako możliwego sprawcę zagłady Ziemi, ale Słońce jest bardzo stabilną gwiazdą. Nie posiada towarzysza gwiazdowego (jak II Pegasi), ma przewidywalny cykl zmienności (około 11 lat) i nie udowodniono, że w przeszłości, poprzez wysłanie w kierunku Ziemi wielkiego rozbłysku, przyczyniło się do jakiegokolwiek wymarcia gatunków. Obserwowano już silne słoneczne rozbłyski (jak np. zaobserwowany w 1859 roku przez Carringtona rozbłysk białego światła) – lecz ciągle żyjemy.

Ponadto heliofizycy są raczej zdziwieni brakiem aktywności słonecznej na starcie 24 cyklu słonecznego, co prowadzi niektórych z nich do spekulacji, czy nie jesteśmy na skraju powtórnego minimum Maundera i „małej epoki lodowcowej”. Spekulacje te są w całkowitej sprzeczności z zapowiedzią heliofizyków z NASA, z 2006 roku, że cykl ten będzie „nadzwyczajny”.

Wszystko to prowadzi do wniosku, że nadal mamy długą drogę do przejścia w przewidywaniu rozbłysków słonecznych. Mimo, że techniki prognozowania warunków pogodowych panujących w przestrzeni kosmicznej są stale udoskonalane, minie co najmniej kilka lat, nim nauczymy się „odczytywać” Słońce z wystarczająco dużą dokładnością, aby móc znacząco określić jak aktywny będzie dany cykl. Tak więc, pomimo przepowiedni, przewidywań czy też mitów, nie ma żadnej fizycznej podstawy aby twierdzić, że w Ziemię trafi jakikolwiek rozbłysk słoneczny, szczególnie akurat w 2012 roku. Nawet gdyby wielki rozbłysk słoneczny dodarł do nas, nie spowodowałby katastrofy. Oczywiście, że mógłby uszkodzić satelity, wywołując wtórne problemy, jak np. utratę systemu GPS (co mogłoby np. stanowić kłopot dla nawigacji lotniczej) lub obezwładnić naziemne sieci energetyczne zorzowymi strumieniami elektrycznymi), lecz nic ponadto.

Jednakże zaczekajmy z odłożeniem tego problemu na bok. Katastrofiści twierdzą obecnie, że wielki rozbłysk słoneczny dotrze do nas dokładnie w momencie, kiedy ziemskie pole magnetyczne osłabnie i zmieni swoją polaryzację, pozostawiając nas niezabezpieczonymi przed dewastacyjnym wpływem wybuchów koronalnych… Wyjaśnienie, dlaczego nie stanie się to w 2012 roku, jest warte następnego artykułu, dlatego też odsyłam do następnego z tej serii.

Tekst udostępniony na licencji Creative Commons – pewne prawa zastrzeżone.