Nauka

Burze słoneczne, czym są i jakie jest ich oddziaływanie na Ziemię?

KK
Krzysztof Kurdyła
7

Ludzkość, jeśli oceniać to „zjawisko” w czysto ziemskiej skali, to hegemon naszej pięknej planety. Od co najmniej kilku wieków rządzimy i dzielimy jej zasobami, potrafimy w kilkadziesiąt lat „zniknąć” potężne jezioro Aralskie, umiemy zbudować tamę, która zmieni czas obrotu planety wokół własnej osi. Nasz gatunek zdominował środowisko planety, choć często w niezbyt pozytywnym tego słowa znaczeniu. W skali kosmicznej ciągle jesteśmy nic nieznaczącym pyłkiem, któremu może zagrozić całe mnóstwo rzeczy z naszego rodzimego układu planetarnego.

Wraz z rozwojem naszej wiedzy, okazuje się, że pułapek czyhających na naszą cywilizację jest coraz więcej i na wiele z nich nie mamy skutecznego antidotum. Byle kosmiczny kamień może nas cofnąć w rozwoju lub wręcz zmieść z powierzchni planety, „głupie” przebiegunowanie, które wydarzyło się przecież wielokrotnie w historii naszej planety, ma potencjał wpędzić ludzkość w klimatyczny chaos.

Jednym z najczęściej występujących zdarzeń, które mogą poczynić nam cywilizacyjnie spore szkody, są burze słoneczne, a właściwie lepiej byłoby powiedzieć geomagnetyczne. Skala tego zagrożenia jest różnie oceniana, sensacyjne artykuły opisują je tak, jakby Słońce już zaraz miało nas cofnąć do średniowiecza, inni trochę sprawę bagatelizują, twierdząc, że przy dzisiejszym poziomie techniki w zasadzie nie ma się czego bać.

Czym jest burza słoneczna?

Zacznijmy jednak od tego, czym w ogóle jest nasza burza geomagnetyczna. Mówiąc najprościej, jest to bardzo mocne zaburzenie pola magnetycznego Ziemi przez jakieś zewnętrzne zjawisko. W praktyce, swoje źródło mają w „kaprysach” naszej życiodajnej gwiazdy.  Za jej wywołanie może odpowiadać silny wiatr słoneczny lub koronalny wyrzut masy, inaczej zwany CME. To pierwsze zjawisko jest słabsze i powstaje na przykład w wyniku oddziaływania dziury koronalnej lub rozbłysku. Jeśli jednak rozbłysk będzie szczególnie mocny, najczęściej wystąpi w duecie z koronalnym wyrzutem masy. I takiego kombo powinniśmy się już obawiać, a właściwie to nie tyle obawiać, co na jego uderzenie się przygotować.

Oba zjawiska powstają w wyniku zniekształcenia pola magnetycznego Słońca. Gdy następuje jego gwałtowne wyrównanie, część energii zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną. Jeśli jednocześnie wyrzucona zostanie duża liczba fizycznych cząstek w postaci gigantycznej chmury plazmy, mówimy wtedy o CME.

Sam rozbłysk dociera do Ziemi z prędkością światła w około osiem minut, a pomniejsze porwane z tą „falą” cząstki w ciągu kilkudziesięciu minut. Koronalny wyrzut masy, jest sporo wolniejszy i zjawi się w okolicach naszej planety w czasie od 1 do 6 dni. Jeśli polaryzacja pola magnetycznego Słońca (które jest zmienne) będzie przeciwna względem pola naszej magnetosfery, to w efekcie nasza naturalna osłona zostanie osłabiona lub przerwana.

W większości przypadków, skutkiem takiego „ataku” będzie większa ilość przepięknych zórz polarnych, widocznych także na terenach na których normalnie nie występują. Jednak przy najmocniejszych burzach geomagnetycznych, uwolniona energia może przeniknąć do naszych sieci elektrycznych i narobić bałaganu. Takie przypadki miały już miejsce przynajmniej kilka razy w najnowszej historii naszej cywilizacji.

Największe burze słoneczne w historii ludzkości

Spośród wszystkich burz, których skutki odczulismy bezpośrednio, najbardziej znaną jest ta „debiutancka” z 1859. Była to pierwsza burza, gdzie obserwacje Słońca i skutki naziemne pozwoliły wstępnie zidentyfikować to zjawisko. Całe wydarzenie zaczęło się od pojawienia się na powierzchni Słońca sporej ilości plam. Następnie Richard Christopher Carrington, astronom-amator miał szczęście zaobserwować sam rozbłysk. Niecałą dobę później w Ziemię uderzyła potężna chmura cząsteczek, paląc sporą część linii telegraficznych i innych urządzeń elektrycznych, zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i Europie.

Spektakularnym przykładem z bliższych nam czasów, są burze z 1989 i 2003 r. Pierwsza spowodowała szereg uszkodzeń i wyłączeń sieci w kanadyjskiej prowincji Quebec, a także zakłóciła pracę sieci amerykańskich. Bezpośrednie skutki tego wydarzenia dotknęły miliony ludzi, a same black-outy trwały kilkanaście godzin. Podobne wydarzenie z 2003 r., znane jako Halloween Storm dotknęło kraje skandynawskie, szczególnie Szwecję. W obu przypadkach odnotowano też zakłócenia pracy sporej części satelitów.

Mniej znanym wydarzeniem jest superburza z 1921 r., której siłę nowe metody badawcze pozwoliły uznać za porównywalną do tej z 1859 r. Również wtedy doszło do sporych zniszczeń infrastruktury elektrycznej. Dziś już wiemy, że wydarzenia tego typu nie są dla naszego Słońca czymś niezwykłym. Rozbłyski i wyrzuty, nawet najwyższej klasy X, rejestrujemy dość często, na szczęście tylko niewielki procent z nich jest skierowany w stronę naszej planety. W 2012 r., mieliśmy też sporo szczęścia, kiedy jeden z większych wyrzutów koronalnych, dosłownie o włos minął naszą planetę.

Czy burza słoneczna zagraża naszemu bezpieczeństwu?

Zarówno rozbłysk, jak i wyrzut koronalny, wysyłają w kierunku ziemi kolosalną ilość energii. To drugie zjawisko, dodatkowo ostrzeliwuje nas ogromną, choć rozrzedzoną ilością materii. Ich uderzenie w Ziemię, jeśli nastąpi przy niekorzystnej polaryzacji, trafia w górne warstwy atmosfery powodując wystąpienie szeregu anomali magnetycznych, powodujących m. in. zakłócenia fal radiowych. Tworzą się także indukowane prądy elektryczne, które potrafią uszkadzać ziemskie sieci i podpięte do nich urządzenia.

Takie wydarzenie może na przykład błyskawicznie zdezorganizować całą logistykę na danym terenie, jeśli zdoła na dłużej zakłócić lub wręcz wyłączyć pracę systemów GPS. Jeszcze większe dawki energii i cząstek przyjąć muszą, nijak nieosłonięte ziemską atmosferą i magnetosferą, urządzenia w kosmosie. Wystarczy wspomnieć, że wiatr słoneczny z tego typu wyrzutów usmażył komputer sterujący spektrometrem MARIE, znajdującym się na pokładzie sondy Mars Odyssey, a także zdewastował japońską sondę kosmiczną Nozomi, które to zniszczenia były jednym z elementów przesądzających o ostatecznej porażce misji.

Jak w każdym przypadku, kiedy nie do końca rozumiemy mechanizmy stojące za danym zjawiskiem, nie jesteśmy w stanie przewidzieć, jak groźne mogą stać się w przyszłości. Jak duże mogą być wyrzuty koronalne? Czy to co zaobserwowano w 1859 i 1921 r. to maksimum tego, czego można spodziewać się po naszej gwieździe? Warto też zauważyć, że od pewnego czasu pole magnetyczne naszej planety słabnie, pojawiają się anomalie, takie jak ta na południowym Atlantyku. Także natury tego procesu nie rozumiemy i nie wiemy, na ile nasza naturalna tarcza będzie wydajna w niedalekiej przyszłości.

Głosy mówiące o tym, że dziś nie mamy już tak prymitywnych sieci elektrycznych, jak w czasach telegrafu, i w zasadzie nie ma się czego obawiać, są moim zdaniem zbyt optymistyczne. Zużycie energii elektrycznej na Ziemi rośnie, za czym zdecydowanie nie nadąża ani rozbudowa, ani unowocześnianie infrastruktury. Sieci w wielu miejscach są przeciążone, a to powoduje, że są znacznie bardziej podatne na tego typu uszkodzenia.

Nie zapominajmy też, że żyjemy w świecie prymatu księgowych nad inżynierami, firmy zapominają że używają martwego flasha, oszczędzają ułamki centów na projektach płyt głównych, kondensując ścieżki ponad miarę. Przypuszczam, że dobrze wycelowany i mocny CME może wyrządzić szkody w wielu miejscach, w których byśmy się tego nie spodziewali, licząc, że tam akurat będzie to porządnie zabezpieczone.

Na to wszystko może nałożyć się jeszcze efekt domina, gdy pierwsze awarie będą powodować przeciążenia wtórne i potęgować efekt burzy. Wystarczy zobaczyć, co stało się na małą skalę z powodu mrozów w Szwecji czy Niemczech, przy samym tylko wzroście zapotrzebowania i jednoczesnym spadku wydajności lini przesyłowych. W przypadku burzy będziemy przecież mieli do czynienia z awariami, z których szczególnie te dotyczące transformatorów mogą czasochłonne w naprawie.

Oczywiście katastroficzne wizje cofnięcia nas do średniowiecza to rzecz raczej z gatunku fantasy, ale w dzisiejszym skomputeryzowanym i zeelektryfikowanym świecie chaos wywołany takim zdarzeniem mógłby być znacznie większy, niż w ten dzisiejszy, spowodowany przez pandemię COVID-19.

Czy ludzkość ma wpływ na burze słoneczne i ich konsekwencje?

Nie ma się co łudzić, na Słońce wpływu nie mamy żadnego i raczej nigdy mieć nie będziemy. Rozbłyski i wyrzuty to coś, co po prostu musimy wkalkulować w rozwój naszej cywilizacji. Mamy do tego już dziś odpowiednie narzędzia, choć oczywiście konsekwentne ich zastosowanie spowoduje spory wzrost kosztów budowy i utrzymania infrastruktury.

Czy mowa o odpowiedniej rozbudowie linii, tak aby zapewnić im sporą rezerwę na nieprzewidywane skoki napięcia, czy odpowiednie ekranowanie najbardziej kluczowych elementów sieci czy stworzenie systemów umożliwiających kontrolowane obniżenie obciążenia sieci, każde z tych działań oznacza ogromne wydatki. Tymczasem żyjemy w świecie, gdzie pomimo kolejnej rewolucji elektrycznej mamy problemy z utrzymywaniem i konserwacją obecnie posiadanych sieci...

Wytyczne dotyczące wprowadzenia tego typu zabezpieczeń część instytucji i ośrodków naukowych wydała już lata temu, tu możecie zobaczyć raport brytyjski, ale zasadniczych zmian w podejściu jak na razie nie widać. Nawet bogate kraje w kwestii infrastruktury naziemnej przyjęły taktykę, „a może się uda”.

Paradoksalnie całkiem nieźle przygotowani jesteśmy w kwestii kosmicznych obserwacji samego Słońca. W pobliżu punktu libracyjnego L1 układu Ziemia - Słońce działają sondy Deep Space Climate Observatory oraz SOHO, oprócz nich Słońce monitorują sondy Solar Dynamics Observatory, STEREO, Parker Solar Probe. W 2021 r. badania rozpocznie zmierzająca na orbitę okołosłoneczną sonda Solar Orbiter.

Rok temu ruszyło także, wybudowane na Hawajach, obserwatorium słoneczne Inouye Solar Telescope. Tak duża ilość danych które obecnie otrzymujemy od naszych „szpiegów” daje nadzieję, że zdołamy lepiej zrozumieć procesy zachodzące na powierzchni słońca i w jego atmosferze i nauczymy się przewidywać groźne zdarzenia z odpowiednim wyprzedzeniem.

Burze słoneczne w kulturze masowej

Burze geomagnetyczne niespecjalnie przebiły się do świata kina i kultury masowej. Być może jest to spowodowane tym, że wizja tego kataklizmu jest zbyt mało spektakularna, a odpowiednio podkręcona nie daje bohaterom szans na wykazanie się. W sumie, przypominam sobie chyba tylko kiczowatą „Zapowiedź” z Nicolasem Cagem, w której to super-rozbłysk ostatecznie zniszczył naszą cywilizację, paląc wszystko na powierzchni planety. Mówiąc językiem młodzieżowym: Meh...

Zresztą i bez tematu burz geomagnetycznych nasze Słońce ma raczej pecha do bycia bohaterem pierwszoplanowym. Wystarczy wspomnieć „W stronę słońca” Danny Boyla, żeby stwierdzić, że jakoś ta tematyka naszym filmowcom zupełnie nie leży. Prawda jest taka, że najlepiej na ekranie Słońce wypada wtedy, gdy jest tylko pretekstem dla uzasadnienia zmian klimatycznych, bez wdawania się w naukowe szczegóły.

Podsumowanie

Wraz z coraz szybszym rozwojem i jednocześnie cywilizacyjnym uzależnieniem się od technologi opartych o elektryczność musimy zacząć brać na poważnie zagrożenia związane z kosmiczną pogodą. Rozbłyski i wyrzuty masy koronalnej potrafią wywołać silne geomagnetyczne burze, które mogą na spory okres czasu zdezorganizować życie na naszej planecie. Słońce nie spali nas do gołej Ziemi, nie cofnie nas do średniowiecza, ale koszty, które może takie zdarzenie wygenerować, mogą być naprawdę ogromne.

Nadchodząca rewolucja i tak wymuszają rozbudowę infrastruktury praktycznie na całym świecie. Mamy więc idealną okazję, żeby zabezpieczyć nasze sieci na taką ewentualność. Czy to się uda? Czy ktoś, np. w Polsce, potraktuje tę, na pierwszy rzut oka dość abstrakcyjną sprawę wystarczająco poważnie? Mam duże wątpliwości, ludzie najczęściej zaczynają działać rozsądnie, dopiero gdy nie ma już innego wyjścia. I coś tak czuję, że już niedługo możemy mieć okazję, żeby przekonać się, czy rację mają pesymiści, czy optymiści w tej kwestii. Kolejny cykl aktywności słońca rozpoczął się  2020 r., a jego szczyt przypadnie za 4-5 lat...

Źródła: NASA, ESA, SpaceWeatherc.com, Forbes

Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu

Więcej na tematy: