Ostatnimi czasy – m.in. za sprawą technicznie ułatwionej komunikacji międzyludzkiej – coraz lepiej docierają do nas doniesienia nie tylko o zjawiskach ekstremalnej pogody (jak powodzie, tornada czy derecho) ale także o… zorzach. Z czym one (zorze) się wiążą? Pomyślicie, że z polem magnetycznym Ziemi – i będziecie mieli rację. Ale zorze to tylko jeden z przejawów tzw. pogody kosmicznej. Czyli tego, jak na ludzkość i funkcjonowanie jej wynalazków wpływa… Kosmos.
Tak, ten Kosmos przez duże K. A konkretnie Słońce – jego aktywność plamotwórcza, strumień naładowanych cząstek w postaci tzw. wiatru słonecznego, koronalne wyrzuty masy, rekoneksja magnetyczna. O tej rekoneksji w przypadku zorzy jeszcze spróbuję coś na koniec napisać.
W 2023 roku nie było pewne, czy Słońce osiągnęło już szczyt swojej cyklicznej aktywności. Okazało się później, że nie – i że 11-letni odstęp między maksimami jego cykli tym razem został zachowany. Źródło: NOAA, dr Tony Phillips.
Wiecie zapewne, że Słońce jest zmienne jako gwiazda. Ma swoje cykle aktywności – około 11-letni, a jeśli uwzględnić przebiegunowanie (czyli zamianę minusa na plus i odwrotnie) plam słonecznych – 22-letni. Ale trudno jest przewidzieć, czy dotarliśmy już do maksimum aktywności w danym cyklu, czy Słońce jeszcze trochę „pociągnie” i następny rok będzie tym apogeum promieniowania Słońca.
Tak było w 2023 roku. Jedni specjaliści mówili, że Słońce dało już z siebie wszystko a inni ich mitygowali – to jeszcze nie maksimum, poczekajcie do przyszłego roku. I tym razem ci drudzy mieli rację. W 2024 i 2025 roku przeszliśmy przez piękne maksimum słoneczne i efektem tego było kilka widowiskowych zórz, w tym ta ostatnia – już styczniowa.
Widok zorzy ze stacji ISS. Źródło: Alexander Gerst, astronauta ESA.
Czy da się je jakoś przewidywać? W dłuższym horyzoncie czasowym, mówimy o aktywności Dziennej Gwiazdy. Ale zawsze zorzę poprzedza koronalny wyrzut masy i warunkiem jej wystąpienia jest, by a) był on wystarczająco silny, najlepiej typu X (extreme), b) Ziemia znalazła się na drodze wyrzuconego zgęstka plazmy, c) obserwacja miała miejsce jak najbliżej bieguna magnetycznego Ziemi – a ten nie całkiem pokrywa się z geograficznym.
Pogoda właśnie dlatego, że obserwując uważnie Słońce (i wykrywając jego rozbłysk) mamy 2-3 dni na reakcję i przygotowanie do burzy geomagnetycznej (jednej z form reakcji magnetosfery Ziemi na kolizję z rozpędzoną do 800-1500 km/s plazmą). Temu służy np. leciwy satelita SOHO, Parker Solar Probe oraz szereg innych, przeznaczonych do monitorowania intensywności promieniowania najbliższej nam Gwiazdy.
Niedawny kadr z satelity SOHO, instrumentu LASCO C3. Źródło: SOHO.
Czego – oprócz zorzy – możemy się spodziewać w związku z taką „ingerencją słoneczną”? Ano, wystąpienia prądów wirowych w bateriach słonecznych satelitów, ropociągach, gazociągach (tam wygenerowany prąd może sięgać setek amperów), przepięć w transformatorach sieci energetycznych (zwłaszcza wysokiego napięcia), napromieniowania astronautów na stacjach kosmicznych (stanowczo odradza się spacery kosmiczne w burze słoneczne), podwyższonych dawek promieniowania dla załóg samolotów lecących na dużych szerokościach geomagnetycznych (w pobliżu biegunów magnetycznych Ziemi), zakłóceń komunikacji radiowej (tzw. blackouts) i nawigacji satelitarnej w oparciu o system GPS, niepożądanych zmian (wleczenia, ang. drag) trajektorii satelitów okołobiegunowych (atmosfera staje się gęstsza, zwiększa opór wywierany na obiekty lecące na tzw. niskich orbitach), zakłóceń w funkcjonowaniu satelitarnych CCD (charge-coupled devices) czy radiometrów (skutkujących spadkiem poziomu sygnału do szumu, kluczowego w detekcji promieniowania)…
Można rzec – im bardziej oplata nas elektronika użytkowa, tym bardziej wystawiamy się na wpływ Słońca. I innych oddziaływań, takich jak promieniowanie kosmiczne, rozbłyski odległych supernowych, zlewanie się czarnych dziur (wiemy o nich dzięki promieniowaniu grawitacyjnemu, odkrytemu w detektorach LIGO, VIRGO i KAGRA równo 100 lat po opublikowaniu podstaw Ogólnej Teorii Względności przez Einsteina), zapadanie się gwiazd neutronowych w jedną czarną dziurę…
Jedna ze skal intensywności wiatru słonecznego – skala G (geomagnetyczna). Przedstawia efekty oddziaływania na ziemską magnetosferę i jonosferę. Źródło: IMGW-PIB, NOAA.
Szczególnie jaskrawym przypadkiem z ostatnich kilku miesięcy było uderzenie silnie energetycznej cząstki promieniowania kosmicznego w układ regulujący wysokość jednego z modeli Airbusa. Samolot zanurkował o 100 m, następnie zwiększył pułap i kontynuował lot. Po prostu, konstruktorzy nie przewidzieli, że pojedynczy chip nie jest wystarczającym zabezpieczeniem i trzeba wprowadzić pewną „macierz” takich chipów by zastosować interpolację z większej liczby (jak się okazało, bezpośrednio narażonych na promieniowanie kosmiczne) układów. Efekt – natychmiastowe uziemienie kilku tysięcy takich maszyn na całym świecie i zlecenie wymiany newralgicznego podzespołu.
Inna sprawa, już z naturalnych – prawdopodobne jest, że zygzaki błyskawic także zależą od atmosferycznych pęków zapoczątkowanych w górnej atmosferze przez cząstki promieni kosmicznych. A niektórzy (pisałem o nich w wydanych 6 lat temu Astro-notkach, patrz eksperyment CREDO) podejrzewają związek czułości detektorów promieni kosmicznych z… trzęsieniami ziemi. Dlatego właśnie wiele zależy od badań podstawowych, jednak stać na nie tylko tych, którzy mają pieniądze i wyobraźnię (co rzadko idzie w parze).
Schemat rekoneksji w magnetosferze Ziemi wywołanej intensywnym wiatrem słonecznym. Źródło: NASA SVS/GSFC.
Wróćmy do zorzy. Powstaje ona, gdy cząstki naładowane (czyli składniki plazmy słonecznej) zostają uwięzione w ziemskim polu magnetycznym (nader słabym – jakieś pół gaussa, ale zbawiennym dla Ziemian) i reagują z górną warstwą atmosfery – magnetosferą i jonosferą. To wyjaśnia, dlaczego zakłóceniu ulega komunikacja radiowa – bo np. krótkofalowcy korzystają z „wnęki jonosferycznej” i w trakcie burzy magnetycznej mogą usłyszeć czyjeś rozmowy na antypodach.
Zapytacie pewnie, dlaczego różne kolory zorzy. Z grubsza – na zielono świeci tlen, na czerwono – tlen na dużych wysokościach a na niebiesko – azot lub hel. Reakcja z atmosferą wzbudza pewne poziomy energetyczne w atomach i zaczyna się reemisja już w bardzo konkretnej długości fali. A ta wiąże się z kolorem.
Kolory zorzy w zależności od pierwiastka chemicznego w atmosferze oraz wysokości, na której zachodzi wzbudzenie. Źródło: Maciej Kawecki.
Nie lekceważcie zatem pogody kosmicznej – bo dotyczy Kosmosu, Chcemy czy nie, jesteśmy jego częścią. A rekoneksja w przypadku zorzy dotyczy „ogona” ziemskiej magnetosfery, czyli jej części odsłonecznej, długiego na kilka milionów km. Łączenie się linii generuje energię potrzebną do napędzenia zorzy. A atomy plazmy zostają uwięzione w magnetosferze i fruwają od bieguna do bieguna, świecąc jednak jedynie tam, gdzie na drodze napotkają (górną) atmosferę.
Schemat przekroju przez magnetosferę Ziemi. Czerwona linia to łukowata fala uderzeniowa (bow shock), niebieski obszar – powierzchnia prądowa (magnetosheath), ziemska magnetosfera i ogon magnetosfery – na zielono. Źródło: Rajkumar Hajra, Space Plasma Physics.
Słońce prawdopodobnie jest już na krzywej zstępującej z kolejnego maksimum, ale warto je bacznie obserwować (nigdy gołym okiem, tylko rzutując na ekran bądź używając filtra mylarowego z folii Baadera) – np. wyznaczyć liczbę Wolfa dla danego dnia. Te plamy, ledwo widoczne kropki na fotosferze Słońca, są z reguły większe niż Ziemia. I one też mają – całkiem pokaźne – pole magnetyczne (kilka tysięcy gaussów). Gra ono kluczową rolę w cyklu produkcji koronalnych wyrzutów masy, a zatem i w produkcji zórz. Nad Ziemią, czyli 150 mln km dalej.