Słoneczny super-sztorm

Powtórka słonecznej burzy z roku 1859 mogłaby stać się kosmicznym tsunami, powodując dotkliwe straty. Żyjemy 150 mln km od ogromnego reaktora jądrowego, choć możemy sobie nie zdawać z tego sprawy. Najgorzej bywa raz na 500 lat, kiedy dochodzi do supersztormu, który dla dzisiejszej Ziemi mógłby mieć równie niszczycielskie skutki, co tsunami lub trzęsienie ziemi. Ale te burze, które zdarzają się co pół wieku, są równie niebezpieczne.

Słoneczna burza z 1859 była najbardziej gwałtowną, jaką kiedykolwiek zarejestrowano. Zorze wypełniły niebo na południe, aż do Karaibów, kompasy oszalały, a system telegraficzny padł. 

Istniały sugestie, że uderzenie słonecznych cząsteczek o podobnej skali zdarza się tylko raz na 500 lat, jednak nawet zwykła burza spośród tych zdarzających się co pół wieku może „usmażyć” satelity, odbiorniki radiowe i spowodować problemy z prądem elektrycznym na skalę masową. Koszt takich wydarzeń usprawiedliwia coraz bardziej systematyczne obserwacje Słońca oraz zabezpieczanie satelitów i sieci elektrycznej.

Po zapadnięciu zmroku nad obiema Amerykami, 29 sierpnia 1859 roku, na niebie zaczęły pojawiać się tajemnicze zorze. Zajęły one niebo od stanu Maine po czubek Florydy. Ujrzeli je też zdumieni ich widokiem Kubańczycy. W dziennikach okrętów znajdujących się niedaleko równika była mowa o karmazynowych światłach dochodzących do połowy horyzontu. Wielu ludzi myślało, iż to łuna z pożaru. Instrumenty rejestrujące zmiany w magnetyzmie ziemskim nagle wskazywały na wartość znacznie przekraczająca skalę. Zareagowały na to także telegrafy.

Ostatniego dnia sierpnia angielski astronom Richard C. Carrington rysował ciekawy układ plam słonecznych, interesujący ze względu na wielkie rozmiary ciemnych obszarów. O 11:18 był świadkiem obserwacji intensywnego białego błysku z okolicy między plamami. Na próżno starał się skontaktować z innymi obserwatoriami, które także mogły się stać świadkami tego krótkiego, pięciominutowego spektaklu. 17 godzin później na niebie pojawiła się kolejna fala zórz, która docierała aż do Panamy. Ludzie mogli czytać nocami gazety dzięki ich zielonkawemu i czerwonawemu zabarwieniu. Górnicy w kopalniach złota w Górach Skalistych obudzili się o 1 w nocy myśląc, że wstał już dzień. Systemy telegraficzne w Europie i Północnej Ameryce przestały działać.

Ówczesne media starały się wyjaśnić to dziwne zjawisko, jednak wówczas naukowcy ledwie znali mechanizm pojawiania się zórz. Czy chodziło o meteoryty, światło odbijające się od gór lodowych, a może była to wysokościowa wersja pioruna? Wielka Zorza z 1859 utorowała jednak nowe szlaki. W wydaniu „Scientific American” z 15 października czytamy, że „ustalono w pełni związek między światłami północnymi a siłami elektryczności i magnetyzmu”. Od tego czasu twierdzono, iż pojawienie się zórz ma związek z gwałtownymi wydarzeniami na Słońcu, które wystrzeliwuje wielkie chmury plazmy, które momentalnie powodują zmiany w polu magnetycznym naszej planety.

Znaczenie burzy z 1859 roku pomniejszył fakt, że nasza technologia znajdowała się wówczas w powijakach. Gdyby zdarzyło się to dziś, z pewnością w znacznym stopniu zniszczeniu uległyby satelity, zamarłaby komunikacja radiowa, zaś całe kontynenty pogrążyłyby się w ciemności, z której musiałyby się podnosić przez całe tygodnie. Choć tego rodzaju sztorm zdarza się mniej więcej raz na 500 lat, podobne burze o połowie jego siły występują mniej więcej, co pół wieku. Ostatnia z nich miała miejsce 13 listopada 1960 roku i doprowadziła do ogólnoświatowych zakłóceń radiowych. Jeśli nie podejmiemy żadnych kroków, to skutki kolejnej z burz według niektórych szacunków, mógłby mieć skutki porównywalne z wielkim trzęsieniem ziemi lub huraganem. 

SUPERBURZA

Liczba plam słonecznych i innych sygnałów magnetycznej aktywności słońca zmienia się w czasie 11-letniego cyklu. Obecny cykl rozpoczął się w styczniu i przez najbliższą połowę dekady, aktywność słoneczna będzie się budzić z obecnego uśpienia. W czasie minionych 11 lat, 21.000 flar i 13.000 chmur zjonizowanego gazu wydostało się z powierzchni Słońca. Zjawiska te nazywane ogólnie burzami słonecznymi wynikają z trwałego mieszania się słonecznych gazów. W pewnym stopniu mogą zostać one nazwane słonecznymi wersjami ziemskich burz, z tą różnicą, iż pole magnetyczne łączy ze sobą słoneczne gazy. Flary są analogicznym tworem do burz – są eksplozjami cząsteczek i promieni X wynikającymi ze zmian w polu magnetycznym na względnie małą skalę, jak na standardy słoneczne, wynoszącą tysiące kilometrów. Tzw. koronalne wrzuty masy (CME) odpowiadają huraganom – są to gigantyczne magnetyczne obłoki mierzące miliony kilometrów, które wyrzucają z siebie miliardy ton plazmy.

Większość z owych burz ma skutek jedynie w zorzach pojawiających się w obszarach polarnych. Czasem jednak Słońce pozwala sobie na coś więcej. Żadna z żyjących dziś osób nigdy nie doświadczyła skutków słonecznego supersztormu w pełnej skali, choć mimo to ich znaki zachowały się w kilku zaskakujących miejscach.

W danych uzyskanych z rdzeni lodowych z Grenlandii i Antarktyki, Kenneth G. McCracken z Uniwersytetu Maryland dostrzegł nagłe skoki w koncentracji gazów azotowych, które w ostatnich dekadach zdawały się mieć związek ze znanymi uderzeniami słonecznych cząsteczek. Anomalia tego typu odpowiadająca sztormowi z 1859 roku była największą od 500 lat i równała się mniej więcej sumie wszelkich tego typu zjawisk z ostatnich 40 lat.

Poza swą siła super burza z 1859 roku nie wydawała się być jakościowo inna od zdarzeń w mniejszej skali. Na podstawie historycznych relacji oraz dokładnych pomiarów mniejszych sztormów we wcześniejszych latach, udało się zrekonstruować to, co miało wówczas miejsce.

1. Zapowiedzi wydarzeń z 1859 roku zwiastowało pojawienie się dużych plam słonecznych w czasie szczytu cyklu. Były one tak duże, że astronomowie, jak Carrington mogli obserwować je gołym okiem, (oczywiście z odpowiednio zabezpieczonym organem wzroku). W czasie pierwszych wyrzutów koronalnych, grupa plam znajdowała się naprzeciw Ziemi, co umieszczało naszą planetę bezpośrednio na „linii strzału”. Sam wystrzał nie musi być tak celnym, bowiem kiedy CME docierają do ziemskiej orbity, ich strumień mierzy ok. 50 milionów km.

2. Burza wyemitował dwa wybuchy koronalne. Dane z magnetometrów z 1859 roku wskazywały, że pole magnetyczne w wyrzuconej plazmie przybierało kształt spiralny. Kiedy uderzyło w Ziemie po raz pierwszy, pole wskazywało północ. W ten sposób pole wzmocniło własne pole magnetyczne Ziemi, co zminimalizowało efekty. CME skompresowało ziemską magnetosferę, zaś magnetometry zarejestrowały coś, co naukowcy nazwali nagłym rozpoczęciem burzy. W inny sposób, nie zostałoby to zauważone. Plazma wciąż płynęła ku Ziemi, jednakże jej pole powoli obracało się. Po 15 godzinach doszło do zmiany, w wyniku czego miało miejsce uwolnienie znacznej ilości energii. To właśnie wtedy doszło do zaburzeń w pracy telegrafów i pojawienia się zórz. Po ok. dniu lub dwóch, plazma minęła Ziemię i jej pole geomagnetyczne wróciło do normy.

3. Największe z wybuchów koronalnych często wiążą się z jednym lub większą ilością intensywnych flar, zaś burza z 1859 nie była wyjątkiem. Widoczne flary obserwował 1 września Carrington i inni. Prawdopodobnie doszło także do emisji nie tylko promieni światła, ale także promieni rentgenowskich oraz gamma. Była to najjaśniejsza ze słonecznych flar, jaką kiedykolwiek zarejestrowano. Promieniowanie uderzyło w naszą planetę po podróży trwającej osiem  i pół minuty, na długo przed drugim CME. Jeśli istniałyby radia krótkofalowe, z pewnością stałyby się bezużyteczne wskutek ilości energii w jonosferze – powłoce zjonizowanego gazu, która odbija fale radiowe. Promienie rentgenowskie spowodowały rozgrzanie górnych warstw atmosfery i ich rozszerzenie.

4. Następnie doszło do kolejnego wybuchu CME. Nie znajdując na swej drodze przeszkód, dotarł on do Ziemi w ciągu 17 godzin. Przy tej okazji jego pole skierowane było na południe i nadejść miał geomagnetyczny szał. Było ono tak gwałtowne, że spowodowało zmniejszenie się ziemskiej magnetosfery (która zwykle rozciąga się na 60.000) do 7.000 km lub najprawdopodobniej do wyższych warstw stratosfery. Pasy radiacyjne otaczające naszą planetę przestały istnieć, zaś do górnej atmosfery przedostały się liczne protony i elektrony. Mogły one odpowiadać za intensywnie czerwone zorze widziane na całym świecie.

5. Słoneczna flara i intensywne wybuchy koronalne pozwoliły na przyspieszenie protonów do 30 milionów elektronowoltów (lub wyżej). W Arktyce, gdzie ziemskie pole magnetyczne zapewnia najmniejszą ochronę, cząsteczki te dostały się na wysokość 50 km. Zgodnie z opinią Briana C. Thomasa z Washburn University, deszcz protonów z 1859 roku spowodował zmniejszenie się powłoki ozonowej o ok. 5%. Na odnowienie się potrzebowała ona 4 lat. Najsilniejsze z protonów o ładunku powyżej miliarda elektronowoltów weszły w reakcję z jądrami azotu i tlenu tworząc azotowe anomalie. Deszcz neutronów spadł również na powierzchnię ziemi, jednak nie istniały mogące to wykryć urządzenia, choć na szczęście nie powodowało to zagrożeń zdrowotnych.

6. Wraz z tym, jak zorze rozciągały się od zwykle wysokich szerokości do niskich, towarzyszące im jonosferyczne i zorzowe prądy spowodowały powstanie rozciągających się na kontynenty Ziemi prądów elektrycznych w gruncie, skąd przedostały się one do obwodów telegraficznych. Wyładowania jakie wywołały spowodowały spalenie się kilku stacji.

UPIEC SATELITĘ

Jeśli dojdzie do następnego geomagnetycznego sztormu, najdotkliwiej odczują go satelity. Nawet w zwykłych warunkach cząsteczki promieni kosmicznych powodują uszkodzenia paneli słonecznych i zmniejszają produkcję energii o ok. 2% w skali roku. Cząsteczki oddziaływają także na elektroniczne wyposażenie satelity. Duża burza słoneczna może spowodować utratę od jednego do trzech lat z życia satelitów w ciągu godziny a także spowodować wiele usterek, od niepoprawnych komend po niszczycielskie wyładowania.

Na szczęście geosynchroniczne satelity komunikacyje są odporne na mające miejsce raz na dekadę zdarzenia, zaś długość ich „życia” wzrosła z 5 lat w latach 80-tych do niemalże 17 w dzisiejszych czasach. Co więcej, stosuje się w nich specjalne techniki mające zmniejszy skutki szkodliwego działania burz słonecznych. Inżynierowie pracują także nad nowszymi zabezpieczeniami mogącymi uchronić satelity przed skutkami tych zjawisk.

Trudniej jednak zabezpieczyć się przed innymi skutkami superburz. Promienie rentgenowskie spowodować mogą, iż atmosfera zacznie się rozszerzać, zagrażając satelitom wojskowym i komercyjnym, które znajdują się na wysokości mniejszej niż 600 m. W czasie takich burz nisko istnieje prawdopodobieństwo, że nisko orbitujące satelity spłoną w atmosferze w ciągu jakiegoś czasu. 

GDY ZGASNĄ ŚWIATŁA

Choć satelity zostały zaprojektowane tak, aby znosić trudy kosmicznej pogody, przeciwnie jest z wrażliwymi sieciami energetycznymi. Każdego roku zgodnie z szacunkami Cristiny Hamachi-LaCommare oraz Josepha H. Eto z Lawrence Berkeley National Laboratory, koszty braku prądu lub zaburzeń w jego dostawie wynoszą ok. 80 miliardów USD w samym USA.

W czasie burz słonecznych pojawiają się jednak zupełnie nowe problemy. Duże transformatory podatne są na zniszczenia powodowane przez geomagnetyczne indukowany prąd stały. W wyniku tego transformatory mogą dosłownie się spalić, a jeśli uda im się uniknąć tego losu, mogą spotkać je też inne uszkodzenia i jeżeli dojdzie do uszkodzenia transformatorów na terenie całego kraju, może to mieć zgubne skutki.

Według badań Johna G. Kappemana z Metatech Corporation, burza magnetyczna z 15 maja 1921 w dzisiejszych czasach mogłaby pozbawić prądu połowę Stanów Zjednoczonych. Większa burza, jak ta z 1859, mogłaby mieć znacznie bardziej dalekosiężne skutki. Kryzys może dotknąć także inne wysoko uprzemysłowione państwa, zaś uszkodzenie transformatorów i zastąpienie ich nowymi mogłoby trwać tygodnie lub nawet miesiące. Kappenman przyznał w Kongresie w 2003 roku, że dostarczenie niezbędnej pomocy i odpowiedź na potrzeby dotkniętej brakiem prądu populacji, może być trudnym zadaniem, „jeśli w grę wejdzie 100 milionów ludzi”.

Supersztorm będzie miał także wpływ na sygnały radiowe, w tym Global Positioning System (GPS) oraz związane z nim systemy. Intensywne słoneczne flary nie tylko dokonają zamętu w jonosferze, dzięki której rozchodzą się sygnały radiowe, ale także spowodują zakłócenia powodujące zmiany w precyzji urządzeń GPS, czyniące je bezużytecznymi dla celów cywilnych i wojskowych.  Podobna sytuacja miała miejsce w październiku 2003, co spowodowało zakłócenia sieci i problemy komercyjnych linii lotniczych.

Naładowane cząsteczki oddziaływać będą także na komunikację lotniczą, szczególnie dając się we znaki na dużych wysokościach. Superburza słoneczna mógłby wywołać znacznie silniejsze zakłócenia mogące utrzymywać się przez tydzień. 

PRZYGOTOWANIA

Jak na ironię, bezradność społeczności wobec burz słonecznych ma miejsce wraz ze spadającą świadomością społeczną ich dotyczącą. Po analizie prasy zauważyć można, że sytuacja związana z dyskusją na temat burz słonecznych zmieniła się znacznie w około roku 1950, kiedy to przestano o nich donosić. Wcześniej poświęcano im znacznie więcej miejsca m.in. na łamach pracy.

Tymczasem nawet mniejsze burze mogą wywołać kosztowne zniszczenia. Jeśli chcemy zabezpieczyć naszą technologiczną infrastrukturę, należy zwiększyć środki na przewidywanie, modelowanie i podstawowe badania nad kolejnym słonecznym sztormem.