Zorza polarna: cykle słoneczne pod stałą obserwacją

Zdjęcie: ALAN DYER / VWPICS / AP IMAGES

Należało poczekać do ostatnich chwil 2023, żeby to dostrzec. Dnia 31 grudnia, o godzinie 22:55 (godzina Paryża) miał miejsce, jak sylwestrowe sztuczne ognie, największy rozbłysk słoneczny tego roku. Było to najsilniejsze zdarzenie tego typu od 2017.

Widząc je z daleka - mimo wszystko, jest to 150 mln kilometrów - Słońce wydaje się być wzorem równowagi, niemniej jednak ma swój temperament, który podąża za cyklem trwającym od dziesięciu do trzynastu lat. Od wielu miesięcy, nasza gwiazda zwielokrotniła uderzenia żaru, wchodząc w szczyt aktywności w cyklu, dwudziestym piątym zarejestrowanym przez astronomów - pierwszy z listy został wskazany w XVIII wieku. Początkowo przewidywane na 2025 apogeum mogłoby nastąpić niezwłocznie po rozpoczęciu 2024, jeśli wierzyć Narodowej Służbie Oceanicznej i Atmosferycznej (National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA).

Dyrektor badań Narodowego Centrum Badań Naukowych (Centre national de la Recherche Scientifique - CNRS), w Instytucie Planetologii i Astrofizyki w Grenoble (L’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble - IPAG), Jean Lilensten pokazuje na zdjęciach okresy cyklu słonecznego: „Istnieje okres niższej i wyższej aktywności Słońca, a tymi okresami kieruje pole magnetyczne Słońca”.

Wchodzimy w to słoneczne dynamo. „Pole magnetyczne to elektryczność, która się porusza”, podsumowuje Jean Lilensten. Natomiast Słońce składa się z plazmy, to znaczy gazu wodorowego. Możemy je porównać do wielkiej kuli z naładowanych elektrycznie cząsteczek. „To wszystko jest wstrząsane bardzo skomplikowanymi ruchami”, kontynuuje badacz IPAG, „ponieważ Słońce nie tylko po prostu się kręci, ale ta rotacja jest inna na równiku niż na biegunach. Do tego, istnieją też ruchy pionowe wraz z konwekcją (cząsteczki, które biegną w górę, później w dół) i wrzeniem powierzchni”.

Odwrócone pola magnetyczne biegunów północnego i południowego

Witamy w chaotycznym systemie. Na początku cyklu, wszystko wydaje się spokojne z biegunami magnetycznymi północnym i południowym na swoich miejscach. Jednak, stopniowo, pole jest zakłócane coraz bardziej i bardziej aż bieguny zaczynają pojawiać wszędzie. Wreszcie, po powstaniu i zniszczeniu licznych pętel magnetycznych, Słońce powraca do swojego początkowego spokoju… z odwróconymi biegunami. To wszystko trwa około jedenastu lat, ale, jak zauważył Milan Maksimovic, dyrektor badań CNRS w Obserwatorium w Paryżu - PSL, „prawdziwy, kompletny cykl słonecznego dynamo trwa dwadzieścia pięć lat, jest to czas dwóch zamian magnetycznych”.

Najprostszy środek pozwalający zmierzyć siłę wzrostu i spadku tego cyklu, polega na policzeniu czarnych plam, które pojawiają się na powierzchni naszej gwiazdy, kiedy się pobudza. Te strefy wydają się ciemne w kontraście z ich otoczeniem, gorętszym niż tysiąc stopni. Zdradzając istotną aktywność magnetyczną, na początku cyklu, plamy znajdują się na wyższej szerokości geograficznej, a później przesuwają się w stronę równika.

Cykl 25. zaczął się w grudniu 2019. Wówczas, w oparciu o zespół pięćdziesięciu ekspertyz, NOAA założyła, że będzie dość miękki, w porównaniu ze słabym cyklem 24., oraz, że szczyt jego aktywności będzie miał miejsce w 2025. Ale to wszystko zostało zmienione w 2023, na podstawie obserwacji, które pokazywały silniejszą aktywność, niż oczekiwano i większą ilość plam. Tymczasem, Mark Miesch, astrofizyk z Centrum Prognozy Pogody Kosmicznej w NOAA, tłumaczy, „najsilniejsze cykle, z wyższą amplitudą, wzrastają szybciej i osiągają najwyższy poziom aktywność wcześniej, niż te słabe”. Podczas gdy Météo-France weryfikuje swoje przewidywania, że burza nadchodzi szybciej niż przewidziano, amerykańska agencja obecnie twierdzi, że szczyt aktywności nadejdzie w 2024.

Pytanie w toku dotyczy intensywności cyklu. „Kilka lat temu, media ogłosiły, że mógłby być bardzo duży”, powtarza Mark Miesch. „Uważamy jednak, że te przewidywania, opracowane przez naukowców niezwiązanych z NOAA, były niedokładne i przesadzone. Przewidujemy, że cykl 25. będzie z pewnością większy niż zakładały przewidywania panelu z 2019, oraz większy niż cykl 24., ale będzie słabszy niż średnia”. Podczas gdy wskazano mu, że te ostatnie miesiące wyróżniały się spektakularnymi wydarzeniami, astrofizyk odpowiedział, że: „Nie jest to nietypowe. Wiemy, że Słońce działa w ten sposób przynajmniej od tysięcy lat, a prawdopodobnie dużo dłużej”.

W takim razie, po co zajmować się historią cykli słonecznych? „Słońce się nie zmieniło, ale my tak”, kontynuuje Mark Miesch. „W miarę jak nasze społeczeństwo staje się coraz bardziej zależne od technologii, takich jak energia elektryczna, komputery czy satelity, stajemy się bardziej bezbronni wobec fenomenów pogody kosmicznej. Przewidujemy, że w 2024 i 2025 poziom aktywności słonecznej będzie najwyższy od szczytu cyklu 23. między 2001 i 2003. Było to przed wynalezieniem iPhone’a. A kto miał nawigację satelitarną w samochodzie w 2001?

Magnetosfera, niewidzialna tarcza

Przed określeniem ryzyka, należy je zidentyfikować. Obrazy, które wysyłają nam sondy kosmiczne, wysłane w celu badania naszej gwiazdy, pokazują ogromne pętle magnetyczne, wyłapujące olbrzymią ilość plazmy. „Od czasu do czasu te linie pola się rozpadają”, opisuje Kader Amsif, odpowiedzialny za program Słońce, heliosfera i magnetosfera w Narodowym Centrum Badań Kosmicznych (Centre National d’Études Spatiales - CNES). „Pętla zostaje przecięta, wyrzucona w przestrzeń i przyspiesza. Zawiera głównie protony i elektrony, ale też atomy wodoru”.

Najbardziej imponująca jest nazwa tych podróżujących kul: „koronalny wyrzut masy” (ang. coronal mass ejection - CME), ponieważ wywodzą się z korony słonecznej. Mogą kumulować wiele miliardów ton materii. Jeśli CME skieruje się w stronę Ziemi, napotka na magnetosferę, swego rodzaju niewidzialną tarczę, generowaną przez pole magnetyczne planety. „Ona pomaga nam radzić sobie z humorami Słońca”, zwraca uwagę Kader Amsif. „ Bez niej byśmy nie istnieli”. Bez tej ochrony, organizmy żywe otrzymywałyby śmiertelną dawkę promieniowania.

Jeśli burza słoneczna wzrośnie do wyjątkowej siły, magnetosfera może zostać skompresowana do tego stopnia, że zorze polarne pojawiają się na coraz niższych szerokościach geograficznych. W 1859 podczas ewenementu Carringtona - od imienia brytyjskiego astronoma, który prowadził nad tym badania - można było zauważyć zorzę polarną na Karaibach. W środku XIX wieku, jeszcze mało rozwiniętego technologicznie, tylko sieć telegraficzna została zakłócona, głównie przez pożar kilku stacji, z powodu prądów elektrycznych, wywołanych przez burzę geomagnetyczną, która wędrowała po ziemi.

Dzisiaj, konsekwencje byłby dużo poważniejsze, ponieważ połączyliśmy całe kontynenty poprzez wiele różnych łączników: linie wysokiego napięcia, przewody trakcyjne, tory, rurociągi, przewody rurowe… Jednak większość problemów związanych z burzą słoneczną nie dotyczy stałego lądu, ale przestrzeni nad nim. Nawet jeśli astronauci podróżujący na Narodową Stację Kosmiczną są chronieni przez magnetosferę, to nie będzie można zapewnić tego samego tym lecącym na Księżyc czy, w dalszej przyszłości, na Marsa. Bez tej istotnej osłony, ciężkie protony i jony z powiewu słonecznego, byłyby dla nich śmiertelne.

Katastroficzne scenariusze

Jeśli chodzi o satelity orbitujące wokół naszej planety, nie są chronione przed cząsteczkami wysokoenergetycznymi, zdolnymi zniszczyć ich elektronikę. Wybuchy na Słońcu niosą też inne ryzyko, dla tych, które latają najniżej: promienie ultrafioletowe emitowane w czasie wybuchu ogrzewają atmosferę, która, rozszerzając się, zwiększa tarcie przeciwko satelitom i sprawiają, że te spadają w stronę Ziemi. W 2022, Starlink, stowarzyszenie Elona Muska, które rozwinęło Internet przez satelity, straciło czterdzieści maszyn tuż po starcie, podczas gdy były w trakcie wprowadzania na niską orbitę.

Jeśli zejdzie się jeszcze stopień niżej, do jonosfery te problemy obiorą strategiczny kierunek. Ta warstwa atmosfery, od której odbijają się fale radiowe o wysokiej częstotliwości, pozwalając na komunikację długodystansową, którą w dużym stopniu są wykorzystywane w lotnictwie, transporcie powietrznym i militarnym. Duże zakłócenie jonosfery, spowodowane wyskokiem słonecznemu temperamentu, mogłyby spowodować dramatyczne konsekwencje, zauważa Lader Amsif: „Wpływ na komunikację radiową byłby bardzo groźny, ponieważ nie można by już było wylądować samolotem. Można sobie wyobrazić scenariusz katastrofy rozpoczynającej ciąg wypadków”.

Jean Lilesten dodaje, że „Zmiany w jonosferze mogą wpłynąć na umiejscowienie satelity. Fala GPS jest zakłócona, a to tworzy błędy w pozycjonowaniu co do wielu metrów. Dla pocisku czy rakiety jest duża różnica między szkołą, a celem który znajduje się obok”… Siły zbrojne mają jeszcze inne zmartwienia, ponieważ ich radar pozahoryzontalny, który służy do namierzania pocisków będących za horyzontem, opiera się również na właściwościach odbijających jonosfery.

Czyniąc nas zależnymi od technologii wrażliwej na aktywność słoneczną, wydajemy się na łaskę gwiazdy. „Wojskowi, operatorzy satelit, lotnictwo, firmy elektryczne traktują to wszystko bardzo poważnie”, wyjaśnia Jean Lilensten. „I firmy ubezpieczeniowe także dołączają do naszego grona”. Współczesny „Carrington”, ściągając systemy elektryczne i satelity, spowodowałby szkody na skalę światową oszacowane na tysiące miliardów dolarów… Powrót do normalności zająłby miesiące, a nawet lata.

Połączenie tych zagrożeń było impulsem do rozwinięcia meteorologii kosmicznej. Żeby pomóc flocie kosmicznych satelit, nieustannie obserwującym Słońce, obecnie naukowcy namierzają wybuchy i mogą przewidzieć nadchodzące niebezpieczeństwo. Z drugiej strony, określenie która aktywna strefa następna się załamie, jest sztuką w dalszym ciągu nieopanowaną. Jean Lilesten skromnie się o tym wypowiada: „Próbujemy odnaleźć na Słońcu prekursory, jednak jest to niezwykle trudne”.

Nieustanne nanowybuchy

„Nie będzie można stworzyć nawet słabych przewidywań, dopóki nie opanujemy źródła, nie poznamy Słońca bardzo dobrze, dopóki nie odkryjemy tych sekretów”, zapewnia Kader Amsif. Główna enigma dotyczy ciepła korony, czyli atmosfery słonecznej. Naukowcy nie potrafią wytłumaczyć jak to się dzieje, iż mimo, że temperatura powierzchni Słońca wynosi 5500°C , temperatura korony podnosi się aż do miliona stopni. Dwie duże teorie na ten temat rywalizują ze sobą, ta, według której ciepło jest spowodowane falami, i ta, która przywołuje nanowybuchy, które nieustannie odbywają się na powierzchni naszej gwiazdy. „To trochę tak, jak ogrzewanie pokoju, które wymaga spalenia dziesięciu tysięcy zapałek”, wyjaśnia Milan Maksimovic. Ta teoria zdobyła ostatnio przewagę dzięki europejskiej sondzie Solar Orbiter, która pozwoliła w końcu dostrzec te „zapałki”, niewidoczne do tej pory.

Zadawane są inne pytania, dotyczące wiatru słonecznego - ten przepływ cząsteczek, które nieustannie „wyparowują” i opływają cały Układ Słoneczny - lub na temat istnienia cykli, znacznie dłuższych niż jedenaście lat. Jednak dobra znajomość fizyki Słońca nie wystarcza do prawidłowej oceny ryzyka, dodaje Kadar Amsif, ponieważ należy również ocenić możliwości Ziemi w ochronie przed tymi słonecznymi wybuchami gniewu, czyli to, co nazywamy geoefektywnością: „Waha się, a jest to niezwykle ważny parametr: możemy być dobrze chronieni przed dużym wybuchem, ale za to słabo przed skromnym, tak jak w 2015, kiedy to szwedzkie lotnictwo cywilne zostało uziemione” po burzy słonecznej, która odcięła działanie radarów.

W 2023 Jean Lilensten założył Operacyjne Centrum Meteorologi w Rejonie Alp (le Centre Opérationelle de Météorologie de l’Espace des Alpes), z założeniem publikowania co tydzień biuletynów, opisujących interakcje między naszą gwiazdą i resztą Układu Słonecznego. „Pomysł” mówi: „nie ma na celu wywołania lęku, ale wyjaśnienia, że Ziemia jest otoczona wiatrem słonecznym i, że jest to piękne, lub nawet opowiadać o zorzach polarnych na Marsie czy Jowiszu”. Niemniej jednak, nawet jeśli chciał być kojącym, astrofizyk dobrze wie, że niebezpieczeństwo czyha. Ewenement Carringtona powstaje średnio co sto pięćdziesiąt lat, z marginesem błędu wynoszącym pół wieku. Poprzedni miał miejsce w 1859…

Jednak to nie wszystko. Jean Lilensten podąża za japońskim astrofizykiem, Kazunarim Shibata, który „prowadzi bardzo silne, fantastyczne badania: mierzy rozbłyski światła gwiazd typu słonecznego. Doszedł do wniosku, że dochodzi do sytuacji sto razy silniejszych niż ta Carringtona, co osiem lat i jeszcze tysiąc razy silniejszych co sto lat”. Oczywiście, margines błędu jest możliwy, jednak wiadomo, że bardzo duże CME miało miejsce w przeszłości oraz, że zostawiło po sobie ślady na pniach drzew. I Jean Lilensten wnioskuje: „Jest jak w Pustyni Tatarów Dina Buzzatiego: wiemy, że pewnego dnia nadejdzie coś ogromnego”.