Pred solarnim smo maksimumom – što doista znamo o tome?

solarni-maksimum-620x465Prema podatcima NASA-inog Centra za svemirske letove Marshall, u ljeto ili jesen 2013. Sunce će dostići svoj solarni maksimum, a njegove pjege vrhunac svoga jedanaestogodišnjeg ciklusa. Unatoč naizglednoj pravilnosti solarnih ciklusa, svaki ima svoje osobitosti zbog kojih ostaju donekle nepredvidljivi. Vremenski je ciklus od 11 godina prosjek, ali bilo je i ciklusa od 14, kao i onih od 9 godina. Osim toga, solarne oluje tijekom solarnoga minimuma mogu biti jače od onih koje se pojave za vrijeme njegovoga maksimuma.

Kako solarna znanost stalno napreduje, znanstvenici otkrivaju nove načine proučavanja i predviđanja ponašanja naše zvijezde, o čijim hirovima ovisi naš način života zasnovan na tehnologiji. Što nadolazeći vrhunac znači za solarne oluje i kakav će one utjecaj imati na Zemlju, tek ćemo vidjeti.

Solarni ciklus bilježi se od minimuma do minimuma pa tako negdje oko sredine ciklusa nastupa solarni maksimum. Znanstvenici ne znaju zašto je interval ciklusa upravo 11 godina, ali su dobro proučili mehanizam koji uzrokuje nastanak solarnih baklji i koronarnih izbačaja mase (CME).

Sunčevo magnetno polje, poput Zemljinoga, nastaje gibanjem materijala iznutra. Međutim, Zemljino magnetno polje održava gibanje rastaljenoga metala u vanjskome dijelu jezgre, dok Sunčevo magnetno polje nastaje gibanjem plazme – pregrijanim stanjem materije pri kojem elektroni bivaju odijeljeni od atoma ostavljajući za sobom nešto slično plinovitome tijelu sastavljenomu od pozitivnih iona i slobodnih elektrona.

Ni Zemljino ni Sunčevo magnetno polje nije simetrično, stabilno ili statično, a Sunčevo je uz to i mnogo kompleksnije. Sunce ima mnogo više od samo dva pola, koliko ih ima Zemlja, s magnetnim poljem koje se stalno širi, savija i obrće. Karta Sunčeve magnetne strukture u svakome trenutku više nalikuje zamršenome klupku konca nego pravilnome toroidu kakvim ga prikazuju na ilustracijama, a tijekom jedanaestogodišnjega ciklusa čitava njegova magnetna struktura potpuno se preokrene. To neprestano kovitlanje, vijuganje i ispreplitanje proizvodi solarnu aktivnost koja utječe na ostatak solarnoga sustava.

Sunčeve pjege, solarne baklje i CME

solarna-oluja

Izboj solarnoga materijala lebdi u Sunčevoj koroni. U kolovozu 2012. Zemljinu su magnetosferu okrznuli izboji CME koji su putovali od Sunca brzinom od 3,5 mil. km/h i prouzročili pojavu aurore.

Solarna aktivnost sastoji se od tri osnovne jedinice: diferencijalna rotacija, plazma i magnetno polje, kaže C. Alex Young, solarni astrofizičar i jedan od ravnatelja Odjela za heliofizičke znanosti pri NASA-inom Centru za svemirske letove Goddardu Greenbeltu. Diferencijalna rotacija znači da Sunce mijenja brzinu i smjer te opseg i dubinu rotacije, što izaziva interakciju plazme i magnetnoga polja. “Sve se izvrće iznutra prema van. To je kao da imate drveni avion koji visi na elastičnoj traci. Možete ga vrtjeti u svim smjerovima sve dok se vrpca ne zapetlja”, kaže Young. “Ali kad se Sunčeve magnetne silnice isprepletu u čvor, one u obliku mjehura isplivaju na površinu, gdje proizvode ono što nazivamo Sunčevim pjegama.” Pojedina Sunčeva pjega ima više tisuća puta veću magnetnu jakost od one koju ima čitavo Zemljino magnetno polje i dovoljnu jakost da potisne toplinu, pa je tako na područjima gdje izbija pjega oko 3.500 stupnjeva, odnosno za oko 1.700 stupnjeva hladnije nego na okolnim područjima.

Sunčeva pjega je vidljivo tamnija od ostatka površine Sunca i može trajati danima ili tjednima, ali magnetno polje zapetljanih silnica koje su ju prouzročile ne želi ostati zapetljano. Kad se one otpetljaju, “magnetno polje postaje zaista nestabilno, rekonfigurira se i oslobađa energiju – elastična traka puca”, kaže Young. To oslobađa energiju koja proizvodi svjetlo u obliku solarne baklje, solarnog izbačaja mase (CME) ili istovremeno i jedno i drugo.

Iako se termini solarnih baklji i CME koriste istoznačno, oni to ipak nisu. “Solarna baklja je kratak odbljesak elektromagnetne radijacije od radiovalova do gama zračenja, čitav elektromagnetni spektar. CME je zapravo oko bilijun tona solarne plazme i magnetnoga polja. Zbog toga fizičari često govore o CME kao o magnetnome oblaku. To je veliki mjehur plazme koji putuje brzinom od oko 1,5 do 8 milijuna kilometara na sat i, ako je usmjeren prema Zemlji, dostiže je u roku 2-3 dana.

Nastanak Sunčeve pjege: na vrhu: diferencijalna rotacija Sunca; vrtnja je brža na polovima nego na ekvatoru; sredina: magnetske silnice se uvrću zbog vrtnje; na dnu: silnice probijaju površinu fotosfere, potiskuju konvekciju, sprečavaju protok temperature i pojavljuju se tamne površine.

Najveći solarni izbačaj mase koji je udario Zemlju, nazvan “Carringtonovim događajem”, omogućio je znanstvenicima da shvate povezanost između solarne aktivnosti i Zemljinoga magnetnog polja. Taj CME, koji se zbio 1859. godine, poremetio je ono malo električne tehnologije korištene u to vrijeme, a smetnje su bile najuočljivije prvenstveno na sustavu telegrafije.

Otad je bilo nekoliko manjih izbačaja, čiji se utjecaj osjetio na tekovinama modernoga svijeta. 1972. godine CME je bio uzrokom geomagnetne oluje koja je pogodila telefonske linije u Illinoisu. 1989. godine sprženi su moćni transformatori u New Jerseyu, a 6 milijuna ljudi u Quebecu bilo je bez električne energije pola dana. 2003. godine zbog oluje “Halloween” nekoliko je mjesta bilo bez struje i onesposobljeno je nekoliko satelita. 2006. godine, radio buka izazvana solarnim udarima prekinula je komunikaciju satelita sa stanicama na Zemlji i poremetila globalni navigacijski sustav (GPS) na deset minuta.

Motrenje svemirskoga vremena

CME u interakciji sa Zemljinim magnetskim poljem može zaista naštetiti našoj tehnologiji; stoga znanstvenici neprestano drže na oku Sunčeve aktivnosti.

Različiti sateliti, uključujuči NASA-ine SOHO, STEREO i SDO, te brojni zemaljski opservatoriji neprestano zure u Sunce i prate njegovu aktivnost. U roku od pola sata nakon što se CME odvoji od Sunca, znanstvenici ne samo da znaju da se to dogodilo, nego i u kojemu je smjeru krenuo i kolikom brzinom, izjavio je Joe Kunches, svemirski znanstvenik iz Centra za predviđanje svemirskoga vremena u Boulderu u Coloradu. “Posjedujemo informacije već tri sekunde nakon što ih satelit očita”, kaže Kunches. “Ne može se, međutim, sigurno reći ide li prema Zemlji i kojim intenzitetom, dok ne pogodi napredni istraživački sustav, odnosno ACE satelit. On je lansiran 1989. godine i postavljen je na točki gravitacijske ravnoteže između Sunca i Zemlje, jednoj od tzv. Lagrangeovih točaka, smještenoj na udaljenosti od oko 1,5 milijuna kilometara od doma. Opremljen je s devet senzora i s instrumentima za proučavanje magnetnoga polja, solarnih vjetrova i čestica koje su ubrzane solarnom aktivnošću ili na neki drugi način.”

“ACE je naš sustav za rano upozoravanje”, izjavio je Young. Ovisno o brzini solarnoga izbačaja ACE nam može dati upozorenje 20-60 minuta prije udara, što je dovoljno da omogući astronautima koji se nalaze u svemiru da se vrate u relativnu sigurnost svojih letjelica ili da operatere na električnim postrojenjima upozore da će sustavi uskoro biti preopterećeni.

Solarne baklje su sasvim druga priča. One putuju brzinom svjetlosti jer su one, tehnički gledano, svjetlost, dakle elektromagnetsko zračenje; stoga, kad vidimo solarnu baklju, ona je već ovdje.

Od 1975. GOES (Geostationary Operational Environmental Satellites) kruže u orbiti Zemlje promatrajući vrijeme i prateći X-zračenja, izdajnički znak prisustva solarne baklje. Ona oslobađa određenu količinu energije ekvivalentnu milijunima hidrogenskih bombi aktiviranih u isto vrijeme i, čak i kad su milijunima kilometara daleko od Sunca, ove su zrake dovoljno jake da mogu ugroziti astronaute koji su van svojih letjelica. Iako GOES ne može zaštititi astronaute pružajući im upozorenja o solarnim bakljama, sateliti ipak doprinose razumijevanju ovoga najeksplozivnijeg Sunčevog ponašanja.

Predviđanje svemirskih vremenskih prilika

Unatoč stalnome usavršavanju alata za promatranje i proučavanje solarne aktivnosti, znanstvenici još uvijek ne mogu predvidjeti pojavu solarne baklje ili CME-a prije negoli se dogode. Najbolji primjer izazova kojega predstavlja predviđanje solarnih aktivnosti jest “Halloween” oluja iz 2003, koja se pojavila nekoliko godina nakon zadnjega solarnog maksimuma, upravo kada se činilo da se Sunce smiruje. Nakon trotjednoga perioda, počevši od sredine studenoga, eruptiralo je 17 velikih solarnih baklji i solarnih izbačaja mase. Ljudi su prijavljivali pojavu aurore daleko na jugu, sve do Floride. U međuvremenu su kontrolori letova preusmjeravali letove jer je pola Švedske bilo bez struje, a i neki od satelita, kojima je jedina svrha bila promatranje solarne aktivnosti, bila je trajno ili privremeno onesposobljena.

Uobičajeno CME putuje od Sunca do Zemlje dva do tri dana, ali zabilježeno je da je jednome solarnom izbačaju za vrijeme oluje “Halloween” za to trebalo samo 19 sati, rekao je Kunches.

“Halloween” oluja bila je iznenađujući prasak aktivnosti, ali Sunce je sposobno okrenuti svoj ciklus i u sasvim suprotnome smjeru. Od sredine 17. stoljeća do početka 18. stoljeća došlo je do opadanja solarne aktivnosti. To je period poznat kao Maunderov minimum, tijekom kojega je postojao vrlo malen broj Sunčevih pjega. “Gotovo 70 godina uopće nije bilo Sunčevih pjega. Znanstvenici ne znaju razlog, niti znaju kad bi se to moglo ponoviti, ali ima nekih znanstvenika koji misle da smo upravo pred ulaskom u jedan takav period”, kaže Kunches.

U nastojanju da predvide solarne aktivnosti i njima uzrokovano svemirsko vrijeme, solarni fizičari usmjerili su svoju pažnju na unutrašnjost Sunca, gdje vrućina i stalne turbulencije uzrokuju promjene tlaka kreirajući zvučne valove koji putuju Sunčevom unutrašnjosti i prave valove na njegovoj površini. Ova pojava, koju proučava helioseizmologija, još uvijek omogućava tek rudimentarne prognoze solarnih aktivnosti.

“Ne možemo predvidjeti što će se dogoditi”, tvrdi Jere Jenkins, nuklearni inženjer na Sveučilištu Pardue, koji radi na osmišljavanju projekta predviđanja solarnih aktivnosti pola sata prije nego raspad radiokativnih elemenata registriraju monitori na Zemlji. Jenkins je zajedno s profesorom fizike Ephraimom Fischbachom predložio kontroverznu hipotezu da neutrini sa Sunca u interakciji s radioaktivnim elementima mijenjaju njihovu stopu raspada na dosljedan i prepoznatljiv način, koji je dovoljan za predviđanje solarnih oluja. “Svake sekunde oko 60 milijardi solarnih neutrina prolazi prostorom veličine jednoga četvornog centimetra, ali tijekom našega života samo će se jedan od njih zaustaviti na našemu tijelu”, tvrdi Jenkins. “Dakle, ima ih u stvarno velikim količinama, ali oni nemaju stvarnu interakciju ni sa čime, bar ne na uobičajen način.”

Sredinom 2000-tih, Jenkins i Fischbach su, baveći se proučavanjem statističkih slučajnosti kod radioaktivnoga raspada, primijetili pravilnost u vremenskim razmacima u kojima se događaju promjene u brzini raspada. Stopa raspada pala je u siječnju kad je Zemlja najbliža Suncu. Nakon isključivanja drugih varijabli i pronalaženja sličnih pravilnih ponavljanja u literaturi, zapitali su se bi li to moglo biti ono što traže.

A onda, u drugoj polovini 2006, solarna baklja za vrijeme solarnoga minimuma sve je uhvatila nespremne, uključujući i astronaute na internacionalnoj svemirskoj postaji, koji su upravo bili na svemirskoj šetnji kad je baklja eruptirala.

Koristeći podatke s GOES-a kako bi odredili vrijeme nastanka baklje, par znanstvenika najprije je odredio vrijeme raspada na Zemlji, koje se poklapalo s maksimalnom aktivnosti koju je zabilježio satelit. Pritom su pronašli nešto možda još važnije: “Počeli smo primjećivati promjene u stopi raspada 39-40 sati prije pojave baklje”, tvrdi Jenkins. Otad je objavljeno desetak studija koje podupiru postavku da nešto što se događa na Suncu ima utjecaj na brzinu radioaktivnoga raspada prije nego baklje budu zamijećene. Istraživači su pratili još desetak solarnih baklji prije nego su 2006. objavljeni rezultati koji se više-manje preklapaju s otkrićima do kojih su došli Jenkins i Fischbach. Ova hipoteza, međutim, izaziva kontroverze jer se ne poklapa s već utvrđenim paradigmama.

Prije više od 80 godina, engleski fizičar Ernest Rutherford objavio je da je stopa radioaktivnoga raspada konstantna, što znači da vanjske sile ne bi trebale imati utjecaja na nju. Osim toga, solarni neutrini ne bi trebali biti u interakciji gotovo ni sa čime. Tako smo “postavili izazov pred dvije paradigme”, kaže Jenkins.

Unatoč snažnome pritisku koji dolazi od strane pojedinih fizičara, astrofizičara i ostalih, Jenkins i Rutherford kreću dalje s pokušajima razvoja prognostičke službe koja bi se bazirala na promatranju radioizotopa koji, prema Jenkinsu, mogu vladinim agencijama omogućiti da budu upozorene 12-18 sati prije pojave solarne baklje ili CME erupcije. Električna postrojenja, sateliti, zrakoplovi, astronauti, prekooceanski brodovi i svi ostali mogli bi na vrijeme ugasiti postrojenja ili jednostavno napraviti pauzu u iščekivanju solarne baklje ili CME-a.

“Ne budemo li imali takav sustav upozorenja, jedan događaj poput onoga Carringtonovog mogao bi napraviti pravu pustoš i time nas vratiti u tehnologiju 30-tih godina prošloga tisućljeća”, izjavio je znanstvenik.

Izvor: EarthMagazine

Izvor: http://znanost.geek.hr/clanak/pred-solarnim-smo-maksimumom-sto-doista-znamo-o-tome/#ixzz2I2jpBlrs

Leave a Comment