Prognoza kosmicznej pogody na kilka następnych lat: burze słoneczne z możliwością katastrofalnych wyłączeń prądu na wielkich obszarach. Czy jesteśmy na to przygotowani?

Pierwszego września 1859 r. 33-letni piwowar i astronom amator Richard Carrington wdrapał się po schodach do swojego prywatnego obserwatorium pod Londynem, odsłonił szczelinę obserwacyjną w kopule i jak miał w zwyczaju w słoneczne poranki – ustawił teleskop w taki sposób, aby rzucał 28-centymetrowy obraz słońca na ekran.

Właśnie zaznaczał na papierze plamy słoneczne, gdy na jego oczach pośrodku jednej z większych ich grup pojawiły się „dwa niezwykle silne pasma jasnego i białego światła”. W tym samym czasie igła magnetometru zawieszona na jedwabnej nici w londyńskim obserwatorium Kew zaczęła tańczyć jak szalona. Przed wschodem słońca następnego dnia niebo rozświetliły olbrzymie zorze w kolorach czerwonym, zielonymi i różowym widoczne nawet w tak daleko położonych na południe okolicach jak Hawaje czy Panama. Turyści w Górach Skalistych pomylili zorzę ze wschodem słońca, wstali i zaczęli szykować śniadanie.

Rozbłyski zaobserwowane przez Carringtona zapowiadały słoneczną burzę o niesłychanej sile – gigantyczną elektromagnetyczną eksplozję, na skutek której miliardy ton naładowanych cząstek zostały wyrzucone ku Ziemi z wielką prędkością. Kiedy niewidzialna fala zderzyła się z polem magnetycznym naszej planety, spowodowała gwałtowne przepływy prądu elektrycznego w liniach telegraficznych. Uderzenie wyłączyło z pracy kilka stacji. A w innych telegrafiści odkryli, że mogą odłączyć zasilanie. – Pracujemy teraz jedynie na prądzie z zorzy polarnej – donosił telegrafista z Bostonu koledze w Portland w stanie Maine. – Jaki macie odbiór? – Znacznie lepszy niż zwykle – odpowiedziało Portland.

Operatorzy współczesnych sieci telekomunikacyjnych oraz energetycznych sieci przesyłowych nie byliby tak uradowani. Od czasu zdarzenia w 1859 r. nie wystąpił już rozbłysk o podobnej sile i natężeniu, trudno więc ocenić, jaki byłby wpływ takiego uderzenia na współczesny świat, który przecież jest uzależniony od elektryczności. Pewną wskazówką może być sytuacja z 13 marca 1989 r., kiedy w Quebecu burza słoneczna mniej więcej o jedną trzecią słabsza niż ta obserwowana przez Carringtona unieruchomiła sieć energetyczną obsługującą ponad 6 mln użytkowników w czasie krótszym niż dwie minuty. Burza takiej wielkości jak ta zaobserwowana przez Carringtona byłaby zdolna usmażyć więcej transformatorów, niż ich mają w rezerwie firmy energetyczne, pozostawiając miliony ludzi bez światła, wody pitnej, kanalizacji, ogrzewania, klimatyzacji, paliwa, łączności telefonicznej oraz żywności, do czasu kiedy uda się wyprodukować i zainstalować nowe transformatory. W niedawno opublikowanym raporcie amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk oceniono, że taka burza wpłynęłaby na gospodarkę USA 20-krotnie silniej niż huragan „Katrina”, powodując straty 1–2 bln dolarów w ciągu pięciu pierwszych lat, a wychodzenie z tego kryzysu potrwałoby dekadę.

– Nie potrafimy przewidzieć zachowania Słońca na więcej niż kilka dni do przodu – ubolewa Karel Schrijver z laboratorium heliofizyki i astrofizyki firmy Lockheed Martin, położonego w Palo Alto w Kalifornii. W tym roku powinien rozpocząć się okres największej aktywności słonecznej, dlatego ośrodki zajmujące się pogodą kosmiczną zatrudniają nowy personel. – Próbujemy zrozumieć i przewidzieć najczarniejsze możliwe scenariusze – mówi Schrijver.

 


Kula „czwartego stanu”

Niewiele jest obiektów, które byłyby nam znane równie dobrze jak Słońce – w końcu widzimy je na niebie każdego pogodnego dnia – a przy tym równie dziwne. Jeśli popatrzymy przez teleskop słoneczny, dobrze nam znany żółty dysk ukazuje się jako dynamicznie zmieniający się świat, w którym wybrzuszenia wielkości planet unoszą się w ciemną przestrzeń jak świetliste meduzy, tylko po to, by opaść z powrotem po kilku godzinach lub dniach, jakby ściągane jakąś niewidzialną siłą.

Bo rzeczywiście takie są. Słońce nie jest ciałem stałym, cieczą lub gazem, ale jest utworzone z plazmy – owego „czwartego stanu materii”, w którym atomy zostały rozszarpane na jądra i elektrony. Plazma słoneczna jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym, znacznie lepszym niż miedź. W Słońcu występują także pola magnetyczne. Większość jest uwięziona głęboko w jego wnętrzu, ale niekiedy pęki linii pola o grubości równej średnicy Ziemi wyłaniają się ponad powierzchnię, tworząc plamy słoneczne. To pole magnetyczne reżyseruje ów chaotyczny taniec w atmosferze Słońca i to ono odpowiada za wiatr słoneczny, czyli strumień milionów ton plazmy wyrzucanych przez Słońce w kosmos w każdej sekundzie z szybkością 700 km/s.

Aktywnością Słońca rządzi zaskakująco skomplikowany mechanizm, a przecież jest to przeciętna gwiazda. W jej jądrze – które jest sferoidalną masą kipiącej plazmy o gęstości sześć razy większej niż gęstość złota i temperaturze 15 mln OC – w każdej sekundzie 700 mln ton wodoru jest przetwarzanych w procesie fuzji jądrowej w hel. Uwalnia się przy tym energia odpowiadająca 10 mld bomb wodorowych. Jądro podlega nieznacznym zmianom, powiększając się, gdy tempo fuzji rośnie, i kurcząc, kiedy fuzja zwalnia. Na to powolne i głębokie bicie słonecznego serca nakłada się mnóstwo innych rytmów, począwszy od 11-letniego cyklu zmian słonecznych aż po cykle zmienne w skali stuleci.

Energia wytworzona dzięki fuzji w jądrze Słońca jest przenoszona na zewnątrz w postaci wysokoenergetycznych fotonów, które przebijają się przez skupisko jonów i elektronów. W strefie radiacyjnej materia jest tak gęsta, że mija ponad 100 tys. lat, zanim foton przebije się przez nią, by dotrzeć do strefy konwekcji zaczynającej się w odległości 7/10 promienia od środka. Po kolejnym miesiącu foton dociera do fotosfery, czyli tej warstwy Słońca, którą widzimy bezpośrednio. Stąd potrzebuje już tylko ośmiu minut, aby dotrzeć do Ziemi w postaci promieniowania słonecznego.

 


Struktura dynama

Jak można się spodziewać, gigantyczny termojądrowy piec robi wiele hałasu. – Słońce jest jak dzwon wydający miliony różnych dźwięków – zauważa Mark Miesch z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych w Boulder  w Kolorado. Każdemu dźwiękowi odpowiadają charakterystyczne zafalowania na powierzchni Słońca, których naukowcy używają do prześledzenia prądów głęboko w strefie konwekcyjnej. Ta dyscyplina nosi nazwę heliosejsmologii. Informacje zebrane przez czujniki heliosejsmiczne na pokładzie sondy Solar Dynamics Observatory pozwoliły niedawno badaczom z Uniwersytetu Stanforda wykryć pęki linii pola magnetycznego 65 000 km pod powierzchnią Słońca, a także przewidzieć ich wynurzenie się na powierzchnię dzień później w formie plam słonecznych.

Słońce funkcjonuje jak gigantyczne dynamo, a linie pola magnetycznego biegnące od bieguna do bieguna działają jak klatka na cząstki. Linie lokalnego pola magnetycznego, splecione z plazmą w strefie konwekcji, skręcają się i wybrzuszają ponad powierzchnię, tworząc pętle widoczne dzięki temu, że gorąca plazma świeci. Kiedy pętle krzyżują się, może dojść do zwarcia i gigantycznej eksplozji plazmy nazywanej rozbłyskiem słonecznym. Uwalnia on energię równą setkom milionów megaton trotylu, wypluwając w przestrzeń promienie X i promienie gamma i przyspieszając cząstki naładowane do prędkości bliskich światłu.

Zdarzenie zaobserwowane przez Carringtona było wynikiem potężnego rozbłysku słonecznego, który stał się z kolei przyczyną koronalnego wyrzutu masy o rzadkiej skali, czyli gigantycznej magnetycznej erupcji gorącej plazmy w przestrzeń kosmiczną. Pierwszy wyrzut dotarł zapewne do Ziemi w typowym przedziale 40–60 godzin, oczyszczając drogę przez wiatr słoneczny drugiemu wyrzutowi, który pokonał ten dystans w 17 godzin. Ich połączone działanie zgniotło ziemską magnetosferę – gdzie ziemskie pole magnetyczne oddziałuje z wiatrem słonecznym – obniżając jej dolną granicę z 60 tys. do 7 tys. km i eliminując przejściowo pasy promieniowania van Allena chroniące naszą planetę. Naładowane cząstki docierające z górnych warstw atmosfery wywołały intensywne zorze nad dużą częścią Ziemi. Niektórzy sądzili, że ich miasta stanęły w ogniu.


Krajobraz po burzy

Superburza wielkości tej zaobserwowanej przez Carringtona zapewne zdarza się raz na kilka stuleci. Nawet jednak znacznie mniejsze mogą spowodować duże szkody, biorąc pod uwagę, że ludzie są coraz bardziej zależni od technologii umieszczonej w kosmosie. Burze słoneczne zaburzają jonosferę, czyli tę warstwę ziemskiej atmosfery położoną jakieś 100 km nad powierzchnią Ziemi. Tymczasem piloci blisko 11 tys. komercyjnych lotów przebiegających nad biegunem północnym każdego roku korzystają z sygnałów radiowych odbitych od jonosfery, aby nawiązać łączność powyżej 80 stopni szerokości, poza zasięgiem satelitów telekomunikacyjnych zawieszonych nad równikiem. Kiedy pogoda kosmiczna zniekształca jonosferę i zaburza komunikację na falach krótkich, piloci muszą zmienić kurs, co może zwiększać koszty nawet o 100 tys. dolarów za lot. Pobudzona jonosfera zmienia także bieg sygnałów GPS, zmniejszając dokładność lokalizacji do 50 m. To oznacza np., że geodeci muszą przerwać swoją pracę, platformy wiertnicze mają trudności z utrzymaniem pozycji, a piloci nie mogą korzystać na wielu lotniskach z coraz popularniejszego systemu wspomagania lądowania przy użyciu GPS.

Promieniowanie UV wysyłane podczas rozbłysków słonecznych może także zaburzyć orbity satelitów przez podgrzanie atmosfery, co zwiększa opór. NASA ocenia, że Międzynarodowa Stacja Kosmiczna opada ponad 300 m dziennie, kiedy Słońce jest aktywne. Burze słoneczne mogą także zaburzyć działanie elektroniki na satelitach telekomunikacyjnych, zamieniając je w „zombie”, martwo dryfujące w przestrzeni kosmicznej.

 


Powrót do przeszłości

W odróżnieniu od satelitów większość linii energetycznych nie jest w żaden sposób zabezpieczona przed skutkami potężnych burz geomagnetycznych. Ponieważ wielkie transformatory są połączone z ziemią, burze geomagnetyczne mogą indukować w nich prądy, co może doprowadzić do ich przegrzania, a nawet pożaru i eksplozji. Według Johna Kappenmana z firmy Storm Analysis Consultants, badającej wpływ pogody kosmicznej na sieć energetyczną, burze takiej wielkości jak ta z maja 1921 r. dziś spowodowałyby wyłączenie prądu w całej północnej części Ameryki Północnej. Natomiast burza taka jak ta w 1859 r. wywołałaby wyłączenie całej sieci energetycznej, skazując setki milionów ludzi na powrót do przedelektrycznego stylu życia na tygodnie, a może i miesiące. 

 

Słoneczne prognozy

W 1859 r. świat nie miał wielu narzędzi do badania Słońca poza kilkoma teleskopami i nielicznym stacjami monitorującymi pole magnetyczne. Dziś badacze mogą śledzić naszą gwiazdę przy użyciu imponującej armady satelitów zdolnych wykonywać zdjęcia w zakresie promieni rentgenowskich i promieniowania ultrafioletowego blokowanego przez ziemską atmosferę. Wspomnijmy tylko sondę STEREO. To właściwie para satelitów, jeden wyprzedzający Ziemię na jej orbicie, a drugi poruszający się za nią, które wspólnie mogą wykonywać trójwymiarowe zdjęcia Słońca. Śledzą one, w jaki sposób i z jaką szybkością koronalne wyrzuty masy odrywają się od powierzchni Słońca.

– Prognozy dla pogody kosmicznej są na takim etapie, na jakim były prognozy meteorologiczne 50 lat temu – mówi fizyk Douglas Biesecker z Centrum Prognozowania Pogody Kosmicznej NOAA w Boulder w Kolorado. Ponieważ skutki burz słonecznych zależą po części od tego, jaka jest orientacja kosmicznego pola magnetycznego względem pola ziemskiego, naukowcy nie potrafią przewidzieć wielkości burzy, zanim dotrze ona do satelitów ACE, co niekiedy daje zaledwie 20-minutowe wyprzedzenie przed uderzeniem burzy.

Badania koncentrują się na przewidywaniu siły burzy i prawdopodobnego czasu uderzenia, dzięki czemu wrażliwe systemy mogą się przygotować na jej nadejście. W październiku minionego roku grupa NOAA uruchomiła nowy model komputerowy o nazwie Enlil – od imienia sumeryjskiego boga wiatrów – który potrafi przewidzieć, kiedy koronalny wyrzut masy uderzy w naszą planetę, z dokładnością do plus minus sześciu godzin. Enlil, przewidując wystąpienie dużej burzy 8 marca tego roku, pomylił się jedynie o 45 minut. Ta burza okazała się niewypałem, ale następnym razem możemy nie mieć tyle szczęścia. – W tym cyklu nie mieliśmy jeszcze większych zaburzeń – mówi Biesecker. –Teraz jednak wiemy, że gdy pojawi się coś naprawdę dużego, zbierzemy o tej sytuacji pełną informację.