Burze słoneczne mogą siać spustoszenie. Potrzebujemy lepszych prognoz pogody kosmicznej

Od grudnia 2019 roku słońce wkracza w bardziej ruchliwą część swojego cyklu, kiedy coraz intensywniejsze impulsy energii mogą wystrzelić we wszystkich kierunkach. Niektóre z tych dużych wybuchów naładowanych cząstek zmierzają prosto w kierunku Ziemi. Bez dobrego sposobu przewidywania burz słonecznych jesteśmy bezbronni. Największe z burz słonecznych mogą zniszczyć część naszych systemów komunikacyjnych i sieci elektroenergetycznych, zanim jeszcze zorientujemy się, co w nas uderzyło.

Bardzo silna burza słoneczna miała miejsce latem 2012 roku. Gigantyczna burza słoneczna cisnęła w kierunku Ziemi wypełniony promieniowaniem obłok z prędkością ponad 9 milionów kilometrów na godzinę. Potencjalnie niszcząca eksplozja szybko przemierzyła prawie 150 milionów kilometrów w kierunku naszej planety i gdyby uderzyła w Ziemię, konsekwencje mogłyby być bardzo poważne. Naukowcy dowiedzieli się o tym już po fakcie, tylko dlatego, że naładowane cząsteczki uderzyły w satelitę NASA przeznaczonego do obserwacji tego typu zjawisk kosmicznych.

Burza z 2012 roku była najbardziej intensywną burzą, jaką badacze zmierzyli od 1859 roku. Gdy we wrześniu 1859 roku potężna burza nawiedziła półkulę północną, ludzie nie mieli tyle szczęścia. Wiele systemów telegraficznych w Europie i Ameryce Północnej uległo awarii. Wydarzenie to stało się znane jako burza magnetyczna roku 1859 (Carrington Event), nazwane na cześć brytyjskiego astronoma Richarda Carringtona, który był świadkiem intensywnie jasnych plam światła na niebie i zarejestrował to, co zobaczył.

Świat wyszedł daleko poza systemy telegraficzne. Dzisiejsze uderzenie na poziomie burzy magnetycznej z roku 1859 zniszczyłoby satelity, zakłócając GPS, sieci telefonii komórkowej i połączenia internetowe, systemy bankowe, lotnictwo, pociągi i sygnalizacje drogowe również by ucierpiałyby. Naprawa uszkodzonych sieci elektroenergetycznych zajęłaby miesiące lub dłużej.

Szczególnie teraz, podczas pandemii, w wyniku której wielu z nas polega na Zoom i innych programach komunikacji wideo, aby pracować i chodzić do szkoły, trudno sobie wyobrazić powszechny wstrząs, który spowodowałoby takie wydarzenie. Gdyby do tego doszło, naukowcy oszacowali straty ekonomiczne w samych Stanach Zjednoczonych na poziomie bilionów dolarów, zgodnie z przeglądem w Risk Analysis z 2017.

Kosmiczna pogoda uderza w dom

Te systemy na Ziemi i branże są zagrożone podczas burzy słonecznej: sieci energetyczne; przemysłu naftowo-gazowego; komunikacja: sieci komórkowe, sieci światłowodowe, żegluga i wojsko; transport naziemny (koleje); satelity; GPS; lotnictwo

Aby uniknąć takich zniszczeń, w październiku (2020) ówczesny prezydent Donald Trump podpisał ustawę, która będzie wspierać badania w celu opracowania lepszych prognoz pogody kosmicznej i oceny możliwych skutków oraz umożliwi lepszą koordynację między agencjami, takimi jak NASA i National Oceanic and Atmospheric Administration.

„Trochę rozumiemy, jak powstają te burze słoneczne, ale nie możemy ich dobrze przewidzieć” – mówi naukowiec zajmujący się atmosferą i kosmosem Aaron Ridley z University of Michigan w Ann Arbor. Tak jak naukowcy wiedzą, jak mapować prawdopodobną ścieżkę tornad i huraganów, Ridley ma nadzieję, że zobaczy te same możliwości przewidywania pogody kosmicznej.

Idealnym scenariuszem jest uzyskanie ostrzeżeń na długo, zanim burza wyłączy satelity lub dotrze na ląd, a być może nawet zanim słońce wyśle ​​naładowane cząstki w naszym kierunku. Po wcześniejszym ostrzeżeniu zakłady użyteczności publicznej i rządy mogą wyłączyć sieci i odsunąć satelity z dala od niebezpieczeństw.

Ridley tworzy symulacje burz słonecznych, aby pomóc naukowcom szybko i dokładnie przewidzieć, gdzie będą się pojawiać, jak intensywne będą i czy mogą wpłynąć na ważne satelity i sieci energetyczne na Ziemi. Biorąc pod uwagę spustoszenie, jakie może spowodować ekstremalna burza słoneczna, wielu naukowców i rządów chce jak najszybciej opracować lepsze prognozy.

Przypływy i odpływy

Kiedy naukowcy mówią o pogodzie kosmicznej, zwykle odnoszą się do dwóch rzeczy: wiatru słonecznego, stałego strumienia naładowanych cząstek odpływających ze słońca oraz koronalnych wyrzutów masy, ogromnych wyrzutów naładowanych cząstek lub plazmy wydmuchiwanej z zewnętrzne warstwy słońca. Niektóre inne zjawiska, takie jak wysokoenergetyczne cząstki zwane promieniami kosmicznymi, również liczą się jako pogoda kosmiczna, ale nie powodują większych obaw.

Koronalne wyrzuty masy lub CME, najbardziej groźny rodzaj burz słonecznych, nie zawsze są szkodliwe – w końcu generują olśniewające zorze w pobliżu biegunów. Biorąc jednak pod uwagę ryzyko burzy wyłączającej kluczowe satelity wojskowe i komercyjne lub szkodzenia zdrowiu astronautów na orbicie, zrozumiałe jest, że naukowcy i rządy są zaniepokojeni.

Astronomowie od wieków spoglądali na naszego słonecznego towarzysza. W XVII wieku Galileo był jednym z pierwszych, które wykryły plamy słoneczne, nieco chłodniejsze obszary na powierzchni Słońca z silnymi polami magnetycznymi, które często są prekursorem intensywniejszej aktywności słonecznej. Jego następcy zauważyli później, że plamy słoneczne często wytwarzają wybuchy promieniowania zwane rozbłyskami słonecznymi. Złożone, zmieniające się pole magnetyczne Słońca również czasami powoduje, że włókna lub pętle plazmy o średnicy tysięcy kilometrów wybuchają w zewnętrznych warstw Słońca. Tego rodzaju erupcje słoneczne mogą generować CME.

„Linie pola magnetycznego Słońca mogą się komplikować i skręcać jak ciągutka (cukierek) w niektórych regionach” – mówi Mary Hudson, fizyk z Dartmouth College. Te linie mogą pęknąć jak gumka recepturka i wystrzelić dużą porcję energii z korony słonecznej w przestrzeń międzyplanetarną.

To XIX-wieczny niemiecki astronom Samuel Heinrich Schwabe zdał sobie sprawę, że taka aktywność słoneczna wzrasta i zmniejsza sie podczas 11-letnich cykli. Dzieje się tak, ponieważ pole magnetyczne Słońca zmienia się całkowicie co 11 lat. Ostatni cykl słoneczny zakończył się w grudniu 2019 r., aktualnie słonce przejawia najniższą aktywności ale zmierza w kierunku maksimum – cykl słoneczny 25 (astronomowie zaczęli liczyć cykle słoneczne w XIX wieku). Burze słoneczne, zwłaszcza niebezpieczne CME, stają się obecnie coraz częstsze i intensywniejsze i powinny osiągnąć szczyt między 2024 a 2026 rokiem.

W górę i w dół

Liczba plam słonecznych i innej aktywności słonecznej, która generuje burze słoneczne, rośnie i spada w cyklu 11-letnim. Cykl słoneczny 25 rozpoczął się w grudniu 2019 r. i ma osiągnąć szczyt w 2025 r.

Jasna chmura cząstek została “wyrzucona” ze słońca w 2013 roku. Szczyt aktywności w obecnym cyklu słonecznym ma nastąpić w 2025 roku. SDO / GODDARD / NASA / FLICKR

Każdy, kto jest uzależniony od dalekosiężnych sygnałów radiowych lub telekomunikacji, może się bez nich obejść, dopóki burza się nie skończy, a uszkodzone satelity nie zostaną naprawione lub wymienione. Potężna burza może również zakłócić lot samolotów, ponieważ piloci tracą kontakt z kontrolerami ruchu lotniczego. Chociaż są to skutki przejściowe, zwykle trwające do jednego dnia, oddziaływania na sieci elektryczne mogą być stanowczo gorsze.

Masywny CME mógłby dostarczyć do przewodów sieci energetycznej na Ziemi kiloampery – zamiast zwykłych amperów – przytłaczając transformatory i powodując ich stopienie lub eksplozję. Cała prowincja Quebec, z prawie 7 milionami ludzi, doznała przerwy w dostawie prądu, która trwała ponad dziewięć godzin w dniu 13 marca 1989 r., dzięki CME podczas szczególnie aktywnego cyklu słonecznego. CME wpłynęło również na Nową Anglię i Nowy Jork. Gdyby operatorzy sieci elektroenergetycznej wiedzieli, co się zbliża, mogliby zmniejszyć przepływ mocy na liniach i połączeniach międzysystemowych w sieci elektroenergetycznej oraz w razie potrzeby ustawić zapasowe generatory.

Wczesne ostrzeżenie

Ale planiści potrzebują więcej informacji niż obecnie. Być może w ciągu następnej dekady ulepszone modelowanie komputerowe i nowe możliwości monitorowania pogody kosmicznej umożliwią naukowcom dokładniejsze i wcześniejsze przewidywanie burz słonecznych i ich prawdopodobnych skutków – mówi fizyk Thomas Berger, dyrektor wykonawczy Centrum Technologii, Badań i Edukacji Kosmicznej w University of Colorado Boulder.

Meteorolodzy kosmiczni klasyfikują burze słoneczne na podstawie zakłóceń pola magnetycznego Ziemi w pięciostopniowej skali, podobnie jak huragany. Ale w przeciwieństwie do tych tropikalnych burz, nie jesteśmy wstanie wykryć żadnym satelitom nadejścia burzy słonecznej. W przypadku burz zbliżających się do Ziemi National Weather Service ma dostęp do stale aktualizowanych danych. Jednak dane o pogodzie kosmicznej są zbyt skąpe, aby były bardzo przydatne – niewielka liczba burz do monitorowania i dostarczania danych.

Dwa amerykańskie satelity monitorujące pogodę w kosmosie to sonda ACE NASA, która pochodzi z lat 90. i powinna nadal gromadzić dane przez kilka kolejnych lat, oraz DSCOVR NOAA, który został zaprojektowany w podobnym czasie, ale nie został wystrzelony do 2015 r. Oba satelity orbitują około 1,5 miliona kilometrów nad Ziemią – co wydaje się odległe, ale z perspektywy burzy słonecznej ledwo znajduje się powyżej naszej planety. Oba satelity mogą wykryć i zmierzyć burzę słoneczną tylko wtedy, gdy jej uderzenie jest nieuchronne: od 15 do 45 minut przed uderzeniem. To bardziej przypomina „ostrzeżenie” niż prognozowanie, oferując niewiele więcej niż ostrzeżenie, aby przygotować się na uderzenie.

„To jedno z największych wyzwań związanych z pogodą kosmiczną: przewidzieć pole magnetyczne CME na długo przed jego pojawieniem się [na Ziemi], aby można było przygotować się na nadchodzącą burzę” – mówi Berger. Ale starzejące się satelity, takie jak SOHO, satelita wystrzelony przez NASA i Europejską Agencję Kosmiczną w 1995 roku, a także ACE i DSCOVR monitorują tylko ograniczony zakres kierunków, które nie obejmują biegunów słońca, pozostawiając dużą lukę w obserwacjach, mówi.

Oczy na słońcu

Trzy główne satelity monitorują pogodę kosmiczną od 1995 r., ale mogą wykryć tylko nieuchronne uderzenie:

Idealnie byłoby, gdyby naukowcy mogli przewidzieć burzę słoneczną, zanim zostanie ona wyrzucona w kosmos. Dałoby to wystarczająco dużo czasu – ponad jeden dzień – operatorom sieci energetycznej na ochronę transformatorów przed skokami napięcia, a satelity i astronauci mogliby uniknąć niebezpieczeństwa.

Wymaga to zebrania większej ilości danych, szczególnie z zewnętrznych warstw Słońca, a także lepszego oszacowania, kiedy wybuchnie CME i czy jest niebezpieczny. Aby wesprzeć takie badania, naukowcy z NOAA wyposaży swojego następnego satelitę meteorologicznego, którego wystrzelenie zaplanowano na początek 2025 r., w koronograf, instrument używany do badania najbardziej zewnętrznej części atmosfery słonecznej – korony słonecznej.

Druga znacząca zmiana może nastąpić zaledwie dwa lata później, w 2027 r., wraz z uruchomieniem misji ESA Lagrange. Będzie to pierwsza misja kosmiczna polegająca na wystrzeleniu dwóch statków kosmicznych w wyjątkowe miejsce: dwa punkty Lagrange’a. Z tych miejsc sondy kosmiczne będzie mogła zobaczyć powierzchnię Słońca z boku, zanim “twarz Słońca” obróciła się i skierowała w kierunku Ziemi – mówi Juha-Pekka Luntama, szef Biura ds. Pogody Kosmicznej ESA.

W ten sposób Lagrange będzie w stanie monitorować aktywny, obszar słońca z kilku dniowym wyprzedzeniem w porównaniu z innymi statkami kosmicznymi, szybciej ustalając prędkość i kierunek nowej burzy słonecznej, aby umożliwić naukowcom dokładniejsze prognozowanie. Dzięki tym nowym satelitom będzie więcej statków kosmicznych obserwujących nadchodzącą pogodę kosmiczną z różnych miejsc, co zapewni naukowcom więcej danych do tworzenia prognoz

Zbliżająca się misja Europejskiej Agencji Kosmicznej w Lagrange będzie monitorować słońce za pomocą statków kosmicznych w „punktach Lagrange’a” L1 i L5, dwóch miejscach na orbicie, gdzie połączone przyciąganie grawitacyjne Ziemi i Słońca pomaga obiektom w kosmosie pozostać na miejscu. ZESPÓŁ NAUKOWY WMAP / NASA

Lagrange będzie pierwszą misją z satelitą (na ilustracji) na L5, która będzie monitorować Słońce z boku, aby spróbować wykryć koronalne wyrzuty masy zagrażające Ziemi znacznie wcześniej. ZESPÓŁ NAUKOWY WMAP / NASA

W międzyczasie Berger, Ridley i współpracownicy koncentrują się na opracowywaniu lepszych symulacji komputerowych i modeli zachowania korony słonecznej oraz konsekwencji CME na Ziemi. Ridley i jego zespół tworzą nowe oprogramowanie, która umożliwi naukowcom w dowolnym miejscu szybką aktualizację modeli górnych warstw atmosfery, na które wpływ ma pogoda kosmiczna. Grupa Ridleya modeluje również sposób, w jaki CME wstrząsa polem magnetycznym naszej planety i uwalnia naładowane cząstki w kierunku Ziemi.

Berger współpracuje również z innymi badaczami nad modelowaniem i symulacją górnych warstw atmosfery Ziemi, aby lepiej przewidywać wpływ burz słonecznych na jej gęstość. Kiedy uderza burza, kompresuje pole magnetyczne, co może zmienić gęstość zewnętrznych warstw atmosfery ziemskiej i wpłynąć na to, z jakim oporem satelity muszą walczyć, aby pozostać na orbicie.

Bezpieczeństwo satelitarne

Było kilka przypadków uszkodzenia satelitów przez burze słoneczne. Japoński satelita ADEOS-II przestał działać w 2003 roku, po okresie intensywnych wyrzutów energii słonecznej. Wydawało się, że satelita Solar Maximum Mission został wciągnięty na niższą orbitę – i ostatecznie spalony w atmosferze – po tej samej burzy słonecznej z 1989 roku, która pozostawiła Quebec w ciemności.

Satelity dotknięte burzami słonecznymi mogą być narażone na zderzenie ze sobą lub z śmieciami kosmicznymi. Przy ogromnych konstelacjach satelitów, takich jak SpaceX oraz przy dziesiątkach tysięcy satelitów i kawałkach statków kosmicznych znajdujących sie na zatłoczonych orbitach, ryzyko jest naprawdę zderzenia jest naprawdę duże. Każda katastrofa kosmiczna z pewnością spowoduje również powstanie większej ilości śmieci kosmicznych, które również stanowią zagrożenie dla kolejnych statków kosmicznych.

 Amerykańskie wojsko śledzi satelity i kosmiczne śmieci i przewiduje, gdzie prawdopodobnie będą w przyszłości, ale wszystkie te obliczenia są bezwartościowe bez znajomości skutków burz słonecznych – mówi Boris Krämer, inżynier lotniczy z University of California w San Diego, który współpracuje z Ridleyem. „Aby ustawić satelity na trajektoriach, aby uniknąć kolizji, trzeba znać pogodę kosmiczną” – mówi Krämer.

Tworzenie symulacji szacujących potencjalne zderzenia zajmuje trochę czasu. Obecne modele działają na potężnych super-komputerach. Ale jeśli satelita musiałby używać swojego komputera pokładowego do wykonywania tych obliczeń w locie, naukowcy muszą opracować wystarczająco dokładne modele, które działają znacznie szybciej i zużywają mniej energii.

Nowe dane i nowe modele prawdopodobnie nie pojawią się przed nadchodzącym sezonem burz słonecznych, ale powinny działać w cyklu słonecznym 26 w 2030 roku. Być może do tego czasu naukowcy będą w stanie wcześniej ostrzegać o nadchodzącej burzy, dając więcej czasu na przesunięcie satelitów, wzmocnieniu transformatorów i powstrzymanie najgorszego.

Cel poprawy prognoz pogody kosmicznej przyciągnął szerokie poparcie rządu federalnego i zainteresowanie przemysłu, w tym Lockheed Martin [amerykański koncern zbrojeniowy], ze względu na zagrożenia dla ważnych satelitów, w tym 31, które tworzą amerykańską sieć GPS.

Rosnące zainteresowanie pogodą kosmiczną doprowadziło do powstania ustawy z 2020 r., znanej jako Promowanie badań i obserwacji pogody kosmicznej w celu poprawy prognozowania jutra [ Promoting Research and Observations of Space Weather to Improve the Forecasting of Tomorrow Act / PROSWIFT]. A National Science Foundation i NASA wsparły programy badań pogody kosmicznej. Na przykład Ridley, Krämer i ich współpracownicy otrzymali ostatnio 3,1 miliona dolarów dotacji NSF na opracowanie, między innymi, nowych komputerowych symulacji i oprogramowania związanego z pogoda kosmiczną.

Nasze poleganie na technologii kosmicznej wiąże się z rosnącymi słabościami. Niektórzy naukowcy zajmujący się kosmosem spekulują, że nie udało nam się znaleźć obcych cywilizacji, ponieważ niektóre z nich zostały zniszczone przez bardzo aktywne gwiazdy, które orbitują, co może pozbawić niegdyś zamieszkane światy atmosfery i wystawić życie na powierzchni na szkodliwe promieniowanie gwiazdowe i kosmiczną pogoda. Nasze Słońce nie jest tak niebezpieczne jak wiele innych gwiazd, które mają częstszą i intensywniejszą aktywność magnetyczną, ale może być niebezpieczne dla naszego stylu życia.

„Na całym świecie musimy poważnie potraktować pogodę kosmiczną i przygotować się. Nie chcemy się obudzić pewnego dnia, a cała nasza infrastruktura nie będzie działać”- mówi Luntama z ESA. Ponieważ kluczowe satelity i sieci energetyczne nagle by się zepsuły, nie moglibyśmy nawet użyć naszych telefonów, aby wezwać pomoc.

Źródła: Ramin Skibba

T. E. Berger et al. Flying Through UncertaintySpace Weather. Vol. 18, January 2020. doi:10.1029/2019SW002373.

X. Meng et al. Thermosphere‐Ionosphere Modeling With Forecastable Inputs: Case Study of the June 2012 High‐Speed Stream Geomagnetic StormSpace Weather. Vol. 18, February 2020. doi:10.1029/2019SW002352.

Federal Emergency Management Agency. 2019 National Threat and Hazard Identification and Risk Assessment (THIRA). Fema.gov, July 25, 2019.

D. J. Knipp et al. On the Little-Known Consequences of the 4 August 1972 Ultra-Fast Coronal Mass Ejecta: Facts, Commentary, and a Call to ActionSpace Weather. Vol. 16, November 2018. doi:10.1029/2018SW002024.

J.P. Eastwood et al. The economic impact of space weather: Where do we stand? Risk Analysis, Vol. 37, February 2017. Doi:10.1111/risa.12765

National Research Council. Solar and Space Physics: A Science for a Technological Society. The National Academies Press, 2013. doi:10.17226/13060.

Zdjęcia: NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x