Saulės aktyvumas: pliūpsniai, dėmės ir kosminiai orai
Linas JuozėnasDalytis
Žinių arka · Visata · 08 skyrius / 02 straipsnis
Kai Saulė sujudina mūsų dangų.
Pašvaistės uždanga atskleidžia ryšį, besitęsiantį per kosmosą. Sekite kintantį Saulės magnetizmą, atskirkite jos išsiveržimus ir sužinokite, kaip Saulės aktyvumas paliečia gyvenimą technologijų pasaulyje.
Erdvė aplink Žemę – aktyvi aplinka
Saulė gali atrodyti rami, kol jos atmosferoje kaupiasi magnetinė energija. Kai ši energija išlaisvinama, padariniai priklauso nuo to, kas palieka Saulę ir kaip mus pasiekia.
Kosminiai orai apibūdina kintančias kosminės aplinkos sąlygas ir jų poveikį planetoms, erdvėlaiviams bei technologijoms. Saulės aktyvumas – viena pagrindinių jų priežasčių.[1]
Ankstesniame straipsnyje sekėme energiją, dėl kurios Saulė šviečia. Čia sekame jos magnetinį aktyvumą išorėn – nuo tamsių dėmių iki švytinčio dangaus ir sistemų, padedančių numatyti audrą.
Kodėl Saulė tampa nerami?
Saulę daugiausia sudaro plazma– elektringųjų dalelių turinti medžiaga. Jos sukimasis ir konvekciniai judesiai judina šią elektrai laidžią medžiagą ir padeda atkurti magnetinius laukus. Šis procesas vadinamas Saulės dinama. Diferencialinis sukimasis – pusiaujui sukantis greičiau nei poliams – padeda ištempti lauką, o besisukanti konvekcija taip pat jį formuoja. Visas dinamos veikimo mechanizmas tebėra aktyviai tiriamas.[2]
Saulės dėmės padaro magnetizmą matomą
Stiprūs magnetiniai laukai gali slopinti įprastą konvekcinį šilumos tiekimą ties paviršiumi, sukurdami palyginti vėsias Saulės dėmes. Ryškesnės fotosferos fone jos atrodo tamsios, bet vis tiek skleidžia daug šviesos. Išsivysčiusi dėmė turi tamsesnę centrinę šešėlio sritį ir ją supantį gijinį pusšešėlį. Pusšešėlio magnetiniai laukai paprastai silpnesni ir labiau pasvirę horizontalės link nei šešėlio srityje.[3]
Netolygus maždaug vienuolikos metų ritmas
Saulės dėmių skaičius didėja ir mažėja per maždaug vienuolikos metų aktyvumo ciklą. Ciklai skiriasi trukme ir stiprumu. Poliškumo raštas tarp gretimų ciklų apsiverčia, tad magnetinis ciklas trunka apie 22 metus. Saulės maksimumas paprastai reiškia daugiau aktyvių sričių ir išsiveržimų, o minimumas – sumažėjusį aktyvumą, ne neveiklią žvaigždę.[4], [2]
Kas iš tikrųjų palieka Saulę?
Aktyvios srities magnetiniai laukai gali įsitempti ir išlaisvinti energiją per magnetinį persijungimą– lauko persitvarkymą. Vienas išsiveržimas gali sukurti kelis signalus. Žybsniai ir vainikinės masės išmetimai dažnai vyksta kartu, tačiau vienas gali įvykti ir be kito.[6]
Žybsnio spinduliavimas: staigus šviesos padidėjimas
Saulės žybsnis – tai elektromagnetinio spinduliavimo pliūpsnis daugelyje bangos ilgių. Jo šviesa pasiekia Žemę maždaug per aštuonias minutes nuo išspinduliavimo. Žybsnis gali trukti nuo minučių iki valandų; jo trukmė skiriasi nuo šviesos kelionės laiko. Kai prie Žemės esantis prietaisas aptinka žybsnį, tie fotonai jau yra čia.[7]
Didelės energijos dalelės: daug greitesnė populiacija
Didelės energijos Saulės dalelės pagreitinamos iki daug didesnių energijų nei įprastos Saulės vėjo dalelės. Jas gali greitinti magnetinis persijungimas, o greitų CME sukeltos smūginės bangos ypač svarbios dideliuose, ilgalaikiuose dalelių įvykiuose. Jos nėra vien priekinis pagrindinės CME medžiagos kraštas.[8]
Pirmosios labai greitos dalelės gali pasiekti Žemės apylinkes per keliasdešimt minučių ar greičiau, o kitų dalelių atvykimas išsitęsia ilgesniam laikui. Radiacinė audra gali tęstis valandas ar dienas.[9]
Vainikinės masės išmetimai: magnetinius laukus nešanti medžiaga
Saulės vainikinės masės išmetimas, arba CME, – tai besiplečiantis plazmos ir magnetinio lauko debesis. Itin greiti į Žemę nukreipti CME gali atskrieti maždaug per 15–18 valandų; lėtesniems gali prireikti kelių dienų. Kad tiesiogiai paveiktų Žemę, CME turi kirsti jos aplinką, o jo magnetinės savybės padeda nulemti padarinius.[10]
Kokio stiprumo Saulės įvykis?
Žybsnio klasė matuoja vieną įvykio dalį
Žybsniai klasifikuojami pagal didžiausią prie Žemės išmatuotą rentgeno spinduliuotės srautą 0,1–0,8 nanometro bangos ilgių ruože. Klasės žymimos A, B, C, M, X. Esant tai pačiai skaitinei vertei, kiekviena paskesnė raidė reiškia dešimt kartų didesnį srautą: M1 srautas yra dešimt kartų didesnis nei C1. Toje pačioje klasėje X2 didžiausias srautas yra dukart didesnis nei X1. X klasė neturi viršutinės ribos.
Šis matavimas apibūdina rentgeno spinduliuotės srauto maksimumą. Tai nėra nei bendroji išsiveržimo energija, nei vainikinės masės išmetimo (CME) greičio matas, nei būsimo geomagnetinio sutrikimo prognozė.[7]
| Skalė | Ką apibūdina | Vertinimo pagrindas |
|---|---|---|
| R · Radijo ryšio nutrūkimai | Su žybsniais susiję aukštojo dažnio radijo ryšio sutrikimai Saulės apšviestoje Žemės pusėje. | Didžiausias Saulės rentgeno spinduliuotės srautas. |
| S · Saulės radiacinės audros | Padidėjęs didelės energijos protonų srautas. | Protonų, kurių energija viršija nustatytą slenkstį, srautas. |
| G · Geomagnetinės audros | Žemės magnetinės aplinkos sutrikimai. | Planetinis magnetinio aktyvumo Kp indeksas. |
Kiekvienos NOAA skalės įverčiai yra nuo 1 (silpnas) iki 5 (ekstremalus). Įverčiai apibūdina skirtingus pavojus, o ne vienos audros nuoseklius etapus.[11]
Kodėl Žemė kartais reaguoja stipriai?
Žemės magnetinis laukas formuoja ją supančią sritį, vadinamą magnetosfera. Saulės vėjas suspaudžia į Saulę atsuktą jos pusę, o priešingoje pusėje ištęsia ilgą uodegą. Geomagnetinė audra kyla, kai neįprastai intensyvus energijos perdavimas iš Saulės vėjo sutrikdo šią sistemą.
Svarbūs greitis ir magnetinio lauko stipris, tačiau svarbi ir jo kryptis. Ilgai išliekanti į pietus nukreipta dedamoji atplūstančiame magnetiniame lauke gali sudaryti sąlygas veiksmingam persijungimui su Žemės dieninės pusės magnetiniu lauku. Per šią jungtį energija perduodama į magnetosferą ir sustiprėja elektros srovės. Todėl vien įspūdingas išsiveržimo vaizdas neleidžia prognozuoti audros stiprumo Žemėje.[12]
Pašvaistės atskleidžia atmosferą pasiekiančią energiją
Pašvaistės susidaro, kai didelės energijos dalelės, dažnai elektronai, juda išilgai magnetinio lauko linijų į viršutinius atmosferos sluoksnius. Susidūrimai su šiomis dalelėmis sužadina deguonį ir azotą, kurie išspinduliuoja energiją šviesos pavidalu. Esant stipriam aktyvumui, pašvaisčių sritis gali išsiplėsti gerokai toliau nuo ašigalių.[13]
Vainiko skylės – kitas sutrikimų šaltinis
Vainiko skylės yra sritys su atviru magnetiniu lauku, iš kurių sklinda greitojo Saulės vėjo srautai. Kai greitas srautas pasiveja prieš jį judantį lėtesnį vėją, dėl jų sąveikos suspaudžiama medžiaga ir magnetiniai laukai, o tai gali sukelti geomagnetinį aktyvumą. Ilgai gyvuojančios vainiko skylės Saulei sukantis gali pasirodyti pakartotinai; jos dažnos Saulės aktyvumo minimumo laikotarpiu, todėl net kai Saulės dėmių aktyvumas mažesnis, kosminių orų reiškiniai neišnyksta.[14]
Kaip kosminiai orai veikia technologijas?
Radijo ryšys
Žybsnių rentgeno spinduliuotė padidina jonizaciją apatinėje jonosferos dalyje Saulės apšviestoje Žemės pusėje. Dėl to gali būti sugeriami aukštojo dažnio radijo signalai, kurie kitu atveju užtikrintų tolimąjį ryšį. Didelės energijos Saulės protonai sukelia kitokio pobūdžio sugerties problemą poliariniuose regionuose, todėl gali būti paveikti maršrutai, kuriuose remiamasi radijo ryšiu aukštosiose platumose.[15]
Palydovinė navigacija
Navigacijos palydovų signalai, prieš pasiekdami imtuvą, kerta jonosferą. Dėl smulkių elektronų tankio netolygumų gali svyruoti jų stipris ir fazė. Šis procesas vadinamas scintiliacija. Dėl smarkių svyravimų imtuvams gali nepavykti patikimai sekti signalo, todėl padėties nustatymas tampa mažiau tikslus arba visai neįmanomas.[16]
Palydovai žemojoje Žemės orbitoje
Su audromis susijęs įkaitimas gali išplėsti viršutinius atmosferos sluoksnius ir padidinti dujų tankį palydovų orbitų aukštyje. Dėl to padidėjęs aerodinaminis pasipriešinimas keičia orbitinį judėjimą ir apsunkina tikslias prognozes. Tai atmosferos reakcija: palydovas gali patirti didesnį pasipriešinimą ir nesusidūręs su kietu objektu.[17]
Elektros tinklai Žemėje
Staigūs magnetinio lauko pokyčiai grunte indukuoja elektrinius laukus. Jie gali sukelti sroves ilguose laidžiuose tinkluose, įskaitant elektros linijas, taip padidindami transformatorių apkrovą ir apsunkindami elektros tinklo valdymą. Poveikis priklauso nuo vietinių magnetinio lauko pokyčių, grunto elektrinio laidumo ir tinklo sandaros, o ne vien nuo bendro audros įvertinimo.[18]
Erdvėlaivių elektronika ir žmonės už atmosferos ribų
Elektringosios dalelės taip pat gali sukelti elektros krūvio kaupimąsi erdvėlaivių paviršiuje ar viduje, pavienius elektronikos sutrikimus ir prisidėti prie ilgainiui susidarančios spinduliuotės žalos. Šie mechanizmai skiriasi nuo atmosferos pasipriešinimo poveikio ir priklauso nuo dalelių energijos, orbitinės aplinkos, apsaugos nuo spinduliuotės ir konstrukcijos.[19]
Žemės atmosfera patikimai saugo ant žemės esančius žmones. Astronautams, o stiprių dalelių įvykių metu – ir dideliame aukštyje skrendantiems žmonėms, ypač netoli ašigalių, spinduliuotės apšvita kelia kitokį rūpestį. Todėl stebint spinduliuotę ir planuojant misijas sprendžiama kitokia grėsmė nei antžeminio elektros tinklo sutrikimai.[9]
Kaip prognozuotojai sužino, kas artėja?
Prognozavimas prasideda nuo Saulės stebėjimų. Vaizduose matyti aktyviosios sritys ir išsiveržimai, o magnetinio lauko žemėlapiai rodo lauką regimajame paviršiuje. Koronografai užstoja ryškų Saulės diską, kad būtų galima sekti į išorę besiplečiančią medžiagą. Šie stebėjimai padeda įvertinti vainikinės masės išmetimo (CME) kryptį, plotį ir greitį.[10]
Modeliai padeda įvertinti sklidimą
Sklidimo modeliai, tokie kaip WSA–Enlil, sujungia foninio Saulės vėjo duomenis su įvertintomis CME pradinėmis sąlygomis. Jie apskaičiuoja, kaip trikdis sklinda Žemės ir kitų vietų link. Pradinių matavimų neapibrėžtumas ir supaprastinta išsiveržimo geometrija lemia atvykimo laiko neapibrėžtumą, todėl prognozę reikėtų suprasti kaip nuolat tikslinamą įvertį.[20]
Prieš Žemę esantys prietaisai matuoja artėjantį srautą
Prieš Žemę Saulės vėjo sraute esantys stebėjimo prietaisai matuoja greitį, tankį ir magnetinio lauko kryptį. Jie parodo, ar artėjantis laukas sudaro sąlygas stipriam geomagnetiniam atsakui. Priklausomai nuo Saulės vėjo greičio, įspėti paprastai galima likus nuo kelių iki kelių dešimčių minučių.[13]
Nėra vieno universalaus išankstinio įspėjimo laiko apie „Saulės audrą“. Šviesa, didelės energijos dalelės ir pagrindinė plazmos masė atvyksta skirtingai, todėl kiekvienam iš šių reiškinių reikia atskirų stebėjimų. Naudinga prognozė nurodo ir tai, ko tikimasi, ir tai, kiek patikimas šis lūkestis.
Ko mus išmokė stiprios audros?
| Įvykis | Kas buvo užfiksuota | Ką tai padeda suprasti |
|---|---|---|
| 1859 m. · Karingtono laikų audros | Plačiai matytos pašvaistės, magnetiniai trikdžiai ir telegrafo sistemų sutrikimai. | Saulės aktyvumas galėjo paveikti ilgus elektrai laidžius tinklus dar iki šiuolaikinės elektronikos atsiradimo.[21] |
| 1989 m. kovas · Kvebekas | Geomagnetinė audra sukėlė „Hydro-Québec“ elektros energetikos sistemos griūtį. | Svarbūs ne tik pasauliniai audrų indeksai, bet ir spartūs vietiniai magnetinio lauko pokyčiai bei elektros tinklo reakcija.[22] |
| 2003 m. · Helovino audros | Išsiveržimų seka paveikė kosminius aparatus, radijo ryšį, navigaciją ir veiklą Žemėje. | Keli išsiveržimai gali sukelti ilgą laikotarpį, kai vienu metu kyla įvairių, persidengiančių pavojų.[23] |
| 2024 m. gegužė · Intensyvus aktyvumas | Neįprastai plačiai matomas pašvaistes lydėjo atmosferos plėtimasis ir palydovų operatoriams kilę sunkumai. | Audra gali būti įspūdingas reginys ir kartu keisti aplinką, kurioje skrieja orbitiniai kosminiai aparatai.[24] |
Įvykį vadinant „panašiu į Karingtono įvykį“, galima užmaskuoti neapibrėžtumą. Istoriniai matavimai yra neišsamūs, o 1859 m. audros intensyvumo vertinimai skiriasi. Šie neapibrėžtumai persiduoda ir į vertinimus, kaip dažnai pasitaiko panašaus masto ekstremalių įvykių. Turimi duomenys rodo, kad į stiprius įvykius reikia žiūrėti rimtai, tačiau jie neleidžia patikimai nustatyti kito tokio įvykio datos.[25]
Šie atvejai atskleidžia praktinę mokslo reikšmę. Matavimai, inžinerija ir operaciniai sprendimai yra susiję: praktiškai svarbu klausti, kaip konkreti sistema reaguoja į konkretų trikdį.
Kaip kosminiai orai pasireiškia už Žemės ribų?
Ta pati aktyvi Saulė veikia ir kitas planetas, tačiau kiekvienos jų atsakas priklauso nuo jos atmosferos ir magnetinės aplinkos. Marsas neturi į Žemės panašaus visuotinio magnetinio lauko. Todėl Saulės dalelės gali paveikti daug didesnę jo atmosferos dalį.
Stipraus Saulės aktyvumo metu, 2024 m. gegužę, NASA kosminis aparatas MAVEN stebėjo ultravioletines pašvaistes visame Marse, o marsaeigis „Curiosity“ užfiksavo padidėjusį spinduliuotės lygį jo paviršiuje. Šie stebėjimai susiejo išsiveržimą Saulėje su matavimais kitame pasaulyje.[26]
Tyrinėjant erdvę už Žemės ribų, Saulės ir planetų sąveikos supratimas padeda interpretuoti mokslinius matavimus bei planuoti kosminių aparatų ir įgulų veiklą. NASA kosminių orų tyrimai apima ir šias platesnes taikymo sritis Saulės sistemoje.[1]
Taip grįžtame prie jau pažįstamo principo: vien atstumas nenulemia rezultato. Svarbūs ir magnetiniai laukai, atmosferos, trikdžio kelias bei su juo susidurianti sistema.
Šaltiniai ir papildoma literatūra
Pirminiai moksliniai tyrimai ir institucijų parengta aiškinamoji medžiaga, pagrindžiantys šiame straipsnyje aprašytus fizikinius procesus, prognozavimo metodus ir istorinius pavyzdžius.
- NASA – Kosminiai oraiSaulės įtaka kosminei aplinkai, technologijoms ir kosmoso tyrinėjimui.
- NASA Maršalo centras – Saulės dinamo mechanizmasKaip elektrai laidžios plazmos srautai, diferencinis sukimasis ir konvekcija atkuria Saulės magnetinį lauką; dinamo mechanizmas tebėra aktyvių tyrimų objektas.
- NASA Maršalo centras – Fotosferos dariniaiSaulės dėmių šešėliai ir pusšešėliai, jų temperatūros ir magnetiniai laukai bei fotosferoje matoma granuliacija.
- NASA Maršalo centras – Saulės dėmių ciklasMaždaug vienuolikos metų Saulės dėmių ciklas ir platumų juostos, kurios drugelio diagramoje slenka pusiaujo link.
- NASA – Ar Saulė sukelia visuotinį atšilimą?Atskiriamas Saulės kintamumas ir pastarojo meto visuotinio atšilimo priežastys.
- NASA – Saulės audros ir pliūpsniaiIliustruotas įvadas, paaiškinantis skirtumus tarp žybsnių šviesos, didelės energijos dalelių ir vainikinės masės išmetimų, taip pat skirtingą jų sklidimo trukmę.
- NOAA kosminių orų prognozavimo centras – Saulės pliūpsniai (radijo ryšio sutrikimai)Žybsnių trukmė ir klasifikacija nuo A iki X pagal didžiausią GOES matuojamą rentgeno spinduliuotės srautą 0,1–0,8 nanometro bangų ilgių ruože.
- David V. Reames – Didelės energijos Saulės dalelės (2017)Specialistams skirtas dalelių greitinimo dėl magnetinio persijungimo ir CME sukeltų smūginių bangų aprašymas, įskaitant duomenis apie didelio masto dalelių įvykių kilmę.
- NOAA kosminių orų prognozavimo centras – Saulės radiacinė audraDidelės energijos Saulės protonai gali atskrieti per kelias dešimtis minučių ar greičiau, o dalelių audros gali trukti nuo kelių valandų iki kelių dienų.
- NOAA kosminių orų prognozavimo centras – Vainikinės masės išmetimaiBesiplečiantys plazmos ir magnetinio lauko debesys, jų kelionės iki Žemės trukmė ir smūginės bangos, galinčios pagreitinti elektringąsias daleles.
- NOAA – Kosminių orų skalėsAtskiros R, S ir G skalės apibūdina radijo ryšio sutrikimus, Saulės radiacines audras ir geomagnetines audras.
- NOAA – Geomagnetinės audrosSaulės vėjo energijos perdavimas, į pietus nukreipti magnetiniai laukai, didelio greičio srautai ir Žemės magnetinės aplinkos pokyčiai.
- NOAA – Pašvaisčių pradžiamokslisPašvaisčių švytėjimo susidarymas, pasikartojantys Saulės vėjo trikdžiai ir skirtingos trumpalaikių bei ilgesnio laikotarpio prognozių ribos.
- NOAA kosminių orų prognozavimo centras – Vainiko skylėsAtviros magnetinio lauko sritys yra greitų Saulės vėjo srautų šaltinis; ilgai išliekančios vainiko skylės dažnos ties Saulės aktyvumo minimumu.
- NOAA – Trumpųjų bangų (HF) radijo ryšysRadijo bangų sugertis dieninėje Žemės pusėje dėl žybsnių rentgeno spinduliuotės ir sugertis aukštosiose platumose dėl didelės energijos Saulės protonų.
- NOAA — Jonosferos scintiliacijaSmulkioji elektronų tankio struktūra keičia radijo signalus ir gali sutrikdyti palydovinę navigaciją.
- NOAA — Palydovų patiriamas atmosferos pasipriešinimasViršutinių atmosferos sluoksnių įkaitimas, padidėjęs tankis palydovų skrydžio aukštyje ir žemųjų Žemės orbitų pokyčiai.
- NOAA — Elektros energijos perdavimasKaip kintantys magnetiniai laukai indukuoja sroves elektrai laidžiuose tinkluose ir kaip jų poveikį lemia grunto bei elektros tinklo savybės.
- NOAA — Aplinkos sukeltų erdvėlaivių veikimo anomalijų ekspertinė sistema – realiuoju laikuSkiria paviršiaus įsielektrinimą, vidinį įsielektrinimą, pavienių dalelių sukeltus trikdžius ir kaupiamąjį spinduliuotės poveikį.
- NASA CCMC — WSA–Enlil modelis SWPC centreMagnetiniai žemėlapiai ir pagal koronografų duomenis nustatyti vainikinės masės išmetimų (CME) parametrai naudojami kaip Saulės vėjo sklidimo modelio įvesties duomenys; jo prognozėse išlieka įvesties duomenų ir geometrijos neapibrėžtumai.
- Green ir Boardsen (2006) — 1859 m. didžiosios pašvaisčių audros trukmė ir mastasIstoriniai pašvaisčių, magnetinio lauko ir telegrafo veikimo stebėjimai per 1859 m. trikdžius.
- Boteler (2019) — 21-ojo amžiaus požiūris į 1989 m. kovo magnetinę audrąAtkuriama audros eiga ir jos poveikis „Hydro-Québec“ sistemai bei kitiems elektros tinklams.
- NOAA — Prisimenant didžiąsias Helovino Saulės audrasApžvelgiami 2003 m. išsiveržimai ir jų poveikis erdvėlaiviams, ryšiams bei infrastruktūrai.
- ESA — 2024 m. gegužės Saulės audra: atsakymai į jūsų klausimusAiškinamos pašvaistės, atmosferos plėtimasis ir veiklos iššūkiai audros metu.
- Love ir kt. (2024) — Apie 1859 m. Karingtono audros intensyvumo įverčio neapibrėžtumąParodoma, kaip istorinės audros intensyvumo neapibrėžtumas veikia ekstremalių įvykių dažnio įverčius.
- NASA stebi, kaip per įspūdingą Saulės audrą nušvinta MarsasSpinduliuotės ir plačiai išplitusių Marso pašvaisčių matavimai per Saulės aktyvumą 2024 m. gegužę.
Saulės sistemos dinamika ir ateitis
- Saulės sandara ir gyvavimo ciklas
- Saulės aktyvumas: pliūpsniai, dėmės ir kosminiai orai · Jūs esate čia
- Planetų orbitos ir rezonansai
- Asteroidų ir kometų smūgiai
- Planetų klimato ciklai
- Raudonosios milžinės fazė: vidinių planetų likimas
- Koiperio juosta ir Orto debesis
- Potencialios gyvybei tinkamos zonos už Žemės ribų
- Žmonijos tyrinėjimai: praeitis, dabartis ir ateitis
- Ilgalaikė Saulės sistemos evoliucija