Päikese aktiivsus: pursked, laigud ja kosmiline ilm
Linas JuozėnasJaga
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]
Ebaregulaarne umbes üheteistaastane rütm
Päikeseplekkide arv suureneb ja väheneb umbes üheteistaastase aktiivsustsükli jooksul. Tsüklite kestus ja tugevus on erinev. Polaarsusmuster pöördub naabertsüklite vahel ümber, nii et magnetiline tsükkel kestab umbes 22 aastat. Päikese maksimum tähendab tavaliselt rohkem aktiivseid piirkondi ja väljapurskeid, miinimum aga aktiivsuse vähenemist, mitte tähe tegevusetust.[4], [2]
Mis Päikeselt tegelikult lahkub?
Aktiivse piirkonna magnetväljad võivad pingestuda ja vabastada energiat magnetilise taasühendumise kaudu – see on magnetvälja ümberkorraldumine. Üks väljapurse võib tekitada mitu signaali. Puhangud ja krooni massi väljapursked toimuvad sageli koos, kuid kumbki võib esineda ka teiseta.[6]
Purskekiirgus: järsk valguse suurenemine
Päikese purse on elektromagnetilise kiirguse puhang paljudel lainepikkustel. Selle valgus jõuab Maale umbes kaheksa minutiga pärast kiirgumist. Purse võib kesta minuteid või tunde; selle kestus erineb valguse teekonna pikkusest. Kui Maa-lähedane seade purske tuvastab, on need footonid juba kohal.[7]
Suure energiaga osakesed: palju kiirem osakeste kogum
Suure energiaga Päikese osakesed kiirendatakse palju suurema energiani kui tavalised päikesetuule osakesed. Neid võib kiirendada magnetiline taasühendumine ning kiirete CME-de põhjustatud lööklained on eriti olulised suurte ja pikaajaliste osakeste sündmuste puhul. Need ei ole lihtsalt CME põhiaine esiserv.[8]
Esimesed väga kiired osakesed võivad jõuda Maa lähedusse mõnekümne minutiga või kiiremini, teiste osakeste saabumine aga kestab kauem. Kiirgustorm võib kesta tunde või päevi.[9]
Krooni massi väljapursked: magnetvälju kandev aine
Päikese krooni massi väljapurse ehk CME on paisuv plasma- ja magnetvälja pilv. Äärmiselt kiired Maa poole suunduvad CME-d võivad kohale jõuda umbes 15–18 tunniga; aeglasematel võib selleks kuluda mitu päeva. Et CME Maad otseselt mõjutaks, peab see läbima Maa ümbruse ning selle magnetilised omadused aitavad tagajärgi määrata.[10]
Kui võimas on Päikese sündmus?
Sähvatuse klass mõõdab üht sündmuse osa
Sähvatused liigitatakse Maa juures mõõdetud suurima röntgenkiirguse voo järgi lainepikkuste vahemikus 0,1–0,8 nanomeetrit. Klassid on tähistatud tähtedega A, B, C, M, X. Sama arvväärtuse korral tähendab iga järgmine täht kümme korda suuremat voogu: M1 voog on kümme korda suurem kui C1 voog. Samas klassis on X2 suurim voog kaks korda suurem kui X1 puhul. X-klassil puudub ülempiir.
See mõõtmine kirjeldab röntgenkiirguse voo maksimumi. See ei näita purse koguenergiat ega koronaalse massi väljapaiske (CME) kiirust ega ennusta tulevast geomagnetilist häiret.[7]
| Skaala | Mida kirjeldab | Hindamise alus |
|---|---|---|
| R · Raadioside katkestused | Päikesepoolsel Maa küljel toimuvad sähvatustega seotud kõrgsagedusliku raadioside häired. | Päikese röntgenkiirguse suurim voog. |
| S · Päikese kiirgustormid | Suure energiaga prootonite suurenenud voog. | Üle kindla lävendi energiaga prootonite voog. |
| G · Geomagnetilised tormid | Maa magnetilise keskkonna häired. | Planetaarne magnetilise aktiivsuse Kp-indeks. |
NOAA iga skaala väärtused jäävad vahemikku 1 (nõrk) kuni 5 (äärmuslik). Väärtused kirjeldavad eri ohte, mitte ühe tormi järjestikuseid etappe.[11]
Miks reageerib Maa mõnikord tugevalt?
Maa magnetväli kujundab seda ümbritseva piirkonna, mida nimetatakse magnetosfääriks. Päikesetuul surub kokku selle Päikese poole jääva külje ja venitab vastasküljel välja pika saba. Geomagnetiline torm tekib siis, kui Päikesetuulest ebatavaliselt intensiivne energiaülekanne seda süsteemi häirib.
Olulised on nii kiirus kui ka magnetvälja tugevus, kuid tähtis on ka selle suund. Saabuvast magnetväljast pikka aega püsiv lõuna suunaline komponent võib võimaldada tõhusat taasühendumist Maa päevakülje magnetväljaga. Selle ühenduse kaudu kandub energia magnetosfääri ja elektrivoolud tugevnevad. Seetõttu ei võimalda üksnes muljetavaldav pilt purskest ennustada Maa peal tekkiva tormi tugevust.[12]
Virmalised toovad nähtavale atmosfääri jõudva energia
Virmalised tekivad siis, kui suure energiaga osakesed, sageli elektronid, liiguvad mööda magnetvälja jõujooni atmosfääri ülemistesse kihtidesse. Nende osakestega põrkumine ergastab hapnikku ja lämmastikku, mis kiirgavad energiat valgusena. Tugeva aktiivsuse korral võib virmaliste ala laieneda poolustest märksa kaugemale.[13]
Kroonaukud – veel üks häirete allikas
Kroonaugud on avatud magnetväljaga piirkonnad, kust lähtuvad kiire päikesetuule vood. Kui kiire voog jõuab talle eelneva aeglasema tuuleni, surub nende vastastikmõju kokku aine ja magnetväljad ning võib põhjustada geomagnetilist aktiivsust. Pikaealised kroonaugud võivad Päikese pöörlemise ajal korduvalt nähtavale ilmuda; need on sagedased Päikese aktiivsuse miinimumi ajal, mistõttu kosmoseilmanähtused ei kao ka siis, kui päikeseplekkide aktiivsus on väiksem.[14]
Kuidas kosmoseilm tehnoloogiat mõjutab?
Raadioside
Puhangute röntgenkiirgus suurendab ionisatsiooni ionosfääri alumises osas Maa päikesepoolsel küljel. Selle tõttu võivad neelduda kõrgsageduslikud raadiolained, mis muidu võimaldaksid kaugsidet. Suure energiaga päikeseprootonid põhjustavad polaaraladel teistsuguseid neeldumisprobleeme, mistõttu võib see mõjutada marsruute, kus tuginetakse kõrgetel laiuskraadidel raadiosidele.[15]
Satelliitnavigatsioon
Navigatsioonisatelliitide signaalid läbivad enne vastuvõtjani jõudmist ionosfääri. Elektronide tiheduse väikeste ebaühtluste tõttu võib nende tugevus ja faas kõikuda. Seda protsessi nimetatakse stsintillatsiooniks. Tugevate kõikumiste tõttu ei pruugi vastuvõtjad signaali usaldusväärselt jälgida, mistõttu muutub asukoha määramine ebatäpsemaks või üldse võimatuks.[16]
Satelliidid madalal Maa orbiidil
Tormidega seotud kuumenemine võib laiendada atmosfääri ülemisi kihte ja suurendada gaasi tihedust satelliitide orbiitide kõrgusel. Selle tagajärjel muudab suurenenud aerodünaamiline takistus orbiidi liikumist ja raskendab täpseid prognoose. Tegemist on atmosfääri reaktsiooniga: satelliit võib kogeda suuremat takistust ka ilma tahke objektiga kokku põrkamata.[17]
Maa elektrivõrgud
Maa pinnases tekitavad kiired magnetvälja muutused elektrivälju. Need võivad põhjustada voolusid pikkades juhtivates võrkudes, sealhulgas elektriliinides, suurendades nii transformaatorite koormust ja raskendades elektrivõrgu haldamist. Mõju sõltub kohalikest magnetvälja muutustest, pinnase elektrijuhtivusest ja võrgu ülesehitusest, mitte üksnes tormi üldhinnangust.[18]
Kosmoseaparaatide elektroonika ja inimesed väljaspool atmosfääri
Elektrilaenguga osakesed võivad põhjustada ka elektrilaengu kogunemist kosmoseaparaatide pinnale või nende sisse, üksikuid elektroonikarikkeid ning pika aja jooksul tekkiva kiirguskahjustuse süvenemist. Need mehhanismid erinevad atmosfääritakistuse mõjust ning sõltuvad osakeste energiast, orbitaalkeskkonnast, kiirguskaitsest ja konstruktsioonist.[19]
Maa atmosfäär kaitseb maapinnal viibivaid inimesi usaldusväärselt. Astronautidele ning tugevate osakestesündmuste ajal ka suurel kõrgusel lendavatele inimestele, eriti pooluste lähedal, põhjustab kiirgusega kokkupuude teistsugust muret. Seetõttu käsitletakse kiirguse seire ja missioonide kavandamise käigus teistsugust ohtu kui maapealse elektrivõrgu häireid.[9]
Kuidas prognoosijad teavad, mis läheneb?
Prognoosimine algab Päikese vaatlustest. Piltidel on näha aktiivseid piirkondi ja purskeid, magnetvälja kaardid näitavad välja nähtaval pinnal. Koronagraafid varjavad ereda Päikese ketta, et saaks jälgida väljapoole paisuvat ainet. Need vaatlused aitavad hinnata koronaalse massi väljapaiske (CME) suunda, laiust ja kiirust.[10]
Mudelid aitavad levikut hinnata
Levimismudelid, näiteks WSA–Enlil, ühendavad Päikese tuule fooniandmed hinnanguliste CME algtingimustega. Nende abil arvutatakse, kuidas häiring levib Maa ja teiste asukohtade suunas. Esialgsete mõõtmiste ebakindlus ja purske lihtsustatud geomeetria põhjustavad saabumisaja ebakindluse, seega tuleks prognoosi käsitada pidevalt täpsustatava hinnanguna.[20]
Maast eespool asuvad mõõteriistad mõõdavad lähenevat voogu
Mõõteriistad, mis asuvad Maast eespool päikesetuules, mõõdavad kiirust, tihedust ja magnetvälja suunda. Nende abil selgub, kas lähenev väli loob tingimused tugevaks geomagnetiliseks reaktsiooniks. Päikesetuule kiirusest olenevalt saab tavaliselt hoiatada mõnest kuni mõnekümne minutini ette.[13]
Päikesetormi eest pole üht universaalset eelhoiatusaega. Valgus, suure energiaga osakesed ja peamine plasmakogus saabuvad erineval ajal, seega vajab iga nähtus eraldi seiret. Kasulik prognoos ütleb nii, mida oodatakse, kui ka seda, kui kindel see ootus on.
Mida õpetasid meile tugevad tormid?
| Sündmus | Mida registreeriti | Mida see aitab mõista |
|---|---|---|
| 1859 · Carringtoni ajastu tormid | Laialdaselt nähtud virmalised, magnetilised häired ja telegraafisüsteemide tõrked. | Päikese aktiivsus võis mõjutada pikki elektrit juhtivaid võrke juba enne nüüdisaegse elektroonika tekkimist.[21] |
| märts 1989 · Québec | Geomagnetiline torm põhjustas „Hydro-Québeci“ elektrisüsteemi kokkuvarisemise. | Olulised pole ainult üleilmsed tormiindeksid, vaid ka kiired kohalikud magnetvälja muutused ja elektrivõrgu reaktsioon.[22] |
| 2003 · Halloweeni tormid | Pursete jada mõjutas kosmosesõidukeid, raadiosidet, navigatsiooni ja tegevust Maal. | Mitu purset võivad põhjustada pika perioodi, mil korraga esineb mitmesuguseid kattuvaid ohte.[23] |
| mai 2024 · Intensiivne aktiivsus | Ebatavaliselt laialt nähtavaid virmalisi saatsid atmosfääri paisumine ja satelliidioperaatorite raskused. | Torm võib olla muljetavaldav vaatepilt ja samal ajal muuta keskkonda, milles tiirlevad kosmoseaparaadid liiguvad.[24] |
Sündmuse nimetamine „Carringtoni sündmuse sarnaseks” võib ebakindluse varjata. Ajaloolised mõõtmised on puudulikud ja 1859. aasta tormi tugevuse hinnangud erinevad. See ebakindlus kandub edasi ka hinnangutesse, kui sageli esineb samas suurusjärgus äärmuslikke sündmusi. Olemasolevad andmed näitavad, et tugevaid sündmusi tuleb tõsiselt võtta, kuid nende põhjal ei saa usaldusväärselt kindlaks teha järgmise sellise sündmuse toimumisaega.[25]
Need juhtumid näitavad teaduse praktilist tähtsust. Mõõtmised, inseneritöö ja operatiivsed otsused on omavahel seotud: praktilisest seisukohast on oluline küsida, kuidas konkreetne süsteem konkreetsele häiringule reageerib.
Kuidas avaldub kosmoseilm väljaspool Maad?
Sama aktiivne Päike mõjutab ka teisi planeete, kuid iga planeedi reaktsioon sõltub selle atmosfäärist ja magnetkeskkonnast. Marsil puudub Maale sarnane globaalne magnetväli. Seetõttu võivad Päikese osakesed mõjutada palju suuremat osa selle atmosfäärist.
Tugeva päikeseaktiivsuse ajal, 2024. aasta mais, jälgis NASA kosmoseaparaat MAVEN ultraviolettkiirguses virmalisi kogu Marsil ning kulgur Curiosity registreeris selle pinnal suurenenud kiirgustaseme. Need vaatlused seostasid Päikese purske teisel taevakehal tehtud mõõtmistega.[26]
Maalähedase kosmose uurimisel aitab Päikese ja planeetide vastastikmõju mõistmine teaduslikke mõõtmisi tõlgendada ning kosmosesõidukite ja meeskondade tegevust kavandada. NASA kosmoseilma uuringud hõlmavad ka neid laiemaid rakendusvaldkondi Päikesesüsteemis.[1]
Nii jõuame tagasi juba tuttava põhimõtte juurde: tulemust ei määra üksnes kaugus. Olulised on ka magnetväljad, atmosfäärid, häiringu teekond ja süsteem, millega see kokku puutub.
Allikad ja lisalugemine
Alusuuringud ja institutsioonide koostatud selgitavad materjalid, mis toetavad selles artiklis kirjeldatud füüsikalisi protsesse, prognoosimismeetodeid ja ajaloolisi näiteid.
- NASA – KosmoseilmPäikese mõju kosmosekeskkonnale, tehnoloogiale ja kosmoseuuringutele.
- NASA Marshalli keskus – päikese dünamo mehhanismKuidas elektrit juhtiva plasma voolud, diferentsiaalne pöörlemine ja konvektsioon taastavad Päikese magnetvälja; dünamo mehhanism on jätkuvalt aktiivse uurimistöö objekt.
- NASA Marshalli keskus – fotosfääri struktuuridPäikeseplekkide umbra ja poolvari, nende temperatuurid ja magnetväljad ning fotosfääris nähtav granulatsioon.
- NASA Marshalli keskus – päikeseplekkide tsükkelLigikaudu üheteistaastane päikeseplekkide tsükkel ja laiuskraadivööndid, mis liiguvad liblika diagrammil ekvaatori poole.
- NASA – Kas Päike põhjustab globaalset soojenemist?Tehakse vahet Päikese muutlikkusel ja hiljutise globaalse soojenemise põhjustel.
- NASA – päikesetormid ja purskedIllustreeritud sissejuhatus, mis selgitab purskevalguse, suure energiaga osakeste ja koronaalsete massipursete erinevusi ning nende levimisaja erinevusi.
- NOAA kosmoseilma prognoosikeskus – päikesepursked (raadioside häired)Pursete kestus ja klassifikatsioon A-st X-ni vastavalt GOES-i mõõdetud röntgenkiirguse voo maksimumile lainepikkuste vahemikus 0,1–0,8 nanomeetrit.
- David V. Reames – suure energiaga päikeseosakesed (2017)Spetsialistidele mõeldud kirjeldus osakeste kiirendamisest magnetilise taasühendumise ja CME-de tekitatud lööklainete toimel, sealhulgas ülevaade suure ulatusega osakestesündmuste tekkest.
- NOAA kosmoseilma prognoosikeskus – päikesekiirguse tormSuure energiaga päikeseprootonid võivad kohale jõuda mõnekümne minuti või veel lühema ajaga ning osakeste tormid võivad kesta mõnest tunnist mitme päevani.
- NOAA kosmoseilma prognoosikeskus – koronaalsed massipurskedLaienevad plasma- ja magnetvälja pilved, nende Maale jõudmise aeg ning lööklained, mis võivad elektriliselt laetud osakesi kiirendada.
- NOAA – Kosmoseilma skaaladEraldi R-, S- ja G-skaalad kirjeldavad raadioside häireid, Päikese kiirgustorme ja geomagnettorme.
- NOAA – GeomagnettormidPäikesetuule energia ülekanne, lõuna suunas suunatud magnetväljad, suure kiirusega vood ja muutused Maa magnetkeskkonnas.
- NOAA – Virmaliste algkursusVirmaliste kuma teke, korduvad päikesetuule häired ning lühi- ja pikemaajaliste prognooside erinevad piirangud.
- NOAA kosmoseilma prognoosikeskus – KrooniaugudAvatud magnetvälja piirkonnad on kiire päikesetuule voo allikad; pikaealised krooniaugud on sagedased Päikese aktiivsuse miinimumi ajal.
- NOAA – Lühilaine (HF) raadiosideRaadiolainete neeldumine Maa päevapoolel sähvatuste röntgenkiirguse tõttu ning neeldumine kõrgetel laiustel suure energiaga Päikese prootonite tõttu.
- NOAA — Ionosfääri stsintillatsioonElektronide tiheduse peenstruktuur muudab raadiosignaale ja võib häirida satelliitnavigatsiooni.
- NOAA — Satelliitide atmosfääritakistusÜlemise atmosfääri soojenemine, suurenenud tihedus satelliitide orbiidikõrgusel ja muutused madalatel Maa orbiitidel.
- NOAA — Elektrienergia ülekanneKuidas muutuvad magnetväljad indutseerivad voole elektrit juhtivates võrkudes ning kuidas nende mõju sõltub pinnase ja elektrivõrgu omadustest.
- NOAA — Keskkonnast tingitud kosmosesõidukite toimimishäirete ekspertisüsteem – reaalajasEristab pinna elektriseerumist, sisemist elektriseerumist, üksikosakeste põhjustatud häireid ja kumulatiivset kiirguse mõju.
- NASA CCMC — WSA–Enlili mudel SWPC keskusesMagnetkaarte ja koronograafiandmete põhjal kindlaks tehtud koronaalsete massipaisete (CME) parameetreid kasutatakse päikesetuule leviku mudeli sisendandmetena; selle prognoosides säilib sisendandmete ja geomeetriaga seotud ebakindlus.
- Green ja Boardsen (2006) — 1859. aasta suure virmaliste tormi kestus ja ulatusAjaloolised tähelepanekud virmaliste, magnetvälja ja telegraafi töö kohta 1859. aasta häirete ajal.
- Boteler (2019) — 21. sajandi vaade 1989. aasta märtsi magnettormileTaastatakse tormi kulg ja selle mõju Hydro-Québeci süsteemile ning teistele elektrivõrkudele.
- NOAA — meenutades suuri Halloweeni päikesetormeAntakse ülevaade 2003. aasta pursangutest ja nende mõjust kosmoselaevadele, sidele ja taristule.
- ESA — 2024. aasta mai päikesetorm: vastused teie küsimusteleSelgitatakse virmalisi, atmosfääri paisumist ja tormiga seotud tegevuslikke probleeme.
- Love jt (2024) — 1859. aasta Carringtoni tormi intensiivsuse hinnangu ebakindlusestNäidatakse, kuidas ajaloolise tormi intensiivsuse hinnangu ebakindlus mõjutab äärmuslike sündmuste sageduse hinnanguid.
- NASA jälgib, kuidas võimas päikesetorm Marsi valgustabKiirguse ja laialdaste Marsi virmaliste mõõtmised 2024. aasta mai päikeseaktiivsuse ajal.
Päikesesüsteemi dünaamika ja tulevik
- Päikese ehitus ja elutsükkel
- Päikese aktiivsus: pursked, laigud ja kosmoseilm · Olete siin
- Planeetide orbiidid ja resonantsid
- Asteroidide ja komeetide kokkupõrked
- Planeetide kliimatsüklid
- Punase hiidtähe faas: siseplaneetide saatus
- Kuiperi vöö ja Oorti pilv
- Potentsiaalselt eluks sobivad piirkonnad väljaspool Maad
- Inimkonna avastusretked: minevik, olevik ja tulevik
- Päikesesüsteemi pikaajaline areng